付茂如，張平松，吳榮新，胡雄武，程 銳

(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))公司潘二礦，安徽 淮南 232001)

礦井工作面水害問(wèn)題一直是影響煤礦安全開(kāi)采的一個(gè)重要因素。工作面在回采前需對(duì)底板巖層的富水性進(jìn)行必要的探測(cè)，查尋可能存在的富水區(qū)域，指導(dǎo)礦方進(jìn)行有效的防治水工作，以確保后期的安全回采。

目前，井下探查礦井工作面底板水害的方法主要包括鉆探法、瞬變電磁技術(shù)、音頻電透視技術(shù)以及直流電法技術(shù)。

鉆探法是直接利用探水機(jī)向工作面底板施工探放水鉆孔判定巖層的賦水性，該方法施工存在一定的盲目性，施工的探放水孔能夠準(zhǔn)確的命中賦水區(qū)概率較低；瞬變電磁技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工較為方便，但是其對(duì)探查環(huán)境要求較高，探測(cè)結(jié)果易受施工現(xiàn)場(chǎng)金屬支護(hù)材料、鐵器等影響，并且相應(yīng)的干擾校正技術(shù)尚不成熟，使得該種方法具有一定的局限性[1-2]；雙巷音頻電透視法采用不同的單頻波場(chǎng)對(duì)工作面底板不同深度賦水區(qū)進(jìn)行探查，是比較常用的底板探水方法，但受其觀測(cè)系統(tǒng)的影響， 現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間較長(zhǎng)，并且探測(cè)結(jié)果的空間定位性有待提高；直流電法技術(shù)主要包括高密度電法、井下單極-偶極法、以及雙巷三維并行電法等。傳統(tǒng)的高密度電法通常只能探查巷道下方二維剖面中底板的賦水特征，其對(duì)工作面內(nèi)底板下方巖層的富水性只能進(jìn)行預(yù)測(cè)；三維高密度電法、平行雙極-偶極法在底板水害探測(cè)中亦進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用研究[3-4]；雙巷三維并行電法是近幾年來(lái)發(fā)展的用于底板巖層富水異常探測(cè)的技術(shù)，在底板水探測(cè)中取得了一定的效果[5-6]。雙巷三維并行電法技術(shù)中所包含的常規(guī)探測(cè)方法有AM法和ABM法兩種，其在井下施工時(shí)的觀測(cè)系統(tǒng)有一定的區(qū)別。論文通過(guò)在室內(nèi)水槽中模擬AM法、ABM法采集系統(tǒng)，對(duì)比分析兩種觀測(cè)方法在工作面底板水害探測(cè)上反映特征。

1 探測(cè)方法

并行電法為直流電阻率法的一種，是在高密度電法勘探基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，采用擬地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)，其本質(zhì)上是改變了傳統(tǒng)高密度電法的數(shù)據(jù)采集方式及觀測(cè)系統(tǒng)。并行電法系統(tǒng)中當(dāng)一個(gè)電極處于供電狀態(tài)時(shí)，其他電極均同時(shí)處于采樣狀態(tài)，采集各電極處的電位數(shù)據(jù)，并通過(guò)通訊線(xiàn)實(shí)時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)送回主機(jī)，因此整個(gè)采樣過(guò)程中沒(méi)有空閑電極出現(xiàn)，大大提高了數(shù)據(jù)的采集率。

雙巷三維并行電法是利用并行電法技術(shù)，在工作面兩側(cè)巷道布設(shè)觀測(cè)系統(tǒng)，并利用并行電法儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，最后聯(lián)合多組測(cè)站數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解編及三維反演得出工作面底板巖層三維狀態(tài)下的富水性特征。

論文以雙巷三維并行電法技術(shù)中的AM法采集模式和ABM法采集模式作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，研究?jī)煞N觀測(cè)模式對(duì)不同異常體的反應(yīng)特征。

1.1 AM法采集模式

AM法采集系統(tǒng)布置時(shí)，把供電電極A和B分別布置在工作面兩側(cè)相對(duì)巷道中，采用直流電供電，通過(guò)研究?jī)上锏篱g工作面內(nèi)的電場(chǎng)變化規(guī)律，探測(cè)工作面底板下方的含水、導(dǎo)水構(gòu)造異常。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集時(shí)，供電電極(A極)布置在工作面一側(cè)巷道(巷道A)上，另一個(gè)供電電極(B極)放置在對(duì)面巷道(巷道B)的對(duì)應(yīng)位置；測(cè)量電極對(duì)(M、N極)與供電電極A位于同一巷道，與B極形成地電場(chǎng)；測(cè)量時(shí)，測(cè)線(xiàn)上各電極逐點(diǎn)供電，測(cè)量電極同步掃描，形成扇形射線(xiàn)區(qū)(見(jiàn)圖1)，測(cè)量各點(diǎn)的自然電場(chǎng)、一次場(chǎng)和二次場(chǎng)的電位變化情況，獲取大量的地電參數(shù)，達(dá)到對(duì)探測(cè)區(qū)域的多次覆蓋探測(cè)。當(dāng)單邊測(cè)量結(jié)束后，換邊進(jìn)行另一巷道探測(cè)。

圖1 AM法施工布置圖

1.2 ABM法采集模式

ABM法測(cè)試時(shí)，在工作面兩側(cè)巷道A和巷道B上同時(shí)各布置一條測(cè)線(xiàn)，測(cè)量時(shí)將2條測(cè)線(xiàn)連接到儀器站作為一組測(cè)線(xiàn)。根據(jù)供電電極和測(cè)量電極的分布位置，常規(guī)的布置方式為以下2種。

1)當(dāng)供電電極A、B和測(cè)量電極M、N分別位于兩側(cè)巷道時(shí)，如圖2(a)所示。供電電極A、B位于工作面一條巷道，向工作面底板供電，建立穩(wěn)恒的直流電場(chǎng)。測(cè)量電極M、N位于工作面對(duì)應(yīng)的另一側(cè)巷道上，測(cè)量M、N之間的電壓U及A、B間的電流I。固定AB，保持MN長(zhǎng)度不變，以一定的間隔移動(dòng)MN，這樣O1O2就掃過(guò)一定的面積。保持AB長(zhǎng)度不變，把AB移到下一位置，重復(fù)上一次同樣的操作，這樣O1O2又掃過(guò)一定的面積。當(dāng)AB移完整條巷道，單邊測(cè)量結(jié)束。把供電電極AB和測(cè)量電極MN所在的位置互換，按同樣的方法完成另一個(gè)單邊測(cè)量。

(a) 觀測(cè)模式1

(b) 觀測(cè)模式2圖2 ABM法觀測(cè)施工布置圖

2)當(dāng)供電電極A和B分別位于兩側(cè)巷道時(shí)，如圖2(b)所示。供電電極A和測(cè)量電極M、N位于工作面一條巷道，另一供電電極B位于工作面對(duì)應(yīng)的另一側(cè)巷道上。該類(lèi)布置方式與AM法類(lèi)似，但是與AM法不同的是ABM法模式下供電電極B的位置是隨著每組測(cè)量電極的位置移動(dòng)的，而AM法觀測(cè)時(shí)供電電極B的位置是隨著整條測(cè)線(xiàn)移動(dòng)的。

對(duì)于ABM法存在的2種觀測(cè)模式，現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)線(xiàn)時(shí)只需要一次布極，布極完成后儀器會(huì)發(fā)出相應(yīng)的采集指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，不需要單獨(dú)分開(kāi)布線(xiàn)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)兩種方式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的解編處理，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并進(jìn)行三維反演，得出工作面底板下方不同深度的電阻率分布情況，從而給出客觀的地質(zhì)解釋。

2 物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及觀測(cè)系統(tǒng)布置

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M是在2.0m×1.2m×0.8m的水槽中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中采用鹽水作為均勻介質(zhì)模擬圍巖，水槽內(nèi)水深為0.7m。采用寬0.05m，厚0.01m，長(zhǎng)1.20m的木板模擬工作面兩邊巷道，工作面寬度為0.50m；電極采用銅電極，有效長(zhǎng)度為0.05m。實(shí)驗(yàn)通過(guò)在室內(nèi)水槽中模擬井下AM法、ABM法采集模式在工作面底板探水中的應(yīng)用效果，來(lái)對(duì)比分析這兩種電法觀測(cè)系統(tǒng)的有效性及差異性(見(jiàn)圖3)。

(a) 低阻異常體剖面位置示意圖

(b) 高阻異常體剖面位置示意圖

(c) 復(fù)雜異常體剖面位置示意圖圖3 觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)系統(tǒng)電極極距為0.04m。采用一個(gè)0.2m×0.2m×0.2m的鐵盒模擬低阻異常體；高阻異常體采用截面半徑為0.1m，高0.2m的圓柱形樹(shù)脂玻璃筒。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用并行電法儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)處理時(shí)，根據(jù)兩種系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)，提取出對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)提取過(guò)程中，對(duì)于AM法采集模式，提取出單個(gè)供電電極供電時(shí)其他接收電極間的電位差數(shù)值；對(duì)于ABM法采集模式，同時(shí)提取出兩種觀測(cè)模式下供電電極供電時(shí)其他接收電極間的電位差數(shù)值。提取出的數(shù)據(jù)體依照反演文件格式形成三維反演文件，利用AGI軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)三維反演。通過(guò)電阻率三維反演，獲得單次模擬的電阻率分布剖面。由于受模型邊界條件的影響，為提高分辨率，對(duì)反演處理得到的電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行比值計(jì)算，將含有異常體的反演結(jié)果值ρi與背景電阻率場(chǎng)值ρ0相比，即獲得異常系數(shù)：γ=ρi/ρ0。當(dāng)γ>1或γ<1的區(qū)域，便為電性異常區(qū)域。

2.3 異常體探測(cè)模擬

1)單一低阻異常體。實(shí)驗(yàn)中利用鐵盒作為低阻體模擬工作面底板巖層中的賦水區(qū)。圖4為單一低阻異常體探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖，其中圖4(a)為低阻異常體的平面位置示意圖。圖4(b)和圖4(c)分別為采用AM法采集模式和ABM法采集模式探測(cè)異常體的反演電阻率值與背景電阻率值的比值結(jié)果圖。從圖中可看出當(dāng)γ=0.5時(shí)，兩種方法均對(duì)低阻異常體的位置反應(yīng)較為清楚。 對(duì)比圖4(b)、 圖4(c)可見(jiàn)，兩種不同觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)異常體形態(tài)大小及位置的歸位效果有差異，ABM法反應(yīng)效果相對(duì)較好。

(c) ABM法探測(cè)比值結(jié)果圖

圖4 單一低阻異常體探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

2)單一高阻異常體。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中利用圓柱形樹(shù)脂玻璃桶作為高阻體模擬工作面底板巖層內(nèi)的陷落柱(不含水)。圖5為單一高阻異常體探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖，其中圖5(a)為高阻異常體的平面位置示意圖。圖5(b)和圖5(c)分別為采用AM法采集模式和ABM法采集模式探測(cè)異常體的反演電阻率值與背景電阻率值的比值結(jié)果圖。從圖中可看出當(dāng)γ=1.6時(shí)，兩種方法均對(duì)高阻異常體的位置反應(yīng)較為清楚，反應(yīng)效果相對(duì)差異較小。

(a) 高阻異常體位置示意圖

(b) AM法探測(cè)比值結(jié)果圖

(c) ABM法探測(cè)比值結(jié)果圖

圖5 單一高阻異常體探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

3)多異常體組合。圖6為多異常體組合探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖，其中圖6(a)為復(fù)雜異常體的位置示意圖，分別為兩個(gè)不同阻值和尺寸的低、高阻異常體。圖6(b)、圖6(c)分別為采用AM法采集模式和ABM法采集模式探測(cè)異常體的反演電阻率值與背景電阻率值的比值結(jié)果圖。對(duì)比可見(jiàn)，圖6(b)中對(duì)兩種異常體的形態(tài)大小及位置的反應(yīng)相對(duì)與圖6(c)來(lái)說(shuō)，效果較差。

(a) 多異常體組合位置示意圖

(b) AM法探測(cè)比值結(jié)果圖

(c) ABM法探測(cè)比值結(jié)果圖

圖6 復(fù)雜異常體組合探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知：兩種采集模式對(duì)于設(shè)置的異常體均有較好的反應(yīng)，說(shuō)明雙巷三維并行電法的現(xiàn)場(chǎng)可行性。其中，受觀測(cè)方式和數(shù)據(jù)采集模式的影響，AM法對(duì)于低阻探測(cè)結(jié)果的異常位置收斂性差。

3 結(jié)論

1)結(jié)合室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)對(duì)井下雙巷三維并行電法中的AM法和ABM法采集模式進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示對(duì)設(shè)置的異常體均有較為明顯反應(yīng)。通過(guò)與異常體的實(shí)際位置及形態(tài)對(duì)比分析，ABM法采集模式能夠更為準(zhǔn)確地定位異常體的位置及形態(tài)大小。

2)利用雙巷三維并行電法探測(cè)技術(shù)，可較清晰地反映工作面底板賦水區(qū)的范圍，實(shí)現(xiàn)工作面底板水害的三維空間定位，有力地指導(dǎo)鉆孔探放水及鉆孔注漿施工。對(duì)于兩種觀測(cè)系統(tǒng)的選取，可以根據(jù)勘探精度要求，進(jìn)行靈活選擇。AM法現(xiàn)場(chǎng)施工效率高，但其探測(cè)結(jié)果的收斂性稍差；ABM法觀測(cè)方式現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間長(zhǎng)，但其對(duì)異常目標(biāo)體反應(yīng)及定位較為準(zhǔn)確，對(duì)工作面內(nèi)底板巖層異常區(qū)的空間范圍判斷準(zhǔn)確。

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