郝耀軍，李 浩，武 藝

（西山煤電集團(tuán)西曲礦，山西 太原 030200）

0 引言

煤礦巷道掘進(jìn)時(shí)，如果存在水害威脅，一定要采取先探測(cè)后采掘的措施。當(dāng)異常體存在于巷道迎頭前方時(shí)，要進(jìn)行超前探測(cè)來發(fā)現(xiàn)異常體。礦井直流電法超前探測(cè)技術(shù)與一般的電測(cè)深的原理有所不同，因此所選擇的裝置也有所不同，直流電法超前探測(cè)所選的測(cè)量裝置一般是單點(diǎn)供電的三極AMN裝置，該裝置在超前探測(cè)中對(duì)含水異常體有較好的探測(cè)效果和較高的異常分辨率。本文通過有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬與生產(chǎn)實(shí)例相結(jié)合，總結(jié)出巷道掘進(jìn)迎頭前方地質(zhì)異常體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響規(guī)律，為礦井直流電法超前探測(cè)資料的解釋提供理論依據(jù)，也能夠?qū)?shí)際測(cè)量中采集數(shù)據(jù)的反演解釋工作提供指導(dǎo)[1]。

1 勘探方法原理

礦井直流電法與地面電阻率法原理相同，雖然選用的測(cè)量裝置不盡相同，都會(huì)有供電電極對(duì)大地進(jìn)行供電，形成穩(wěn)定電流場，在供電電極所在的測(cè)線（其余位置）設(shè)置測(cè)量電極，測(cè)得電位數(shù)據(jù)將用于計(jì)算地層的視電阻率。對(duì)于礦井直流電法來說，按照事先設(shè)定好的測(cè)線將供電以及測(cè)量電極布設(shè)在被測(cè)巷道底板或者側(cè)幫上，通過改變測(cè)量電極位置從而達(dá)到觀測(cè)供電電極形成穩(wěn)定電流場的分布以及變化特征，利用上述的測(cè)量數(shù)據(jù)來超前預(yù)測(cè)巷道前方的構(gòu)造異常情況，從而達(dá)到超前探測(cè)的目的。

三極AMN裝置是最早應(yīng)用于礦井直流電法超前探測(cè)的裝置，如圖1所示。目前廣泛應(yīng)用于超前探測(cè)巷道迎頭前方的地質(zhì)異常體。在三維空間介質(zhì)中利用單點(diǎn)電源A進(jìn)行供電（另一供電電極B設(shè)置在相對(duì)無窮遠(yuǎn)處），并且將M、N用作測(cè)量電勢(shì)差。超前探測(cè)與電測(cè)深原理不同，因此相應(yīng)的操作方法有所不同，超前探測(cè)電極布設(shè)方法：將供電電極A固定到巷道迎頭上，M、N測(cè)量電極處于測(cè)線上，并且位于A點(diǎn)后方，所測(cè)電位差為△UMN，記錄點(diǎn)處的電場強(qiáng)度與供電點(diǎn)A和測(cè)量電極M、N的距離有很大關(guān)系，記錄點(diǎn)為兩測(cè)量電極的中點(diǎn)。在巷道迎頭處進(jìn)行超前探測(cè)時(shí)，當(dāng)巷道的垂直截面尺寸都小于記錄點(diǎn)到A點(diǎn)距離時(shí)，巷道對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小；當(dāng)巷道的垂直截面尺寸都大于記錄點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)距離時(shí)，巷道對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，當(dāng)這種影響不可被忽略時(shí)，按照視電阻率公式計(jì)算視電阻率值，然后進(jìn)行消除巷道影響處理，就可以得出沿巷道的視電阻率剖面曲線[3]。

圖1 AMN裝置超前探測(cè)原理圖

2 礦井直流電法超前探測(cè)異常體數(shù)值模擬

2.1 有限元數(shù)值模擬原理及流程

直流電法正演模擬是將事先設(shè)定好的的地電模型利用數(shù)值計(jì)算來求解穩(wěn)定場的分布情況。利用COMSOL Multiphysics進(jìn)行地電模型正演數(shù)值模擬過程，結(jié)合下述的流程圖分析，詳細(xì)步驟如圖2所示：

1）首先根據(jù)分析問題需要選擇三維空間模型，選擇軟件的電流(ec)模塊，研究狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)。

2）進(jìn)行全局變量設(shè)置和幾何模型構(gòu)建，然后全部構(gòu)建幾何模型形成聯(lián)合體，根據(jù)地電模型需要，對(duì)幾何聯(lián)合體進(jìn)行點(diǎn)、邊界和域的定義，便于對(duì)地電模型各部分賦值等工作。

3）根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行地電模型的材料設(shè)置，然后對(duì)靜電場的點(diǎn)電源進(jìn)行賦值，以及接地邊界的定義。

4）地電模型的網(wǎng)格剖分，地電模型的主體劃分為自由剖分四面體網(wǎng)格，無窮遠(yuǎn)層狀介質(zhì)，網(wǎng)格剖分成薄層掃掠形式。由于建立的模型較大需要對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行細(xì)致研究，就要

將重點(diǎn)部位網(wǎng)格細(xì)化剖分，細(xì)化的重點(diǎn)為巷道周圍以及異常體周圍。供電電極周圍網(wǎng)格超細(xì)化剖分。

5）地點(diǎn)模型數(shù)值運(yùn)算，運(yùn)算速度與模型劃分的總單元數(shù)有關(guān)，模型的單元數(shù)越多，數(shù)值計(jì)算的速度越緩慢。

6）地電模型的后處理過程，可以根據(jù)需要對(duì)正演模擬的數(shù)據(jù)集進(jìn)行三維整體輸出，也可以進(jìn)行截面數(shù)據(jù)輸出或者截點(diǎn)數(shù)據(jù)輸出。也可以利用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行地電模型的三維切片、一維、二維、三維圖組處理，然后輸出成果圖。

圖2 COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬流程圖

2.2 多異常體并存對(duì)視電阻的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，往往遇到復(fù)雜的地層存在，有可能是高阻和低阻同時(shí)出現(xiàn)，通過礦井直流電法數(shù)值模擬總結(jié)復(fù)雜地層下視電阻率曲線變化規(guī)律，對(duì)于超前探測(cè)具有較好的指導(dǎo)作用，具有實(shí)際意義。

模型設(shè)定：圍巖長度1100m，寬度500m，高度500m，供電點(diǎn)A在迎頭底板處，巷道長度500m，截面為6m的正方形，巷道電阻率為108Ω·m，供電電流設(shè)置為1A，電極間距為10m，測(cè)量裝置有三極AMN，下面3個(gè)模型設(shè)定了不同異常體存在情況。

圖3 兩個(gè)異常體分布示意圖

圖3 為兩個(gè)異常體共同影響下的電位分布圖，圖中上邊的是高阻異常體，下邊是低阻異常體。

模型1：單獨(dú)低阻體阻值10Ω·m，異常體截面平行于巷道，異常體截面為60×60m，厚度為6m，位于巷道迎頭側(cè)前方10×30m處。

模型2：單獨(dú)高阻體阻值3000Ω·m，異常體截面平行于巷道，異常體截面為60×60m，厚度為6m，位于巷道迎頭側(cè)前方10×30m處。

模型3：高阻低阻體共同存在，低阻體阻值10 Ω·m，高阻體阻值3000Ω·m，異常體截面都平行于巷道，異常體截面為60×60m，厚度為6m，位于巷道迎頭側(cè)前方10×30m處。

圖4 多異常體存在時(shí)視電阻率曲線對(duì)比圖

圖4 為不同異常體影響下的視電阻率曲線，從圖中可以看出：

1）當(dāng)巷道側(cè)前方只有低阻體時(shí)，視電阻率曲線所顯示的低阻異常較明顯；當(dāng)巷道側(cè)前方只有高阻體時(shí)，視電阻率曲線顯示的高阻異常幅度不大。

2）當(dāng)巷道側(cè)前方高阻體和低阻體共同存在時(shí)，通過分析三條曲線異常變化趨勢(shì)可知，高阻體和低阻體共同作用時(shí)的視電阻率曲線，基本符合單獨(dú)高阻和單獨(dú)低阻視電阻率曲線異常疊加效果。

3 煤礦探測(cè)實(shí)例

3.1 南六盤區(qū)地質(zhì)概況

西曲礦南六采區(qū)面積共1.6km2，區(qū)內(nèi)溝谷樅橫、地形復(fù)雜，小煤窯眾多。區(qū)內(nèi)上組煤有2.3#、4#煤，4#煤屬不穩(wěn)定局部可采煤層，且4#煤層厚度變化較大。區(qū)內(nèi)原勘探程度較低，礦井后續(xù)生產(chǎn)銜接任務(wù)無法開展。西曲礦現(xiàn)計(jì)劃對(duì)南六采區(qū)下組煤層進(jìn)行回采，而該采區(qū)上覆煤層已基本全部被破壞。南六采區(qū)小煤礦分布較多，區(qū)內(nèi)上組煤大部分被小窯破壞，小窯破壞程度、巷道位置及巷道內(nèi)積水情況均不確定，為保證煤礦安全生產(chǎn)，提前做好預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，現(xiàn)利用直流電法對(duì)該區(qū)域皮帶下山巷道進(jìn)行超前探測(cè)。

3.2 數(shù)據(jù)采集及成果解釋

本次井下超前探測(cè)數(shù)據(jù)采集使用的是WJDJ-4型高密度電阻率系統(tǒng)，沿巷道中心布置測(cè)線，電極間距為10m，測(cè)量電壓為144V，供電時(shí)間為500ms，采用三極AMN裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，皮帶下山巷道內(nèi)共布設(shè)了29個(gè)電極，本次井下超前探測(cè)工作巷道內(nèi)停止了施工并關(guān)閉了用電設(shè)備，采集的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量好。

根據(jù)直流電法超前探測(cè)數(shù)值模擬二維視電阻率平面圖可知，當(dāng)巷道前方有低阻異常時(shí)，所形成的二維視電阻率平面圖會(huì)顯示低阻異常，并且巷道前方的異常體規(guī)模越大，低阻異常范圍在圖中顯示的也越大。通過此規(guī)律分析解釋西曲礦南六采區(qū)皮帶下山的二維視電阻率分布情況[4]。

數(shù)據(jù)處理后得到電阻率色譜平面圖見圖5，平面圖寬度約50m，巷道位置如圖所示，實(shí)線為已掘巷道，用正數(shù)表示，虛線為未掘巷道，用負(fù)數(shù)表示，平面圖等值線為地層電阻率的對(duì)數(shù)值。

圖5 南六采區(qū)皮帶下山巷道超前探測(cè)電阻率色譜平面圖

迎頭前方85m范圍內(nèi)地層電阻率基本為高阻顯示，電阻率對(duì)數(shù)值大于1，說明85m范圍內(nèi)地層富水性不強(qiáng)，巷道能夠向前掘進(jìn)；在迎頭前方85～105m范圍地層電阻率有所下降，電阻率對(duì)數(shù)值0.4～1，說明該范圍內(nèi)地層裂隙相對(duì)發(fā)育，富水性有所增強(qiáng)；在迎頭前方105～130m范圍地層電阻率最低，電阻率對(duì)數(shù)值小于0.4,說明該位置范圍斷裂、裂隙比較發(fā)育，地層富水性強(qiáng)；迎頭前方130m以后范圍地層電阻率為高阻顯示，電阻率對(duì)數(shù)值大于1，說明該位置巖性變化，為奧灰反映[3]。后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，與物探結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

1）當(dāng)有多個(gè)異常體存在巷道迎頭前方時(shí)，所測(cè)得視電阻率曲線異常是由所有異常體影響的疊加結(jié)果。通過實(shí)例驗(yàn)證數(shù)值模擬，利用數(shù)值正演模擬形成二維視電阻率平面圖，總結(jié)規(guī)律指導(dǎo)反演解釋工作。

2）直流電法超前探測(cè)技術(shù)在實(shí)際探查工作中，測(cè)量條件雖復(fù)雜，數(shù)據(jù)規(guī)律起伏較大，但該方法在掘進(jìn)前方富水性探測(cè)的應(yīng)用中，仍有較為明顯的效果。