礦井矩陣電極探測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

溫英明，溫亨聰，郭 純

（焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454002）

我國是世界主要產(chǎn)煤國，多數(shù)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是華北地區(qū)煤田灰?guī)r富水性強(qiáng)、水壓高、補(bǔ)給水源區(qū)域廣、隔水層薄，斷裂構(gòu)造及陷落柱較發(fā)育，煤礦重特大突水事故多發(fā)[1-2]。國內(nèi)外對礦井水害的探測技術(shù)主要為直流電法、音頻電透視法、高密度電法、瞬變電磁法等礦井電磁技術(shù)[3]。但隨著礦井開采不斷大型化、深部化，這些探測技術(shù)在滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求方面存在諸多不足[4]。其中，瞬變電磁法抗金屬干擾能力較差，在目前巷道多采用工鋼等金屬支護(hù)且金屬設(shè)備眾多的強(qiáng)金屬干擾環(huán)境下，探測效果差或無效果[5-6]。礦井電法方面，直流電法、音頻電透視法數(shù)據(jù)采集采用傳統(tǒng)低效的單通道方式，地電場數(shù)據(jù)密度有限、物探效率低且局限于電測深或電透視單一探測類型；高密度電法采用簡單的“直線型”多通道測量方式，無法完成電透視主流裝置“軸向單極-偶極法”的數(shù)據(jù)采集，在目前需電測深、電剖面、電透視等多種成果補(bǔ)充對比、綜合分析，高效、精細(xì)探測水害情況的背景下，傳統(tǒng)礦井電法的適用范圍逐漸減小[7]。

為此，對現(xiàn)有礦井電法的電極布極和數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行研究和創(chuàng)新，改進(jìn)傳統(tǒng)低效的“直線型”電極模式和單通道數(shù)據(jù)采集方式，研發(fā)出矩陣電極探測系統(tǒng)，提出“矩陣式”電極布置模式、多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)，達(dá)到一次布線、一輪供電完成所有原始數(shù)據(jù)的采集工作效果[8-10]。

1 方法原理

1.1 單通道測量方式

傳統(tǒng)的直流電法、音頻電透視法等礦井電法普遍采用單通道采集技術(shù)，即施工時(shí)對每個(gè)測深點(diǎn)或供電點(diǎn)處的供電電極進(jìn)行供電，對應(yīng)的測量電極依次進(jìn)行單通道測量，當(dāng)此測深點(diǎn)或供電點(diǎn)處的所有測量點(diǎn)施工完畢后，對下1 個(gè)測深點(diǎn)或供電點(diǎn)進(jìn)行類似觀測[11]。單通道測量示意圖如圖1。以電法中溫納三極裝置為例，A1供電點(diǎn)測量時(shí)，形成“A1供電-M1N1測電位差-A1斷電”、“A1供電-M2N2測電位差-A1斷電”……“A1供電-MiNi測電位差-A1斷電”的單通道測量模式，存在著地電場數(shù)據(jù)密度有限、測量時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、物探效率低等問題[12-13]。

1.2 “直線型”多通道測量方式

傳統(tǒng)“直線型”多通道測量方式在礦井水文物探的應(yīng)用主要以高密度電法和網(wǎng)絡(luò)并行電法為典型代表，是集電測深和電剖面法于一體的多裝置、多極距的高密度測量組合[14]。其測量布置通常包括1 條測量電纜和若干位于探測巷道底板上的電極，電極呈直線型等間距布置在巷道底板、并與測量電纜連接，測量電纜與現(xiàn)場主機(jī)相連接，“直線型”多通道測量示意圖如圖2。

圖2 “直線型”多通道測量示意圖Fig.2 Schematic of“l(fā)inear”multi-channel measurement

依據(jù)供電電極在巷道的布置方式，“直線型”電極模式多通道測量可分為單巷探測方式和雙巷探測方式。單巷探測方式下，供電電極、測量電極均布置在同一巷道內(nèi)；雙巷探測方式下，供電電極、測量電極分別布置在2 個(gè)相對巷道中。“直線型”多通道探測方式如圖3。

圖3 “直線型”多通道探測方式Fig.3 “Linear”multi-channel probe mode

其中，單巷探測方式一次布線可完成二極裝置、三極裝置、四極裝置、偶極裝置等多種裝置電測深、電剖面2 種工作方式的數(shù)據(jù)采集工作，無法完成電透視裝置的數(shù)據(jù)采集；雙巷探測方式一次布線可完成二極裝置、三極裝置、四極裝置、偶極裝置等多種裝置電測深、電剖面2 種工作方式及赤道單極-偶極法電透視裝置的數(shù)據(jù)采集工作，但無法完成井下電透視常用的軸向單極-偶極法等電透視裝置的數(shù)據(jù)采集。

2 矩陣電極探測系統(tǒng)

矩陣電極探測系統(tǒng)是對現(xiàn)有礦井電法的進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新，其提出的創(chuàng)新型電極模式與數(shù)據(jù)采集方式是多芯電纜和矩陣探測電極的高效組合應(yīng)用，探測電極呈雙排矩陣形按照固定的行間距和列間距布置在巷道頂?shù)装逯校⑼ㄟ^多芯電纜與主機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)一次布線、一輪供電完成多種電測深、電剖

面、電透視勘探的數(shù)據(jù)采集工作，大幅度提高井下物探工作效率、物探成果的精細(xì)度和可靠性。

2.1 多芯電纜

多芯電纜是實(shí)現(xiàn)矩陣電極與主機(jī)間供電、測量的重要連接裝置，系統(tǒng)采用的多芯電纜是由多根絕緣線芯組成的高強(qiáng)度線纜，并用絕緣密閉性能優(yōu)良的塑膠包裹。多芯電纜上按照固定間距分布有測量端口，且每個(gè)端口留設(shè)2 個(gè)測道口，并通過測道口的大小加以區(qū)分。每個(gè)測道口按順序依次與絕緣線芯相連，形成多芯測量電纜，多芯電纜組成示意圖如圖4。

圖4 多芯電纜組成示意圖Fig.4 Diagrams of multi-core cable composition

2.2 連接線夾

連接線夾是矩陣電極與多芯電纜測道口的連接裝置，包括接頭、保護(hù)套、連接線。接頭部分安有1大1 小2 個(gè)夾片，寬度大小對應(yīng)多芯電纜的測道口。連接線可分為紅色、藍(lán)色連接分線，分別與接頭夾片相連接，具體為紅色連接分線與小夾片相連，藍(lán)色連接分線與大夾片相連。連接處用保護(hù)套保護(hù)，保證其絕緣密閉性，連接線夾如圖5。

圖5 連接線夾Fig.5 Connecting clamp

2.3 矩陣電極

探測電極呈雙排矩陣形按照固定的行間距和列間距布置在巷道頂?shù)装逯校⑼ㄟ^連接線夾與鋪設(shè)在巷道中的多芯電纜依次相連接，形成矩陣探測網(wǎng)絡(luò)，多芯電纜與主機(jī)相連接，“矩陣式”多通道測量示意圖如圖6。

圖6 “矩陣式”多通道測量示意圖Fig.6 Schematic of“matrix”multi-channel measurement

依據(jù)探測目的、供電電極布置方式的不同，“矩陣式”電極模式多通道測量可分為單巷和雙巷探測方式。單巷探測方式下，供電電極、測量電極布置在同一巷道內(nèi)；雙巷探測方式下，供電電極、測量電極分別布置在2 個(gè)相對巷道中。“矩陣式”多通道探測方式如圖7。

圖7 “矩陣式”多通道探測方式Fig.7 “Matrix”multi-channel probe mode

其中，單巷探測方式一次布線、一輪供電，可同時(shí)完成2 套電測深、電剖面工作方式的數(shù)據(jù)采集，每套數(shù)據(jù)里包括二極裝置、三極裝置、四極裝置、偶極裝置等多種裝置的數(shù)據(jù)，提高了井下物探工作效率，同時(shí)2 套數(shù)據(jù)對比補(bǔ)充、綜合分析，進(jìn)一步提高原始數(shù)據(jù)的采集密度、精細(xì)度和可靠性。矩陣電極單巷探測等效圖如圖8。

圖8 矩陣電極單巷探測等效圖Fig.8 Equivalent diagram of matrix electrode single lane detection

雙巷探測方式是在單巷探測方式基礎(chǔ)上的拓展，一次布線、一輪供電可完成二極裝置、三極裝置、四極裝置、偶極裝置、軸向單極-偶極裝置、赤道單極-偶極裝置等多種常用裝置的電測深、電剖面、電透視工作方式的數(shù)據(jù)采集，形成“大滿貫式”全面數(shù)據(jù)采集，提高了井下物探效率，豐富采集數(shù)據(jù)種類多樣化、全面化，保障水文物探的精細(xì)度和可靠性，矩陣電極雙巷探測電透視等效圖如圖9。

圖9 矩陣電極雙巷探測電透視等效圖Fig.9 Equivalent diagram of matrix electrode double lane detection

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

1）提高物探工作效率。提出的“矩陣式”電極布置模式和多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過一次布線、一輪供電實(shí)現(xiàn)了多種常用裝置的電測深、電剖面、電透視等各類電法勘探的數(shù)據(jù)采集工作，形成“大滿貫式”全面數(shù)據(jù)采集，提高了井下物探效率。

2）保障物探精細(xì)度和可靠性。“矩陣式”電極模式多通道測量在探測應(yīng)用中，可同時(shí)完成2 套電測深、電剖面、赤道單極-偶極電透視法工作方式的數(shù)據(jù)采集，提高了數(shù)據(jù)的采集密度，豐富了數(shù)據(jù)的種類多樣化和全面化，多套數(shù)據(jù)對比補(bǔ)充、綜合分析，保障物探的精細(xì)度和可靠性。

3）拓寬應(yīng)用范圍。矩陣電極探測系統(tǒng)是對現(xiàn)有礦井電法的進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新，通過對直流電法、高密度電法、電透視法等多種電法技術(shù)取長補(bǔ)短、融合創(chuàng)新、集成應(yīng)用，形成“大一統(tǒng)”優(yōu)勢電法勘探技術(shù)，突破現(xiàn)有礦井水文物探技術(shù)的瓶頸，提出了一種創(chuàng)新型“矩陣式”電極模式與數(shù)據(jù)采集方式，一次布線、一輪供電實(shí)現(xiàn)電測深、電剖面、電透視等各類礦井電法的高效、精細(xì)勘探，打破了礦井電磁法適用范圍受限、技術(shù)停滯不前的尷尬局面，提升了電法勘探技術(shù)的水平，使水文物探技術(shù)在礦井安全生產(chǎn)中具有更大的推廣性和適用性。

4 工程實(shí)例

焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司中馬村礦39022工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主采煤層附近承壓含水層水壓高、水量大、補(bǔ)給豐富，斷層、裂隙分布廣泛，為保障煤礦的安全生產(chǎn)，礦方對該工作面實(shí)施了疏水降壓改造工程。現(xiàn)工作面準(zhǔn)備進(jìn)入回采階段，需對工作面底板改造工程的質(zhì)量進(jìn)行效果檢驗(yàn)、評價(jià)工作面回采水害安全性，為工作面安全順利回采提供參考依據(jù)。

1）施工布置。本次39022 工作面底板改造工程的質(zhì)量檢測采用矩陣電極探測系統(tǒng)技術(shù)，在39022工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷分別布置1 套矩陣電極探測系統(tǒng)。每套系統(tǒng)的探測電極呈雙排矩陣形布置在巷道底板中，矩陣電極行間隔5 m，列間距3 m，且雙巷探測時(shí)在對應(yīng)巷道內(nèi)布置間距為50 m 的透射供電點(diǎn)。具體測量時(shí)，按順序?qū)ぷ髅嫦锏肋M(jìn)行。“矩陣式”電極模式多通道測量，對透射供電點(diǎn)依次供電，一次布線、一輪供電完成了該巷道的電測深、電剖面、電透視等各類礦井巷道電法勘探。

2）勘探結(jié)果。中馬村礦39022 工作面底板賦水性探測成果圖如圖10，圖中主要反映了相對低阻區(qū)的分布范圍、發(fā)育變化趨勢及水害威脅性等。其中紅色陰影區(qū)為視電阻率值相對較高區(qū)域，黃色和綠色陰影區(qū)為視電阻率值中等區(qū)域，藍(lán)色陰影區(qū)為視電阻率值相對較低區(qū)域（相對低阻異常區(qū)）。視電阻率值越小（藍(lán)顏色越深），表示巖層可能越為斷裂破碎、裂隙發(fā)育或賦水性相對越強(qiáng)。從圖中可以看出，工作面底板探測范圍內(nèi)存在4 個(gè)低阻異常區(qū)。這些低阻區(qū)均位于煤層底板淺層區(qū)域、往深部延伸較少，分析系工作面底板附近煤巖層積水或潮濕引起，工作面回采時(shí)，這些低阻區(qū)附近發(fā)生底板出水的可能性較小。

圖10 工作面底板賦水性探測成果圖Fig.10 Water bearing detection result of working face floor

3）驗(yàn)證情況。礦方對4 處低阻異常區(qū)采取了鉆探驗(yàn)證，每處低阻區(qū)均布置2 個(gè)煤層底板下方L8灰?guī)r附近的鉆孔。結(jié)果顯示：4 處勘探低阻區(qū)內(nèi)的鉆孔出水量及注漿量都較小，這與該工作面已完成疏水降壓等已知地質(zhì)資料相符合，且39022 工作面已完成安全回采，無底板出水現(xiàn)象，物探結(jié)論準(zhǔn)確、可靠。

5 結(jié) 語

1）提出的“矩陣式”電極布置模式和多通道數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過一次布線、一輪供電實(shí)現(xiàn)了電測深、電剖面、電透視等各類礦井電法勘探的數(shù)據(jù)采集工作，提高了井下物探工作效率。

2）系統(tǒng)矩陣式電極探測時(shí)，能夠同時(shí)完成2 套電測深、電剖面、赤道單極-偶極電透視法工作方式的數(shù)據(jù)采集，提高了數(shù)據(jù)的采集密度，豐富了數(shù)據(jù)的種類多樣化和全面化，保障物探的精細(xì)度和可靠性。

3）矩陣電極探測系統(tǒng)通過對直流電法、高密度電法、電透視法等多種電法技術(shù)取長補(bǔ)短、融合創(chuàng)新、集成應(yīng)用，突破現(xiàn)有礦井水文物探技術(shù)的瓶頸，提出的創(chuàng)新型“矩陣式”電極模式與數(shù)據(jù)采集方式，實(shí)現(xiàn)了電測深、電剖面、電透視等各類礦井電法的高效、精細(xì)勘探，提升了電法勘探技術(shù)的水平，實(shí)現(xiàn)礦井電法技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新和拓展。