魯晶津

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

煤炭工業(yè)安全、健康、可持續(xù)發(fā)展離不開煤礦自動(dòng)化、信息化、智能化技術(shù)。隨著智能化開采技術(shù)的成熟應(yīng)用[1]，開采過程中的地質(zhì)安全保障技術(shù)越來越重要[2]。目前，我國(guó)煤炭開發(fā)面臨埋藏深、水文地質(zhì)復(fù)雜的開采環(huán)境，特別是華北型煤田面臨的底板承壓水害威脅日趨嚴(yán)重[3]，大大制約了智能化開采技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

煤礦底板水害事故往往是由于采掘活動(dòng)破壞隔水層或打通隱伏含、導(dǎo)水通道而引起的，預(yù)防底板突水的關(guān)鍵是對(duì)底板采動(dòng)破壞過程及導(dǎo)水通道發(fā)育過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[4]。作為煤礦井下地質(zhì)安全保障技術(shù)的重要手段，直流電阻率法在煤層頂?shù)装迤茐谋O(jiān)測(cè)中的應(yīng)用已有十余年歷史[5-6]，科研工作者在方法原理、數(shù)據(jù)處理解釋、監(jiān)測(cè)裝備及應(yīng)用等方面開展了大量研究。在底板水害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，劉樹才等[7]通過測(cè)試巖石受力直至破壞時(shí)的導(dǎo)電性變化，結(jié)合采動(dòng)過程中煤層底板巖層的應(yīng)力分區(qū)，建立了底板采動(dòng)導(dǎo)水?dāng)嗔褞?dòng)態(tài)演化地電模型，將回采過程中煤層底板巖層分為超前壓縮區(qū)、過渡區(qū)、膨脹破壞區(qū)及重新壓實(shí)區(qū)等4個(gè)導(dǎo)電性區(qū)段。井下監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果顯示[8-13]，隨著回采推進(jìn)，超前壓縮區(qū)和膨脹破壞區(qū)的電性變化較明顯，在工作面富水性較差的情況下，超前壓縮區(qū)電阻率一般有所下降，膨脹破壞區(qū)電阻率普遍顯著升高，而一旦有水涌入采空區(qū)，膨脹破壞區(qū)的電阻率則會(huì)迅速下降。劉斌等[14]開展了隱伏斷層底板突水約束反演成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)值模擬試驗(yàn)，較為準(zhǔn)確地反映了底板突水過程中斷層活化、裂隙擴(kuò)張等重要異常事件。Li Shucai等[15]采用時(shí)移電阻率反演對(duì)導(dǎo)水裂隙的演化過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)模擬，成像結(jié)果較為準(zhǔn)確地捕捉了底板導(dǎo)水裂隙的發(fā)育過程。

目前針對(duì)直流電阻率法在煤層底板水害監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的研究成果主要集中于底板變形與破壞的電阻率響應(yīng)特征上[8-13]，對(duì)導(dǎo)水通道動(dòng)態(tài)發(fā)育過程的電阻率變化規(guī)律研究較少。本文采用三維電阻率反演對(duì)直流電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解釋，獲取含、導(dǎo)水構(gòu)造動(dòng)態(tài)發(fā)育過程的電阻率變化規(guī)律，并在煤礦井下開展試驗(yàn)，為煤礦水害防治和智能化開采提供技術(shù)支撐。

1 直流電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

工作面回采過程中，煤層底板經(jīng)歷周期性的應(yīng)力變化。當(dāng)應(yīng)力在巖石彈性范圍之內(nèi)時(shí)，底板巖層發(fā)生彈性形變，因巖層受壓導(dǎo)致原生孔隙、裂隙減小；當(dāng)應(yīng)力超過巖石彈性范圍時(shí)，底板巖層發(fā)生塑性形變，產(chǎn)生大量新生裂隙，甚至導(dǎo)致巖石破碎。應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其導(dǎo)電性能變化。當(dāng)采動(dòng)破壞產(chǎn)生的裂隙與地下含水體導(dǎo)通時(shí)，巖石電阻率會(huì)發(fā)生更加顯著的變化?？梢?，巖石電阻率的變化與裂隙發(fā)育情況和含水性緊密相關(guān)[16-17]，因此通過監(jiān)測(cè)工作面回采過程中電阻率變化情況，可以對(duì)工作面底板破壞情況及水害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

采煤工作面直流電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[18]結(jié)構(gòu)如圖1所示。礦用電法監(jiān)測(cè)裝置安裝在井下，用于控制信號(hào)發(fā)射和數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測(cè)電極一般安裝于工作面兩側(cè)巷道中，用于向地下導(dǎo)入電流和接收電壓信號(hào)。監(jiān)測(cè)電極通過監(jiān)測(cè)線纜連接至礦用電法監(jiān)測(cè)裝置。隔爆電源連接至井下電網(wǎng)，為礦用電法監(jiān)測(cè)裝置供電。礦用電法監(jiān)測(cè)裝置通過光纖和光端機(jī)連接至工業(yè)環(huán)網(wǎng)，保證其與地面服務(wù)器通信。地面服務(wù)器配套安裝地面遠(yuǎn)程控制軟件、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件等。地面遠(yuǎn)程控制軟件用于在地面控制和操作井下礦用電法監(jiān)測(cè)裝置。數(shù)據(jù)庫用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其處理結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件通過自動(dòng)訪問數(shù)據(jù)庫獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和成像。

圖1 采煤工作面直流電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of direct current resistivity monitoring system for coal working face

礦井電法監(jiān)測(cè)技術(shù)中常用的數(shù)據(jù)采集方法有高密度電法、孔間電阻率CT、孔-巷間電阻率CT、巷道電法透視等[19]，其中巷道電法透視更適用于采煤工作面底板電阻率監(jiān)測(cè)。該方法在工作面兩側(cè)巷道底板布置測(cè)線，可采用單極-單極、單極-偶極、偶極-偶極等觀測(cè)裝置。對(duì)不同觀測(cè)裝置而言，1個(gè)或1對(duì)電極發(fā)射時(shí)，對(duì)側(cè)所有電極都進(jìn)行接收，兩側(cè)電極全部完成發(fā)射和接收即完成1組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。不同觀測(cè)裝置的分辨率不同：?jiǎn)螛O-單極裝置信號(hào)最強(qiáng)，分辨率較低；單極-偶極裝置信號(hào)較強(qiáng)，分辨率較高；偶極-偶極裝置信號(hào)較弱，分辨率最高[20]。在實(shí)際探測(cè)中需要根據(jù)工作面工況進(jìn)行選擇，一般在保證設(shè)備可以探測(cè)到有效信號(hào)的前提下選擇分辨率最佳的觀測(cè)裝置。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理解釋方法

采用電阻率三維反演[21-22]對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解釋。反演問題的目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中：m為用于反演迭代的電導(dǎo)率模型；Wd為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)權(quán)重矩陣；dm為對(duì)電導(dǎo)率模型進(jìn)行正演計(jì)算得到的數(shù)據(jù)；dobs為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；β為正則化參數(shù)；Wm為電導(dǎo)率模型的正則化矩陣；mref為參考模型。

采用擬高斯-牛頓法對(duì)式(1)進(jìn)行反演擬合[21]，以獲得最佳目標(biāo)函數(shù)。在反演過程中，需要對(duì)Wd和Wm進(jìn)行定義。Wd為對(duì)角矩陣，其對(duì)角線上的元素為

(2)

式中：Ddobs為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差；ε為常數(shù)，一般取最小可信監(jiān)測(cè)值[21]，用來避免反演過程中在某些幅值極小的監(jiān)測(cè)值上附加過大的權(quán)重。

Wm形式為

Wm=μGx+γGy+ηGz+λI

(3)

式中：μ，γ，η分別為x(工作面走向)、y(工作面傾向)，z(工作面垂向)方向的梯度權(quán)重，用來控制反演模型在x，y，z方向的光滑程度；Gx，Gy，Gz分別為x，y，z方向的梯度算子；λ為模型矩陣對(duì)角元素的權(quán)重，用來控制反演模型相對(duì)參考模型的偏離度；I為單位矩陣。

采用電阻率三維反演對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解釋時(shí)，可將之前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果作為后續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演時(shí)的先驗(yàn)信息[23]，以突出采動(dòng)破壞導(dǎo)致的電阻率異常變化，并提高計(jì)算效率。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理解釋流程如圖2所示。首先設(shè)置數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理參數(shù)、反演參數(shù)、時(shí)間間隔及成像參數(shù)等，然后啟動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行功能。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過程：首先，訪問數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制發(fā)射電流、接收電壓和視電阻率曲線；其次，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、野值修正、數(shù)據(jù)濾波和一致性校正等預(yù)處理，并重新繪制預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線；再次，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行電阻率三維反演成像；最后，根據(jù)反演結(jié)果進(jìn)行異常區(qū)分析和成像顯示。系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫自動(dòng)交互，處理解釋過程不需要人工干預(yù)。

圖2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理解釋流程Fig.2 Automatic processing and interpretation flow of monitoring data

3 底板含、導(dǎo)水構(gòu)造演化過程數(shù)值模擬

底板突水監(jiān)測(cè)主要針對(duì)工作面回采過程中煤層底板在采掘擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)發(fā)育的含、導(dǎo)水異常構(gòu)造。針對(duì)底板突水過程監(jiān)測(cè)，將煤系地層簡(jiǎn)化為包含頂板巖層、煤層和底板巖層的3層地質(zhì)模型，如圖3所示。頂板巖層厚度不限，電阻率為200 Ω·m；煤層厚度為10 m，電阻率為1 000 Ω·m；底板巖層厚度不限，電阻率為500 Ω·m；含、導(dǎo)水異常構(gòu)造初始尺寸為40 m×40 m×20 m(長(zhǎng)×寬×高)，位于煤層底板下方30 m，電阻率為20 Ω·m；工作面當(dāng)前監(jiān)測(cè)段走向長(zhǎng)200 m，傾向?qū)?00 m。測(cè)線布置于回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷底板外側(cè)幫，電極間距為10 m，每條巷道布置21個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用分辨率較高的偶極-偶極觀測(cè)裝置進(jìn)行模擬監(jiān)測(cè)。以測(cè)線所在平面的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，含、導(dǎo)水異常構(gòu)造的中心點(diǎn)在測(cè)線平面上的投影位置與坐標(biāo)原點(diǎn)重合。假設(shè)監(jiān)測(cè)過程中，受底板破壞影響，含、導(dǎo)水異常構(gòu)造逐漸向上發(fā)育，異常構(gòu)造橫截面尺寸不變，垂向尺寸向上逐漸增大。

圖3 底板突水過程監(jiān)測(cè)地質(zhì)模型Fig.3 Geological model of floor water inrush process monitoring

采用有限差分法對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬[24]。底板含、導(dǎo)水異常構(gòu)造未發(fā)育和向上發(fā)育10，20，30 m時(shí)的電壓曲線如圖4所示?？煽闯鲭S著底板含、導(dǎo)水異常構(gòu)造向上發(fā)育，其中心點(diǎn)及附近區(qū)域?qū)?yīng)的電壓逐漸減小。

含、導(dǎo)水異常構(gòu)造發(fā)育高度不同時(shí)，底板突水過程電阻率反演結(jié)果如圖5所示。該圖展示了過含、導(dǎo)水異常構(gòu)造中心點(diǎn)的垂向(y=0)電阻率剖面，虛線框?yàn)槟Ｐ椭泻?、?dǎo)水異常構(gòu)造投影位置?？煽闯龊?、導(dǎo)水異常構(gòu)造發(fā)育位置存在低阻異常區(qū)，分布范圍在z方向上與模型參數(shù)有偏差，在x方向上與模型參數(shù)基本吻合；隨著異常構(gòu)造發(fā)育高度增大，低阻異常響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，低阻異常區(qū)在z方向的展布范圍逐漸增大；當(dāng)異常構(gòu)造發(fā)育高度較小時(shí)，低阻異常區(qū)垂向中心點(diǎn)位置比實(shí)際高。

(a) 異常構(gòu)造未發(fā)育

采用巷道電法透視采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，僅在工作面兩側(cè)巷道底板布設(shè)測(cè)線，收發(fā)極距變化范圍有限，難以實(shí)現(xiàn)幾何測(cè)深，因此反演結(jié)果的垂向分辨率較差，無法準(zhǔn)確判斷異常構(gòu)造發(fā)育高度。但根據(jù)反演結(jié)果可識(shí)別異常構(gòu)造在測(cè)線走向上的展布范圍，且可根據(jù)電阻率的變化趨勢(shì)推斷異常構(gòu)造發(fā)育情況，因此直流電阻率法監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)工作面水害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要參考價(jià)值。

(a) 異常構(gòu)造未發(fā)育

4 底板直流電阻率監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)工作面概況

冀中能源股份有限公司葛泉礦東井11916工作面為東西走向，北邊通過煤柱與另一個(gè)已回采完畢的工作面相鄰，南邊為實(shí)體煤。工作面埋深300 m左右，采寬70 m，煤層傾角約為24°，煤層開采標(biāo)高-120～-90 m，平均煤厚5 m。煤層頂板的大青灰?guī)r含水層富水性較弱，對(duì)工作面回采不構(gòu)成威脅。煤層底板至下伏本溪灰?guī)r含水層頂界面平均間距為19 m，揭露最薄處為14 m，本溪灰?guī)r平均厚度為7 m，富水性中等。煤層底板至奧陶系灰?guī)r含水層頂界面平均間距為40 m，奧陶系灰?guī)r厚度大于500 m，富水性強(qiáng)，水位標(biāo)高+41 m左右。工作面于2019年6月開始回采，屬于帶壓開采，存在底板承壓水害威脅。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)工作面電阻率監(jiān)測(cè)施工設(shè)計(jì)如圖6所示。運(yùn)料巷外側(cè)為另一工作面的采空區(qū)，運(yùn)輸巷外側(cè)30 m為采區(qū)運(yùn)輸大巷。為了盡量減少采動(dòng)破壞和頂板垮落對(duì)監(jiān)測(cè)電極的影響，將監(jiān)測(cè)電極分別布置于運(yùn)料巷和運(yùn)輸大巷中，并采用耐壓套管對(duì)運(yùn)料巷的監(jiān)測(cè)線纜加以保護(hù)。工作面傾向?qū)挾葹?0 m，運(yùn)料巷與運(yùn)輸巷高差約為20 m，2條測(cè)線間距為100 m，相鄰電極間距為10 m，每側(cè)布設(shè)60個(gè)監(jiān)測(cè)電極。

圖6 電阻率監(jiān)測(cè)施工設(shè)計(jì)Fig.6 Construction design of resistivity monitoring

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，選擇單極-偶極觀測(cè)裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集。由于監(jiān)測(cè)區(qū)域較長(zhǎng)，若單次數(shù)據(jù)采集將所有電極都納入則耗時(shí)較長(zhǎng)。試驗(yàn)采用分段滾動(dòng)監(jiān)測(cè)方式。單次監(jiān)測(cè)區(qū)段長(zhǎng)度設(shè)置為測(cè)線間距的2倍，隨著工作面不斷推進(jìn)，監(jiān)測(cè)區(qū)段逐漸向推進(jìn)方向移動(dòng)。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)段長(zhǎng)200 m，完成單次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集耗時(shí)約90 min，監(jiān)測(cè)期間工作面回采進(jìn)度約為3 m/d，在進(jìn)行單次數(shù)據(jù)采集過程中工作面平均推進(jìn)0.19 m。該過程中認(rèn)為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)煤層頂?shù)装鍘r層內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化可忽略，即假設(shè)在單次數(shù)據(jù)采集過程中監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)煤系地層電阻率基本不變。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

采用電阻率三維反演對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，結(jié)果表明工作面底板電阻率整體呈高阻(>200 Ω·m)，且隨時(shí)間推移無明顯變化，僅在2019年9月8—15日出現(xiàn)1次低阻(<200 Ω·m)異常。該時(shí)間段前后，監(jiān)測(cè)區(qū)段位于31—51號(hào)電極之間，此時(shí)工作面底板下方20 m處水平電阻率切片如圖7所示。

從圖7可看出，9月9日，底板下方出現(xiàn)顯著低阻異常且異常有增強(qiáng)趨勢(shì)；9月10日，該低阻異常進(jìn)一步增強(qiáng)(圖7(d)，圖7(e))，然后逐漸減弱(圖7(f)—圖7(i))；由于設(shè)備檢修，9月11—13日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失；9月14—15日，低阻異常進(jìn)一步減弱。對(duì)比工作面回采進(jìn)度可知，低阻異常主體位于回采線左側(cè)超前壓縮區(qū)，隨著工作面逐步推進(jìn)，低阻異常區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大并部分進(jìn)入采空區(qū)，隨后低阻異常減弱，范圍逐漸縮小，但低阻異常區(qū)和采空區(qū)仍有部分重疊。導(dǎo)致工作面底板出現(xiàn)低阻異常的原因可能有2種： 一種是超前壓縮區(qū)內(nèi)巖石原生裂隙受壓閉合，電阻率有所降低，該情況下低阻異常區(qū)會(huì)隨工作面推進(jìn)向前推移；另一種是巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，新生裂隙與富水區(qū)貫通，導(dǎo)致巖石電阻率降低。從電阻率變化過程來看，該低阻異常區(qū)未表現(xiàn)出隨工作面推進(jìn)向前推移的趨勢(shì)，而是隨工作面推進(jìn)先增大后減小，因此其為新生裂隙導(dǎo)通富水區(qū)所導(dǎo)致的可能性更大。據(jù)礦井水文觀測(cè)臺(tái)賬顯示，9月10—12日工作面涌水量增加2～12 m3/h[4]，與煤層底板電阻率發(fā)生顯著變化的時(shí)間段基本吻合。直流電阻率法監(jiān)測(cè)結(jié)果較好地捕捉到了該次出水過程，且電阻率出現(xiàn)異常變化的時(shí)間早于工作面實(shí)際出水時(shí)間，因此直流電阻率法可作為工作面水害預(yù)警的有效手段。

5 結(jié)論

(1) 底板突水過程數(shù)值模擬結(jié)果表明：根據(jù)電阻率三維反演結(jié)果可識(shí)別含、導(dǎo)水異常構(gòu)造在測(cè)線走向上的展布范圍；根據(jù)電阻率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可推斷異常構(gòu)造發(fā)育情況，隨著含、導(dǎo)水異常構(gòu)造向上發(fā)育，低阻異常響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，低阻異常區(qū)在垂向的展布范圍逐漸增大。

(2) 井下監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明：利用直流電阻率監(jiān)測(cè)成功捕捉了采煤工作面底板出水過程，電阻率出現(xiàn)異常變化的時(shí)間早于工作面實(shí)際出水時(shí)間；工作面涌水量增加之前，低阻異常響應(yīng)表現(xiàn)出逐漸增強(qiáng)的變化趨勢(shì)，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致；工作面出水后，低阻異常逐漸減弱。

(3) 研究結(jié)果表明可利用直流電阻率法進(jìn)行工作面水害預(yù)警，但目前監(jiān)測(cè)結(jié)果的垂向分辨率較低，要準(zhǔn)確判斷異常構(gòu)造的發(fā)育高度還需結(jié)合其他監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行綜合解釋。