煤層工作面底板水害條件探測實(shí)驗(yàn)研究

徐 翀， 韓云春， 張 寒， 任 波， 凡 凈

(1．淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南232001;2．安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001)

煤層安全開采過程中，探查與分辨底板巖層賦水條件對回采安全至關(guān)重要。隨著開采水平的延伸和開采深度的增加，礦井受水害威脅的程度日趨嚴(yán)重，提高探測工作面底板隱伏構(gòu)造和含水體的精度也更加迫切。目前，煤層工作面底板水害條件探查手段主要有傳統(tǒng)地質(zhì)手段、鉆探法及地球物理勘探法三類。傳統(tǒng)地質(zhì)手段判斷工作面底板賦水情況時(shí)，存在誤差較大、難以準(zhǔn)確判別的問題;鉆探法則存在施工工期較長、成本大、施工目標(biāo)較為盲目等問題;地球物理勘探方法具有施工方便、異常區(qū)域分辨明顯、探測成本低等優(yōu)勢，可以高效率地探測出異常區(qū)。

目前，工作面底板巖層賦水性探測所采用的地球物理方法主要有礦井瞬變電磁法［1］、音頻電透視法及礦井直流電法［2］等。礦井瞬變電磁技術(shù)雖然操作方便，但在井下施工時(shí)受巷道支護(hù)材料等金屬干擾影響很大。音頻電透視技術(shù)在煤礦工作面底板水探測中雖然取得了一定的效果，但其探測深度受工作頻率的限制。另外，受觀測系統(tǒng)及技術(shù)手段的限制，采集的數(shù)據(jù)量較少，對異常范圍圈定不夠精確。礦井直流電法受現(xiàn)場施工條件限制較少，方法相對可靠，并且采用適合的觀測系統(tǒng)布置可以得到工作面底板下一定深度的巖層電阻率剖面信息［3－4］。然而，現(xiàn)有的礦井直流電法技術(shù)主要是針對賦水區(qū)空間的探查與定位，對受采動條件影響的動態(tài)發(fā)育過程難以掌握。因此，積極開展電法透視探測及監(jiān)測評價(jià)研究，對發(fā)揮礦井電法在礦井防治水工作中的作用具有重要意義。筆者以井下工作面底板水害條件為基礎(chǔ)，采用并行電法監(jiān)測技術(shù)，進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)，為煤層工作面底板水害條件探測提供了借鑒。

1 并行電法監(jiān)測技術(shù)

1.1 并行電法監(jiān)測原理

并行電法是直流電阻率法的一種。并行電法儀的每一電極都配備A/D 轉(zhuǎn)換器，可自動采樣，相當(dāng)于智能電極。智能電極通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與主機(jī)保持實(shí)時(shí)聯(lián)系，在接受供電狀態(tài)命令時(shí)電極采樣部分?jǐn)嚅_，讓電極處于AB 供電狀態(tài)，否則一直處于電壓采樣狀態(tài)，并通過通訊線實(shí)時(shí)地將測量數(shù)據(jù)送回主機(jī)。該儀器通過供電與測量的時(shí)序關(guān)系對自然場、一次場、二次場電壓數(shù)據(jù)及電流數(shù)據(jù)自動采樣，采樣過程沒有空閑電極出現(xiàn)。由于采用并行技術(shù)，數(shù)據(jù)采集具有同時(shí)性和瞬時(shí)性，可得到供電測線上的全部電位數(shù)值，電法更加真實(shí)合理，極大地提高了視電阻率的時(shí)間分辨率。

1.2 電場數(shù)據(jù)的三維反演

采用并行電法技術(shù)采集的電場數(shù)據(jù)，通過電場常規(guī)數(shù)據(jù)解編后，可以根據(jù)裝置類型提取出相應(yīng)的電流及電位數(shù)據(jù)。通常情況下，將提取出的電流及電位數(shù)據(jù)組合后，進(jìn)行電阻率三維反演［5－10］。電阻率三維反演問題的一般形式［11］為

式中:G——Jacobi 矩陣;

Δd——觀測數(shù)據(jù)d 和正演理論值d0的殘差向量;

Δm——初始模型m 的修改向量。

將模型剖分成三維網(wǎng)格(圖1)，反演要求參數(shù)為各網(wǎng)格單元內(nèi)的電導(dǎo)率值，三維反演的觀測數(shù)據(jù)則是測量的單極－單極電位差值或單極－偶極電位差值。由于它們變化范圍大，一般用對數(shù)標(biāo)定反演數(shù)據(jù)及模型參數(shù)，這有利于改善反演的穩(wěn)定性。由于反演參數(shù)太多，傳統(tǒng)的阻尼最小二乘反演往往導(dǎo)致模型過于復(fù)雜，即產(chǎn)生所謂多余構(gòu)造，它是數(shù)據(jù)本身所不要求的或是不可分辨的構(gòu)造信息，給解釋帶來困難。Sasaki 在最小二乘準(zhǔn)則中加入光滑約束，反演求得光滑模型，提高了解的穩(wěn)定性。求解模型修改向量Δm 的算法［11］為

式中:C——模型光滑矩陣;

λ——阻尼系數(shù)。

通過求解Jacobi 矩陣G 及大型矩陣逆，求取各三維網(wǎng)格電性數(shù)據(jù)。

圖1 三維網(wǎng)格單元?jiǎng)澐諪ig．1 Three-dimensional grid cell division

2 模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 系統(tǒng)布置

模擬實(shí)驗(yàn)要求在相同探測區(qū)域布置固定的探測模式，在不同時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的測試。以井下工作面底板水害條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)。探測實(shí)驗(yàn)在草地上展開，探測區(qū)內(nèi)布設(shè)一個(gè)深10 m、直徑40 mm 的注水孔。電極按鉆孔間距0.5 m 的規(guī)律布置成十字型，便于觀測注水孔水量變化后的電性參數(shù)。圖2 為檢測系統(tǒng)布置。探測區(qū)域呈正方形，縱橫測線共64 個(gè)電極，橫測線布置1#～32#，長度15.5 m;縱測線垂直橫測線，電極為33#～64#，長度15.5 m。

圖2 檢測系統(tǒng)布置Fig．2 Detection system arrangement

2.2 數(shù)據(jù)采集

直流電法監(jiān)測模型實(shí)驗(yàn)分為背景值選取和鉆孔注水特征連續(xù)探測兩部分:

(1)背景值選取。對注水孔本身水量水位探測2 次，得到注水孔在不同時(shí)間的水位變化特征，以此作為背景值。

(2)鉆孔注水特征連續(xù)探測。2014年4月29日、30日，5月1日、5月4～7日，采用AM、ABM 兩種探測方式，對地下巖土層含水特征進(jìn)行探測分辨。每次向鉆孔中加入一桶容積約7.3 L 的水，以此探測結(jié)果與背景值進(jìn)行對比。

現(xiàn)場電極布置完畢，待孔內(nèi)水量穩(wěn)定后，將電極連接線按設(shè)計(jì)順序接好，并布置好必要的電極電位參照點(diǎn)(無窮遠(yuǎn)極B 極與N 極)。開始測量注水孔區(qū)域背景電阻率值，共采集電法數(shù)據(jù)7 d。隨著鉆孔注入水量不斷增加，地下巖土層的電性條件不斷變化，根據(jù)采集的電位、電流計(jì)算電阻率變化特征，分析監(jiān)測地下巖土層的含水變化情況。

圖3 為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞綔y坐標(biāo)系及AM 法反演示意。其中，觀測系統(tǒng)L1、L2線上各電極間距為0.5 m，單條測線布置32 個(gè)測試電極，即單條測線長度為15.5 m。所有實(shí)驗(yàn)電極均采用銅電極，以此保證電極的可靠性及有效性，最大程度地降低電極對測試結(jié)果的影響。測試時(shí)，采集的數(shù)據(jù)包括三極法(AM 法)、四極法(ABM 法)兩類數(shù)據(jù)體。

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場采集的不同時(shí)段的數(shù)據(jù)，提取AM 法中單極－ 偶極電位差數(shù)值及ABM 法中的“溫四”“溫偶”兩種方式的電位差數(shù)值，進(jìn)行探測區(qū)域電性參數(shù)反演，其中AM 法反演對縱向深度效果較好，因此，文中給出AM 法反演結(jié)果。圖4、5 給出了深度為－0.15、－0.83、－1.73、－3.01、－4.64、－6.57 m時(shí)的電阻率切片對比結(jié)果。

圖3 探測區(qū)域坐標(biāo)系構(gòu)建及AM 反演示意Fig．3 Detection area coordinate system building and AM inversion

圖4 直流電法監(jiān)測AM 法結(jié)果切片F(xiàn)ig．4 AM results section of direct current monitor

圖5 直流電法監(jiān)測AM 法結(jié)果切片F(xiàn)ig．5 AM results section of direct current monitor

由圖4、5 可以看出，隨著注水量不斷增加，注水孔不同深度的低阻區(qū)也逐漸明顯，且低阻響應(yīng)區(qū)與注水鉆孔位置較吻合。

綜合分析可知，不同時(shí)間段內(nèi)，隨著水量不斷增加，鉆孔注水孔內(nèi)水位也發(fā)生相應(yīng)變化。直流電法可以很好地查明注水后孔底部巖層電性發(fā)育情況，準(zhǔn)確判斷不同深度、不同層位的含水變化，從而較好地評價(jià)探查區(qū)巖層含水量的變化情況。

3 結(jié)束語

此次直流電法監(jiān)測地下水動態(tài)的實(shí)驗(yàn)，通過對鉆孔注水補(bǔ)給巖層，探查與預(yù)測其巖層含水變化特征。三維空間電阻率反演結(jié)果表明，隨著鉆孔注水量的不斷增加，低阻區(qū)域逐漸明顯。這與預(yù)測結(jié)果相吻合，從而證明直流電法在地下水動態(tài)監(jiān)測中是可行的。直流電法可以較好地反應(yīng)注水鉆孔的位置，不同深度、不同條件下注水后巖土層水量的變化情況。

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