超高密度電法在煤礦底板水動態監測中的應用

張 釗，翟培合，劉宇翔，張同德，任科科

（山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590）

1 跨孔超高密度電法成像原理

1）超高密度電法數據采集原理。超高密度電法[10]是近年來一種較新的地球物理探測技術，其勘探原理與其他傳統電法相同，均以巖土體導電性差異為基礎，研究在施加電場的作用下，地中傳導電流的分布規律。但其電極排列上選用一種突破原有程式化單裝置束縛的基于“泛裝置”的陣列勘探方法。以2條電纜為例，實際列為1組，共有的64個電極互相鏈接，依據奇-偶間隔配對原則（1-2，1-4，…，1-64；3-2，3-4，…，3-64；63-2，…，63-64），前后各為32組信號數據對，經由人工電源供電，采集MN的中間數據值，獲取反饋的電位信號，形成61條電位通道，共可得到62 464個數值點，采集數據比常規高密度電法多出幾十倍。超高密度電法系統跑極示意圖如圖1。

圖1 超高密度電法系統跑極示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultra-high density electrical system

2）跨孔電阻率成像[11-12]技術。指的是通過高密度發射系統和接收系統對地下電場的透視以進行地質巖土體的立體可視化分析；基于超高密度電法進行的跨孔電阻率反演與跨孔層析成像法原理類似；在孔中分別放入2根電纜，布設井下電極陣，進而觀測跨孔間電流、電壓數據，經過儀器配套的反演軟件，獲得井-井之間的電阻率分布斷面圖，進而結合已有的地質鉆探信息，分析深部地電場異常問題。

2 工程背景

2.1 工作面地質概況

白莊煤礦位于山東省肥城市，其8103工作面橫長為100 m，推采長度為250～327 m，平均推采長度為290 m，回采標高-424.1～-438.0 m；煤巖層整體呈背斜構造，背斜軸南翼煤巖層走向為72°～89°，傾向為162°～179°；背斜軸北翼煤巖層走向為44°～76°，傾向為314°～346°；工作面回采范圍內煤巖層傾角為1°～8°，平均為4°。煤層頂板四灰凹凸不平，局部裂隙發育，局部存在“二合頂”，對頂板管理有一定影響?；夭煞秶鷥冉衣?條斷層，落差為0.6～1.4 m，存在不明隱伏地質構造。

2.2 工作面水害分析

1）老空水。上覆30.7～33.4 m為7煤層采空區，具備自然泄水條件，且其他工作面回采進度已結束，無威脅。

2）四灰含水層。頂板8煤層，厚3.8～6.6 m，平均4.7 m，巖層地質性不純，含泥質，相鄰工作面已大面積揭露，四灰水基本疏干。

3）五灰含水層。上距8煤層底板28.1～43.3 m，平均34.8 m,五灰含水層厚1.6～9.5 m，平均厚5.6 m，工作面區域鉆孔單孔涌水量0～10 m3/h，平均涌水量0.9 m3/h，回采區域內五灰含水層巖溶發育不均一、富水性相對較弱。五灰含水層最大突水系數為0.096 MPa/m。

式中：T為突水系數，MPa/m；p為隔水層底板承受的水壓，MPa；M為隔水層厚度，m；ρ為水的密度，kg/m3；h為含水層水位高度。

4）奧灰含水層。厚800 m左右，與五灰層間距為2.1～8.7 m，平均間距5.4 m；單孔涌水量0.5～100 m3/h，平均涌水量12.4 m3/h。奧灰含水層最大突水系數為0.139 MPa/m.

由于思想認識不到位、制度堅持不好、組織活動方式缺乏創新、帶頭人隊伍素質能力不足、組織覆蓋不全面等原因，出現了基層黨組織弱化、虛化和邊緣化問題。

由于8103工作面嚴格留足了FN6斷層防水煤柱，故其不受斷層水害威脅，綜合分析可知工作面主要受底板奧灰承壓水威脅。故需對工作面的底板水情進行動態監測以保障煤礦的安全開采。

3 工程應用

3.1 鉆孔與電纜的布置

設計時為保證井下鉆孔的充分利用與施工的便捷，在注漿改造工作面底板的鉆孔基礎上，設計了單巷、跨斜孔的觀測裝置，鉆孔設置立體圖如圖2。圖2中展示了8103工作面巷道內，設計的鉆孔分布位置，用1、2、3、4的數字形式記號，同時也在對應的鉆孔插頭位置，做出標記。鉆孔呈現立體狀，以4號孔為測量基準鉆孔，其到3號孔之間的距離定為90 m，到2號孔的距離是195 m，到1號孔的距離為300 m。鉆孔結構采用套管的雙級層推模式，一級套管在前，約在9煤位置上下浮動，二級套管居于后，位于11煤下部，二極套管延伸長于一級套管；同時現場需要配備打壓合格的孔口控水和防噴反壓裝置，防止水壓過大頂出鉆桿傷人。

圖2 鉆孔設置立體圖Fig.2 Stereogram of borehole setting

將長度160 m的電纜接頭置入鉆孔中，每5 m間隔1個電極接頭，在電極接頭處焊接金屬片，增大與巖層的接觸面積，便于點電源向底板巖體供電；而后將線纜引出，進行封孔設計，于鋼管端頭處，焊接1條細鋼管，電纜從中順出，將封孔裝置固定在孔口，再用高壓注漿封堵，固定電纜；最后在電纜順出處鋪設一定的斜坡，用水泥注漿，同時下挖深度為0.4 m的細溝，將電纜埋設其中，上附遮蓋石體。

3.2 數據采集

本次井下數據采集于固定巷道外，使用的儀器是FLASHRES64電測儀，采集裝置為儀器默認裝置即全四極[13-14]裝置，裝置示意圖如圖3。按照組合方式選擇線纜插口進行接入，檢查電極，排除異常電極，設置適用參數，進行數據采集。數據采集按照兩孔對應原則，理論將獲得6（3×2×1）組鏈接數值集合；然而實際施工過程中，2號鉆孔的電纜接頭出現流水現象，為保證施工安全，實際操作過程中排除2號鉆孔之外的組合。

圖3 裝置示意圖Fig.3 Device diagram

3.3 數據處理

獲取的電位數據需先進行預處理，通過觀察程序界面顯示的電流對分布情況，對出現其中的異常電流值，進行細節性剔除。同時，設置裝置采集數據的質量閾值，人為去除質量較差的變異數值點，循環檢查，直至再無變異點，將數據導出進行反演處理。

反演使用的是廣義最小二乘正則化反演[15-16]方法，其在反演過程中同時施加光滑約束與背景約束的雙重約束條件，改變回歸模型使變換后的模型隨機誤差項消除自相關，進而通過普通最小二乘法求解新模型的參數。反演流程示意圖如圖4。

圖4 反演流程示意圖Fig.4 Flow chart of inversion

3.4 成果分析解釋

8103工作面在施工推進過程中，結合礦山壓力變化情況，間隔7～21 d的固定時期，進行5次數據采集工作，這里選中其中有代表性的3次監測作為案例進行分析，分別為回采前、回采中、及回采完畢后的3次孔間超高密度電法探測。依次將鉆孔1、3、4所獲取的數據兩兩組合進行跨孔反演處理，利用Surfer軟件成圖，結合超高密度孔間透視技術，分析礦井底板水體的運移規律，實現對煤礦回采中底板水[17]的動態監測。

3.4.1 4-3鉆孔孔間CT成像

4-3孔跨孔動態反演圖如圖5。

圖5 4-3孔跨孔動態反演圖Fig.5 4-3 cross hole dynamic inversion

從圖5可以看出，有3個低阻區域分布在鉆孔深度范圍內，同時4號孔中部、3號孔深處出現高阻區域與低阻區域相鄰。結合鉆孔資料可知4號鉆孔的高阻區域正處于五灰含水層區域，由于經注漿處理后五灰地層分布裂隙被封堵，故五灰地層呈現高阻。同時由于鉆孔工作面切眼的貫通，致使切眼巷道周圍底板應力重新分布應力增大，底板巖層受壓力影響增大影響壓縮巖層水，水向應力減少方向運移，使圖中3號鉆孔橫向坐標0～10 m處呈現低阻狀態。

由圖5（b）可知，前方20 m范圍內，由于受到礦山壓力的影響，巖層受力擠壓，使其中富存的水體分流巖層呈現高阻狀態。由于礦山壓力曲線向前、向下傳播，電阻率曲線變化趨勢與礦山壓力分布趨勢相似。同時，在開采位置后方采空區內，由于后方冒落區內的巖石導電性差，呈現高阻區；在膨脹區內巖石沒有壓實，巖石的導電性亦是不好，呈現部分高阻區；隨著采空區應力逐步恢復，巖石逐步被壓實，其導電性逐步加強，呈現部分低阻區。

圖5（c）為工作面向前推進230 m（即完成施工，進入采空區內）時的狀態?？芍殡S施工開采位置的不斷推進，工作面后方采空區的增壓部分也在向前推移，隨著這種狀態的持續改變，圍巖電阻率逐漸恢復。然而，在壓實區內由于應力恢復原巖應力，裂隙張開，其它地方的水體隨著裂隙進入采空區，隨著時間的推移，采空區內水體的不斷增多，內部的電阻率不斷降低，成為低阻區。

3.4.2 3-1鉆孔孔間CT成像

3-1跨孔電阻率動態反演圖如圖6。其對應上述圖5的3次監測狀態，將二者結合作為對整個工作面底板水情監測的補充和驗證。從圖6（a）中可知3號孔深部奧灰地層呈現高阻區與圖5（a）中3號孔深部奧灰地層呈高阻區的現象一致，表明經注漿處理后奧灰地層不富水。從圖6（b）中可知，隨著工作面向前推進，3號孔和1號孔附近存在的巖層相當于工作面留設的煤柱，煤柱巖層承受壓力逐漸增大，受到塑性破壞，使巖層裂隙發育。當裂隙中含有空氣時，呈現高阻區域；伴隨前方采空區增大，煤柱的支撐應力逐漸減小，其它地方的水體流入裂隙，巖石電阻率降低，呈現不同的變化狀態。對比可知，圖5（c）中原有的高阻區到圖6（c）中轉變為低阻區，其原因是隨著工作面不斷的向前推進，煤柱的支撐應力變小，巖層逐漸恢復為原巖應力；經時間的發展，原來巖層中產生的裂隙，其中的空氣逐漸被水代替，導電能力增強，呈現低阻區。

圖6 3-1跨孔電阻率動態反演圖Fig.6 3-1 cross hole dynamic inversion

4 結語

1）運用超高密度電法結合跨孔電阻率CT成像技術，最大化地增大數據的采集量；同時選用廣義最小二乘反演優化提高其計算效率與抗干擾能力，提高監測的準確性。通過對4-3孔與3-1孔間的跨孔動態反演圖的分析比較，結合礦壓變化，得到煤層含水體間的電阻率與應力關系，以礦井水的運移導向為基點，證明了超高密度電法動態監測技術在煤礦回采過程中的底板水的變化情況有良好的應用效果。

2）超高密度電法動態監測技術依托空間電阻率CT法的實際應用，雖取得了良好的監測效果，但其仍未脫離“面”的范疇，不能留下空間立體的直觀印象；同時，由于技術的局限性，使其監測中的數據在時間上是斷開的、不連續的；未來應將該項技術與三維高密度電法中的“數面發散”立體成像、智能視頻識別等技術相結合，實現礦企對工作面底板水的三維實時動態監測，將井下信息及時準確的反饋給地面監管單位，從而減少和避免煤礦回采過程中水害的發生。