煤層頂板含水構造三維直流電法探測研究

闞雪冬 ，楊 彩 ，張亮亮 ，龔俊嶺

（1.焦作煤業(yè)（集團）有限責任公司，河南 焦作 454000；2.中國礦業(yè)大學 礦山互聯(lián)網應用技術國家地方工程實驗室，江蘇 徐州221116；3.中國礦業(yè)大學 物聯(lián)網（感知礦山）研究中心，江蘇 徐州 221116；4.焦作煤業(yè)集團趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責任公司，河南 焦作 454000；5.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116）

煤炭資源在中國國民經濟的發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用，然而經過長期的開采活動，大量的老礦區(qū)淺部煤炭資源即將枯竭，急需開發(fā)深部的煤炭資源[1-2]。隨著煤礦開采深度的增加，大部分煤礦普遍受到來自奧陶系灰?guī)r高承壓巖溶水的威脅；若回采的煤層頂板存在含水體構造及回采過程對頂板巖層造成破壞，在無隔水層的影響下，極易引發(fā)突水、涌水、潰砂等礦井災害事故[3-4]。目前，煤礦井下常用的水害探查技術主要有礦井瞬變電磁法和礦井直流電法。前者在探測過程中極易受井下巷道錨網、工字鋼、運輸鐵軌等金屬體干擾，影響探測結果[5]；而礦井直流電法由于其對含水構造具有高度敏感性、強抗干擾能力、觀測系統(tǒng)布置靈活等優(yōu)勢，在探測井下煤層頂板隱伏含水構造及突水預警方面起到重要的作用[6]。

礦井直流電法起源于地面的高密度電阻率法。高密度電阻率法是近二三十年發(fā)展起來的新型陣列勘探方法，其以地下介質的導電性差異為基礎，測量方式高效快捷，成像結果精確，在水文地質[7-8]、地質災害探查[9-11]、工程與環(huán)境勘探[12-13]、礦產資源探測[14-16]等領域得到了廣泛的應用。礦井直流電法與地面的高密度電法相比，主要差異在于需要在井下有限的巷道空間內布置設計高效的觀測系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)處理和解釋環(huán)境也由地面半空間轉換為井下全空間。

礦井全空間直流電法數(shù)據(jù)處理與解釋技術也逐漸從一維電測深測量到二維電剖面解釋，再發(fā)展到最新的井下電法三維全空間反演成像技術。隨著直流電阻率法正反演算法的不斷改進，各種基于半空間或全空間高密度電法反演軟件與算法涌現(xiàn)，不僅提高了礦井直流電法勘探數(shù)據(jù)處理與解釋的效率，同時也增加了煤層頂板含水異常構造成像的精度。目前，隨著儀器設備的發(fā)展與探測需求的提高，多通道電法勘探設備的研發(fā)和數(shù)據(jù)采集模式得到了改進，直流電法采集效率大幅提升，使得在礦井長工作面巷道中布置大型三維電法觀測系統(tǒng)成為現(xiàn)實。因此，亟待開展全工作面礦井三維電法數(shù)據(jù)對工作面頂板含水異常體的感知特征及有效性研究，這對煤礦頂板水害的探查以及煤礦安全生產具有重要現(xiàn)實意義[17]。

1 并行三維直流電法探測原理

網絡并行電法目前廣泛運用于礦井水害災害探測。并行電法采用擬地震式的采集方式，包括AM 法（單點源場供電）采集和ABM 法（異性點源場供電）采集，單次激勵可同步獲取自然場、一次場及二次場電位數(shù)據(jù)。AM 法跑極形式及單點源供電電位分布如圖1，ABM 法跑極形式及雙點源供電電位分布如圖2。

圖1 AM 法跑極形式及單點源供電電位分布Fig.1 Electrodes form and the potential distribution of single-point power supply of AM method

圖2 ABM 法跑極形式及雙點源供電電位分布Fig.2 Electrodes form and the potential distribution of opposite points power supply of ABM method

單極供電AM 法中，供電電極A 置于測線上循環(huán)激勵，供電電極B 置于無窮遠處，單次測量可獲取電法勘探中二極裝置與三極裝置類型數(shù)據(jù)；雙極供電ABM 法將供電電極A 和電極B 均位于測線上，單次測量可實現(xiàn)獲取電法勘探中四極裝置類型數(shù)據(jù)，有效提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集效率。

2 礦區(qū)地質概況

河南省趙固一礦位于焦作煤田東部、太行山南麓。礦區(qū)內主要賦存煤層為二1煤層，東西向長約為15 km，南北向寬約2.0～5.5 km，賦煤面積約為47.40 km2；煤層位于山西組底部，平均厚度為6.13 m，煤層頂板松散層厚度平均為480 m，基巖面厚度范圍為36.4～59.3 m，賦存穩(wěn)定。煤層上方主要覆蓋第四系風化層，主要由黏土和砂質黏土組成，并含有多層砂礫含水層。此次煤層頂板含水構造三維直流電法探測地點在趙固一礦某試驗工作面。根據(jù)試驗工作面綜合鉆孔資料，二1煤層頂板巖性從下至上依次劃分為砂質泥巖、中粒砂巖（平均厚度12 m，位于煤層頂板5～17 m）、砂質泥巖、泥巖、細砂巖、中粒砂巖、砂質泥巖及第四系松散黏土層。掌握該工作面煤層頂板是否存在含水構造對保障二1 煤層安全回采、防止突水事故的發(fā)生至關重要。

3 基于O 型觀測系統(tǒng)的電法相似物理模擬實驗

3.1 煤層頂板相似物理模型構建

根據(jù)礦山壓力相似模擬實驗理論，利用不同比例的細砂、石灰、石膏和水的配比模擬出不同巖性地層，構建煤層頂板相似物理地層模型；根據(jù)實際回采工作面規(guī)模和實驗平臺的尺寸，確定模型與實際地層幾何相似比為1∶100，物理模型的鋪設尺寸為2 000 mm×300 mm×860 mm，對應實際工作面尺寸為200 m×30 m×86 m。

利用黏土制作不同規(guī)模的低阻異常體（一般黏土中因為含有金屬離子具有較低的電阻率，其水分含量較高時，電阻率較低），以模擬頂板砂巖層含水構造體。為了更好驗證對于低阻異常體的探測效果，3 個異常體均布置在模型煤層頂部上方40 mm 的砂巖層中心處；采用O 型觀測系統(tǒng)，共布置96 道電極，電極間距為30 mm，均布置在模型煤層上邊界處，為避免電極與平臺兩側隔擋鋼板接觸，影響探測效果，電極布置均與模型架邊界有一定距離。以煤層頂部左下方點為坐標原點建立三維直角坐標系，O 型觀測系統(tǒng)電極xy平面分布圖如圖3，1#代表1 號電極，電極間距為30 mm；物理模擬模型異常體的xz面和xy面分布示意圖如圖4 和圖5，藍色部分為不同尺度的異常體，3 個異常體分別為A1、A2、A3，為了便于表示，只標注了煤層與砂巖層。

圖3 O 型觀測系統(tǒng)電極xy 平面分布圖Fig.3 O-type observation system electrode xy plane distribution diagram

圖4 物理模擬模型異常體xz 面分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of xz plane distribution of anomaly in physical simulation model

圖5 物理模擬模型異常體xy 面分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of xy plane distribution of anomaly in physical simulation model

本次物理模擬實驗采用了基于并行電法采集方法的礦用電法儀器和礦用采集基站，為保證與實際采集裝置的幾何相似率，電極采用細銅螺釘模擬，連接線采用多排細銅線連接。根據(jù)計算出的相似物料配比，在實驗平臺上鋪設模擬地層，保證各層物料配比準確、混合均勻。從煤層頂板依次布設頂板砂巖層、異常層、泥巖層等地層；布設總厚度為800 mm。在物理模型穩(wěn)定后，對物理模型礦進行三維直流電法數(shù)據(jù)采集，采集電源電壓為96 V，數(shù)據(jù)采集方法采用三極法。供電電極的平均發(fā)射電流在50 mA 以上，說明電極耦合條件良好，電法數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

3.2 相似物理模擬實驗反演結果

電法數(shù)據(jù)采集完成后，對異常的電流和電位值進行剔除，然后利用計算的視電阻率值進行全空間電阻率三維反演，對反演的三維電阻率數(shù)據(jù)體進行相似模型架中模擬煤層頂板巖層不同高度的電阻率切片。物理模型煤層頂板電阻率反演圖如圖6，圖中：藍色虛線框為該高度異常體在切片圖上的水平投影，紅線為測線。

圖6 物理模型煤層頂板電阻率反演圖Fig.6 Physical model coal seam roof resistivity inversion diagram

由圖6 可知：整體物理模型頂板巖層背景電阻率值都在30 Ω·m 以上，低阻異常體反演的電阻率值均在6～20 Ω·m 之間，基本反映了物理模擬模型背景巖層的高阻特征與異常體模型的低阻特性；當距離煤層頂部60 mm 時，切片圖反映了物理模型砂巖層的背景電阻率值約為28 Ω·m，左右2 處出現(xiàn)的低阻異常區(qū)域，據(jù)推測可能是該層距離模型架底部鋼板較近，造成的低阻干擾所致；當距離煤層頂部100 mm 時，預埋的3 個異常體在切片圖中均有低阻異常反映，反演電阻率值約為8 Ω·m，反演的低阻區(qū)域雖然與設置異常體模型邊界不完全對應，但也大致反映出異常體的相對位置和大小，其異常體電阻率值與背景值相比，仍呈現(xiàn)明顯的低阻特征；當電阻率切片為140 mm 時，相較于高度100 mm 的切片，反演的低阻異常體電阻率值增加，異常區(qū)域縮小。結果表明：隨著高度的增加，基于O 型觀測系統(tǒng)的三維電法勘探的分辨率逐漸降低。

4 工程實際應用

在河南省趙固一礦某試驗工作面，布置實際的基于網絡并行電法多基站級聯(lián)的三維O 型電法觀測系統(tǒng)和探測設備，進行全空間礦井三維直流電法數(shù)據(jù)的采集，對采集的數(shù)據(jù)進行三維全空間反演成像，探查頂板可能存在的低阻異常構造。

4.1 現(xiàn)場觀測系統(tǒng)布置

在煤層回采工作面巷道設計布置頂板三維O型觀測系統(tǒng)，電法測線總長度為2 424 m；沿巷道將整個試驗工作面環(huán)繞布置，電極間距8 m；按逆時針方向共布置304 道電極，整體O 型觀測系統(tǒng)尺寸為1 120 m×104 m。為保障電法采集數(shù)據(jù)質量，在巷道頂部沿45°角向斜上方施工長為1.5 m、直徑為30 mm 的頂板孔，孔內布置不銹鋼發(fā)射與測量電極，孔內其余空間用黏土塞滿，保證電極與煤層頂板直接耦合良好。煤層頂板電極施工布置示意圖如圖7。

圖7 煤層頂板電極施工布置示意圖Fig.7 Coal seam roof electrode construction layout diagram

現(xiàn)場采集供電電壓為96 V，采集方式為三極法，采集過程中所有供電電極平均發(fā)射電流大于100 mA，表示煤層頂板電極耦合條件較好，電法數(shù)據(jù)質量穩(wěn)定可靠。

4.2 實際數(shù)據(jù)反演結果

利用電位和電流作為原始數(shù)據(jù)進行電阻率三維全空間反演成像，對反演的三維電阻率數(shù)據(jù)體進行頂板巖層不同高度的水平切片。因電法勘探反演分辨率隨深度增加而降低，因此靠近煤層頂部反演電阻率切片數(shù)據(jù)較多，遠離煤層頂部電阻率切片數(shù)據(jù)較少。試驗工作面煤層頂板三維直流電法電阻率反演結果如圖8，共劃分2 處異常區(qū)域，用黑色線框表示，分別命名為A1、A2。

圖8 試驗工作面煤層頂板三維直流電法電阻率反演結果Fig.8 Coal seam roof 3D DC resistivity inversion results

從反演結果總結試驗工作面煤層頂板巖層富水性特征如下：

1)工作面頂板從煤層頂部向上電阻率值逐步降低，在工作面頂板52 m 以上巖層電阻率均表現(xiàn)為相對低阻特性（平均值在10 Ω·m），之后不隨距離煤層高度而顯著變化。結合實際的地質資料分析，推測距離煤層50 m 以上為第四系黏土層，表現(xiàn)為整體低阻特性，50 m 以下為頂板基巖層，表現(xiàn)為相對高阻特征。

2)該工作面頂板基巖層區(qū)域劃分2 個異常區(qū)域。其中異常1 在工作面頂板上方40 m 處電阻率切片左側（黑色矩形框），結合礦方鉆孔資料和地質勘察資料，推測該處為煤層頂板基巖面由砂泥巖層向第四系松散黏土層接觸過渡區(qū)域，因此呈現(xiàn)低阻特性；異常2 在工作面頂板上方9 m 至40 m 范圍內，靠近電阻率切片右側區(qū)域（黑色橢圓框），表現(xiàn)為低阻異常，且該低阻異常區(qū)域面積隨距煤層高度的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。結合礦方地質勘察資料，該低阻區(qū)域靠近某斷層，受到煤層頂板內斷層風化作用的影響，斷層周圍破碎帶充泥和黏土導致的低阻特征，且斷層形態(tài)變化也影響了不同高度上破碎帶的發(fā)育，導致不同切片高度上低阻異常區(qū)域面積的變化。

以上異常區(qū)域劃分后經礦方打鉆驗證，基本符合分析結果，驗證了礦井三維直流電法在煤層頂板富水性探查在實際應用的有效性。

5 結 語

1）利用基于O 型觀測系統(tǒng)的礦井直流電法對煤層頂板巖層富水性進行三維探查，可有效探明頂板巖層中含水異常構造的位置與規(guī)模，確保煤層安全回采。

2）相對于傳統(tǒng)的礦井直流電法電法勘探，采用基于網絡并行采集的O 型觀測系統(tǒng)三維礦井直流電法，采集數(shù)據(jù)量更大，采集效率更高，對異常體定位成像更準確。各實驗結果表明：煤層頂板異常體規(guī)模越大，埋深越淺，O 型觀測系統(tǒng)探測分辨率越高，結合先進全空間直流電法三維反演成像技術，可對異常體進行更精確的定位。

3）針對煤層頂板巖層典型的含水異常構造正反演效果雖然很好，但是實際中對異常體的反演效果仍然與觀測系統(tǒng)形式；電極間距、異常體埋深和規(guī)模有很大關系，需要對反演算法進一步改進，以提高對異常體反演成像的精度與分辨率。