礦井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)在采煤工作面水害防治中的應(yīng)用

魯晶津，王冰純，李德山，段建華

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)綠色、安全、可持續(xù)發(fā)展，煤礦自動(dòng)化、信息化、智能化是必經(jīng)之路。目前，我國煤炭開發(fā)依舊面臨著水文地質(zhì)條件復(fù)雜的環(huán)境，隨著開采深度逐漸加大，頂?shù)装逡约安煽諈^(qū)突水等水害威脅日趨嚴(yán)重，但水害隱患地質(zhì)透明化手段卻較為欠缺，大大制約了煤礦智能化、無人化開采技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，我國大多數(shù)煤礦逐步邁入智能化開采的新階段[1]，要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無人化開采，迫切需要水害隱患地質(zhì)透明化為其保駕護(hù)航。

煤礦突水事故多數(shù)是由于采掘過程中打通隱伏含、導(dǎo)水構(gòu)造或采掘擾動(dòng)破壞隔水層所導(dǎo)致的，僅僅進(jìn)行采掘前的靜態(tài)水害隱患探查和治理工作是不夠的，還需要對采掘過程中頂?shù)装宀蓜?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[2]，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的水害隱患地質(zhì)透明化。礦井電阻率法作為煤礦井下地質(zhì)安全保障技術(shù)的一種重要手段，在煤層頂、底板破壞及水害監(jiān)測中的應(yīng)用已有十余年的歷史[3-4]，科研工作者在方法原理[5-8]、監(jiān)測裝備[9-10]、數(shù)據(jù)處理解釋[11-12]以及工程應(yīng)用[13-16]等方面開展了大量研究，并在煤礦井下的應(yīng)用中取得了一定的地質(zhì)效果。然而，采用礦井電阻率法進(jìn)行采煤工作面頂、底板水害監(jiān)測時(shí)，采煤機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)等大型機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)必然會(huì)對信號采集產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。同時(shí)，在采掘擾動(dòng)下形成的突水通道其規(guī)模相對較小，由其引起的異常信號變化相對較弱。因此，礦井電阻率法監(jiān)測對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在強(qiáng)噪聲背景下微弱有效信號的檢測能力提出了較高的要求，也對數(shù)據(jù)處理解釋方法提出了挑戰(zhàn)。

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的礦井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)[10]，采用偽隨機(jī)信號發(fā)射、全波形數(shù)據(jù)采集，在滿足防爆要求的前提下提高了設(shè)備的抗干擾能力，該系統(tǒng)在上灣煤礦的頂板電阻率監(jiān)測試驗(yàn)中透視距離達(dá)到340 m[17]。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解釋時(shí)，采用電極接地條件一致性校正、監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化處理等手段壓制電磁噪聲干擾和采掘擾動(dòng)影響導(dǎo)致的假異常，采用時(shí)移電阻率成像實(shí)現(xiàn)水害隱患電阻率異常響應(yīng)的識別和提取，為采煤工作面水害隱患地質(zhì)透明化提供了技術(shù)支撐。本文結(jié)合礦井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)近年來的井下現(xiàn)場試驗(yàn)，分別介紹其在頂、底板水害監(jiān)測中的應(yīng)用案例，綜合評價(jià)該系統(tǒng)在采煤工作面水害防治中的應(yīng)用效果。

1 礦井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)簡介

礦井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1 所示，系統(tǒng)主要由監(jiān)測裝備、通信設(shè)備和配套軟件組成，其中監(jiān)測設(shè)備由監(jiān)測主機(jī)、隔爆兼本安電源、監(jiān)測線纜和監(jiān)測電極組成，通信設(shè)備由地面光端機(jī)、井下交換機(jī)及配套電源組成，配套軟件主要有遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)管理平臺以及數(shù)據(jù)處理和動(dòng)態(tài)成像軟件等。

圖1 礦井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)鋱D[2]Fig.1 Topological graph of the mine-used electrical resistivity monitoring system[2]

監(jiān)測主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，集成偽隨機(jī)信號發(fā)射模塊、全波形數(shù)據(jù)采集模塊、智能電極控制模塊、光纖通信模塊及微型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等[18]。偽隨機(jī)信號發(fā)射模塊根據(jù)參數(shù)設(shè)置可以分別生成2n偽隨機(jī)單頻波、3 頻波、5 頻波以及7 頻波序列，并將偽隨機(jī)信號通過發(fā)射電路升壓至額定電壓后供入地下。全波形數(shù)據(jù)采集模塊采用24 位AD 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)使用工頻陷波器來抑制50 Hz 工頻干擾對采集信號的影響，并且使用放大增益來適應(yīng)不同大小的采集信號，為提高數(shù)據(jù)采集精度、保證數(shù)據(jù)反演解釋效果提供保障。電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)是一套固定式在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測主機(jī)采用收發(fā)一體化的設(shè)計(jì)，通過控制命令可以將監(jiān)測主機(jī)設(shè)置為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)中的一種模式。智能電極控制模塊根據(jù)監(jiān)測主機(jī)的收發(fā)模式對電極功能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)監(jiān)測主機(jī)為發(fā)射機(jī)模式時(shí)，通過控制命令將監(jiān)測電極設(shè)置為發(fā)射電極，電極與發(fā)射電路連通，發(fā)射2n偽隨機(jī)信號并采集發(fā)射電流；當(dāng)監(jiān)測主機(jī)為接收機(jī)模式時(shí)，通過控制命令將監(jiān)測電極設(shè)置為接收電極，電極與AD 采集模塊連通，進(jìn)行電位或電位差信號采集。智能電極控制模塊最多可控制60 個(gè)電極的智能轉(zhuǎn)換，使其分別可以作為發(fā)射A、發(fā)射B、接收M、接收N等。監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)具體要求的不同，靈活選用單極-單極、單極-偶極以及偶極-偶極等不同的數(shù)據(jù)采集方式。通過智能電極控制模塊使監(jiān)測系統(tǒng)真正意義上實(shí)現(xiàn)了高效海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

監(jiān)測主機(jī)由專門的隔爆兼本安電源供電，為了保證監(jiān)測裝備在井下可以長期自動(dòng)連續(xù)采集數(shù)據(jù)，采用低紋波噪聲線性直流穩(wěn)壓電源為監(jiān)測主機(jī)各個(gè)模塊提供多路獨(dú)立供電，避免電源紋波噪聲對信號采集形成干擾，保證系統(tǒng)對微弱信號的采集能力。實(shí)際測試表明，采用線性穩(wěn)壓電源為監(jiān)測裝備供電，電源質(zhì)量的提高明顯提升了系統(tǒng)對小信號的分辨能力[18]。電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)采用礦用光網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，監(jiān)測主機(jī)內(nèi)置光纖通信模塊，通過礦用光網(wǎng)交換機(jī)和井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井下與地面的通信交互，實(shí)現(xiàn)了井上遠(yuǎn)程監(jiān)控、井下無人值守的監(jiān)測模式。采用光纖網(wǎng)絡(luò)通信控制方案有效提升了井地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，提高了系統(tǒng)的電氣安全性能[18]。

監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)管理平臺主要由上位機(jī)控制軟件、監(jiān)測主機(jī)智能電極控制程序、監(jiān)測主機(jī)數(shù)據(jù)采集控制程序、信號處理程序以及監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等組成。上位機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)井下通信及監(jiān)測設(shè)備與地面服務(wù)器之間的交互工作，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的管理；監(jiān)測主機(jī)智能電極控制程序控制發(fā)射、接收電極的自動(dòng)切換；監(jiān)測主機(jī)數(shù)據(jù)采集控制程序控制全波形數(shù)據(jù)的連續(xù)采集和傳輸；信號處理程序利用偽隨機(jī)信號相關(guān)辨識技術(shù)從采集的全波形數(shù)據(jù)中提取不同頻率的電壓信號，實(shí)時(shí)繪制電壓變化曲線；監(jiān)測數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)存儲和管理監(jiān)測數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果。監(jiān)測系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)處理和動(dòng)態(tài)成像軟件，通過自動(dòng)訪問數(shù)據(jù)庫獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行三維電阻率反演，同時(shí)對反演結(jié)果進(jìn)行電阻率三維立體成像顯示和異常體動(dòng)態(tài)變化結(jié)果可視化顯示，數(shù)據(jù)處理和成像過程不需要人工干預(yù)。

2 電阻率法監(jiān)測數(shù)據(jù)處理解釋方法

2.1 電極接地條件一致性校正

在進(jìn)行礦井電阻率法監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的過程中，監(jiān)測電極的接地條件在采掘擾動(dòng)影響下可能會(huì)隨時(shí)間推移發(fā)生變化，導(dǎo)致先后采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)不一致性，容易在數(shù)據(jù)中引入假異常。在對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析處理時(shí)，一般將接收數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖2a 所示，每一個(gè)發(fā)射電極都對應(yīng)一條接收電壓曲線，即共發(fā)射點(diǎn)電壓曲線。電壓值可以進(jìn)一步換算為視電阻率值，可以得到如圖2b 所示的視電阻率曲線。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，當(dāng)某一接收電極接地條件發(fā)生變化時(shí)，每一條共發(fā)射點(diǎn)電壓曲線都會(huì)在變化位置附近出現(xiàn)尖銳的鋸齒狀異常，如圖2a 所示，每條曲線都在兩條虛線之間的區(qū)域出現(xiàn)了鋸齒狀異常，對于視電阻率曲線（圖2b）而言鋸齒狀異常更加顯著；當(dāng)某一發(fā)射電極接地條件發(fā)生變化時(shí)，則表現(xiàn)為該發(fā)射電極對應(yīng)的共發(fā)射點(diǎn)曲線發(fā)生整體的偏移，如圖2a 和圖2b 中的紅色曲線所示。針對共發(fā)射點(diǎn)曲線的鋸齒狀異常，可以對曲線進(jìn)行平滑處理，實(shí)現(xiàn)接收電極接地條件的一致性校正。對于發(fā)生整體偏移的共發(fā)射點(diǎn)曲線，一般的數(shù)據(jù)處理方法難以解決該問題。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，對完成了接收電極接地條件一致性校正的數(shù)據(jù)根據(jù)接收點(diǎn)不同重新進(jìn)行分組，不同發(fā)射點(diǎn)、同一接收點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)歸為一組，繪制數(shù)據(jù)曲線，得到共接收點(diǎn)曲線。此時(shí)，每一個(gè)接收點(diǎn)對應(yīng)一條共接收點(diǎn)曲線，若存在發(fā)射電極接地條件變化，則每一條共接收點(diǎn)曲線在該發(fā)射點(diǎn)附近均會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀異常。對該鋸齒狀異常再次進(jìn)行曲線平滑處理，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射電極接地條件的一致性校正。圖2c 和圖2d 分別為對圖2a 和圖2b 的模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性校正后的結(jié)果，結(jié)果顯示，針對采掘擾動(dòng)影響導(dǎo)致電極接地條件不一致的問題，采用上述方法，可以分別消除由接收電極接地條件變化導(dǎo)致的共發(fā)射點(diǎn)曲線鋸齒狀異常和由發(fā)射電極接地條件變化導(dǎo)致的共發(fā)射點(diǎn)曲線整體偏移。

圖2 共發(fā)射點(diǎn)曲線一致性校正結(jié)果Fig.2 Consistency correction results of common transmission point curves

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化處理

礦井電阻率法監(jiān)測等價(jià)于對煤礦井下同一片目標(biāo)區(qū)域連續(xù)不斷地重復(fù)進(jìn)行電法勘探。礦井電阻率法勘探采集的數(shù)據(jù)一般是電位或電位差，要從中解譯出有用的地質(zhì)信息，需要消除電磁噪聲、巷道積水、浮煤、金屬體等干擾因素的影響。監(jiān)測過程中，這一類干擾的來源一般是固定的，對監(jiān)測數(shù)據(jù)造成的影響是系統(tǒng)性的，不會(huì)隨著監(jiān)測過程的持續(xù)而消失，屬于系統(tǒng)誤差。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，可以消除系統(tǒng)誤差的影響。此外，含煤地層在垂向上存在較強(qiáng)的電性不均勻性，其電阻率響應(yīng)往往會(huì)掩蓋水害發(fā)育過程導(dǎo)致的微弱電阻率變化，不利于水害隱患異常響應(yīng)的識別和提取。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，還可以消除含煤地層的影響，有效突出強(qiáng)電性不均勻背景下的微弱電阻率變化。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化時(shí)，一般選擇任意均勻介質(zhì)作為背景模型，計(jì)算該均勻介質(zhì)的模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)dc，然后計(jì)算任一時(shí)段監(jiān)測數(shù)據(jù)與初始監(jiān)測數(shù)據(jù)的比值，將該比值乘以dc，得到一組新的數(shù)據(jù)dnew，如下式所示：

對新構(gòu)造的數(shù)據(jù)dnew進(jìn)行反演，即可以獲得電阻率相對均勻介質(zhì)dc的變化情況。

2.3 時(shí)移電阻率成像方法

時(shí)移電阻率成像方法一般有獨(dú)立反演、比值反演、差值反演和交叉模型約束反演等。選擇合適的時(shí)移電阻率成像方法，可以消除監(jiān)測數(shù)據(jù)采集過程中的系統(tǒng)誤差、壓制各種干擾因素帶來的假異常，并可以有效突出強(qiáng)電性不均勻背景下的微弱電阻率變化[4]。

獨(dú)立反演采用常規(guī)的電阻率反演方法，對不同時(shí)段的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相互獨(dú)立的反演計(jì)算。獨(dú)立反演的模型更新公式[19]如下：

式中：dobs為實(shí)測數(shù)據(jù)，具體為觀測的電壓除以輸入電流；d(m)是對給定的電導(dǎo)率模型進(jìn)行正演計(jì)算所得的數(shù)據(jù)；m是用于反演迭代的模型，模型參數(shù)為lnσ，σ為模型電導(dǎo)率；mref是參考模型；δm為模型修正量；J=?d/?m為雅可比矩陣；Wd是數(shù)據(jù)權(quán)重矩陣；Wm是模型正則化矩陣；β是正則化參數(shù)，用于平衡最小化過程中數(shù)據(jù)誤差和模型正則化的影響。

當(dāng)用dnew替換式（2）中的dobs時(shí)，根據(jù)式（2）進(jìn)行反演擬合的過程也被稱為比值反演[20]。比值反演也可以通過計(jì)算與前一時(shí)段的監(jiān)測數(shù)據(jù)的比值，再用該比值乘以dc，得到一組新的數(shù)據(jù)drat，如下所示：

利用drat進(jìn)行反演可以突出當(dāng)前時(shí)段電阻率相對上一時(shí)段電阻率的變化情況。

差值反演[21]對某一時(shí)段的監(jiān)測數(shù)據(jù)與初始監(jiān)測數(shù)據(jù)的差值進(jìn)行反演，其模型更新公式如下：

式中：ΔD=(d(m)-d(m0))-是初始監(jiān)測數(shù)據(jù)，m0是初始監(jiān)測數(shù)據(jù)反演所得模型，d(m0)是初始監(jiān)測數(shù)據(jù)反演所得模型對應(yīng)的正演模擬數(shù)據(jù)。

交叉模型約束反演[22]在獨(dú)立反演的基礎(chǔ)上引入?yún)⒖寄Ｐ蚼ref，利用mref對反演模型進(jìn)行正則化約束。為了突出模型隨時(shí)間的變化情況，參考模型mref可以設(shè)置為上一時(shí)段監(jiān)測數(shù)據(jù)的反演模型。交叉模型約束反演的模型更新公式如下：

其中，=μGx+γGy+ηGz，V=λI。

式中：G為梯度算子，Gx、Gy、Gz分別為x、y、z方向的梯度算子；μ、γ、η分別為x、y、z方向梯度的權(quán)重；I為單位矩陣；λ為模型矩陣對角元素的權(quán)重。

3 底板電阻率監(jiān)測試驗(yàn)

對采動(dòng)后煤層底板破壞規(guī)律的深入研究和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，采動(dòng)后煤層底板存在“下三帶”：破壞帶、隔水層帶和承壓水導(dǎo)升帶[23]。底板破壞帶在支撐壓力的作用下，沿煤層工作面推進(jìn)方向又可分為4 個(gè)區(qū)：超前應(yīng)力壓縮區(qū)、過渡區(qū)、卸壓膨脹區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)[5]。對于富水性差的工作面而言，在超前應(yīng)力壓縮區(qū)內(nèi)，底板原生裂隙在超前應(yīng)力作用下發(fā)生閉合，圍巖導(dǎo)電性增強(qiáng)、電阻率下降；在卸壓膨脹區(qū)內(nèi)，底板巖層發(fā)生破裂，圍巖導(dǎo)電性減弱、電阻率升高；在重新壓實(shí)區(qū)，由于卸壓膨脹發(fā)生破裂的巖石被重新壓實(shí)，巖石裂隙減小，圍巖導(dǎo)電性再度增強(qiáng)、電阻率下降；過渡區(qū)圍巖導(dǎo)電性介于壓縮區(qū)和膨脹區(qū)之間。當(dāng)采動(dòng)破壞裂隙與富水區(qū)導(dǎo)通時(shí)，底板電阻率則會(huì)迅速下降?；谏鲜鲈恚捎玫V井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)，先后在葛泉煤礦開展采煤工作面底板電阻率監(jiān)測。

冀中能源股份有限公司葛泉礦東井11916 工作面埋深300 m 左右，采寬70 m，煤層傾角約為24°，平均煤厚5 m，該工作面屬于帶壓開采，存在底板承壓水害威脅，并且其相鄰工作面揭露一大型陷落柱，該陷落柱雖經(jīng)注漿改造，但探查孔中仍有少量出水。為了確保工作面安全回采，針對11916 工作面開展了長達(dá)5 個(gè)月的底板電阻率監(jiān)測[16]，監(jiān)測范圍100 m×600 m，監(jiān)測電極間距10 m，共布置監(jiān)測點(diǎn)120 個(gè)。監(jiān)測電極和監(jiān)測線纜分別布置于工作面兩側(cè)巷道底板，為了避免監(jiān)測線纜進(jìn)入采空區(qū)后被破壞，采用耐壓膠管對監(jiān)測線纜加以保護(hù)。監(jiān)測系統(tǒng)采用單極-偶極觀測裝置進(jìn)行電透視法監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。為了提高數(shù)據(jù)采集時(shí)效，采用分段滾動(dòng)監(jiān)測模式，單次覆蓋監(jiān)測范圍100 m×200 m，監(jiān)測范圍隨工作面推進(jìn)逐漸向前移動(dòng)，每組數(shù)據(jù)采集時(shí)長約90 min。

從監(jiān)測結(jié)果來看，11916 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9 日—14 日出現(xiàn)過1 次低阻異常，如圖3所示。從圖3 可以看出，9 月9 日工作面開始出現(xiàn)低阻異常，該低阻異常位于底板下方40 m 以淺，隨時(shí)間推移呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢；低阻異常區(qū)位置基本不變，沒有表現(xiàn)出向推采方向移動(dòng)的趨勢。

圖3 葛泉礦11916 工作面出水事件前后電阻率變化Fig.3 Resistivity variations before and after the water outflow in working face 11916 of Gequan Coal Mine

圖4 為9 月10 日低阻異常達(dá)到最大時(shí)的監(jiān)測結(jié)果，圖中展示了底板下方20 m 深度的水平切片，電阻率切片與工作面示意圖疊加在一起，并標(biāo)注了工作面實(shí)時(shí)回采進(jìn)度和陷落柱位置，回采線右側(cè)為采空區(qū)。從圖4 可以看出，低阻異常主體位于回采線前方超前應(yīng)力壓縮區(qū)，低阻異常的發(fā)育形態(tài)與工作面外側(cè)陷落柱的延展方向基本一致。

圖4 陷落柱位置與低阻異常位置[16]Fig.4 Digram of the collapse column position and low resistivity anomaly position[16]

綜合上述電阻率異常變化和分布規(guī)律，可以推測該低阻異常與采掘活動(dòng)無關(guān)，可能為陷落柱殘留積水在采掘擾動(dòng)下導(dǎo)入回采工作面所致。據(jù)礦井水文觀測臺賬顯示，9 月10 日—12 日工作面涌水量有所增加，與煤層底板電阻率發(fā)生顯著變化的時(shí)間段基本吻合，電阻率法監(jiān)測結(jié)果較好地捕捉到了該次出水過程的前兆信息。

4 頂板電阻率監(jiān)測試驗(yàn)

對于煤層覆巖變形破壞而言，按照巖層破斷程度不同，在垂直方向上可分為3 帶：垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶?？迓鋷Ш土严稁Ь哂辛己玫膶?dǎo)水性，這“兩帶”如果發(fā)育至頂板含水層，就可能發(fā)生頂板突水。覆巖變形破壞電阻率響應(yīng)的物理模擬和實(shí)測結(jié)果顯示，垮落帶電阻率值為正常圍巖值的4～6 倍，裂隙帶電阻率值為正常圍巖值的2～3 倍，彎曲變形帶電性特征受采動(dòng)影響不明顯[24]。因此，可以通過監(jiān)測頂板高阻異常的發(fā)育情況，實(shí)現(xiàn)對工作面頂板“兩帶”發(fā)育高度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測?；谏鲜鲈?，采用礦井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)，在上灣煤礦開展采煤工作面頂板電阻率監(jiān)測。

神東上灣煤礦12401 綜采面煤層平均厚度9.26 m，工作面設(shè)計(jì)采高8.8 m，傾向長度299 m，推進(jìn)長度5 286 m，屬超大采高工作面。工作面回采速度10 m/d。該工作面對應(yīng)地表有石灰溝，溝內(nèi)上覆層厚度為120～170 m，工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶有可能導(dǎo)通基巖含水層及松散含水層，導(dǎo)致含水層水涌入工作面，對工作面的安全生產(chǎn)造成威脅。為確保該工作面安全回采，需在回采過程中對工作面頂板“兩帶”發(fā)育高度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。該工作面巷道高度將近5 m，在巷道頂板布設(shè)電極施工難度大，為了降低施工難度，采用錨桿作監(jiān)測電極使用[17]。根據(jù)12401 工作面的水文地質(zhì)情況，重點(diǎn)對地表石灰溝覆蓋范圍內(nèi)的工作面頂板進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測長度1 500 m。在工作面輔運(yùn)巷和回風(fēng)巷中每隔40 m 布置一個(gè)電極，共布設(shè)電極80 個(gè)。采用分段滾動(dòng)監(jiān)測模式，單次監(jiān)測固定的推進(jìn)長度，隨著工作面不斷推進(jìn)，監(jiān)測電極逐漸向推進(jìn)方向移動(dòng)。監(jiān)測過程中，監(jiān)測系統(tǒng)通過地面軟件控制電極切換來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的移動(dòng)，不需要在井下進(jìn)行人工干預(yù)。為了提高信噪比，監(jiān)測系統(tǒng)采用單極-單極觀測裝置進(jìn)行電透視法監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測系統(tǒng)完成部署后，從2018 年8 月開始正式監(jiān)測，直至工作面推過整個(gè)監(jiān)測區(qū)域?yàn)橹梗M(jìn)行了長達(dá)5 個(gè)月的持續(xù)監(jiān)測。

整個(gè)監(jiān)測過程中，電阻率變化較緩慢，為了突出電阻率變化情況，對電阻率變化量進(jìn)行分析。用當(dāng)前的監(jiān)測結(jié)果減去前一天的監(jiān)測結(jié)果計(jì)算電阻率變化量。電阻率變化量為正，表明當(dāng)前電阻率相對前一天而言有所升高，屬于高阻異常；電阻率變化量為負(fù)，表明當(dāng)前電阻率相對前一天而言有所降低，屬于低阻異常。圖5 展示了9 月的部分電阻率變化量分析結(jié)果，提取了頂板上方z=30 m 的電阻率變化量順層切片，順層切片與工作面示意圖疊加在一起，圖中標(biāo)注了工作面實(shí)時(shí)回采進(jìn)度，推進(jìn)位置右側(cè)為采空區(qū)。不同時(shí)段的監(jiān)測結(jié)果均顯示，采空區(qū)內(nèi)呈弱高阻，采空區(qū)外有低阻異常發(fā)育，并且異常范圍隨時(shí)間推移向工作面推進(jìn)方向移動(dòng)，電阻率異常變化規(guī)律與工作面采動(dòng)影響規(guī)律基本吻合。整個(gè)9 月工作面安全回采，工作面涌水量沒有異常增加的現(xiàn)象，因此，可以認(rèn)為9 月監(jiān)測到的電阻率變化量是由工作面采動(dòng)影響引起的，屬于正常的電阻率變化。

圖5 上灣煤礦12401 工作面9 月監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Monitoring results of working face 12401 in Shangwan Coal Mine in September

圖6 是12 月的部分電阻率變化量分析結(jié)果，12 月11 日采空區(qū)前方有低阻異常發(fā)育，采空區(qū)內(nèi)呈弱高阻異常，與9 月相比電阻率變化量在正常范圍內(nèi)；12 月12 日采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大規(guī)模高阻異常，采空區(qū)前方有強(qiáng)低阻異常發(fā)育，與9 月相比電阻率變化量明顯超出正常變化范圍。

圖6 上灣煤礦12401 工作面12 月監(jiān)測結(jié)果Fig.6 Monitoring results of working face 12401 in Shangwan Coal Mine in December

圖7 是該監(jiān)測區(qū)段內(nèi)水文觀測孔R122 孔的水位曲線，從圖中可以看出12 月12 日前后R122 孔水位有明顯降低的趨勢。礦井水文觀測臺賬顯示，12 月19 日工作面涌水量有所增加。

圖7 R122 孔12 月水位曲線Fig.7 Water level curve of borehole R122

綜合分析可見，12 月12 日采空區(qū)內(nèi)的大規(guī)模高阻異常可能是由頂板大量裂隙發(fā)育并相互貫通造成的，該異常變化規(guī)律可以作為頂板即將出水的前兆信息。

5 結(jié) 論

a.礦井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)針對工作面回采過程中的水害問題，采用偽隨機(jī)信號發(fā)射、全波形數(shù)據(jù)采集提高設(shè)備的抗干擾能力，采用電極接地條件一致性校正、監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化處理等手段壓制假異常，采用時(shí)移電阻率成像實(shí)現(xiàn)水害隱患電阻率異常響應(yīng)的識別和提取，通過監(jiān)測工作面回采過程中頂、底板電阻率變化對水害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判識，井下試驗(yàn)結(jié)果顯示，電阻率法監(jiān)測可以有效捕捉頂、底板出水過程的前兆信息。b.礦井電阻率法監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采動(dòng)工作面水害隱患的地質(zhì)透明化，順應(yīng)智能化、無人化工作面的發(fā)展趨勢，在工作面水害防治領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)依舊面臨著強(qiáng)電磁干擾以及采空區(qū)監(jiān)測線纜難以保護(hù)等問題，并且采掘擾動(dòng)對煤巖電阻率的影響機(jī)理研究不足，導(dǎo)致對電阻率異常進(jìn)行分析解釋時(shí)存在較大爭議，還需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作。