煤礦電法集成勘探系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

劉寶寶，郭 純，楊海濤

煤礦電法集成勘探系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

劉寶寶，郭 純，楊海濤

(焦作煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454002)

為解決現(xiàn)有煤礦電法探測(cè)技術(shù)存在的電測(cè)深、電剖面、電透視需分多次施工且采集數(shù)據(jù)量少等方面的不足，借鑒并行電法數(shù)據(jù)采集思路，應(yīng)用“矩形波型”電極布置方式結(jié)合“多裝置數(shù)據(jù)提取”技術(shù)，設(shè)計(jì)一種電法集成勘探系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用該系統(tǒng)可一次布線、一輪供電完成電測(cè)深、電剖面、電透視等多種電法施工方式的原始數(shù)據(jù)采集工作，提取出多種電法工作方法和裝置類(lèi)型的測(cè)量數(shù)據(jù)，綜合處理得到多種地電場(chǎng)的三維勘探結(jié)果，同時(shí)相同施工條件下多種成果相互對(duì)比，提高物探成果解析的精細(xì)度和可靠性。研究成果對(duì)現(xiàn)有的傳統(tǒng)直流電法、高密度電法、并行電法、電透視法等電法技術(shù)取長(zhǎng)補(bǔ)短、融合創(chuàng)新、集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工作面煤巖層富水性的高效、精細(xì)、立體探測(cè)。

電法；集成勘探；矩形波型；高效采集；數(shù)據(jù)提??；三維勘探

我國(guó)是世界上產(chǎn)煤量最多的國(guó)家之一，部分煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜。隨著煤礦開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大、開(kāi)采深度的增加，開(kāi)采時(shí)所承受的水壓越來(lái)越大，井下突水事故呈增加趨勢(shì)[1-2]，安全形勢(shì)嚴(yán)峻。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦工作面頂?shù)装鍘r層富水性的探查方法主要有直流電法(含電測(cè)深法、電剖面法、高密度電法等，下同)、音頻電透視法、瞬變電磁法等電磁法技術(shù)[3-4]，這些技術(shù)憑借著對(duì)含水體反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，成為目前井下富水性探測(cè)最常用的方法[5]。隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模更加大型化，采區(qū)自動(dòng)化、機(jī)械化水平不斷提高，礦井對(duì)水害探查工作提出了“高效、全區(qū)域、三維立體”的目標(biāo)要求。瞬變電磁法抗金屬干擾能力差，在巷道采用工鋼、U鋼和錨網(wǎng)支護(hù)、且常堆放有大量鐵器的條件下，探測(cè)效果較差；單一的直流電法、音頻電透視法等電法探測(cè)，只能得到局部結(jié)果、且施工效率低；現(xiàn)有的并行電法技術(shù)雖然可以同步完成電測(cè)深和電剖面探測(cè)，但無(wú)法同時(shí)完成軸向電透視探測(cè)工作，無(wú)法高效得出全區(qū)域的三維立體成果，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)需求[6-8]。

為解決現(xiàn)有電法探測(cè)技術(shù)存在的不足，本文作者根據(jù)直流電法、電透視法等多種勘探方法的工作原理和施工方式，設(shè)計(jì)出一種電法集成勘探系統(tǒng)，同時(shí)將各種電法勘探結(jié)果在相同施工條件下進(jìn)行對(duì)比解釋，以期提高勘探成果解析的精細(xì)度和可靠性。

1 電法集成勘探系統(tǒng)原理

電法集成勘探系統(tǒng)是以傳統(tǒng)的直流電法、電透視法等礦井電法技術(shù)為基礎(chǔ)，以并行電法技術(shù)為主體[9-10]，應(yīng)用矩形波型電極布置方式、多裝置數(shù)據(jù)提取、三維立體成像等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)、工藝，分別在礦井電法的現(xiàn)場(chǎng)施工方式、數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)提取及綜合應(yīng)用方式、供電方式、資料處理及顯示方式等多個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一次布線、一輪供電完成電測(cè)深、電剖面、電透視等各種電法施工方式的海量原始數(shù)據(jù)采集工作，并從原始數(shù)據(jù)中提取出各種電法工作方法(電測(cè)深法、電剖面法、電透視法)和電法裝置類(lèi)型(如二極裝置、三極裝置、四極裝置、軸向單極—偶極裝置、赤道單極—偶極裝置等)的測(cè)量數(shù)據(jù)[8]，經(jīng)過(guò)全區(qū)三維處理、多種成果對(duì)比、立體及切片化顯示，在避免或減弱巷道金屬干擾影響的同時(shí)，對(duì)直流電法、高密度電法、并行電法、電透視法等多種電法技術(shù)取長(zhǎng)補(bǔ)短、融合創(chuàng)新、集成應(yīng)用[11-18]，實(shí)現(xiàn)工作面煤巖層富水性的高效、精細(xì)、立體探測(cè)。

2 電法集成勘探系統(tǒng)布置方式

電法集成勘探系統(tǒng)主要基于矩形波型測(cè)量電極布置方式、以并行模式完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，是多芯電纜和矩陣探測(cè)電極的高效組合應(yīng)用，電極呈“矩形波型”按照固定的行間距和列間距布置于巷道底(或頂)板內(nèi)，并依次連接于多芯電纜上，多芯電纜與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)連接。該系統(tǒng)有兩種工作方式：?jiǎn)芜吺胶桶鼑健?/p>

2.1 單邊式工作方式

供電電極、測(cè)量電極布置在工作面的上下巷道內(nèi)(圖1)，也可布置在同一條巷道內(nèi)(這種工作方式無(wú)法完成電透視勘探)，按照并行電法方式采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一次布線、一輪供電完成一條巷道內(nèi)的電測(cè)深、電剖面及單邊電透視勘探的數(shù)據(jù)采集工作；然后按照相同的布置方式，2條巷道裝置互換，完成整個(gè)工作面的所有原始數(shù)據(jù)采集工作。

圖1 電法集成勘探系統(tǒng)單邊式工作方式

2.2 包圍式工作方式

在工作面的上下巷道內(nèi)均布置矩形波型供電、測(cè)量電極(圖2)。

圖2 電法集成勘探系統(tǒng)包圍式工作方式

按照并行電法方式采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一次布線、一輪供電完成整個(gè)工作面的所有原始數(shù)據(jù)采集工作。

3 多裝置數(shù)據(jù)提取技術(shù)

電法集成勘探系統(tǒng)具有“多裝置集成”的特點(diǎn)，可以進(jìn)行“多裝置數(shù)據(jù)提取”，即利用不同的電極組合，提取出電測(cè)深、電剖面、電透視等多種電法工作方式的測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到多種地電場(chǎng)的二維或三維勘探結(jié)果，多種成果相互補(bǔ)充、對(duì)比驗(yàn)證、綜合分析，提高物探成果的精度和質(zhì)量。

3.1 電測(cè)深和電剖面勘探數(shù)據(jù)提取

如圖3所示，可以在原始數(shù)據(jù)中，分別對(duì)應(yīng)電極組1、4、5、8、9、…(上排)和2、3、6、7、10、…(下排)提取出2組并行電法數(shù)據(jù)，利用并行電法處理軟件直接提取出二極裝置、三極裝置的電流、電位等數(shù)據(jù)，進(jìn)行電測(cè)深和電剖面數(shù)據(jù)的處理和解釋。

圖3 電測(cè)深和電剖面勘探裝置數(shù)據(jù)提取

也可以根據(jù)四極裝置與三極裝置關(guān)系的計(jì)算式(1)和偶極裝置與三極裝置關(guān)系的計(jì)算式(2)，計(jì)算得出四極、偶極等電法裝置的視電阻率數(shù)據(jù)，進(jìn)行多種裝置數(shù)據(jù)處理和異常對(duì)比解釋。

3.2 電透視勘探數(shù)據(jù)提取

應(yīng)用“多裝置數(shù)據(jù)提取”技術(shù)能夠于海量原始數(shù)據(jù)中提取出“軸向單極–偶極法”和“赤道單極–偶極法”等多種電透視裝置數(shù)據(jù)。

如圖4所示，對(duì)每個(gè)供電點(diǎn)，利用軟件從原始數(shù)據(jù)中提取出測(cè)量電極數(shù)據(jù)組“1,2、3,4、5,6、7,8、…、–1,n…”進(jìn)行“軸向單極–偶極”電透視法勘探解釋；仿照高密度溫納三極=1、=3、…模式提取出測(cè)量電極數(shù)據(jù)組“2,3、6,7、10,11、…、4,5、8,9、…”或“1,4、5,8、9,12、…、3,6、7,10、…”進(jìn)行“赤道單極–偶極”電透視法勘探解釋。

4 三維立體成像

通過(guò)對(duì)“多裝置數(shù)據(jù)提取”技術(shù)得到的多種數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以得出電測(cè)深、電剖面、電透視的電流、電位、視電阻率數(shù)據(jù)，對(duì)這些不同勘探方式的數(shù)據(jù)可以單獨(dú)進(jìn)行處理、解釋，也可以結(jié)合電極坐標(biāo)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合校正、歸一化處理，然后利用EarthImager3D、Voxler等軟件進(jìn)行全區(qū)反演、三維成圖，得到巖層富水性的三維立體成果圖及數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行多個(gè)方向、任意深度的切片提取，直觀、精細(xì)、多方位地分析巖層的富水性分布狀況。

圖4 電透視勘探裝置數(shù)據(jù)提取

5 工程實(shí)例

九里山礦15091工作面主采二1煤層，屬穩(wěn)定煤層，走向長(zhǎng)度425 m，平均煤厚5.5 m，回采范圍內(nèi)斷層、裂隙較多，底板含水層水壓高、水量大、補(bǔ)給豐富。其底板主要含水層為L(zhǎng)8、L2、O2灰?guī)r含水層，均為高承壓含水層。工作面回采前，需探明煤層底板下方巖層的富水性分布情況，評(píng)估工作面回采時(shí)的水患威脅性，為水害防治工作提供參考依據(jù)。

5.1 物探施工布置

圖5為15091工作面電法集成勘探施工布置示意圖。15091工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷布置方式一致，每條巷道布置2站(排列)，每站布置128個(gè)電極，矩陣電極行間隔5 m，列間距3 m，每條巷道電極排列總長(zhǎng)度為445 m。透射電極布置在對(duì)面巷道，每個(gè)透射電極間距50 m。

5.2 勘探結(jié)果

圖6為15091工作面底板視電阻率橫向切片圖。圖中可以看出，探測(cè)范圍內(nèi)工作面底板存在5個(gè)低阻異常區(qū)，分別標(biāo)記為Y1、Y2、Y3、Y4和Y5。

圖5 15091工作面電法集成勘探施工布置

圖6 15091工作面底板視電阻率橫向切片

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件、礦方水文地質(zhì)資料及各方向切片圖的特點(diǎn)分析，物探結(jié)論為：Y1僅位于煤層底板淺層區(qū)域、往深部延伸較少，工作面回采時(shí)，此低阻區(qū)附近不會(huì)發(fā)生底板出水；Y2僅位于煤層底板深部、距離二1煤層較遠(yuǎn)，工作面回采時(shí)，此低阻區(qū)附近發(fā)生底板出水的可能性較小；Y3、Y5兩個(gè)低阻區(qū)位于煤層底板下方L8灰?guī)r附近、距離二1煤層較近，工作面回采時(shí)，這2個(gè)低阻區(qū)附近不排除發(fā)生底板出水的可能性；Y4位于煤層底板下方L8灰?guī)r附近、距離二1煤層較近且淺深部溝通，工作面回采時(shí)，此低阻區(qū)附近容易發(fā)生底板出水。

圖7為15091工作面探測(cè)三維立體成果圖，是利用全空間三維電阻率反演技術(shù)對(duì)回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷采集的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，參考全空間層狀模型，形成工作面底板視電阻率三維立體圖(含三維切片數(shù)據(jù)體)，能夠直觀、精細(xì)、多方面地分析巖層在任意位置、任意方向的富水性分布范圍、發(fā)育變化趨勢(shì)及水害威脅性等，精準(zhǔn)劃分煤巖層的相對(duì)貧、富水區(qū)域。

圖7 15091工作面探測(cè)三維立體成果

5.3 驗(yàn)證情況

九里山礦對(duì)15091工作面的5處低阻異常區(qū)采取了鉆探驗(yàn)證，結(jié)果顯示，5處低阻區(qū)域內(nèi)布置在煤層底板L8灰?guī)r附近的鉆孔出水量均較大，最大為19.2 m3/h；布置在煤層底板附近的鉆孔出水量小或無(wú)出水。總體上看，物探低阻區(qū)內(nèi)的平均單孔涌水量是正常區(qū)域(低阻區(qū)以外區(qū)域)平均單孔涌水量的1.80倍，物探低阻區(qū)內(nèi)的平均單孔注漿量是正常區(qū)域平均單孔注漿量的3.41倍，說(shuō)明物探低阻區(qū)是相對(duì)富水區(qū)，物探結(jié)論準(zhǔn)確、可靠。

目前，利用電法集成勘探系統(tǒng)已在多個(gè)礦井的工作面進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)各個(gè)工作面的鉆探資料和回采資料進(jìn)行驗(yàn)證，物探低阻區(qū)內(nèi)的平均單孔涌水量均大于正常區(qū)域的平均單孔涌水量，礦井根據(jù)物探結(jié)果對(duì)低阻區(qū)域采取相應(yīng)的防治水措施后，回采過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生出水情況，說(shuō)明該系統(tǒng)得到的物探結(jié)論準(zhǔn)確、可靠。

6 結(jié)論

a.煤礦電法集成勘探系統(tǒng)是借鑒并行電法數(shù)據(jù)采集思路，發(fā)明并應(yīng)用“矩形波型”電極布置方式結(jié)合“多裝置數(shù)據(jù)提取”技術(shù)，可以一次布線、一輪供電完成電測(cè)深、電剖面、電透視等多種電法施工方式的原始數(shù)據(jù)采集工作。

b.利用多裝置數(shù)據(jù)提取技術(shù)可以從原始數(shù)據(jù)中提取出多種電法方法分支、工作方法和裝置類(lèi)型的測(cè)量數(shù)據(jù)，綜合處理得到多種地電場(chǎng)的三維勘探結(jié)果，極大提高數(shù)據(jù)利用率，多種成果相互補(bǔ)充、對(duì)比驗(yàn)證、綜合分析，進(jìn)一步提高水文物探成果解析的精細(xì)度和可靠性。

c.對(duì)直流電法(含電測(cè)深法、電剖面法、高密度電法、并行電法)、電透視法等多種電法技術(shù)取長(zhǎng)補(bǔ)短、融合創(chuàng)新、集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工作面煤巖層富水性的高效、精細(xì)、立體探測(cè)。

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Research on the integrated electric exploration system for coal mines and its application

LIU Baobao, GUO Chun, YANG Haitao

(Science and Technology Research Institute of Jiaozuo Coal and Industrial CO. LTD., Jiaozuo 454002, China)

In order to overcome the shortcomings of the existing electrical prospecting technology in coal mines, such as multiple construction of electrical sounding, electrical profile and electrical penetration and a scarcity of data collected, an integrated electrical prospecting system is successfully designed, absorbing the idea of parallel electrical data acquisition, and applying the “rectangular wave” electrode layout mode combined with the “multi device data extraction” technology. The experimental results show that the system can complete the original data acquisition of electrical sounding, electrical profile, electrical perspective and other electrical construction methods with one-time wiring and one-round power supply, and extract the measurement data of various electrical methods and device types. After a comprehensive process, the 3D exploration results of various geoelectric fields are obtained. At the same time, results under the same construction conditions are compared with each other to improve the precision and reliability of the analysis of geophysical exploration results. The existing electrical methods such as traditional direct current method, high-density method, parallel method and electric perspective method should be integrated to complement each other in an innovative manner, so as to realize efficient, fine and three-dimensional detection of water bearing capacity of coal and rock strata in the working face.

electrical method; integrated exploration; rectangular wave pattern; efficient acquisition; data extraction; 3D exploration

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語(yǔ)音講解

TD745

A

1001-1986(2021)05-0247-06

2021-01-30；

2021-04-25

河南能源焦煤公司研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(2019-19)

劉寶寶，1985年生，男，河南焦作人，工程師，從事礦井地質(zhì)、物探工作. E-mail：38893155@qq.com

劉寶寶，郭純，楊海濤. 煤礦電法集成勘探系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：247–252. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.05.027

LIU Baobao，GUO Chun，YANG Haitao. Research on the integrated electric exploration system for coal mines and its application[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：247–252. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.027

(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)