郭文濱，吳超凡，邱占林，王永富

（1.龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，福建 龍巖364012；2.武平縣華山螢石精選有限公司，福建 武平364300）

近年來，隨著礦井開采強(qiáng)度的加大以及開采深度的不斷增加，礦井水害已經(jīng)成為了制約礦井安全生產(chǎn)的主要威脅。在礦井的周邊存在著早期無序開采而遺留下來的各種儲水老空區(qū)，因此會對礦井的安全生產(chǎn)造成不可預(yù)測的安全隱患。而且礦區(qū)為開采多年的老礦山，露采及地下開采均有，在礦區(qū)內(nèi)各種斷裂、裂隙等導(dǎo)水通道均有發(fā)育，使礦區(qū)的水文地質(zhì)類型復(fù)雜化。在福建礦井中水文地質(zhì)調(diào)查多采用鉆孔等方式進(jìn)行探放水，但是鉆探存在著“一孔之見”，具有一定的局限性，未能從根本上消除礦井的水害隱患。近年來隨著物探技術(shù)的發(fā)展，并且應(yīng)用于礦井水害的預(yù)防、預(yù)測中。尤其是網(wǎng)絡(luò)并行電法在北方礦井中已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用，而且其成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，使得該方法廣泛應(yīng)用于礦井水害的探測。武平縣螢石礦位于武平縣大禾鄉(xiāng)帽布村北，區(qū)內(nèi)僅出露震旦系下統(tǒng)樓子壩群下段（Z1lZ

a）地層，巖性是具有輕微變質(zhì)的花崗巖，裂隙、節(jié)理等不良結(jié)構(gòu)面發(fā)育，造成該礦井深受水患威脅。本文采用網(wǎng)絡(luò)并行電法，選取該礦＋460m水平平硐進(jìn)行超前探測，可作為南方礦井巷道前方水害探測的一次有益嘗試。試驗(yàn)結(jié)果可對巷道前方的含水體的具體位置進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位，消除在礦井生產(chǎn)過程中所存在的水害隱患，為礦井的水害防治提供一定的參考依據(jù)，同時(shí)為今后類似的水害探測提供一定的參考借鑒。

1 網(wǎng)絡(luò)并行電法基本原理及物性基礎(chǔ)

1.1 基本原理

電法勘探是以巖、礦石之間電學(xué)性質(zhì)差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究與這些差異有關(guān)的電場或電磁場在空間或時(shí)間上的分布特點(diǎn)及其變化規(guī)律，來查明地下地質(zhì)構(gòu)造和地下不均勻地質(zhì)體。網(wǎng)絡(luò)并行電法建立在常規(guī)電法勘探的基礎(chǔ)之上，但與常規(guī)電法勘探相比最大的優(yōu)點(diǎn)就是每次供電可進(jìn)行多電極同時(shí)采集數(shù)據(jù)，獲得多個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。隨著礦井的開采深度的增加，水文地質(zhì)類型也越來越復(fù)雜，通過網(wǎng)絡(luò)并行電法勘探的方法用于探測掘進(jìn)過程中各種導(dǎo)水、含水通道以及陷落柱邊界范圍等，尤其對于含水低阻異常體的電性響應(yīng)具有較強(qiáng)的分辨能力，可有效地減少水害的威脅。

本次試驗(yàn)采用NPEI－DHZI－1型網(wǎng)絡(luò)并行電法儀，因供電電極需置于無窮遠(yuǎn)（＞200m）的遠(yuǎn)處，在現(xiàn)場需要選取一個(gè)合適的場地進(jìn)行電極布設(shè)。試驗(yàn)采用單道32根電極并分別運(yùn)用單極供電（AM法）與偶極子供電（ABM法）進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。此次試驗(yàn)布置及原理為：若使用AM法則所測量的電位場為點(diǎn)電源場。測量時(shí)，在測線上布置32道電極，其中任一單電極（A極）為供電電極，其余的31個(gè)電極（M極）進(jìn)行采集電位，AM法數(shù)據(jù)采集還可進(jìn)行三電阻率的視電阻反演。若使用ABM法則所測量的電位場異性點(diǎn)電源場，在測線上布置32道電極，其中測線上的任意兩個(gè)電極為供電電極，其余的30道電極進(jìn)行采集電位，由于測量時(shí)任意兩個(gè)電極間均供電一次進(jìn)行掃描式測量，因此所采集的數(shù)據(jù)量比較大，花費(fèi)時(shí)間較長。

1.2 物性基礎(chǔ)

一般而言，巖礦石的導(dǎo)電性會隨著其巖性、所含礦物種類的不同而有所差異。該測區(qū)內(nèi)為輕微變質(zhì)的花崗巖為圍巖，螢石為主要開采礦物，并且花崗巖受到一定程度的風(fēng)化作用。其中火成巖的電阻率介于102～106Ω·m，變質(zhì)巖的電阻率介于10～106Ω·m。因該礦區(qū)的地層受到巖漿侵入作用，并且由于構(gòu)造運(yùn)動形成較多的斷裂和裂隙，而螢石礦以脈狀的形式充填到斷裂之中。因?yàn)槲炇V和圍巖與水的電阻率相比為高阻，能夠較為準(zhǔn)確地區(qū)分出二者之間的區(qū)別。當(dāng)斷裂中有水的存在時(shí)，其電阻率值會明顯變小，導(dǎo)電性較好，反之導(dǎo)電性變差。通過巖礦石、水等之間的電性差異不僅可以較為準(zhǔn)確地圈定出礦石的整體走向，更重要的是可以圈定出老空水的邊界，儲水構(gòu)造的邊界等。因此，以巖礦石之間的物性差異為物理基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)并行電法探測提供了良好的物性基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)驗(yàn)是嘗試性的試驗(yàn)，因此選擇在水文地質(zhì)查明情況較為不明的礦井中。此次試驗(yàn)選擇在福建省武平縣橋背坑礦區(qū)螢石礦中的＋460m水平的巷道中進(jìn)行超前探實(shí)驗(yàn)。

2.1 現(xiàn)場測試

2.1.1 現(xiàn)場布置

測線布置在＋460m水平的巷道中，如圖1所示。共布設(shè)32個(gè)電極，電極間距為2.0m，探測長度達(dá)64m，電極起始編號為1＃。由于場地所限，無窮遠(yuǎn)布置于測線后方300m處，且待測區(qū)域位于測線前方。

圖1 測線布置示意

2.1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用并行電法儀進(jìn)行，恒流時(shí)間0.5s、2s，采樣間隔分別為50ms、100ms。供電模式為單正方波?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，對無效點(diǎn)數(shù)據(jù)予以剔除。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.2.1 數(shù)據(jù)處理

由于網(wǎng)絡(luò)并行電法數(shù)據(jù)采集方式和常規(guī)數(shù)據(jù)處理區(qū)別在于其采用了并行方式，數(shù)據(jù)量大，且具有全場特征，因此在數(shù)據(jù)處理技術(shù)與處理流程上有獨(dú)特的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理利用的是安徽惠洲地下災(zāi)害研究設(shè)計(jì)院編制“WBDPro電阻率數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)”處理平臺上進(jìn)行，該系統(tǒng)為全 Windows界面，人機(jī)交互方便，數(shù)據(jù)可視化方便直觀，確定本次數(shù)據(jù)處理流程（見圖2）。并選用了surf8.0和illustrator軟件進(jìn)行輔助成圖。

圖2 電阻率數(shù)據(jù)處理流程

（1）本次井下數(shù)據(jù)主要采用了AM裝置形式，在數(shù)據(jù)上傳結(jié)束后及時(shí)存儲，針對不同的裝置（AM或ABM）選擇不同的處理模塊功能。AM裝置可以采用“二極法處理”“三極法處理”。

（2）控制參數(shù)主要有二次場延遲范圍、數(shù)據(jù)類型（半空間、全空間）、深度系數(shù)，本次處理二次場延遲范圍為100 ms，數(shù)據(jù)為全空間，深度系數(shù)為0.5。

（3）測點(diǎn)坐標(biāo)主是指電極坐標(biāo)（X，Y，Z），本次處理時(shí)以孔口為坐標(biāo)零點(diǎn)，孔口指向?yàn)閄正方向，Y，Z坐標(biāo)值取零。

（4）在上述參數(shù)輸入后進(jìn)行電流值與電位值計(jì)算，在一個(gè)采樣周期內(nèi)對每個(gè)智能電極所采集到的N個(gè)電流電位值取均值或方差值轉(zhuǎn)換為二次場電位，本次參數(shù)為均值。

（5）在獲得電流值I與電位值后進(jìn)行畸變值剔除，畸變值往往是由電極藕合條件的變化或存在較大游離電場干擾時(shí)導(dǎo)致。將明顯不吻合規(guī)律的電流值與電位值剔除。

（6）經(jīng)過上述處理后進(jìn)入視電阻率計(jì)算模塊。和常規(guī)電法視電阻率計(jì)算公式相同。在計(jì)算完視電阻率后進(jìn)行成圖。

（7）為了進(jìn)一步獲取測試煤巖體真實(shí)電阻率，需要對上述視電阻率進(jìn)行反演，采用了反演軟件AGI，最后得到接近真電阻率反演模型結(jié)果。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

對采集的網(wǎng)絡(luò)并行電法測深數(shù)據(jù)使用WBD數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行解編處理。以＋460m水平交叉點(diǎn)位置的調(diào)度室為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿＋460m水平輔助運(yùn)輸大巷為正方向，y軸正向指向＋610m回風(fēng)大巷。計(jì)算視電阻率并使用surfer進(jìn)行顯示（見圖3），暖色調(diào)表示高阻區(qū)，冷色調(diào)表示低阻區(qū)。

圖3 武平熒石礦超前探測成果

由圖3可知，在0～25m范圍內(nèi)存在多處低阻異常，且2～5m、14～16m、21～23m范圍內(nèi)的異常響應(yīng)顯著，富水性可能較強(qiáng)。后期掘進(jìn)顯示幾處異常區(qū)均含水，其余阻值較高的幾處也存在小規(guī)模的裂隙水，迎頭處存在較多的積水，且頂板還出現(xiàn)冒水現(xiàn)象。探測結(jié)果與實(shí)際揭露情況較為吻合。

3 結(jié)語

通過對網(wǎng)絡(luò)并行電法的基本原理較為深入的了解以及對巖礦石、水等物性基礎(chǔ)的分析，在武平縣螢石礦進(jìn)行超前探的應(yīng)用。了解了網(wǎng)絡(luò)并行電法探測對于礦井中的含水構(gòu)造，老空區(qū)的分布情況以及礦體的延伸狀況等所產(chǎn)生電性變化規(guī)律，認(rèn)為在井下運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)并行電法探測對于礦井中的斷裂、節(jié)理等構(gòu)造的探測以及老空區(qū)和礦體的尋找具有一定指導(dǎo)意義。探測的結(jié)果能夠幫助在掘進(jìn)巷道或者礦體開采過程中可能遇到的老空區(qū)或者含水構(gòu)造提供資料，減少在礦井開采過程中可能產(chǎn)生的水害隱患，并為水害的防治提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）通過一次測量，可以通過多電極進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，減少了數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，獲得較為豐富的數(shù)據(jù)。

（2）操作較為簡單，且抗干擾能力較強(qiáng)。

3.2 不足與建議

施工條件受到巷道的長度和空間的限制，并且需要牽一條無窮遠(yuǎn)的電極線，對巷道的長度要求較高，因此在小礦井中運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀進(jìn)行超前探，必須掘進(jìn)一段長度用于放置電極。

〔1〕郭正義 .物探技術(shù)在煤礦老空區(qū)探測中的應(yīng)用〔J〕.江西煤炭科技，2002，（4）：12－13.

〔2〕吳超凡，邱占林，廖存金，等 .礦井直流電法在福建小煤礦探測水中的應(yīng)用〔J〕.煤炭技術(shù)，2012，31（9）：116－119.

〔3〕吳超凡，劉盛東，楊勝倫，等 .煤層圍巖破裂過程中的自然電位響應(yīng)〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（1）：50－54.

〔4〕劉盛東，張平松 .分布式并行智能電極電位差信號采集方法〔P〕.中國：z1200410014020.0，2006.7.26.

〔5〕胡水根，劉盛東 .電法勘探中并行數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集效率的比較研究〔J〕.地球物理學(xué)進(jìn)展，2010，25（2）：612－617.

〔6〕劉盛東，吳榮新，胡水根，等 .網(wǎng)絡(luò)分布式并行電法勘探系統(tǒng)〔A〕／／中國地球物理22屆年會論文集〔C〕.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2006，251－251.

〔7〕吳榮新，張平松，劉盛東 .雙巷網(wǎng)絡(luò)并行電法探測工作面內(nèi)薄煤區(qū)范圍〔J〕.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（9）：1834－1838.

〔8〕鄭曉亮，劉盛東 .基于雙處理器的并行采集網(wǎng)絡(luò)電法儀器的設(shè)計(jì)〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（4）：85－88.

〔9〕岳建華，劉樹才，劉志新 .巷道直流電測深在探測陷落柱中的應(yīng)用〔J〕.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（5）：479－481.

〔10〕程久龍，王玉和 .巷道掘進(jìn)中電阻率法超前探測原理與應(yīng)用〔J〕.煤田地質(zhì)與勘探，2002，28（4）：60－62.

〔11〕韓德品，李 丹，程久龍 .超前探測災(zāi)害性含導(dǎo)水地質(zhì)構(gòu)造的直流電法〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（4）：635－639.

〔12〕吳超凡，劉盛東，邱占林，等 .礦井采空區(qū)積水網(wǎng)絡(luò)并行電法探測技術(shù)〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（4）：93－96.

〔13〕吳超凡，邱占林，傅樹增.網(wǎng)絡(luò)并行電法在某大 橋地基勘察中的應(yīng)用〔J〕.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，33（1）：93－96.