魯晶津，李德山，王冰純

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超大采高工作面頂板電阻率監(jiān)測(cè)可行性試驗(yàn)

魯晶津，李德山，王冰純

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

頂板覆巖破壞是造成回采工作面突水的主要原因之一，利用礦井電法進(jìn)行頂板電阻率監(jiān)測(cè)可以對(duì)覆巖破壞情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)探查，但是超大采高工作面頂板電阻率監(jiān)測(cè)面臨著常規(guī)方法音頻信號(hào)難以穿透、頂板監(jiān)測(cè)電極埋設(shè)施工困難以及回風(fēng)巷頂板監(jiān)測(cè)電極難以保護(hù)等問題。為了解決上述問題，利用音頻電透儀和回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展了超大采高工作面頂板電阻率監(jiān)測(cè)可行性試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示：?jiǎn)螛O–偶極裝置音頻信號(hào)透視穿透距離可達(dá)340 m；錨桿可以作為監(jiān)測(cè)電極進(jìn)行電流發(fā)射和信號(hào)采集；可以將回風(fēng)巷監(jiān)測(cè)電極布置于巷道底板加以保護(hù)。在某礦超大采高工作面部署了回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，信號(hào)測(cè)試結(jié)果與可行性試驗(yàn)的結(jié)論一致。

電阻率監(jiān)測(cè)；覆巖破壞；錨桿；音頻電透視

煤炭資源開發(fā)階段的常規(guī)探測(cè)技術(shù)手段，主要是在煤層初始未擾動(dòng)條件下的原位、靜態(tài)探測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)煤礦開采過程中動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的探測(cè)。頂板覆巖破壞是造成回采工作面突水的主要原因之一，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)確定采動(dòng)煤層頂板上覆巖體破壞高度，對(duì)煤炭安全、高效開采具有重要意義。

頂板覆巖破壞存在導(dǎo)通煤層頂板含水層的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)頂板覆巖破壞高度進(jìn)行探查的常規(guī)方法有注水實(shí)驗(yàn)法、高密度電阻率法、超聲成像法以及聲波CT層析成像法等[1]。然而頂板覆巖破壞高度的發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，采用常規(guī)方法進(jìn)行原位、靜態(tài)探測(cè)，無法對(duì)工作面回采過程中水害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估和預(yù)警。礦井電法[2]通過布設(shè)電極、向地下供入電流建立人工電場(chǎng)，測(cè)量在工作面頂、底板電性變化影響下的自然電場(chǎng)或人工電場(chǎng)，根據(jù)電阻率的異常變化對(duì)工作面水害進(jìn)行判斷。利用礦井電法進(jìn)行頂板電阻率監(jiān)測(cè)，可以對(duì)覆巖破壞情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)探查[3]，并且對(duì)破壞裂隙的導(dǎo)水性進(jìn)行判識(shí)，實(shí)現(xiàn)工作面水害風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估和預(yù)警。電法監(jiān)測(cè)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用最初源于巖體破裂失穩(wěn)過程的電阻率監(jiān)測(cè)[4]，后來被廣泛應(yīng)用于地震預(yù)報(bào)[5]、隧道開挖過程中的圍巖破壞探測(cè)[6]等領(lǐng)域。隨著煤炭開采深度加大和巖體動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生，人們開始注意到煤巖破壞問題，電阻率法也開始在煤礦進(jìn)行試驗(yàn)，并被用于巖爆和頂板冒落的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)[7]。隨后該方法被用于在地面測(cè)量煤礦采空區(qū)上方巖層裂隙發(fā)育高度[8]，并被進(jìn)一步用于在井下探測(cè)煤層底板隔水層厚度和底板水導(dǎo)升高度[9]，均取得良好效果。受制于煤礦井下電法儀器研發(fā)的瓶頸，礦井電法監(jiān)測(cè)的發(fā)展較為緩慢。網(wǎng)絡(luò)并行電法儀等工作面采動(dòng)破壞監(jiān)測(cè)設(shè)備研制成功后[10]，井下監(jiān)測(cè)試驗(yàn)得以開展[11-19]，為礦井電法監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

在頂板水害電法監(jiān)測(cè)中，一般采用向頂板斜上方打深度數(shù)百米的鉆孔并在鉆孔中安裝電極進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法[20]。由于煤礦井下打鉆成本較高，在鉆孔中安裝電極的難度也較大，該方法只能在較小范圍內(nèi)開展，無法大規(guī)模使用。對(duì)超大采高工作面進(jìn)行頂板電阻率監(jiān)測(cè)時(shí)，面臨著常規(guī)方法音頻透視信號(hào)難以穿透、頂板監(jiān)測(cè)電極埋設(shè)施工困難以及頂板監(jiān)測(cè)電極難以保護(hù)等問題。為了解決上述問題，本文針對(duì)超大采高工作面開展了利用錨桿做監(jiān)測(cè)電極進(jìn)行頂板電阻率監(jiān)測(cè)的可行性試驗(yàn)研究，并利用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了信號(hào)測(cè)試，為超大采高工作面頂板電阻率監(jiān)測(cè)的實(shí)施奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷頂(底)板布置電極、人工激發(fā)電場(chǎng)并監(jiān)測(cè)分析煤層頂(底)板電阻率異常變化，來確定頂(底)板破壞情況以及裂隙帶是否與含水層溝通?；夭晒ぷ髅骐娮杪时O(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面服務(wù)器、通訊主站、監(jiān)測(cè)分站、隔爆兼本安電源、監(jiān)測(cè)電極、監(jiān)測(cè)線纜和配套的地面智能控制軟件、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過地面服務(wù)器遠(yuǎn)程對(duì)回采工作面頂/底板電阻率變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，采用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程在線處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下隱蔽導(dǎo)水通道變化過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用多頻率信號(hào)同步發(fā)射，進(jìn)行高精度全波形數(shù)據(jù)連續(xù)采集，實(shí)現(xiàn)多頻率信號(hào)同步接收；通過智能控制軟件實(shí)現(xiàn)發(fā)射、接收電極的自動(dòng)切換，利用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了井下無人值守、地面遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)配套了與數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)交互的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件，采用最小二乘法和小波分析技術(shù)對(duì)不同頻率的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用擬高斯–牛頓法對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行全空間三維電阻率反演，軟件自動(dòng)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行二維切片、三維異常體提取和立體成像等操作，實(shí)現(xiàn)了富水區(qū)域變化過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工作面水害隱患的自動(dòng)化和智能化監(jiān)測(cè)，便于技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌控回采工作面含、導(dǎo)水通道的發(fā)育情況，及時(shí)對(duì)突水隱患進(jìn)行排查，為煤礦安全高效開采提供了技術(shù)保障。

在施工過程中，監(jiān)測(cè)分站安置在綜采工作面兩側(cè)的大巷或采(盤)區(qū)巷中，電極及線纜埋入綜采工作面兩側(cè)的巷道。監(jiān)測(cè)分站可以作為發(fā)射機(jī)使用，也可以作為接收機(jī)使用。監(jiān)測(cè)分站通過光纖連接至地面服務(wù)器，技術(shù)人員在地面通過智能軟件控制監(jiān)測(cè)分站的工作狀態(tài)和發(fā)射、接收電極的自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)井下無人值守、地面遠(yuǎn)程控制的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)需求選擇一次性鋪設(shè)，也可以根據(jù)工作面回采進(jìn)度定期滾動(dòng)鋪設(shè)；監(jiān)測(cè)分站采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由光纖傳輸至地面服務(wù)器，地面采用遠(yuǎn)程在線處理技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和異常體動(dòng)態(tài)分析。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理及異常體動(dòng)態(tài)分析軟件可以對(duì)井下富水區(qū)域的變化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像。

2 試驗(yàn)工作面概況

某綜采面煤層平均厚度9.26 m，工作面設(shè)計(jì)采高8.8 m，傾向長(zhǎng)度299 m，推進(jìn)長(zhǎng)度5 286 m，屬超大采高工作面。如圖2所示，該工作面對(duì)應(yīng)地表有石灰溝，此溝為季節(jié)性溝流，是該區(qū)域較大的一條泄洪通道，雨季溝流量較大，溝內(nèi)上覆層厚度為120~170 m，且溝內(nèi)有多個(gè)水塘，工作面回采后導(dǎo)水裂隙帶有可能導(dǎo)通基巖含水層及松散含水層，導(dǎo)致含水層水涌入工作面，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)造成威脅。因此，為確保該工作面安全回采，需在回采過程中對(duì)工作面頂板“兩帶”發(fā)育高度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖2 試驗(yàn)工作面示意圖

開展試驗(yàn)的超大采高工作面回風(fēng)巷一側(cè)為單巷道，另一側(cè)為運(yùn)輸巷加輔運(yùn)巷的雙巷道，為了便于保護(hù)監(jiān)測(cè)電極和監(jiān)測(cè)線纜，計(jì)劃利用輔運(yùn)巷和回風(fēng)巷布置監(jiān)測(cè)電極，監(jiān)測(cè)電極均布設(shè)于巷道外幫。

3 頂板電阻率監(jiān)測(cè)可行性試驗(yàn)

3.1 音頻電透信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試

試驗(yàn)工作面傾向長(zhǎng)度接近300 m，運(yùn)輸巷和輔運(yùn)巷間距25 m，再加上巷道自身寬度均大于5 m，監(jiān)測(cè)電極布設(shè)在回風(fēng)巷和輔運(yùn)巷外幫，采用音頻電透視的數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行頂板電阻率監(jiān)測(cè)時(shí)，實(shí)際發(fā)射和接收的距離超過340 m，而常規(guī)音頻信號(hào)的穿透距離一般不超過250 m。為了保證足夠的信號(hào)強(qiáng)度，需要對(duì)不同的數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行測(cè)試。考慮到回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和音頻電透儀的工作原理相似，都是進(jìn)行音頻信號(hào)發(fā)射和接收，可以利用音頻電透儀對(duì)不同的數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試。

音頻信號(hào)的穿透深度與儀器自身的發(fā)射電流、接收信號(hào)的分辨率以及探測(cè)時(shí)采用的觀測(cè)裝置和極距大小緊密相關(guān)。在儀器技術(shù)指標(biāo)不變的情況下，其穿透深度主要取決于觀測(cè)裝置和極距大小。傳統(tǒng)音頻電透視法采用圖3a所示的平行單極–偶極觀測(cè)裝置，接收電極分別布置于巷道的兩個(gè)側(cè)幫，在收發(fā)距離不變的情況下接收信號(hào)的大小取決于接收極距的大小，然而的大小又受限于巷道寬度，導(dǎo)致傳統(tǒng)音頻電透視法的穿透深度基本不超過250 m。本次工作采用了圖3b所示的平行偶極–偶極和圖3c所示垂向單極–偶極觀測(cè)裝置，由于發(fā)射電極和接收電極均沿巷道走向布置，電極極距不受限制，可以通過合理選擇極距調(diào)整接收信號(hào)的大小，從而達(dá)到增大穿透深度的目的。

圖3 電透視法觀測(cè)裝置示意圖

在輔運(yùn)巷和回風(fēng)巷分別布置了電極間距30 m、40 m和50 m的測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度300~350 m，不同極距的測(cè)線彼此重合，如圖4所示。對(duì)不同極距的測(cè)線分別進(jìn)行了單極發(fā)射–偶極接收測(cè)試和偶極發(fā)射–偶極接收測(cè)試，發(fā)射信號(hào)頻率分別為15 Hz和120 Hz，測(cè)試所得的電壓曲線如圖5和圖6所示，圖中的背景值是不接入發(fā)射電流時(shí)采集到的背景噪聲。電壓曲線的結(jié)果顯示：接收電壓基本都高于背景值，表明不同極距下信號(hào)基本都可以穿透寬達(dá)340 m的距離；整體而言，120 Hz的接收信號(hào)強(qiáng)度比15 Hz的接收信號(hào)強(qiáng)度要小，符合高頻信號(hào)衰減更快的物理規(guī)律；對(duì)于位于0~50 m范圍內(nèi)的1—2號(hào)發(fā)射點(diǎn)而言，極距30 m和40 m時(shí)接收信號(hào)強(qiáng)度基本接近背景值，極距50 m時(shí)接收信號(hào)強(qiáng)度有所增大；整體而言，除個(gè)別干擾點(diǎn)外，極距越大，接收信號(hào)強(qiáng)度越大。對(duì)比單極發(fā)射和偶極發(fā)射的接收信號(hào)可見，相同接收極距下，單極發(fā)射時(shí)接收信號(hào)強(qiáng)度更大。

圖7和圖8給出了不同極距下偶極發(fā)射和單極發(fā)射所得數(shù)據(jù)的三維電阻率反演結(jié)果。選擇了深度20 m的電阻率切片進(jìn)行對(duì)比，圖7和圖8中=0 m為接收巷道、=340 m為發(fā)射巷道。反演結(jié)果表明：不同頻率、相同極距的異常形態(tài)彼此基本吻合，相同頻率、不同極距的異常形態(tài)彼此也基本吻合；單極發(fā)射和偶極發(fā)射的異常形態(tài)差異較大，但低阻區(qū)和高阻區(qū)的相對(duì)位置基本一致。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄，接收巷道=90~120 m處有變壓器，=180~210 m處有鉆機(jī)施工，反演結(jié)果在這兩處位置都表現(xiàn)出明顯的高阻異常，推測(cè)為游散電流影響所致。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：極距在30~50 m范圍內(nèi)時(shí)，音頻信號(hào)可以順利穿透寬達(dá)340 m的距離；極距越大，接收信號(hào)越強(qiáng)，綜合考慮信號(hào)強(qiáng)度和數(shù)據(jù)采集密度的需求，可以采用40 m極距進(jìn)行頂板電阻率監(jiān)測(cè)試驗(yàn)；單極發(fā)射時(shí)信號(hào)強(qiáng)度比偶極發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度大，監(jiān)測(cè)時(shí)可以考慮單極發(fā)射；120 Hz的接收信號(hào)強(qiáng)度比15 Hz的接收信號(hào)強(qiáng)度要小，監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)射頻率可以取15 Hz。

(—極距30 m；—極距40 m；—極距50 m)

圖5 偶極發(fā)射–偶極接收不同極距時(shí)電壓曲線

圖6 單極發(fā)射–偶極接收極距50 m電壓曲線

圖7 偶極發(fā)射–偶極接收不同極距時(shí)反演結(jié)果

圖8 單極發(fā)射–偶極接收極距50 m反演結(jié)果

3.2 錨桿導(dǎo)電性測(cè)試

開展試驗(yàn)的超大采高工作面，巷道高度將近5 m，在巷道頂板布設(shè)電極施工難度大，為了降低施工難度，擬采用錨桿作監(jiān)測(cè)電極使用。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，選擇靠近巷道外幫的頂板錨桿，斷開錨桿與錨網(wǎng)等金屬物之間的接觸，對(duì)錨桿的導(dǎo)電性進(jìn)行測(cè)試。分別在輔運(yùn)巷選擇了1對(duì)錨桿作為發(fā)射電極，在回風(fēng)巷選擇了5對(duì)錨桿作為接收電極，相鄰錨桿間距40 m。在輔運(yùn)巷拉無窮遠(yuǎn)，采用單極發(fā)射，在回風(fēng)巷進(jìn)行偶極接收，用音頻電透儀進(jìn)行錨桿供電和信號(hào)采集測(cè)試，15 Hz發(fā)射信號(hào)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果顯示：發(fā)射電流為47.8~59.5 mA，電流值較大，表明錨桿的接地情況良好；接收信號(hào)變化范圍為19.2~48.8 μV，接收信號(hào)較穩(wěn)定。錨桿供電和信號(hào)采集測(cè)試結(jié)果表明，頂板錨桿導(dǎo)電性良好，可以用做監(jiān)測(cè)電極。

表1 錨桿單極發(fā)射–偶極接收測(cè)試結(jié)果

3.3 回風(fēng)巷監(jiān)測(cè)電極頂?shù)装鍖?duì)比測(cè)試

回風(fēng)巷頂板在回采過程中會(huì)發(fā)生垮落，若監(jiān)測(cè)電極布置于頂板，當(dāng)監(jiān)測(cè)電極進(jìn)入采空區(qū)后會(huì)隨頂板一起垮落，監(jiān)測(cè)線纜也可能在頂板垮落的過程中被拉斷，無法實(shí)現(xiàn)切眼后方采空區(qū)的監(jiān)測(cè)。為了便于對(duì)回風(fēng)巷的監(jiān)測(cè)電極和監(jiān)測(cè)線纜進(jìn)行保護(hù)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)覆巖破壞情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，擬將回風(fēng)巷監(jiān)測(cè)電極布置于巷道底板。為了驗(yàn)證這種布極方式的探測(cè)效果，在回風(fēng)巷相同走向位置分別布置頂板監(jiān)測(cè)電極和底板監(jiān)測(cè)電極，輔運(yùn)巷監(jiān)測(cè)電極均布置于巷道頂板。對(duì)比回風(fēng)巷監(jiān)測(cè)電極分別位于頂板和底板時(shí)的探測(cè)效果，可為監(jiān)測(cè)線纜保護(hù)方法的選擇提供依據(jù)。

利用回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別通過回風(fēng)頂板聯(lián)合輔運(yùn)頂板、回風(fēng)底板聯(lián)合輔運(yùn)頂板的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)回風(fēng)巷不同布極方式下采集所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維電阻率反演，結(jié)果如圖9a和圖9b所示；圖9c給出了利用音頻電透儀通過回風(fēng)底板聯(lián)合輔運(yùn)頂板的方式進(jìn)行透視的處理結(jié)果；選擇了深度20 m的電阻率切片進(jìn)行對(duì)比，圖中=0 m為回風(fēng)巷，=340 m為輔運(yùn)巷。

反演結(jié)果表明：將回風(fēng)巷電極布置在底板、輔運(yùn)巷電極布置在頂板和兩條巷道電極均布置在頂板時(shí)的異常形態(tài)、異常位置彼此基本吻合，音頻電透設(shè)備和回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)設(shè)備的結(jié)果也基本吻合；電極均位于頂板時(shí)，低阻異常分辨率更高。

對(duì)頂板低阻異常體模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬和反演成像，對(duì)頂–頂透視和底–頂透視兩種觀測(cè)方式進(jìn)行了模擬計(jì)算，反演結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，頂–頂透視和底–頂透視獲得的低阻異常位置基本吻合，頂–頂透視的低阻異常分辨率更高。數(shù)值模擬結(jié)果與井下試驗(yàn)結(jié)論基本一致。

圖9 回風(fēng)巷不同布極方式下采集所得數(shù)據(jù)的反演結(jié)果

圖10 頂板低阻異常體探測(cè)數(shù)值模擬結(jié)果

井下對(duì)比試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明：為便于監(jiān)測(cè)電極和監(jiān)測(cè)線纜的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)覆巖破壞情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以將回風(fēng)巷中的電極打在底板，以代替原來將電極打在頂板的監(jiān)測(cè)方案。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布署和信號(hào)測(cè)試

在上述可行性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展超大采高工作面頂板電阻率監(jiān)測(cè)，在井下安裝了回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用錨桿做監(jiān)測(cè)電極進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和接收，在工作面輔運(yùn)巷和回風(fēng)巷中每隔40 m布置一個(gè)電極，共布設(shè)電極80個(gè)，具體布置如圖11所示。

鑒于工作面監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度較大，采用滾動(dòng)監(jiān)測(cè)模式。單次監(jiān)測(cè)覆蓋300 m的推進(jìn)長(zhǎng)度，隨著工作面不斷推進(jìn)，監(jiān)測(cè)電極逐漸向推進(jìn)方向移動(dòng)。電極移動(dòng)過程中，始終保持著300 m的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度。采用類似音頻透視的方法開展頂板電阻率監(jiān)測(cè)，首先以回風(fēng)巷為發(fā)射巷道，輔運(yùn)巷為接收巷道，依次從1號(hào)電極開始發(fā)射電流信號(hào)，每發(fā)射一次，接收巷道中的所有電極順次接收電位差并存儲(chǔ)至接收機(jī)中；完成回風(fēng)巷中電極的發(fā)射之后，再以輔運(yùn)巷為發(fā)射巷道，回風(fēng)巷為接收巷道，重復(fù)發(fā)射和接收過程。上述過程完畢，即完成一次監(jiān)測(cè)，同時(shí)開始下一次監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過地面軟件控制電極切換來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的移動(dòng)，不需要在井下進(jìn)行人工干預(yù)。

完成了回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝調(diào)試后，選取31、33、35、37、39號(hào)電極，采用單極發(fā)射–單極接收的數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行了信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試所得的電壓曲線如圖12所示。結(jié)果顯示：不論回風(fēng)巷發(fā)射–輔運(yùn)巷接收還是輔運(yùn)巷發(fā)射–回風(fēng)巷接收，其信號(hào)強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于儀器背景值，與利用音頻電透儀的試驗(yàn)結(jié)果基本一致；總體來看，單極發(fā)射–單極接收的電壓值較大，接收信號(hào)也較穩(wěn)定。

圖11 監(jiān)測(cè)電極布置示意圖

圖12 單極發(fā)射–單極接收電壓曲線(頻率15 Hz)

5 結(jié)論

a.采用單極發(fā)射–偶極接收時(shí)，在極距為40 m、發(fā)射頻率為15 Hz的情況下，音頻信號(hào)的穿透距離可以達(dá)到340 m，適用于傾向?qū)挾容^大的大型工作面。

b. 錨桿導(dǎo)電性良好，可以用做監(jiān)測(cè)電極進(jìn)行電流發(fā)射和信號(hào)采集，應(yīng)用于超大采高工作面頂板電阻率監(jiān)測(cè)時(shí)可大大降低施工難度。

c.將監(jiān)測(cè)電極布置于底板既可以對(duì)頂板電阻率進(jìn)行探測(cè)，對(duì)回風(fēng)巷監(jiān)測(cè)電極保護(hù)也是有利的。

d. 回采工作面電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)測(cè)試結(jié)果與可行性試驗(yàn)的結(jié)論一致。

致謝：論文研究?jī)?nèi)容由神華神東煤炭集團(tuán)公司“超大采高工作面成套設(shè)備安全工程研究”項(xiàng)目支持！

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Feasibility test of roof resistivity monitoring for super-high mining face

LU Jingjin, LI Deshan, WANG Bingchun

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Techonogy and Engieering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The failure of roof overburden is one of the main reasons for water inrush in mining working face. Roof resistivity monitoring by mine electrical method can be used to detect overburden failure dynamically. However, roof resistivity monitoring for super-high mining face has many problems, such as audio electromagnetic signal by conventional methods is difficult to penetrate through wide working face, burying of roof monitoring electrodes is difficult, monitoring electrode in the roof of air return lane is hard to protect, and so on. In order to solving these problems, feasibility study of roof resistivity monitoring for super-high mining face is carried out by audio electromagnetic perspective instrument and working face resistivity monitoring system. Experiment result shows: perspective distance of audio electromagnetic signal by pole-dipole arrays can be 340 m; anchor bolt can be used as monitoring electrode for current transmission and signal acquisition; monitoring electrodes of the return air way can be arranged on the way floor for protection. On the basis of above research, a resistivity monitoring system for mining working face is arranged for a super high mining face. The signal test results are consistent with the feasibility test results.

resistivity monitoring; overburden failure; anchor bolt; audio electromagnetic perspective

National Key R&D Program of China(2017YFC0804103)

魯晶津，1983年生，女，湖北隨州人，博士，副研究員，從事礦井電磁法勘探及其應(yīng)用研究. E-mail：lujingjin@cctegxian.com

魯晶津，李德山，王冰純. 超大采高工作面頂板電阻率監(jiān)測(cè)可行性試驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：186–194.

LU Jingjin，LI Deshan，WANG Bingchun. Feasibility test of roof resistivity monitoring for super-high mining face[J]. Coal Geology & Explortion，2019，47(3)：186–194.

1001-1986(2019)03-0186-09

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.029

2018-08-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFC0804103)

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)