溫亨聰，劉寶寶，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）

我國部分礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主采煤層下部含水層水壓高、水量大、補(bǔ)給豐富、導(dǎo)水通道發(fā)育，為國內(nèi)受水害威脅嚴(yán)重的大水礦區(qū)[1]。隨著礦井采區(qū)逐步向深部延伸，主采煤層面臨著底板出水、導(dǎo)水通道活化等水害的嚴(yán)重威脅[2]。為解決日益嚴(yán)峻的水害安全問題，礦井急需探明工作面底板巖層的賦水性分布情況，劃分底板巖層的相對貧、富水區(qū)域，評估水患威脅性。

目前國內(nèi)外對礦井工作面底板巖層賦水性探查的主要方法有直流電法、電剖面法、音頻電穿透法、瞬變電磁法等礦井電磁技術(shù)[3]。其中，直流電法和瞬變電磁法憑借著各自對含水體反映靈敏等特點，成為目前井下賦水性探測最常用的方法[4]。同時，隨著礦井生產(chǎn)不斷規(guī)?；⒋笮突?，采區(qū)自動化、機(jī)械化水平不斷提高，工作面的布設(shè)、采掘、災(zāi)害治理等多項生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐步朝著連續(xù)化、集中化等高效模式轉(zhuǎn)變，礦井對水害治理環(huán)節(jié)中賦水性探查工作形成了“高效、全區(qū)域、三維立體”的探測要求。在此形勢下，傳統(tǒng)的直流電法和瞬變電磁法將變得無法適用：直流電法底板探測只能探查巷道附近區(qū)域巖層的賦水性，對工作面中心附近區(qū)域無法勘探，存在探測“盲區(qū)”且其施工復(fù)雜、勞動強(qiáng)度大、物探效率低；瞬變電磁法抗金屬干擾能力差，在目前巷道多采用金屬支護(hù)且有眾多鐵器設(shè)備的環(huán)境下，金屬干擾嚴(yán)重，探測效果差或無效果[5]。

為此根據(jù)國內(nèi)外礦井采區(qū)底板巖層賦水性探測技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展情況，結(jié)合大水礦區(qū)復(fù)雜的采掘條件，提出了一種高效、立體的探水系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電透視法和高密度電法等礦井電法為主體，在最大程度上避免或減弱巷道金屬干擾影響的同時，集合了電透視法對煤層頂?shù)装鍘r性變化反映靈敏及高密度電法高效施工、多通道采集等優(yōu)點，采用軸向單極-偶極法為底層裝置、三維供電組合為供電裝置、多通道采集工藝為測量裝置、裝置集成為優(yōu)化，大幅度提高井下物探的工作效率，精準(zhǔn)探查工作面附近巖層任一位置、任一深度的賦水性分布情況，劃分底板巖層的貧、富水區(qū)域，評價工作面的安全性，實現(xiàn)工作面底板賦水性的全區(qū)域、無盲區(qū)、三維立體探測，保障煤礦的安全生產(chǎn)。

1 方法原理

1.1 電透視法

礦井直流電透視法的原理與礦井無線電坑透法類似，它把供電電極A（有時用偶極AB）和測量電極MN分別布置在采煤工作面兩相鄰巷道中，采用直流供電，通過測量MN間的電位差△UMN，研究兩巷道間工作面內(nèi)及圍巖中的電場分布規(guī)律，用于探測工作面內(nèi)部及其頂?shù)装鍘r層內(nèi)的含水、導(dǎo)水構(gòu)造異常[6]。其較常用的裝置形式主要為軸向單極-偶極法、赤道單極-偶極法、軸向偶極-偶極法、赤道偶極-偶極法等。

1.2 高密度電法

高密度電法即是高密度電阻率法，以巖、土導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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[7]。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)選用電透視法和高密度電法為基礎(chǔ)，采用礦井電法為主體，在最大程度上避免或減弱巷道金屬干擾影響的同時，集合電透視法對煤層頂?shù)装鍘r性變化反映靈敏及高密度電法高效施工、多通道采集等優(yōu)點，通過物探方法協(xié)同創(chuàng)新，以軸向單極-偶極法為系統(tǒng)底層裝置，以三維供電組合為供電裝置，以高效多通道采集工藝為測量裝置，使得工作面頂?shù)讕r層實現(xiàn)三維立體、高效的賦水性探測。

2.1 底層裝置

系統(tǒng)底層裝置采用電透視法裝置中理論及實踐應(yīng)用最為成熟的“軸向單極-偶極法”，底層裝置及電位差曲線如圖1。A、B為供電電極（B為無窮遠(yuǎn)電極），M、N為測量電極。其正演理論電位差曲線為上拱形，中間極大值兩邊對稱，隨著極距r→∞，△UMN→0。該方法電極排列形式的電位差響應(yīng)△UMN特征較為明顯，特別是在供電點對應(yīng)方向幅值較大，對煤層頂?shù)装鍘r性變化反映靈敏，適于探測煤層頂、底板內(nèi)巖性的變化情況[8]。

圖1 底層裝置及電位差曲線Fig.1 Bottom device and potential difference curve

2.2 供電裝置

系統(tǒng)供電裝置采用三維供電組合方式。其以傳統(tǒng)的軸向單極-偶極法裝置為基礎(chǔ)，在原有的供電電極A位置下方布設(shè)豎向電極孔，形成三維供電組合（A、A′、A″、…），使得供電電極A能夠布置在底板下方不同深度的巖層中進(jìn)行供電，實施不同深度的底板電透視勘探，實現(xiàn)工作面底板巖層賦水性的三維立體探測，三維供電組合如圖2。

圖2三維供電組合Fig.2 Three dimensional power supply combination

2.3 測量裝置

傳統(tǒng)的“軸向單極-偶極法”電透視勘探工作方法與礦井無線電透視類同，測量施工在工作面上、下巷道間進(jìn)行，一般每10 m 1個測量點（MN），每50 m 1個供電點（A），電透視法施工布置圖如圖3。具體測量時，對每個供電點供電，對應(yīng)在另一巷道的扇形對稱區(qū)域內(nèi)布置10～20個觀測點依次進(jìn)行單通道測量，當(dāng)本巷道內(nèi)所有供電點測量完畢后，測量與供電在兩巷道對調(diào)，重復(fù)觀測所有供電點。如A1供電點測量時，形成“A1供電→M1N1測電位差→A1斷電”、“A1供電→M2N2測電位差→A1斷電”……“A1供電→M11N11測電位差→A1斷電”的單通道測量模式，存在著施工復(fù)雜、測量時間長、通訊困難、勞動強(qiáng)度大、物探效率低等問題[9]。

圖3 電透視法施工布置圖Fig.3 Construction layout of the electric perspective method

系統(tǒng)測量裝置采用多通道測量原理，利用高密度電法一次布極、電路轉(zhuǎn)換、多通道數(shù)據(jù)采集等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速智能化采集，極大提高物探工作效率。以高密度電法中溫納三極裝置為例，多通道測量示意圖如圖4。采用多通道技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，只需A一次供電，就可以同時測得n個電極間的電位 差 數(shù) 據(jù)（U1，2，U2，3，U3，4，…，U1，3，U2，4，U3，5，…，U1，4，U2，5，U3，6，…），僅需用單通道數(shù)據(jù)采集時間的1/n，大大節(jié)省了工作時間，提高了物探效率[10]。

圖4 多通道測量示意圖Fig.4 Schematic diagram of multi-channel measurement

系統(tǒng)高效多通道采集工藝以高密度電法中溫納三極裝置為基礎(chǔ)，結(jié)合“軸向單極-偶極法”電透視測量原理，對溫納三極裝置測點布置進(jìn)行改進(jìn)，形成了高效、多通道、多裝置集成的測量裝置?；趥鹘y(tǒng)的“直線型”多通道測點分布方式，系統(tǒng)創(chuàng)新性更改為“方波型”多通道測點布置：即用1條多芯電纜連接“軸向單極-偶極法”中所有呈方波形狀排列的測量電極（M1—N1—N2—M2—M3—N3，…，Mi—Ni，…），形成系統(tǒng)獨有的“方波型”的多測道測點分布方式，方波型測點連接圖如圖5。

圖5 方波型測點連接圖Fig.5 Square wave type detection point connection

具體測量時，在上巷每個供電點A供電后，對應(yīng)在下巷扇形區(qū)域內(nèi)觀測點用多芯電纜“方波型”連接，再通過程控式多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)，根據(jù)需要進(jìn)行電極裝置形式、極距及測點的轉(zhuǎn)換，高效快捷地測得不同測量電極間的海量原始數(shù)據(jù)（U1，2，U2，3，U3，4，…，U1，4，U3，6，…，U2，3，U4，5，…）。

同時，系統(tǒng)測量裝置具有“多裝置集成”的特點。其能夠于海量原始數(shù)據(jù)中提取出“軸向單極-偶極法”及“赤道單極-偶極法”等多種電透視裝置的測量數(shù)據(jù)。如多通道測點采集N＝1、N＝3時（參考圖4），對每個供電點A，提取出的電極測量數(shù)據(jù)“U1，2，U3，4，U5，6，U7，8，…，Uj，j＋1，…”對應(yīng)軸向單極—偶極法電透視勘探的測量數(shù)據(jù)“UM1N1，UN2M2，UM3N3，UN4M4，…，UMiNi，…”；提取出的電極測量數(shù)據(jù)“U2，3，U6，7，U10，11，…，U4，5，U8，9，…”、“U1，4，U5，8，U9，12，…，U3，6，U7，10，…”對應(yīng)赤道單極-偶極法電透視勘探的測量數(shù)據(jù)，多通道測量等效圖如圖6。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

1）三維供電，立體探測。系統(tǒng)供電點呈三維立體分布，在巷道底板原有的供電點位置下方布設(shè)豎向電極孔，形成三維供電組合，使得供電電極能夠布置在底板下方不同深度的巖層中，進(jìn)行三維立體供電，形成不同深度的底板電透視勘探，實現(xiàn)工作面底板巖層賦水性的三維立體探測。

圖6 多通道測量等效圖Fig.6 Multi-channel measurement equivalent diagram

2）多通道測量，提高物探效率。系統(tǒng)特有的“方波型”多通道采集工藝，可實現(xiàn)現(xiàn)場一次布線、多道接收，完成每輪供電后多種電透視裝置的所有原始數(shù)據(jù)采集，大幅度提高井下物探工作效率、減輕勞動強(qiáng)度、節(jié)省人力物力。

3）裝置集成，優(yōu)化探測效果。系統(tǒng)測量裝置具有“多裝置集成”的特點，其能夠于海量原始數(shù)據(jù)中提取出“軸向單極-偶極法”及“赤道單極-偶極法”等多種電透視裝置的測量數(shù)據(jù)。綜合應(yīng)用這些裝置多種探測結(jié)果，相互補(bǔ)充、對比驗證、綜合分析，優(yōu)化了工作面底板賦水性的探測效果。

4 工程實例

4.1 礦井概況

焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司12012工作面底板含水層水壓高、水量大、補(bǔ)給豐富。其底板主要含水層為L8、L2、O2灰?guī)r含水層，均為高承壓含水層。工作面回采前，急需探明工作面底板下方的巖層賦水性分布情況，劃分巖層的貧、富水區(qū)域，分析工作面回采時的水患威脅性，為礦井合理安排防治水計劃、工程及預(yù)防水害事故的發(fā)生提供參考依據(jù)。

4.2 施工布置

本次12012工作面底板賦水性三維立體探測施工布置與礦井坑透類似，測量工作在采煤工作面的兩巷道進(jìn)行，每10 m 1個測量點（MN），每50 m 1個供電組合（A、A′、A″、A?），每個供電組合電極深度間距20 m，三維立體探測施工布置圖如圖7。具體測量時，對每個供電組每個供電點供電，對應(yīng)在另一巷道的扇形對稱區(qū)域內(nèi)布置的所有觀測點進(jìn)行△UMN多通道測量。當(dāng)本巷道內(nèi)所有供電點測量完畢后，測量與供電在兩巷道對調(diào)，重復(fù)觀測所有供電點。

圖7 三維立體探測施工布置圖Fig.7 Construction layout of three-dimensional detection

4.3 勘探結(jié)果

三維立體探測成果圖如圖8。由圖8可以看出，主要反映了相對低阻區(qū)的立體連通情況，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(lán)色陰影區(qū)為視電阻率值相對較低區(qū)域（相對低阻異常區(qū)）。視電阻率值越?。ㄋ{(lán)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(qiáng)。工作面底板探測范圍內(nèi)存在6個低阻異常區(qū)。這些低阻區(qū)均位于煤層底板下方L8灰?guī)r附近、頂界面距離二1煤層較近且往深部延伸，分析認(rèn)為可能系附近巖層一定賦水性引起的反映。

圖8 三維立體探測成果圖Fig.8 Three-dimensional water exploration results

4.4 驗證情況

礦井對12012工作面底板賦水性三維立體探測的6處低阻異常區(qū)采取了鉆探驗證。根據(jù)實際鉆探資料顯示：85%以上的鉆孔出水位置位于6處勘探異常區(qū)內(nèi)，且布置在底板L8灰?guī)r含水層附近的鉆孔出水量均較大，布置在煤層底板附近的鉆孔出水量小或無出水，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(zhǔn)確、效果可靠。

5結(jié)語

1）高效三維立體探水系統(tǒng)以三維供電組合為供電裝置，使得供電電極能夠布置在底板下方不同深度的巖層中進(jìn)行三維立體供電，形成不同深度的底板電透視勘探，實現(xiàn)工作面底板巖層賦水性的三維立體探測，使礦井電法技術(shù)具有更大的推廣性和適用性。

2）高效三維立體探水系統(tǒng)以“方波型”多通道采集工藝為測量裝置，實現(xiàn)一次布線、多道接收，快速完成每輪供電后多種電透視裝置的原始數(shù)據(jù)采集工作，減輕勞動強(qiáng)度，大幅度提高了井下物探的工作效率、節(jié)省人力物力。

3）高效三維立體探水系統(tǒng)采用軸向單極-偶極法為底層裝置、三維供電組合為供電裝置、高效多通道采集工藝為測量裝置、多裝置集成優(yōu)化等多種技術(shù)手段，大幅度提高井下物探的工作效率，可精準(zhǔn)探查工作面附近巖層任一位置、任一深度的賦水性分布情況，劃分底板巖層的貧、富水區(qū)域，評估水患威脅性，實現(xiàn)工作面底板賦水性的全區(qū)域、無盲區(qū)、三維立體探測，保障煤礦的安全生產(chǎn)。