超大采高工作面頂板電阻率監測可行性試驗

魯晶津，李德山，王冰純

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超大采高工作面頂板電阻率監測可行性試驗

魯晶津，李德山，王冰純

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

頂板覆巖破壞是造成回采工作面突水的主要原因之一，利用礦井電法進行頂板電阻率監測可以對覆巖破壞情況進行動態探查，但是超大采高工作面頂板電阻率監測面臨著常規方法音頻信號難以穿透、頂板監測電極埋設施工困難以及回風巷頂板監測電極難以保護等問題。為了解決上述問題，利用音頻電透儀和回采工作面電阻率監測系統開展了超大采高工作面頂板電阻率監測可行性試驗研究。結果顯示：單極–偶極裝置音頻信號透視穿透距離可達340 m；錨桿可以作為監測電極進行電流發射和信號采集；可以將回風巷監測電極布置于巷道底板加以保護。在某礦超大采高工作面部署了回采工作面電阻率監測系統，信號測試結果與可行性試驗的結論一致。

電阻率監測；覆巖破壞；錨桿；音頻電透視

煤炭資源開發階段的常規探測技術手段，主要是在煤層初始未擾動條件下的原位、靜態探測，無法實現煤礦開采過程中動力地質災害的探測。頂板覆巖破壞是造成回采工作面突水的主要原因之一，通過動態監測確定采動煤層頂板上覆巖體破壞高度，對煤炭安全、高效開采具有重要意義。

頂板覆巖破壞存在導通煤層頂板含水層的風險，對頂板覆巖破壞高度進行探查的常規方法有注水實驗法、高密度電阻率法、超聲成像法以及聲波CT層析成像法等[1]。然而頂板覆巖破壞高度的發育是一個動態變化的過程，采用常規方法進行原位、靜態探測，無法對工作面回采過程中水害風險進行動態評估和預警。礦井電法[2]通過布設電極、向地下供入電流建立人工電場，測量在工作面頂、底板電性變化影響下的自然電場或人工電場，根據電阻率的異常變化對工作面水害進行判斷。利用礦井電法進行頂板電阻率監測，可以對覆巖破壞情況進行動態探查[3]，并且對破壞裂隙的導水性進行判識，實現工作面水害風險的動態評估和預警。電法監測在礦山領域的應用最初源于巖體破裂失穩過程的電阻率監測[4]，后來被廣泛應用于地震預報[5]、隧道開挖過程中的圍巖破壞探測[6]等領域。隨著煤炭開采深度加大和巖體動力災害現象的發生，人們開始注意到煤巖破壞問題，電阻率法也開始在煤礦進行試驗，并被用于巖爆和頂板冒落的預測、預報[7]。隨后該方法被用于在地面測量煤礦采空區上方巖層裂隙發育高度[8]，并被進一步用于在井下探測煤層底板隔水層厚度和底板水導升高度[9]，均取得良好效果。受制于煤礦井下電法儀器研發的瓶頸，礦井電法監測的發展較為緩慢。網絡并行電法儀等工作面采動破壞監測設備研制成功后[10]，井下監測試驗得以開展[11-19]，為礦井電法監測的長遠發展積累了豐富的經驗。

在頂板水害電法監測中，一般采用向頂板斜上方打深度數百米的鉆孔并在鉆孔中安裝電極進行監測的方法[20]。由于煤礦井下打鉆成本較高，在鉆孔中安裝電極的難度也較大，該方法只能在較小范圍內開展，無法大規模使用。對超大采高工作面進行頂板電阻率監測時，面臨著常規方法音頻透視信號難以穿透、頂板監測電極埋設施工困難以及頂板監測電極難以保護等問題。為了解決上述問題，本文針對超大采高工作面開展了利用錨桿做監測電極進行頂板電阻率監測的可行性試驗研究，并利用中煤科工集團西安研究院有限公司研制的回采工作面電阻率監測系統進行了信號測試，為超大采高工作面頂板電阻率監測的實施奠定了試驗基礎。

1 回采工作面電阻率監測系統簡介

中煤科工集團西安研究院有限公司研制的回采工作面電阻率監測系統，通過在工作面回風巷、運輸巷頂(底)板布置電極、人工激發電場并監測分析煤層頂(底)板電阻率異常變化，來確定頂(底)板破壞情況以及裂隙帶是否與含水層溝通。回采工作面電阻率監測系統由地面服務器、通訊主站、監測分站、隔爆兼本安電源、監測電極、監測線纜和配套的地面智能控制軟件、數據實時處理軟件等組成，其系統結構圖如圖1所示。

圖1 回采工作面電阻率監測系統結構示意圖

回采工作面電阻率監測系統，通過地面服務器遠程對回采工作面頂/底板電阻率變化進行動態監測，采用監測數據的遠程在線處理技術，實現井下隱蔽導水通道變化過程的實時動態成像。該監測系統采用多頻率信號同步發射，進行高精度全波形數據連續采集，實現多頻率信號同步接收；通過智能控制軟件實現發射、接收電極的自動切換，利用光纖進行遠程數據傳輸，建立數據庫進行數據存儲，實現了井下無人值守、地面遠程控制監測。該系統配套了與數據庫自動交互的數據實時處理軟件，采用最小二乘法和小波分析技術對不同頻率的電壓信號進行數據預處理，利用擬高斯–牛頓法對預處理后的數據進行全空間三維電阻率反演，軟件自動對反演結果進行二維切片、三維異常體提取和立體成像等操作，實現了富水區域變化過程的實時動態成像。該系統實現了工作面水害隱患的自動化和智能化監測，便于技術人員實時掌控回采工作面含、導水通道的發育情況，及時對突水隱患進行排查，為煤礦安全高效開采提供了技術保障。

在施工過程中，監測分站安置在綜采工作面兩側的大巷或采(盤)區巷中，電極及線纜埋入綜采工作面兩側的巷道。監測分站可以作為發射機使用，也可以作為接收機使用。監測分站通過光纖連接至地面服務器，技術人員在地面通過智能軟件控制監測分站的工作狀態和發射、接收電極的自動切換，實現井下無人值守、地面遠程控制的動態監測。監測系統可以根據需求選擇一次性鋪設，也可以根據工作面回采進度定期滾動鋪設；監測分站采集的監測數據由光纖傳輸至地面服務器，地面采用遠程在線處理技術，對數據進行實時處理和異常體動態分析。數據實時處理及異常體動態分析軟件可以對井下富水區域的變化過程進行實時動態成像。

2 試驗工作面概況

某綜采面煤層平均厚度9.26 m，工作面設計采高8.8 m，傾向長度299 m，推進長度5 286 m，屬超大采高工作面。如圖2所示，該工作面對應地表有石灰溝，此溝為季節性溝流，是該區域較大的一條泄洪通道，雨季溝流量較大，溝內上覆層厚度為120~170 m，且溝內有多個水塘，工作面回采后導水裂隙帶有可能導通基巖含水層及松散含水層，導致含水層水涌入工作面，對工作面的安全生產造成威脅。因此，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”發育高度進行動態監測。

圖2 試驗工作面示意圖

開展試驗的超大采高工作面回風巷一側為單巷道，另一側為運輸巷加輔運巷的雙巷道，為了便于保護監測電極和監測線纜，計劃利用輔運巷和回風巷布置監測電極，監測電極均布設于巷道外幫。

3 頂板電阻率監測可行性試驗

3.1 音頻電透信號強度測試

試驗工作面傾向長度接近300 m，運輸巷和輔運巷間距25 m，再加上巷道自身寬度均大于5 m，監測電極布設在回風巷和輔運巷外幫，采用音頻電透視的數據采集方式進行頂板電阻率監測時，實際發射和接收的距離超過340 m，而常規音頻信號的穿透距離一般不超過250 m。為了保證足夠的信號強度，需要對不同的數據采集方式進行測試。考慮到回采工作面電阻率監測系統和音頻電透儀的工作原理相似，都是進行音頻信號發射和接收，可以利用音頻電透儀對不同的數據采集方式進行信號強度測試。

音頻信號的穿透深度與儀器自身的發射電流、接收信號的分辨率以及探測時采用的觀測裝置和極距大小緊密相關。在儀器技術指標不變的情況下，其穿透深度主要取決于觀測裝置和極距大小。傳統音頻電透視法采用圖3a所示的平行單極–偶極觀測裝置，接收電極分別布置于巷道的兩個側幫，在收發距離不變的情況下接收信號的大小取決于接收極距的大小，然而的大小又受限于巷道寬度，導致傳統音頻電透視法的穿透深度基本不超過250 m。本次工作采用了圖3b所示的平行偶極–偶極和圖3c所示垂向單極–偶極觀測裝置，由于發射電極和接收電極均沿巷道走向布置，電極極距不受限制，可以通過合理選擇極距調整接收信號的大小，從而達到增大穿透深度的目的。

圖3 電透視法觀測裝置示意圖

在輔運巷和回風巷分別布置了電極間距30 m、40 m和50 m的測線，測線長度300~350 m，不同極距的測線彼此重合，如圖4所示。對不同極距的測線分別進行了單極發射–偶極接收測試和偶極發射–偶極接收測試，發射信號頻率分別為15 Hz和120 Hz，測試所得的電壓曲線如圖5和圖6所示，圖中的背景值是不接入發射電流時采集到的背景噪聲。電壓曲線的結果顯示：接收電壓基本都高于背景值，表明不同極距下信號基本都可以穿透寬達340 m的距離；整體而言，120 Hz的接收信號強度比15 Hz的接收信號強度要小，符合高頻信號衰減更快的物理規律；對于位于0~50 m范圍內的1—2號發射點而言，極距30 m和40 m時接收信號強度基本接近背景值，極距50 m時接收信號強度有所增大；整體而言，除個別干擾點外，極距越大，接收信號強度越大。對比單極發射和偶極發射的接收信號可見，相同接收極距下，單極發射時接收信號強度更大。

圖7和圖8給出了不同極距下偶極發射和單極發射所得數據的三維電阻率反演結果。選擇了深度20 m的電阻率切片進行對比，圖7和圖8中=0 m為接收巷道、=340 m為發射巷道。反演結果表明：不同頻率、相同極距的異常形態彼此基本吻合，相同頻率、不同極距的異常形態彼此也基本吻合；單極發射和偶極發射的異常形態差異較大，但低阻區和高阻區的相對位置基本一致。根據現場記錄，接收巷道=90~120 m處有變壓器，=180~210 m處有鉆機施工，反演結果在這兩處位置都表現出明顯的高阻異常，推測為游散電流影響所致。

試驗研究發現：極距在30~50 m范圍內時，音頻信號可以順利穿透寬達340 m的距離；極距越大，接收信號越強，綜合考慮信號強度和數據采集密度的需求，可以采用40 m極距進行頂板電阻率監測試驗；單極發射時信號強度比偶極發射信號強度大，監測時可以考慮單極發射；120 Hz的接收信號強度比15 Hz的接收信號強度要小，監測時發射頻率可以取15 Hz。

(—極距30 m；—極距40 m；—極距50 m)

圖5 偶極發射–偶極接收不同極距時電壓曲線

圖6 單極發射–偶極接收極距50 m電壓曲線

圖7 偶極發射–偶極接收不同極距時反演結果

圖8 單極發射–偶極接收極距50 m反演結果

3.2 錨桿導電性測試

開展試驗的超大采高工作面，巷道高度將近5 m，在巷道頂板布設電極施工難度大，為了降低施工難度，擬采用錨桿作監測電極使用。在監測區域內，選擇靠近巷道外幫的頂板錨桿，斷開錨桿與錨網等金屬物之間的接觸，對錨桿的導電性進行測試。分別在輔運巷選擇了1對錨桿作為發射電極，在回風巷選擇了5對錨桿作為接收電極，相鄰錨桿間距40 m。在輔運巷拉無窮遠，采用單極發射，在回風巷進行偶極接收，用音頻電透儀進行錨桿供電和信號采集測試，15 Hz發射信號的測試結果如表1所示。測試結果顯示：發射電流為47.8~59.5 mA，電流值較大，表明錨桿的接地情況良好；接收信號變化范圍為19.2~48.8 μV，接收信號較穩定。錨桿供電和信號采集測試結果表明，頂板錨桿導電性良好，可以用做監測電極。

表1 錨桿單極發射–偶極接收測試結果

3.3 回風巷監測電極頂底板對比測試

回風巷頂板在回采過程中會發生垮落，若監測電極布置于頂板，當監測電極進入采空區后會隨頂板一起垮落，監測線纜也可能在頂板垮落的過程中被拉斷，無法實現切眼后方采空區的監測。為了便于對回風巷的監測電極和監測線纜進行保護，實現采空區覆巖破壞情況的動態監測，擬將回風巷監測電極布置于巷道底板。為了驗證這種布極方式的探測效果，在回風巷相同走向位置分別布置頂板監測電極和底板監測電極，輔運巷監測電極均布置于巷道頂板。對比回風巷監測電極分別位于頂板和底板時的探測效果，可為監測線纜保護方法的選擇提供依據。

利用回采工作面電阻率監測系統，分別通過回風頂板聯合輔運頂板、回風底板聯合輔運頂板的方式進行數據采集，對回風巷不同布極方式下采集所得的數據進行三維電阻率反演，結果如圖9a和圖9b所示；圖9c給出了利用音頻電透儀通過回風底板聯合輔運頂板的方式進行透視的處理結果；選擇了深度20 m的電阻率切片進行對比，圖中=0 m為回風巷，=340 m為輔運巷。

反演結果表明：將回風巷電極布置在底板、輔運巷電極布置在頂板和兩條巷道電極均布置在頂板時的異常形態、異常位置彼此基本吻合，音頻電透設備和回采工作面電阻率監測設備的結果也基本吻合；電極均位于頂板時，低阻異常分辨率更高。

對頂板低阻異常體模型進行三維數值模擬和反演成像，對頂–頂透視和底–頂透視兩種觀測方式進行了模擬計算，反演結果如圖10所示。可以看出，頂–頂透視和底–頂透視獲得的低阻異常位置基本吻合，頂–頂透視的低阻異常分辨率更高。數值模擬結果與井下試驗結論基本一致。

圖9 回風巷不同布極方式下采集所得數據的反演結果

圖10 頂板低阻異常體探測數值模擬結果

井下對比試驗和數值模擬結果表明：為便于監測電極和監測線纜的保護，實現采空區覆巖破壞情況的動態監測，可以將回風巷中的電極打在底板，以代替原來將電極打在頂板的監測方案。

4 監測系統布署和信號測試

在上述可行性試驗的基礎上，開展超大采高工作面頂板電阻率監測，在井下安裝了回采工作面電阻率監測系統，利用錨桿做監測電極進行信號發射和接收，在工作面輔運巷和回風巷中每隔40 m布置一個電極，共布設電極80個，具體布置如圖11所示。

鑒于工作面監測長度較大，采用滾動監測模式。單次監測覆蓋300 m的推進長度，隨著工作面不斷推進，監測電極逐漸向推進方向移動。電極移動過程中，始終保持著300 m的監測長度。采用類似音頻透視的方法開展頂板電阻率監測，首先以回風巷為發射巷道，輔運巷為接收巷道，依次從1號電極開始發射電流信號，每發射一次，接收巷道中的所有電極順次接收電位差并存儲至接收機中；完成回風巷中電極的發射之后，再以輔運巷為發射巷道，回風巷為接收巷道，重復發射和接收過程。上述過程完畢，即完成一次監測，同時開始下一次監測。監測過程中，監測系統通過地面軟件控制電極切換來實現監測區域的移動，不需要在井下進行人工干預。

完成了回采工作面電阻率監測系統的安裝調試后，選取31、33、35、37、39號電極，采用單極發射–單極接收的數據采集方式進行了信號強度測試，測試所得的電壓曲線如圖12所示。結果顯示：不論回風巷發射–輔運巷接收還是輔運巷發射–回風巷接收，其信號強度均遠高于儀器背景值，與利用音頻電透儀的試驗結果基本一致；總體來看，單極發射–單極接收的電壓值較大，接收信號也較穩定。

圖11 監測電極布置示意圖

圖12 單極發射–單極接收電壓曲線(頻率15 Hz)

5 結論

a.采用單極發射–偶極接收時，在極距為40 m、發射頻率為15 Hz的情況下，音頻信號的穿透距離可以達到340 m，適用于傾向寬度較大的大型工作面。

b. 錨桿導電性良好，可以用做監測電極進行電流發射和信號采集，應用于超大采高工作面頂板電阻率監測時可大大降低施工難度。

c.將監測電極布置于底板既可以對頂板電阻率進行探測，對回風巷監測電極保護也是有利的。

d. 回采工作面電阻率監測系統信號測試結果與可行性試驗的結論一致。

致謝：論文研究內容由神華神東煤炭集團公司“超大采高工作面成套設備安全工程研究”項目支持！

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Feasibility test of roof resistivity monitoring for super-high mining face

LU Jingjin, LI Deshan, WANG Bingchun

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Techonogy and Engieering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The failure of roof overburden is one of the main reasons for water inrush in mining working face. Roof resistivity monitoring by mine electrical method can be used to detect overburden failure dynamically. However, roof resistivity monitoring for super-high mining face has many problems, such as audio electromagnetic signal by conventional methods is difficult to penetrate through wide working face, burying of roof monitoring electrodes is difficult, monitoring electrode in the roof of air return lane is hard to protect, and so on. In order to solving these problems, feasibility study of roof resistivity monitoring for super-high mining face is carried out by audio electromagnetic perspective instrument and working face resistivity monitoring system. Experiment result shows: perspective distance of audio electromagnetic signal by pole-dipole arrays can be 340 m; anchor bolt can be used as monitoring electrode for current transmission and signal acquisition; monitoring electrodes of the return air way can be arranged on the way floor for protection. On the basis of above research, a resistivity monitoring system for mining working face is arranged for a super high mining face. The signal test results are consistent with the feasibility test results.

resistivity monitoring; overburden failure; anchor bolt; audio electromagnetic perspective

National Key R&D Program of China(2017YFC0804103)

魯晶津，1983年生，女，湖北隨州人，博士，副研究員，從事礦井電磁法勘探及其應用研究. E-mail：lujingjin@cctegxian.com

魯晶津，李德山，王冰純. 超大采高工作面頂板電阻率監測可行性試驗[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(3)：186–194.

LU Jingjin，LI Deshan，WANG Bingchun. Feasibility test of roof resistivity monitoring for super-high mining face[J]. Coal Geology & Explortion，2019，47(3)：186–194.

1001-1986(2019)03-0186-09

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.029

2018-08-20

國家重點研發計劃課題(2017YFC0804103)

(責任編輯 聶愛蘭)