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）

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(dòng)影響通常會(huì)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(yīng)對(duì)煤層頂板的富水性進(jìn)行全面探測(cè)[2]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)頂板富水性探測(cè)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(qiáng)、對(duì)含水體反映靈敏的特點(diǎn)，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(jī)械化、深部化，礦井電法在滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求方面存在諸多不足。如工作面頂板巖體堅(jiān)硬，電極難以打入，電極與頂板間無(wú)固定點(diǎn)，電極布置困難，難以實(shí)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(wú)法推廣使用，而以探測(cè)電極少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便為特點(diǎn)的直流電法、音頻電透視法為單通道數(shù)據(jù)采集，地電場(chǎng)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(cè)點(diǎn)移動(dòng)頻繁上下梯子，施工繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大，極大增加了高空作業(yè)的危險(xiǎn)性，存在嚴(yán)重的安全隱患；頂板巖質(zhì)堅(jiān)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(yán)重影響探測(cè)結(jié)果的精細(xì)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(xì)的頂板賦水性探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用矩陣測(cè)點(diǎn)和伸縮探測(cè)桿的高效探測(cè)組合，完成頂板電法多通道探測(cè)網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)，提高物探效率；伸縮探測(cè)桿為高空電極布設(shè)模式，使電極高空布設(shè)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)工作面頂板賦水性的高效、精細(xì)探測(cè)。

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(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過人工向目標(biāo)體供入穩(wěn)點(diǎn)電流、觀測(cè)其電流場(chǎng)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(biāo)體中，而通過其他接地電極觀測(cè)用于計(jì)算目標(biāo)體電阻率所必需的電位或電位差信息。

2）單通道測(cè)量。單通道測(cè)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(shí)對(duì)每個(gè)測(cè)深點(diǎn)或供電點(diǎn)處的供電電極進(jìn)行供電，對(duì)應(yīng)的測(cè)量電極依次進(jìn)行單通道測(cè)量，當(dāng)此測(cè)深點(diǎn)或供電點(diǎn)處的所有測(cè)量點(diǎn)施工完畢后，對(duì)下一個(gè)測(cè)深點(diǎn)或供電點(diǎn)進(jìn)行類似觀測(cè)。該測(cè)量方式普遍存在著地電場(chǎng)數(shù)據(jù)密度有限、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、物探效率低等問題[9]。

3）多通道測(cè)量。多通道測(cè)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(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用下地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律，是一種集測(cè)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(cè)深度靈活等特點(diǎn)[10]。

2 礦井電法高效頂板探測(cè)系統(tǒng)

礦井電法高效頂板探測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)、伸縮探測(cè)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(cè)方式，大幅度提高礦井電法頂板探測(cè)效率；伸縮探測(cè)桿操作簡(jiǎn)單、安設(shè)方便，減小人員的高空作業(yè)危險(xiǎn)性；海綿耦合套提高探測(cè)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(shí)現(xiàn)工作面頂板賦水性的高效、精細(xì)探測(cè)。

2.1 頂板電法多通道探測(cè)網(wǎng)絡(luò)

頂板電法多通道探測(cè)網(wǎng)絡(luò)是矩陣測(cè)點(diǎn)和伸縮探測(cè)桿的高效組合應(yīng)用，是對(duì)現(xiàn)有礦井頂板電法的進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新，其包括若干伸縮探測(cè)桿、連接線、測(cè)量大線、現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)、無(wú)窮遠(yuǎn)電纜和無(wú)窮遠(yuǎn)電極。頂板電法多通道探測(cè)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1。

圖1 頂板電法多通道探測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)時(shí)，在探測(cè)巷道內(nèi)鋪設(shè)測(cè)量大線，并在巷道頂板標(biāo)定探測(cè)點(diǎn)的位置，在距探測(cè)區(qū)域一定距離的巷道底板布置無(wú)窮遠(yuǎn)電極，無(wú)窮遠(yuǎn)電極與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)用無(wú)窮遠(yuǎn)電纜連接；在探測(cè)巷道內(nèi)一次性布置好所有的伸縮探測(cè)桿，伸縮探測(cè)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(biāo)定的探測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)；每個(gè)伸縮探測(cè)桿的兩端分別頂緊巷道的頂板和底板，伸縮探測(cè)桿通過連接線與測(cè)量大線連接，測(cè)量大線與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)連接，現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)通過無(wú)窮遠(yuǎn)電纜連接無(wú)窮遠(yuǎn)電極，形成頂板電法多通道探測(cè)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(cè)深、電剖面、電透視等電法勘探，大幅提高探測(cè)效率。

2.2 伸縮探測(cè)桿電極布設(shè)模式

伸縮探測(cè)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(yuǎn)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(cè)桿示意圖如圖2。

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

頂板電法電極布設(shè)時(shí)，在探測(cè)巷道內(nèi)一次性布置好所有的伸縮探測(cè)桿，伸縮探測(cè)桿的位置與頂板標(biāo)定的矩陣測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，旋松管旋緊鎖，將伸縮內(nèi)桿向外拉伸，同時(shí)帶動(dòng)內(nèi)置銅線的移動(dòng)和卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，銅線隨著卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)向外延伸，同時(shí)卷筒內(nèi)側(cè)的多環(huán)形彈簧片逐漸拉伸壓縮（回收時(shí)多環(huán)形彈簧片回彈而回轉(zhuǎn)卷筒，纏繞銅線）；將伸縮探測(cè)桿伸長(zhǎng)至合適長(zhǎng)度時(shí)，擰緊緊鎖外旋套，將伸縮探測(cè)桿帶銅電極一端頂緊頂板，握把一端頂緊底板，使伸縮探測(cè)桿銅電極與頂板良好耦合接觸，完成伸縮探測(cè)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(cè)桿電極布設(shè)時(shí)，海綿套沾浸硫酸銅溶液并包裹銅電極前端，將伸縮探測(cè)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(cè)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(yīng)，優(yōu)化頂板電法勘探時(shí)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(shì)

1）多通道探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，提高頂板物探效率。系統(tǒng)采用伸縮探測(cè)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了礦井頂板電法多通道探測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)采用伸縮探測(cè)桿電極布置模式，所用伸縮探測(cè)桿操作簡(jiǎn)單、安設(shè)方便，無(wú)需人員登高作業(yè)就能把探測(cè)電極固定在巷道頂板上，減少人員的高空作業(yè)危險(xiǎn)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(cè)電極與頂板的耦合接觸，減弱銅電極的激發(fā)極化效應(yīng)，確保頂板電法勘探時(shí)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠。

3 工程實(shí)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(bǔ)給豐富，工作面存在頂板潰水潰沙的危險(xiǎn)。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(duì)貧、富水區(qū)域，分析物探范圍內(nèi)工作面回采時(shí)的頂板富水區(qū)域的威脅性，為煤礦的安全生產(chǎn)和災(zāi)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(cè)采用礦井電法高效頂板探測(cè)系統(tǒng)。多通道探測(cè)網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)時(shí)，在16051工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和切眼內(nèi)鋪設(shè)測(cè)量大線，并在巷道頂板標(biāo)定探測(cè)點(diǎn)的位置，在距探測(cè)區(qū)域500m遠(yuǎn)的巷道底板布置無(wú)窮遠(yuǎn)電極，無(wú)窮遠(yuǎn)電極與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)用無(wú)窮遠(yuǎn)電纜連接。頂板電法高效探測(cè)系統(tǒng)布置圖如圖4。

圖4 頂板電法高效探測(cè)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(cè)巷道內(nèi)一次性布置好所有的伸縮探測(cè)桿，伸縮探測(cè)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(biāo)定的探測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)；每個(gè)伸縮探測(cè)桿的兩端分別頂緊巷道的頂板和底板，伸縮探測(cè)桿通過連接線與測(cè)量大線連接，測(cè)量大線與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)連接，現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)通過無(wú)窮遠(yuǎn)電纜連接無(wú)窮遠(yuǎn)電極，形成頂板電法多通道探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。具體測(cè)量時(shí)，對(duì)探測(cè)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(cè)深、電剖面、電透視的數(shù)據(jù)采集。

3.2 勘探結(jié)果和驗(yàn)證情況

16051工作面頂板賦水性探測(cè)的成果圖如圖5。圖5主要反映了相對(duì)低阻區(qū)的分布范圍、立體連通情況、發(fā)育變化趨勢(shì)及水害威脅性等，其中紅色陰影區(qū)為視電阻率值相對(duì)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(duì)較低區(qū)域，即相對(duì)低阻異常區(qū)。視電阻率值越小，色階藍(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(duì)越強(qiáng)。

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(cè)范圍內(nèi)存在1個(gè)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(kuò)大，分析認(rèn)為該低阻區(qū)系附近巖層相對(duì)破碎、裂隙發(fā)育或具有一定賦水性引起。

礦方對(duì)16051工作面頂板電法探測(cè)出的低阻異常區(qū)采取了鉆探驗(yàn)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(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷最靠近低阻區(qū)的巷道位置布置鉆機(jī)進(jìn)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(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、效果可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）礦井電法高效頂板探測(cè)系統(tǒng)采用伸縮探測(cè)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(cè)點(diǎn)和伸縮探測(cè)桿的高效組合應(yīng)用，形成頂板電法多通道探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了一次布線、一次布極、一輪完成巷道頂板的電測(cè)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(cè)效率。

2）礦井電法高效頂板探測(cè)系統(tǒng)以伸縮探測(cè)桿電極布置模式安裝頂板電極，無(wú)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(xiǎn)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(cè)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(cè)電極與頂板的耦合接觸，減弱銅電極的激發(fā)極化效應(yīng)，確保頂板電法勘探時(shí)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠。