礦井掘進(jìn)工作面富水區(qū)多點(diǎn)電源高分辨電法探測(cè)

吳榮新，徐 輝

(1.煤炭安全精準(zhǔn)開采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，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)

煤炭的精準(zhǔn)開采，需要更加完善的礦山地質(zhì)保障系統(tǒng)，要求在巷道掘進(jìn)前能夠準(zhǔn)確探查巷道前方地質(zhì)條件[1-2]?！睹旱V防治水細(xì)則》規(guī)定受水害威脅的礦井巷道掘進(jìn)前要查明掘進(jìn)工作面前方富水區(qū)的賦存情況，直流電法超前探測(cè)是廣泛采用的一種富水區(qū)探測(cè)方法[3-4]。前人對(duì)其進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)其對(duì)巷道前方地質(zhì)異常探測(cè)效果顯著。在直流電法超前探測(cè)方法研究方面：程久龍等[5]系統(tǒng)研究了兩點(diǎn)電源三極電阻率法超前探測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理方法；劉青雯[6]研究了三點(diǎn)源三極超前探測(cè)方法；韓德品等[7]開展了四點(diǎn)電源七電極系含導(dǎo)水構(gòu)造超前探測(cè)研究；胡雄武等[8]提出了多極供電電阻率法超前探測(cè)，運(yùn)用多極偏移疊加方法處理數(shù)據(jù)；李術(shù)才等[9]開展了多同性源陣列電阻率法隧道超前探測(cè)方法研究；王敏等[10]提出了二極裝置U 型觀測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法；直流電法超前探測(cè)與孔內(nèi)視電阻率法相結(jié)合可準(zhǔn)確探測(cè)導(dǎo)水裂隙帶、頂板垮落帶[11]。在電法超前探測(cè)數(shù)值模擬和物理模擬研究方面：黃俊革等[12-13]利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)消除坑道空腔對(duì)視電阻率的影響，采用最小二乘法進(jìn)行快速反演；劉斌等[14]對(duì)隧道含水構(gòu)造進(jìn)行了系統(tǒng)的理論推導(dǎo)、正反演運(yùn)算及物理模型試驗(yàn)；馬炳鎮(zhèn)等[15]通過數(shù)值模擬研究了巷道因素對(duì)電法超前探測(cè)的影響；Deng Xiaokang 等[16]采用三維有限元數(shù)值模擬對(duì)聚焦電流法超前探測(cè)進(jìn)行了研究；張淼淼等[17]對(duì)巷道漸進(jìn)式排列電法超前探測(cè)進(jìn)行了正演模擬研究；劉路等[18]提出電法三維觀測(cè)系統(tǒng)，開展了不同異常體位置的數(shù)值模擬研究；周官群等[19]利用“三角錐”型鉆孔觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)直流電法超前探測(cè)開展正演模擬研究。

盡管直流電法超前探測(cè)研究已較為全面，但前人的研究主要關(guān)注掘進(jìn)工作面超前方向的富水區(qū)，對(duì)掘進(jìn)工作面?zhèn)惹胺郊昂蠓降母凰畢^(qū)缺少系統(tǒng)研究，這些區(qū)域存在水害安全隱患。高分辨地電阻率法是基于點(diǎn)電源場(chǎng)探測(cè)地下異常體的方法，對(duì)地下洞體探測(cè)具有快速、準(zhǔn)確和結(jié)果直觀的特點(diǎn)[20]，在煤田火燒區(qū)的探測(cè)中應(yīng)用效果良好[21]，在礦井煤層巷道側(cè)向無煤區(qū)的探測(cè)中也取得了良好的效果[22]。本文作者在多道電極觀測(cè)系統(tǒng)超前探測(cè)基礎(chǔ)上，結(jié)合高分辨地電阻率法數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提出多點(diǎn)電源高分辨電法探測(cè)，以期準(zhǔn)確探測(cè)掘進(jìn)工作面前后富水區(qū)分布情況。

1 多點(diǎn)電源高分辨電法數(shù)據(jù)采集

直流電法超前探測(cè)的理論是基于電性均勻介質(zhì)全空間探測(cè)原理，采用單極?偶極裝置(A-MN)，B電極置于無窮遠(yuǎn)處，在掘進(jìn)工作面后方布置電極系統(tǒng)觀測(cè)視電阻率的變化，以判斷巷道前方是否存在地質(zhì)異常體[5-7]。通常在掘進(jìn)工作面后方布置3～4 個(gè)固定點(diǎn)電源[6-7]。掘進(jìn)工作面多點(diǎn)電源高分辨電法以多道電極直流電法超前探測(cè)方法為基礎(chǔ)，探查掘進(jìn)工作面前后電阻率異常體的分布情況，拓展掘進(jìn)工作面后方固定點(diǎn)電源數(shù)可以達(dá)到8 個(gè)以上。

該探測(cè)系統(tǒng)通過在掘進(jìn)工作面一次布置m道電極(通常m≥32)，相鄰電極間距相等，電極陣列測(cè)線長(zhǎng)度通常100～ 200 m，其中近工作面1/4 測(cè)線長(zhǎng)度的電極依次做為供電電極(圖1)。以32 道電極系統(tǒng)、相鄰電極距5 m 為例，從掘進(jìn)工作面位置沿巷道中心底板布置電極，1 號(hào)電極為A極供電時(shí)，依次取2―3、3―4、4―5，直到31―32 號(hào)電極為MN偶極，測(cè)量視電阻率值，參照微分電測(cè)深視電阻率值記錄點(diǎn)方式[23]，可將各視電阻率值視為1 號(hào)點(diǎn)電源電測(cè)深視電阻率值，得到1 號(hào)點(diǎn)電源電測(cè)深曲線，各視電阻率值記錄深度H為MN中點(diǎn)到A極距離；2 號(hào)電極為A極供電時(shí)，依次取3―4、4―5、5―6，直到31―32 號(hào)電極為MN偶極，得到2 號(hào)點(diǎn)電源電測(cè)深曲線；依此類推，可得到1―8 號(hào)點(diǎn)電源供電電測(cè)深曲線，多點(diǎn)電源觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)束。所測(cè)得的視電阻率數(shù)據(jù)記為ρs(i,j)，i為點(diǎn)電源電極號(hào)，j為第i個(gè)點(diǎn)電源所測(cè)的第j個(gè)電阻率值序號(hào)。數(shù)據(jù)采集電法儀器可采用高密度電法儀或并行電法儀[24]。若電極測(cè)線總長(zhǎng)度相當(dāng)，且電極總數(shù)不少于32，電極數(shù)變化對(duì)富水區(qū)探查結(jié)果無明顯影響。

圖1 探測(cè)系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of the detection system

2 富水區(qū)視電阻率響應(yīng)

電性均勻介質(zhì)地層中的有限范圍相對(duì)富水區(qū)可以概化為低電阻率值的“等效球體”[14]，對(duì)于單極?偶極探測(cè)裝置(圖2)，其富水低電阻率球體的視電阻率ρsz響應(yīng)公式[25]為：

圖2 單極?偶極裝置幾何參數(shù)Fig.2 Geometric parameters of the monopole-dipole device

式中：ρ1為背景電阻率；ρ2為富水球體電阻率；r0為富水球體半徑；θ1為∠AOM；θ2為∠AON；d1為AO距離；r1為MO距離；r2為NO距離。

由式(1)可知，富水球體半徑越大，其產(chǎn)生的勘探體積效應(yīng)越明顯，視電阻率值響應(yīng)變化越明顯。根據(jù)礦井巖層電阻率值特征及前人電法超前探測(cè)電阻率值理論計(jì)算電阻率參數(shù)[5,13]，設(shè)定背景電阻率值ρ1=100 Ω?m，富水球體電阻率值ρ2=10 Ω?m，球體半徑r0=10 m。以32 道電極系統(tǒng)、相鄰電極距5 m 為例，分析富水區(qū)在掘進(jìn)工作面不同位置多點(diǎn)電源電法探測(cè)的視電阻率值響應(yīng)特征(圖3)。將掘進(jìn)工作面位置設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，向巷道后方為X軸正向，掘進(jìn)工作面超前探測(cè)方向?yàn)樨?fù)向，由式(1)計(jì)算得到不同位置的正演電阻率曲線(圖4)及成像結(jié)果(圖5)。

圖3 富水區(qū)位置Fig.3 Locations of water-rich areas

圖4 正演電阻率測(cè)深曲線Fig.4 Resistivity sounding curves derived from forward modeling

圖5 正演電阻率測(cè)深成像Fig.5 Resistivity sounding images derived from forward modeling

2.1 掘進(jìn)工作面正前方

當(dāng)富水球體中心位于掘進(jìn)工作面正前方10 m 時(shí)(圖3a)，根據(jù)式(1)，依次可計(jì)算出1―9 號(hào)點(diǎn)電源正演視電阻率值ρsz(i,j)。

由各點(diǎn)電源電阻率測(cè)深曲線(圖4a)可見，各條曲線富水區(qū)均表現(xiàn)出相對(duì)低電阻率值特征。距離富水區(qū)位置較近的點(diǎn)電源電測(cè)深曲線(X≤10 m，X為距工作面距離)，視電阻率值多小于95 Ω?m，明顯小于背景電阻率值；距離富水區(qū)位置較遠(yuǎn)的點(diǎn)電源電測(cè)深曲線(X≥15 m)，視電阻率值均大于97 Ω?m，接近背景電阻率值；隨點(diǎn)電源遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面位置，電阻率曲線最小值快速接近背景電阻率值。

在視電阻率測(cè)深成像圖(圖5a)上，近富水區(qū)點(diǎn)電源對(duì)應(yīng)視電阻率值表現(xiàn)為顯著的低電阻率值特征。掘進(jìn)工作面向后3 點(diǎn)電源電測(cè)深曲線最小值(圖5a 紅色線圈所示)連線斜率為2，該連線與電極測(cè)線延長(zhǎng)線的交點(diǎn)為富水區(qū)位置。

2.2 掘進(jìn)工作面?zhèn)惹胺?/h3>

當(dāng)富水球體中心位于掘進(jìn)工作面?zhèn)惹胺?圖3b)時(shí)，位置為掘進(jìn)工作面正前方10 m，偏離電極軸線20 m。根據(jù)式(1)，依次可以計(jì)算各點(diǎn)電源正演視電阻率值。

由各點(diǎn)電源電阻率測(cè)深曲線(圖4b)可見，各條曲線富水區(qū)均表現(xiàn)為相對(duì)低電阻率值特征。距離掘進(jìn)工作面位置較近的點(diǎn)電源電測(cè)深曲線(X≤5 m)，視電阻率值有較明顯響應(yīng)，最小視電阻率值為95～97 Ω?m；距離掘進(jìn)工作面位置較遠(yuǎn)的點(diǎn)電源電測(cè)深曲線(X≥10 m)，視電阻率值均大于97 Ω?m，視電阻率值接近背景電阻率值。

在電阻率測(cè)深成像圖(圖5b)上，近富水區(qū)點(diǎn)電源對(duì)應(yīng)視電阻率值表現(xiàn)為相對(duì)較低的電阻率值特征。掘進(jìn)工作面向后3 點(diǎn)電源電測(cè)深曲線最小值連線斜率范圍為1～2，富水區(qū)位置在該連線的延長(zhǎng)線上。

2.3 掘進(jìn)工作面后下方

當(dāng)富水球體中心位于掘進(jìn)工作面后下方時(shí)(圖3c)，位置為掘進(jìn)工作面后方20 m，底板深度20 m。根據(jù)式(1)，依次可計(jì)算出各點(diǎn)電源正演視電阻率值。

由各點(diǎn)電源電阻率測(cè)深曲線可見(圖4c)，富水區(qū)范圍表現(xiàn)為較明顯的相對(duì)低電阻率值特征(83～98 Ω?m)。隨點(diǎn)電源遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面，電阻率曲線最小值逐漸升高；從掘進(jìn)工作面位置到富水區(qū)中心位置的點(diǎn)電源電測(cè)深曲線(X≤20 m)，視電阻率值有顯著響應(yīng)，最小視電阻率值為83～90 Ω?m；隨電點(diǎn)源遠(yuǎn)離富水區(qū)位置(X≥25 m)，電阻率曲線最小值逐漸接近背景電阻率值。

在電阻率測(cè)深成像圖(圖5c)上，富水區(qū)影響范圍表現(xiàn)為顯著的低電阻率值特征(83～90 Ω?m)。掘進(jìn)工作面向后3 點(diǎn)電源電測(cè)深曲線最小值連線斜率為負(fù)值；富水區(qū)位置在該連線的延長(zhǎng)線上，為低電阻值范圍頂端。

以上分析可見，掘進(jìn)工作面不同位置富水區(qū)均具有相對(duì)低電阻率值響應(yīng)，在距掘進(jìn)工作面不同距離的點(diǎn)電源電測(cè)深結(jié)果上具有規(guī)律性的視電阻率變化特征，特別是掘進(jìn)工作面前方和后方的富水區(qū)視電阻率響應(yīng)特征存在顯著的區(qū)別。利用多點(diǎn)電源電測(cè)深結(jié)果，可以快速判別掘進(jìn)工作面是否存在相對(duì)富水區(qū)，判斷富水區(qū)是在掘進(jìn)工作面前方還是后方。

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

3.1 相關(guān)度參數(shù)計(jì)算

盡管根據(jù)各點(diǎn)電源電測(cè)深曲線和電阻率等值線圖可以判定是否存在富水區(qū)及其大致位置，但在實(shí)際應(yīng)用探測(cè)中，受巷道條件、接地電極耦合等多種干擾因素影響，實(shí)測(cè)電阻率值有明顯的跳躍變化，難以準(zhǔn)確識(shí)別巷道工作面前方富水區(qū)響應(yīng)極值點(diǎn)[7]，難以可靠地確定富水區(qū)位置。可以采用異常目標(biāo)匹配濾波數(shù)據(jù)處理方法[23]，通過與實(shí)測(cè)視電阻率資料進(jìn)行比較來快速有效地確定異常目標(biāo)位置。

該方法將多點(diǎn)電源范圍到掘進(jìn)工作面前方一定距離(通常為100 m)向下一定深度(通常為50 m，根據(jù)實(shí)際情況探測(cè)深度可適當(dāng)調(diào)整。)的空間，劃分為一系列“異常目標(biāo)單元”(圖6)，利用式(1)正演計(jì)算得到該異常目標(biāo)單元的理論電阻率曲線，與實(shí)測(cè)電阻率曲線作相關(guān)度運(yùn)算得到各目標(biāo)單元的相關(guān)度值，由所有目標(biāo)單元的相關(guān)度值可得到探測(cè)范圍的相關(guān)度成像圖。

圖6 目標(biāo)單元網(wǎng)格剖分Fig.6 Target cell griding

由于異常目標(biāo)匹配濾波法只比較正演曲線和實(shí)測(cè)曲線的相似程度，可將式(1)簡(jiǎn)化為[23]：

采用此正演公式代替式(1)，可以在不確定圍巖電阻率和異常體電阻率值以及異常體半徑的情況下，仍采用目標(biāo)匹配濾波法進(jìn)行資料處理與解釋，從而可以便捷地推廣應(yīng)用。

對(duì)于任一目標(biāo)單元(NX,NH)，其相關(guān)度值計(jì)算方法為：首先以該目標(biāo)單元中心坐標(biāo)為低阻球體中心，按照實(shí)測(cè)各點(diǎn)電源電測(cè)深數(shù)據(jù)ρs(i,j)對(duì)應(yīng)電極位置，按式(2)正演計(jì)算相應(yīng)的理論視電阻率數(shù)據(jù)ρsz(i,j)；然后計(jì)算該目標(biāo)單元的相關(guān)度值Cor(NX,NH)，計(jì)算公式為：

式中：ρsAV(i)為第i個(gè)點(diǎn)電源實(shí)測(cè)視電阻率平均值；ρszAV(i)為第i個(gè)點(diǎn)電源正演視電阻率平均值；K為每個(gè)點(diǎn)電源所測(cè)視電阻率數(shù)量；n為點(diǎn)電源數(shù)量。

利用自主研發(fā)的電法處理軟件，可以快速完成探測(cè)范圍的異常目標(biāo)單元相關(guān)度值計(jì)算及相關(guān)度成像。

將圖4、圖5 中的富水區(qū)響應(yīng)視電阻率值作為實(shí)測(cè)電阻率值數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行異常目標(biāo)單元剖分，計(jì)算各目標(biāo)單元相關(guān)度值，可得到掘進(jìn)工作面相應(yīng)位置富水區(qū)的相關(guān)度成像結(jié)果(圖7)。掘進(jìn)工作面正前方富水區(qū)范圍相關(guān)度≥0.8，與富水區(qū)位置吻合(圖7a)；掘進(jìn)工作面?zhèn)惹胺礁凰畢^(qū)范圍相關(guān)度≥0.85，與富水區(qū)位置吻合，但高相關(guān)度值范圍比富水區(qū)模型范圍大(圖7b)；掘進(jìn)工作面后方富水區(qū)范圍相關(guān)度多大于0.7，與富水區(qū)位置較吻合，但高相關(guān)度值范圍與富水區(qū)模型范圍略有偏離(圖7c)。此結(jié)果表明，高相關(guān)度值范圍與富水區(qū)位置較吻合，采用異常目標(biāo)匹配濾波法處理結(jié)果能夠有效地反映出富水區(qū)位置。

圖7 相關(guān)度結(jié)果成像Fig.7 Images of correlation results

3.2 視電阻率校正

受巷道空腔影響，近點(diǎn)電源視電阻率值明顯偏高[8,12,15]；同時(shí)，煤系為層狀介質(zhì)，電阻率值具有各向異性特征，礦井掘進(jìn)工作面實(shí)測(cè)的各電點(diǎn)源電測(cè)深曲線包含了層狀介質(zhì)電阻率特征[7]；而電法超前探原理是基于均勻介質(zhì)電性特征，因此，需對(duì)實(shí)測(cè)視電阻率曲線進(jìn)行校正處理。采用比值法進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，可以有效消除巷道空腔及層狀介質(zhì)各向異性影響。首先將掘進(jìn)工作面所實(shí)測(cè)的n條點(diǎn)電源電測(cè)深曲線ρs(i,j)擬合成1條模板理論曲線ρT(j)，計(jì)算公式為：

再將各點(diǎn)電源實(shí)測(cè)曲線ρs(i,j)除以該理論模板曲線，得到相應(yīng)的各點(diǎn)電源電測(cè)深比值數(shù)據(jù)R(i,j)：

該比值結(jié)果可以有效消除巷道空腔、層狀介質(zhì)各向異性因素的影響。當(dāng)R=1 時(shí)，無異常；當(dāng)R＞1 時(shí)，為高電阻率值異常，可能為無水裂隙區(qū)或高阻巖體；當(dāng)R＜1 時(shí)，為低電阻率值異常，可能為富水區(qū)。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 地質(zhì)概況及數(shù)據(jù)采集

淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦12428 工作面，開采8 煤層，煤厚2～3 m。相鄰工作面曾揭露陷落柱，工作面所在采區(qū)斷層較為發(fā)育，相對(duì)富集砂巖裂隙水。因此，該工作面軌道巷道掘進(jìn)時(shí)，可能會(huì)受到頂?shù)装逅Φ耐{，需要探查掘進(jìn)工作面前方富水區(qū)分布情況。采用多點(diǎn)電源高分辨電法進(jìn)行探測(cè)。

軌道巷道掘進(jìn)至Q10 測(cè)點(diǎn)前方60 m 時(shí)，使用并行電法儀采集數(shù)據(jù)，自掘進(jìn)工作面向后布置32 個(gè)電極，電極間距5 m，1 號(hào)電極布置在巷道掘進(jìn)工作面。采用AM法采集電法數(shù)據(jù)。以掘進(jìn)工作面位置1 號(hào)電極為X軸原點(diǎn)，向巷道后方為X軸正向。

4.2 探測(cè)結(jié)果

對(duì)采集的AM數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)解編，得到1—32 號(hào)電極依次供電時(shí)的單點(diǎn)電源電流和對(duì)應(yīng)的電位值。提取1—8 號(hào)電極點(diǎn)電源探測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算單極?偶極電阻率值結(jié)果，得到各點(diǎn)電源的視電阻率測(cè)深成像結(jié)果(圖8a)。由圖可見近點(diǎn)電源位置視電阻率值受巷道空腔影響明顯偏高，遠(yuǎn)離巷道位置視電阻值相對(duì)較低，視電阻率值波動(dòng)較大。

圖8 多點(diǎn)電源電測(cè)深結(jié)果Fig.8 Results of multipoint sources-based resistivity sounding

將1—8 號(hào)電極點(diǎn)電源電測(cè)深曲線擬合得到1 條模板理論曲線，根據(jù)式(3)對(duì)各條曲線進(jìn)行比值校正，得到各點(diǎn)電源的電阻率比值測(cè)深成像結(jié)果(圖8b)，該比值結(jié)果較好地消除了巷道空腔影響及層狀介質(zhì)影響。圖中低比值范圍值為0.3～0.9，其軸線(紅色直線)呈正斜率(值約1.5)，與側(cè)前方富水區(qū)電阻率響應(yīng)等值線(圖4b)相類似，反映富水區(qū)中心位置位于掘進(jìn)工作面?zhèn)惹胺剑锏篮笙路綗o明顯富水區(qū)。

對(duì)掘進(jìn)工作面后方多點(diǎn)電源范圍至巷道超前前方100 m、深50 m 范圍進(jìn)行異常目標(biāo)匹配濾波處理，處理數(shù)據(jù)為多點(diǎn)電源測(cè)深比值，得到探測(cè)范圍相關(guān)度成像結(jié)果(圖9)。由圖可見，高相關(guān)度值中心范圍位于巷道側(cè)前方，反映了富水區(qū)的中心位置。在巷道掘進(jìn)前方10～58 m 范圍相關(guān)度值達(dá)0.80 以上，解釋為相對(duì)富水區(qū)影響范圍，其中15～40 m 范圍(相關(guān)度值0.84以上)為較強(qiáng)富水區(qū)范圍。

圖9 相關(guān)度成像Fig.9 Correlation image

巷道掘進(jìn)后揭露探測(cè)掘進(jìn)工作面前方10～60 m 范圍均為頂板滴淋水范圍(圖10)。其中掘進(jìn)工作面前方15～40 m 范圍為斷層裂隙帶(圖10 藍(lán)色范圍)，揭露4 條正斷層，主斷層為F4，產(chǎn)狀130°∠40°，落差h=3.0 m；巷道掘進(jìn)至該范圍頂板嚴(yán)重淋水。巷道掘進(jìn)揭露情況與多點(diǎn)電源高分辨電法探測(cè)解釋結(jié)果一致。

圖10 掘進(jìn)巷道平面圖Fig.10 Plan of a heading roadway

5 結(jié)論

a.利用多點(diǎn)電源電測(cè)深數(shù)據(jù)可以更加客觀地?cái)M合理論模板曲線，采用比值法校正，能夠較好消除巷道空腔及層狀地層影響因素對(duì)各點(diǎn)電源電測(cè)深曲線的影響。

b.掘進(jìn)工作面正前方、側(cè)前方及后下方位置富水區(qū)在多點(diǎn)電源單極?偶極裝置電測(cè)深曲線及成像圖上具有不同的低電阻率值響應(yīng)特征，利用實(shí)測(cè)的多點(diǎn)電源電測(cè)深結(jié)果能夠有效判識(shí)掘進(jìn)工作面是否存在富水區(qū)，能夠初步判定富水區(qū)的位置。

c.采用異常目標(biāo)匹配濾波方法對(duì)探測(cè)空間進(jìn)行相關(guān)度運(yùn)算，可得到掘進(jìn)工作面前方及后方探測(cè)范圍相關(guān)度成像結(jié)果，其高相關(guān)值范圍能夠準(zhǔn)確地反映富水區(qū)的空間位置。