礦井音頻電透視供電集成系統研究與應用

溫亨聰 ，劉寶寶 ，楊海濤

（河南焦煤能源有限公司科學技術研究所，河南 焦作 454002）

我國多數煤礦水文地質條件復雜，隨著煤礦開采規模擴大，開采深度增加，開采時所承受的水壓增大，煤礦井下突水事故增加，重特大突水事故頻發[1-2]。國內外對礦井水害的探測，經過多年實踐與應用，普遍采用礦井電法對工作面進行賦水性探測。其中，礦井音頻電透視技術憑借其對煤層頂底板巖性變化反應靈敏的特點，多應用于探測工作面頂、底板巖層內的賦水性變化情況，在礦井水害防治方面取得了良好效果[3]。

但隨著煤礦開采不斷智能化、機械化，工作面也向著大型化、規模化發展，礦井音頻電透視在滿足現場生產需求方面存在諸多不足[4]。如在供電巷道內施工時，供電電極、供電主機、無窮遠線纜與供電點在空間上相互綁定，供電點改變移動時，供電電極、供電主機、無窮遠線纜也必須跟隨頻繁移動，操作人員繁多、施工復雜、耗時耗力；音頻電透視勘探普遍采用“定點測量法”施工方式，工作方法與礦井無線電透視類同，具有定點供電，多點測量的特點，探測時需對每個供電點供電，對應在測量巷道的扇形對稱區域內布置多個觀測點依次進行單通道測量，測量點存在大量重復測量情況，增加人員勞動強度及施工時間，施工復雜、通信困難、勞動強度大、工作效率低，嚴重影響礦井音頻電透視勘探的推廣應用[5-7]。

為此，根據礦井電法現有技術和設備的發展情況，結合音頻電透視井下施工布置，創新提出了1 種高效、準確的礦井音頻電透視探測系統。該系統采用礦井音頻電透視供電集成網絡為供電方式，提高物探效率；供電端口集中控制模式，減少人工誤操作，提高采集準確性；類同步測量法為數據采集優化方式，提高方法實用性，實現工作面音頻電透視的高效、準確探測。

1 方法原理

1.1 礦井音頻電透視法

礦井音頻電透視法是以煤、巖層的導電性差異為基礎，通過人工向地下供入音頻范圍內的低頻電流，觀測大地電場的分布規律，結合礦井地質條件，推斷工作面頂、底板一定深度范圍內含水地質體的性質、富水強度、空間連通形態以及分布范圍[8]。它與礦井無線電坑透法類似，均依據CT 掃描工作原理，利用2 條相對巷道交替進行發射和接收，記錄發射電流和接收的一次場電位差，結合工作面幾何參數計算出每個發射點對應的每個接收點的視電導率值，多重交匯，繪制出工作面中一定深度范圍內巖層平均視電導率值的平面等值線圖，從而得知此范圍內富、導水區域的平面分布位置和特征[9]。

1.2 類同步測量法

類同步測量法是音頻電透視勘探的優化施工方式，具有定點測量、多點多頻供電的特點：測量時，測量點在一定的時間內相對固定，明確每個測量點所對應的全部供電點，并依序逐點對供電點進行多頻供電，一次性完成同一測量點的所有場強值觀測。當同一測量點所有場強值觀測完畢后，固定測量點依序后移，重復上述操作直至測量巷道內所有測量點觀測結束。“類同步測量法”中測量點的移動為正向前進，避免測量點的往返重復測量，減少人員勞動強度及施工時間，提高礦井音頻電透視勘探的工作效率[10]。

2 系統組成及特點

礦井音頻電透視供電集成系統涉及礦井水害防治技術領域，主要包括礦井音頻電透視供電集成網絡、供電端口集中控制模式、類同步測量數據采集法。其采用礦井音頻電透視供電集成網絡為供電方式，提高物探效率；供電端口集中控制模式，減少人工誤操作，提高采集準確性；類同步測量法為數據采集優化方式，提高方法實用性，實現工作面音頻電透視的高效、準確探測。

2.1 音頻電透視供電集成網絡

礦井音頻電透視供電集成網絡是供電端口轉換盒和供電集成大線的高效組合應用，是對現有礦井音頻電透視法的進一步改進和創新，其包括供電集成大線、供電端口轉換盒、航空接頭、供電電極、供電主機、無窮遠電纜和無窮遠電極。

礦井音頻電透視供電集成網絡示意圖如圖1。

圖1 礦井音頻電透視供電集成網絡示意圖Fig.1 Schematic diagram of mine audio electric perspective power supply integrated network

礦井音頻電透視供電集成網絡鋪設時，在距工作面的一定距離的巷道底板布置無窮遠電極，無窮遠電極與供電主機用無窮遠電纜連接；在工作面供電巷道施工區段內一次性布置好所有的供電電極，供電電極按照固定間距布置在巷道底板中；供電電極通過供電端口外延線與供電集成大線依次連接，供電集成大線與供電端口轉換盒相接，供電端口轉換盒與供電主機連接，形成礦井音頻電透視供電集成網絡。該網絡能一次布線、一次布極，快速完成音頻電透視勘探在區段內任意供電點的供電操作，優化測點施工方式，形成“類同步測量法”，避免測量點的往返重復測量，減少人員勞動強度及施工時間，提高礦井音頻電透視勘探的工作效率。

2.2 供電端口集中控制模式

礦井供電端口集中控制模式主要通過供電端口轉換盒和供電集成大線的組合實現。

供電集成大線由高強度多芯電纜、供電端口、供電端口外延線、航空接頭公頭組成。供電集成大線示意圖如圖2。

圖2 供電集成大線示意圖Fig.2 Diagram of centralized power supply line

高強度多芯電纜由若干絕緣線芯組成，高強度多芯電纜兩端均安設有航空接頭公頭，航空接頭公頭與高強度多芯電纜內絕緣線芯連接，高強度多芯電纜上每隔一定間距布設供電端口，供電端口向外連接有供電端口外延線，供電端口外延線與高強度多芯電纜內部的絕緣線芯按一定順序匹配連接。

供電端口轉換盒包括高強度塑料盒、多擋波段開關、接線柱、航空接頭母頭、內置連接線纜。供電端口轉換盒示意圖如圖3。

圖3 供電端口轉換盒示意圖Fig.3 Diagram of power supply port conversion box

供電端口轉換盒頂部安裝有多擋波段開關和接線柱，供電端口轉換盒兩側各安設1 個航空接頭母頭，航空接頭母頭與供電集成大線的航空接頭公頭相連，兩側航空接頭母頭通過內置連接線纜與多擋波段開關匹配連接，多擋波段開關和接線柱通過內置連接線纜相連接，接線柱作為輸入端口與供電主機連接。

多擋波段開關每個擋位與每條絕緣線芯、每個供電端口存在一一對應、匹配連接的關系，多擋波段開關的擋位數量是供電集成大線內絕緣線芯數量的2 倍，數量的選擇可根據具體施工要求進行靈活調整。供電集成系統電路示意圖如圖4。

圖4 供電集成系統電路示意圖Fig.4 Circuit diagram of centralized power supply system

2.3 類同步測量法

類同步測量法示意圖如圖5。

圖5 類同步測量法示意圖Fig.5 Schematic diagram of quasi-synchronous measurement method

實際物探施工過程中，在供電巷道內對供電網絡采用多頻依次供電時，供電主機固定安設在供電端口轉換盒附近，每次供電時撥動多擋波段開關的不同擋位，完成巷道內對應位置的供電電極的供電操作；在測量巷道采用“類同步測量法”為施工方式，測量點在一定的時間內相對固定，明確每個測量點所對應的全部供電點，依序撥動多擋波段開關的擋位對供電點逐點進行多頻供電，快速完成同一測量點的多頻多點供電施工；當同一測量點所有場強值觀測完畢后，固定測量點依序后移，重復上述操作直至測量巷道內所有測量點觀測結束。

2.4 系統特點

1）供電集成網絡，提高物探效率。系統采用供電集成網絡，一次布線、一次布極，連接施工區段內所有的供電電極，供電主機、無窮遠線纜只需固定安置在供電端口轉換盒附近，解除了供電電極、供電主機、無窮遠線纜與供電點在空間上的綁定，避免了隨供電點改變而頻繁移動的狀況，提高了井下物探的施工效率。

2）供電集中控制，提高采集準確性。系統采用的供電端口轉換盒操作簡單、簡潔明了，通過撥動多擋波段開關的不同擋位，快速完成音頻電透視勘探在區段內任意供電點的供電操作，避免人工接線忙中出錯，提高施工準確性。

3）類同步測量法，提高方法實用性。系統采用的“類同步測量法”施工方式，測量點的移動為正向前進，避免測量點的往返重復測量，減少人員勞動強度及施工時間，提高了井下物探效率，使得礦井音頻電透視勘探可更多地適用于各種礦井水害探測。

3 工程實例

焦煤公司下屬礦井15091 工作面底板存在L8、L2和O2灰巖等多層承壓含水層，存在突水威脅。為保障煤礦的安全生產，對工作面底板煤巖層的賦水性進行音頻電透視勘探，探明煤層底板下方巖層賦水性情況，為煤礦的安全生產和災害治理提供科學依據。

3.1 施工布置

本次15091 工作面底板音頻電透視勘探采用礦井音頻電透視供電集成系統。音頻電透視供電集成網絡鋪設時，在工作面的上巷施工區段內一次性布置好所有的供電電極，供電電極按照50 m間距布置在供電巷道底板中；供電電極通過供電端口外延線與供電集成大線依次連接，供電集成大線與供電端口轉換盒相接，供電端口轉換盒與供電主機連接，形成礦井音頻電透視供電集成網絡，探測時采用供電間距50 m，測點間距10 m，供電集成大線內絕緣線芯6 道、12 擋波段開關等參數。

具體測量時，在上巷內對供電網絡采用多頻依次供電時，供電主機固定安設在供電端口轉換盒附近，每次供電時撥動多檔波段開關的不同擋位，完成巷道內對應位置的供電電極的供電操作；在下巷采用“類同步測量法”施工時，依序撥動多擋波段開關的擋位，逐點完成對應供電點的供電操作，快速完成同一測量點的多頻多點供電施工。

3.2 勘探結果

音頻電透視法勘探成果圖如圖6。圖中主要反映了相對低阻區的分布范圍、立體連通情況、發育變化趨勢及水害威脅性等，其中紅色陰影區為視電阻率值相對較高區域，黃色和綠色陰影區為視電阻率值中等區域，藍色陰影區為視電阻率值相對較低區域，即相對低阻異常區。視電阻率值越小，色階藍顏色越深，表示巖層可能越為斷裂破碎、裂隙發育或賦水性相對越強。

圖6 音頻電透視法勘探成果圖Fig.6 Exploration result of audio frequency electric perspective

由圖6 可以看出：工作面底板探測范圍內存在4 個低阻異常區；Y1、Y3低阻區均位于煤層底板淺層區域、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，發生水害的可能性較小；Y4僅位于煤層底板深部、距離二1煤層較遠，分析系附近巖層相對破碎、裂隙發育或具有一定賦水性引起，發生水害的可能性較小；Y2主要位于煤層底板下方L8灰巖附近，距離二1煤層較近，且向深部延伸發育，分析系煤層附近潮濕、積水與底板下方L8灰巖及深部巖層相對斷裂破碎、裂隙發育或具有一定賦水性共同作用引起，附近容易發生底板出水等水害。

3.3 驗證情況

對4 處低阻異常區采取了鉆探驗證，每處低阻區均布置2～4 個煤層底板下方L8灰巖附近的鉆孔。鉆探結果顯示：Y1、Y32 處勘探低阻區內的鉆孔無出水；Y2、Y42 處勘探低阻區內的鉆孔出水量及注漿量均較大，且Y2布置的4 個鉆孔由淺至深出水量逐步增加，物探成果與鉆探資料相吻合，物探結論準確、可靠。

4 結 語

為了優化礦井音頻電透視的探測效果，研制了礦井音頻電透視供電集成系統。

1）系統采用供電集成網絡，一次布線、一次布極，連接施工區段內所有的供電電極，解除了供電電極、供電主機、無窮遠線纜與供電點在空間上的綁定，避免了隨供電點改變而頻繁移動的狀況，提高了井下物探的施工效率。

2）系統采用的供電端口轉換盒操作簡單、簡潔明了，通過撥動多擋波段開關的不同擋位，快速完成音頻電透視勘探在區段內任意供電點的供電操作，避免人工接線忙中出錯，提高施工準確性。

3）系統采用的“類同步測量法”施工方式，測量點的移動為正向前進，避免測量點的往返重復測量，減少人員勞動強度及施工時間，提高了井下物探效率，使得礦井音頻電透視勘探可更多地適用于各種礦井水害探測。