礦井電法高效頂板探測系統(tǒng)研究與應用

溫亨聰，劉寶寶，楊海濤

（焦作煤業(yè)（集團）有限責任公司 科學技術(shù)研究所，河南 焦作454002）

礦井頂板水害是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因數(shù)之一，井下工作面在采掘過程中，頂板受采動影響通常會出現(xiàn)跨落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，若跨落帶、斷裂帶與上部含水層或老空積水貫通，極易出現(xiàn)頂板潰水、潰沙、突泥等頂板水害事故[1]。為防止頂板突水事故的發(fā)生，礦方應對煤層頂板的富水性進行全面探測[2]。目前國內(nèi)外對頂板富水性探測的主要手段為直流電法、高密度電法、并行電法、音頻電透視法等礦井電法，這些技術(shù)憑借著抗干擾能力強、對含水體反映靈敏的特點，在礦井頂板水害防治方面取得了良好效果[3]。

但隨著煤礦開采不斷機械化、深部化，礦井電法在滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求方面存在諸多不足。如工作面頂板巖體堅硬，電極難以打入，電極與頂板間無固定點，電極布置困難，難以實現(xiàn)電極在頂板上的一次性布置，造成以高密度電法、并行電法為代表的多通道電法技術(shù)無法推廣使用，而以探測電極少、結(jié)構(gòu)簡便為特點的直流電法、音頻電透視法為單通道數(shù)據(jù)采集，地電場數(shù)據(jù)密度有限、物探效率低；巷道頂板過高，電極布置困難，需要人員利用梯子登高作業(yè)，將電極固定在頂板上，并隨著測點移動頻繁上下梯子，施工繁瑣、勞動強度大，極大增加了高空作業(yè)的危險性，存在嚴重的安全隱患；頂板巖質(zhì)堅硬、干燥，電極難以打入巖體內(nèi)，電極與頂板耦合接觸差、接地困難，所采集的數(shù)據(jù)跳躍性大、極不穩(wěn)定，存在較大偏差，嚴重影響探測結(jié)果的精細度和可靠性[4-6]。

基于此，根據(jù)礦井電法現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展情況，結(jié)合頂板高空作業(yè)因素，創(chuàng)新提出了一種高效、精細的頂板賦水性探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用矩陣測點和伸縮探測桿的高效探測組合，完成頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)，提高物探效率；伸縮探測桿為高空電極布設(shè)模式，使電極高空布設(shè)簡單方便，消除人員的高空作業(yè)安全隱患；海綿耦合套為數(shù)據(jù)采集優(yōu)化裝置，優(yōu)化頂板電法數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，實現(xiàn)工作面頂板賦水性的高效、精細探測。

1 方法原理

1）礦井電法。礦井電法技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，其技術(shù)主要有直流電法、高密度電法、并行電法、音頻電透視法等[7]。這些方法的基礎(chǔ)原理大致相同，均是以煤巖層的導電性差異為基礎(chǔ)，通過人工向目標體供入穩(wěn)點電流、觀測其電流場的分布規(guī)律，從而確定巖、礦體的物性分布規(guī)律和地質(zhì)構(gòu)造特征等[8]。施工方式大致為通過接地電極把電流供入目標體中，而通過其他接地電極觀測用于計算目標體電阻率所必需的電位或電位差信息。

2）單通道測量。單通道測量方式在礦井電法中以直流電法和音頻電透視法為典型代表，施工時對每個測深點或供電點處的供電電極進行供電，對應的測量電極依次進行單通道測量，當此測深點或供電點處的所有測量點施工完畢后，對下一個測深點或供電點進行類似觀測。該測量方式普遍存在著地電場數(shù)據(jù)密度有限、測量時間長、勞動強度大、物探效率低等問題[9]。

3）多通道測量。多通道測量方式在礦井電法中以高密度電法和網(wǎng)絡(luò)并行電法為典型代表，其原理是以巖、土導電性的差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場的作用下地下傳導電流分布規(guī)律，是一種集測深和剖面法于一體的多裝置、多極距的組合方法，具有一次布極即可進行的裝置數(shù)據(jù)采集以及通過求取比值參數(shù)而能突出異常信息，信息多且觀察精度高、速度快、探測深度靈活等特點[10]。

2 礦井電法高效頂板探測系統(tǒng)

礦井電法高效頂板探測系統(tǒng)屬于礦井水害防治技術(shù)領(lǐng)域，主要包括頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)、伸縮探測桿電極布設(shè)模式、海綿耦合套數(shù)據(jù)采集優(yōu)化裝置。其采用多通道矩陣電極為探測方式，大幅度提高礦井電法頂板探測效率；伸縮探測桿操作簡單、安設(shè)方便，減小人員的高空作業(yè)危險性；海綿耦合套提高探測電極與頂板的耦合接觸，優(yōu)化頂板電法數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，實現(xiàn)工作面頂板賦水性的高效、精細探測。

2.1 頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)

頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)是矩陣測點和伸縮探測桿的高效組合應用，是對現(xiàn)有礦井頂板電法的進一步改進和創(chuàng)新，其包括若干伸縮探測桿、連接線、測量大線、現(xiàn)場主機、無窮遠電纜和無窮遠電極。頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1。

圖1 頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-channel detection network of roof electric method

多通道探測網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)時，在探測巷道內(nèi)鋪設(shè)測量大線，并在巷道頂板標定探測點的位置，在距探測區(qū)域一定距離的巷道底板布置無窮遠電極，無窮遠電極與現(xiàn)場主機用無窮遠電纜連接；在探測巷道內(nèi)一次性布置好所有的伸縮探測桿，伸縮探測桿呈雙排矩陣形按照固定的行間距和列間距布置在巷道頂板中，且其位置與頂板標定的探測點對應；每個伸縮探測桿的兩端分別頂緊巷道的頂板和底板，伸縮探測桿通過連接線與測量大線連接，測量大線與現(xiàn)場主機連接，現(xiàn)場主機通過無窮遠電纜連接無窮遠電極，形成頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能多頻供電、一次布線、一次布極、一輪完成巷道頂板的電測深、電剖面、電透視等電法勘探，大幅提高探測效率。

2.2 伸縮探測桿電極布設(shè)模式

伸縮探測桿包括銅電極、連接端頭、伸縮內(nèi)桿、管旋緊鎖、伸縮外桿、握把、內(nèi)置銅線和卷筒。連接端頭的一端與銅電極連接，另一端與伸縮內(nèi)桿固定連接；伸縮內(nèi)桿和伸縮外桿通過管旋緊鎖連接固定，握把固定在伸縮外桿遠離管旋緊鎖的一端；內(nèi)置銅線位于伸縮桿內(nèi)部，且纏繞在卷筒外部，其一端與銅電極相連接，另一端通過卷筒內(nèi)部與連接線相連接。伸縮探測桿示意圖如圖2。

圖2 伸縮探測桿示意圖Fig.2 Schematic diagram of telescopic detection rod

頂板電法電極布設(shè)時，在探測巷道內(nèi)一次性布置好所有的伸縮探測桿，伸縮探測桿的位置與頂板標定的矩陣測點對應，旋松管旋緊鎖，將伸縮內(nèi)桿向外拉伸，同時帶動內(nèi)置銅線的移動和卷筒的轉(zhuǎn)動，銅線隨著卷筒轉(zhuǎn)動向外延伸，同時卷筒內(nèi)側(cè)的多環(huán)形彈簧片逐漸拉伸壓縮（回收時多環(huán)形彈簧片回彈而回轉(zhuǎn)卷筒，纏繞銅線）；將伸縮探測桿伸長至合適長度時，擰緊緊鎖外旋套，將伸縮探測桿帶銅電極一端頂緊頂板，握把一端頂緊底板，使伸縮探測桿銅電極與頂板良好耦合接觸，完成伸縮探測桿電極布設(shè)。

2.3 海綿耦合套數(shù)據(jù)采集優(yōu)化裝置

海綿耦合套包括海綿套和銅電極，海綿套固定在銅電極的前端。伸縮探測桿電極布設(shè)時，海綿套沾浸硫酸銅溶液并包裹銅電極前端，將伸縮探測桿帶銅電極一端頂緊頂板，握把一端頂緊底板，提高伸縮探測桿銅電極與頂板巖層的耦合接觸，減弱銅電極的激發(fā)極化效應，優(yōu)化頂板電法勘探時數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。海綿耦合套示意圖如圖3。

圖3 海綿耦合套示意圖Fig.3 Schematic diagram of sponge sleeve

2.4 系統(tǒng)優(yōu)勢

1）多通道探測網(wǎng)絡(luò)，提高頂板物探效率。系統(tǒng)采用伸縮探測桿頂板電極布設(shè)模式和多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)，解決了頂板電極快速、成組、矩陣布置的難點，實現(xiàn)了礦井頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)，通過一次布線、一次布極、一輪完成巷道頂板的電測深、電剖面、電透視等電法勘探工作，提高了井下頂板電法探測效率。

2）輕便電極布置模式，消除高空作業(yè)安全隱患。系統(tǒng)在頂板電極布置時采用伸縮探測桿電極布置模式，所用伸縮探測桿操作簡單、安設(shè)方便，無需人員登高作業(yè)就能把探測電極固定在巷道頂板上，減少人員的高空作業(yè)危險性，消除安全隱患，提高物探施工的安全性。

3）海綿耦合套，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。系統(tǒng)采用的電極海綿套，通過沾浸硫酸銅溶液，包裹電極前端，提高探測電極與頂板的耦合接觸，減弱銅電極的激發(fā)極化效應，確保頂板電法勘探時數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定、準確、可靠。

3 工程實例

焦煤公司下屬礦井16051工作面頂部為巨厚松散層且基巖層較薄，頂板含水層水量大、補給豐富，工作面存在頂板潰水潰沙的危險。工作面回采前，急需探明煤層頂板上方的巖層賦水性情況，劃分頂板基巖層附近的相對貧、富水區(qū)域，分析物探范圍內(nèi)工作面回采時的頂板富水區(qū)域的威脅性，為煤礦的安全生產(chǎn)和災害治理提供重要依據(jù)。

3.1 施工布置

本次16051工作面頂板賦水性探測采用礦井電法高效頂板探測系統(tǒng)。多通道探測網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)時，在16051工作面進風巷、回風巷和切眼內(nèi)鋪設(shè)測量大線，并在巷道頂板標定探測點的位置，在距探測區(qū)域500m遠的巷道底板布置無窮遠電極，無窮遠電極與現(xiàn)場主機用無窮遠電纜連接。頂板電法高效探測系統(tǒng)布置圖如圖4。

圖4 頂板電法高效探測系統(tǒng)布置圖Fig.4 Exploration plan of roof electrical method efficient detection system

在16051工作面所有探測巷道內(nèi)一次性布置好所有的伸縮探測桿，伸縮探測桿呈雙排矩陣形按照5m的行間距和3m的列間距布置在巷道中，且其位置與頂板標定的探測點對應；每個伸縮探測桿的兩端分別頂緊巷道的頂板和底板，伸縮探測桿通過連接線與測量大線連接，測量大線與現(xiàn)場主機連接，現(xiàn)場主機通過無窮遠電纜連接無窮遠電極，形成頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)。具體測量時，對探測網(wǎng)絡(luò)采用多頻依次供電，完成不同頻率的頂板電法數(shù)據(jù)采集，每次供電1輪完成巷道頂板的電測深、電剖面、電透視的數(shù)據(jù)采集。

3.2 勘探結(jié)果和驗證情況

16051工作面頂板賦水性探測的成果圖如圖5。圖5主要反映了相對低阻區(qū)的分布范圍、立體連通情況、發(fā)育變化趨勢及水害威脅性等，其中紅色陰影區(qū)為視電阻率值相對較高區(qū)域，黃色和綠色陰影區(qū)為視電阻率值中等區(qū)域，藍色陰影區(qū)為視電阻率值相對較低區(qū)域，即相對低阻異常區(qū)。視電阻率值越小，色階藍顏色越深，表示巖層可能越為斷裂破碎、裂隙發(fā)育或賦水性相對越強。

圖5 頂板電法勘探成果圖Fig.5 Roof electric prospecting result drawing

由圖5可以看出，工作面頂板探測范圍內(nèi)存在1個低阻異常區(qū)，此低阻區(qū)位于煤層頂板上方?jīng)_積層底界面附近且向下發(fā)育延伸至工作面頂板、異常范圍從上至下逐漸擴大，分析認為該低阻區(qū)系附近巖層相對破碎、裂隙發(fā)育或具有一定賦水性引起。

礦方對16051工作面頂板電法探測出的低阻異常區(qū)采取了鉆探驗證和注漿加固的安全措施。按照勘探結(jié)果，礦方在工作面進風巷、回風巷最靠近低阻區(qū)的巷道位置布置鉆機進行施工。施工結(jié)果顯示：布置在巷道頂板的鉆孔出水位置均位于或靠近勘探異常區(qū)內(nèi)，且布置在異常區(qū)內(nèi)的鉆孔越靠近沖積層底界面附近，鉆孔出水量越大，勘探結(jié)果與工作面鉆孔出水量分布等已知地質(zhì)資料相吻合，探測結(jié)果準確、效果可靠。

4 結(jié) 語

1）礦井電法高效頂板探測系統(tǒng)采用伸縮探測桿頂板電極布設(shè)模式和多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過矩陣測點和伸縮探測桿的高效組合應用，形成頂板電法多通道探測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了一次布線、一次布極、一輪完成巷道頂板的電測深、電剖面、電透視等電法勘探工作，提高了井下頂板電法探測效率。

2）礦井電法高效頂板探測系統(tǒng)以伸縮探測桿電極布置模式安裝頂板電極，無需人員登高作業(yè)就可完成頂板電極的快速、成組、一次性布置，減少人員的高空作業(yè)危險性，消除安全隱患，提高物探施工的安全性。

3）礦井電法高效頂板探測系統(tǒng)采用海綿耦合套優(yōu)化數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，海綿套通過沾浸硫酸銅溶液，包裹電極前端，提高探測電極與頂板的耦合接觸，減弱銅電極的激發(fā)極化效應，確保頂板電法勘探時數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定、準確、可靠。