戴香華

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司地質(zhì)勘測(cè)處山西大同037003）

0 引言

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)部分礦井在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，存在同層小窯采空區(qū)或煤層上分層破壞區(qū)，小窯破壞情況及積水情況不清，往往給安全掘進(jìn)帶來(lái)嚴(yán)重隱患。瞬變電磁法和直流電法是目前井下超前探測(cè)最常用兩種物探方法[1]，業(yè)界對(duì)直流電法超前探測(cè)的效果一直存在爭(zhēng)議，包括國(guó)內(nèi)著名的地球物理學(xué)者阮百堯、王家林等都曾對(duì)該方法提出異議，提出傳統(tǒng)的直流電法三極超前探測(cè)掘進(jìn)迎頭前方采空積水有效性較差，低阻反應(yīng)不明顯。因此，從實(shí)際出發(fā)，開(kāi)展直流電法超前探測(cè)小窯采空積水的正演模型試驗(yàn)。通過(guò)室內(nèi)建立各種模擬不同導(dǎo)電性的采空積水，研究目前傳統(tǒng)直流電法三極超前探施工方法的是否有效性，總結(jié)出一套新的施工方法。

1 直流電法超前探測(cè)的基本原理及施工方法

直流電法超前探測(cè)的施工布置見(jiàn)圖1，施工時(shí)一般采用將一個(gè)供電電極置于巷道迎頭附近（圖中的A電極），另一供電電極置于無(wú)窮遠(yuǎn)處（圖中的B 電極），并在巷道內(nèi)布置一系列的測(cè)量電極（圖中電極1、2、3……，n），這種施工裝置被稱(chēng)為三極裝置[2]。

圖1 直流電法超前探測(cè)施工布置

那么置于巷道迎頭后方的的電極如何實(shí)現(xiàn)對(duì)迎頭前方地質(zhì)異常體的探測(cè)呢？支持該方法的人給出了如圖2 所示的球殼理論進(jìn)行解釋?zhuān)杭僭O(shè)巷道前方有低阻異常體存在，在全空間效應(yīng)的影響下，后方的測(cè)量電極的電壓也會(huì)變低，因此就能實(shí)現(xiàn)對(duì)前方地質(zhì)異常體的超前探測(cè)。

圖2 球殼理論示意

圖3 均勻全空間電壓分布的理論值和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

2 直流電法超前探測(cè)有效性的理論分析

圖3為電阻率100 Ω·m均勻全空間電壓分布的有限元模擬結(jié)果和理論值的對(duì)比，圖中橫坐標(biāo)小于零表示位于A極的后方（即實(shí)際施工時(shí)可以布置電極的區(qū)域），大于零表示位于A 極的前方（實(shí)際施工時(shí)該區(qū)域不能布置電極，但為方便分析，我們?cè)谠搮^(qū)域布置了孔內(nèi)電極）。由該圖可見(jiàn)，有限元模擬的精度非常高（與理論值的相對(duì)誤差小于萬(wàn)分之三）。圖4 是以A 極為中心的電壓分布的二維平面圖，可以看到與A極距離越遠(yuǎn)，電壓越小，與直流電探測(cè)理論吻合的也非常好。圖5 為根據(jù)數(shù)值模擬的電壓計(jì)算的視電阻率，它與模型的真實(shí)電阻率十分接近[5]。

圖4 電壓分布平面圖

圖5 視電阻率的真實(shí)值和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

3 正演模型試驗(yàn)成果

3.1 試驗(yàn)成果1

建立如圖6 所示的模型，在電阻率為100 Ω.m 的圍巖中，有一大小為100 m×100 m×20 m、電阻率為ρ2的低阻異常體，它位于A極正前方并與A極距離為r。

圖6 正演模型示意圖

圖7為r=50 m、ρ2=10 Ω·m時(shí)的電壓分布與無(wú)異常體時(shí)（即均勻全空間）的對(duì)比，采用三極AMN裝置工作，A極供電時(shí)所有電極接收。全空間條件下點(diǎn)電極供電球狀異常體的異常電位計(jì)算公式為：

式中：ρ1、ρ2分別為全空間介質(zhì)和異常體電阻率；d為供電點(diǎn)與球心距離；r為接收點(diǎn)與球心距離；R為供電點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離；ρn為n階勒讓得函數(shù)，分別計(jì)算M、N處的電位可得到電位差。

圖7 有無(wú)異常體的電壓分布對(duì)比（r=50 m、ρ2 =10Ω·m）

圖8 有無(wú)異常體的視電阻分布對(duì)比（r=50 m、ρ2 =10Ω·m）

圖9 電位差曲線圖

在孔深0 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m，得到的電位差曲線如圖9 所示。從圖9 中可以看出，電位差數(shù)值隨著與供電位置距離變大逐漸衰減，無(wú)法直觀反映低阻異常的位置。

同樣為了便于對(duì)比分析我們?cè)?＜x＜100 m的區(qū)域布置了孔中測(cè)量電極，與無(wú)異常體時(shí)相比，存在低阻異常時(shí)x＜0 區(qū)域的電壓確實(shí)有一定的減小，但是這并不能說(shuō)明直流電法的超前探測(cè)是可行的，原因有以下兩點(diǎn)：（1）電壓降低的幅度太小，最大降幅不超過(guò)5%；（2）更重的原因是，直流電法的解釋是基于視電阻率的，按照球殼理論，應(yīng)在-50 m 左右應(yīng)出現(xiàn)低阻異常，但數(shù)值模擬的結(jié)果并不支持這種推論（見(jiàn)圖8），根據(jù)模擬結(jié)果，視電阻率在x＜50 m時(shí)，視電阻率隨x的增長(zhǎng)逐漸增加，在x＞50 m 處，視電阻率才呈明顯的低阻異常。需要指出，在x=50 m 處視電阻率發(fā)生跳變，這是因?yàn)槲覀儗⒁徊糠痔摂M電極布置在了異常體內(nèi)，由于低阻異常體和圍巖交界面處產(chǎn)生的累積電荷，異常體內(nèi)外電場(chǎng)不連續(xù)造成的，實(shí)際施工中電極無(wú)法布置在異常體內(nèi)，因此也觀測(cè)不到這種現(xiàn)象。

3.2 試驗(yàn)成果2

圖10 正演模型示意圖

圖11 有無(wú)異常體的電壓分布對(duì)比（r=50 m、ρ2=1Ω·m，異常體直立）

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述推論，我們異常體的電阻率進(jìn)一步降低ρ2=1 Ω·m，異常體與A 極距離進(jìn)一步縮短為r=20 m，并將異常體由水平改為直立。（圖10所示）

圖11為該模型的電壓分布與無(wú)異常體時(shí)的對(duì)比，可見(jiàn)與前一個(gè)模型相比，該模型在x＜0的區(qū)域，電壓降低更加明顯，但同樣地在x＜0 的區(qū)域視電阻率并沒(méi)有出現(xiàn)低阻異常（見(jiàn)圖12）。在x=20 m～40 m 的區(qū)域，出現(xiàn)了明顯的低阻異常，在x=20 m、40 m處，同樣由于界面累積電荷的影響，視電阻率出現(xiàn)跳變。

圖12 有無(wú)異常體的電壓分布對(duì)比（r=20 m、ρ2=1Ω·m，異常體直立）

4 孔中直流電法探測(cè)小窯采空積水的應(yīng)用情況

4.1 工程概況及施工方法

地煤公司樹(shù)兒里礦C3#層301-1巷前方存在煤層上分層小窯破壞區(qū)，采空積水不清，2018 年8 月9 日在C3#層301-1巷里程牌25 m 采用孔中直流電法進(jìn)行探測(cè)，利用掘進(jìn)巷超前鉆孔通過(guò)MN 接收電極在孔中測(cè)量電位差，每推進(jìn)2米測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)，共采集60個(gè)物理點(diǎn)（見(jiàn)圖13）。

圖13 孔中直流電法超前探施工示意圖

4.2 解釋成果

圖14 301-1巷孔中直流電法探測(cè)視電阻率斷面圖

結(jié)合圖14 探測(cè)成果圖分析主要解釋一個(gè)低阻異常區(qū)和兩個(gè)高阻異常區(qū)，低阻異常區(qū)位于迎頭向前1 m～11 m 之間，視電阻率值為11.5 Ω ·m～39.8 Ω ·m 之間，解釋可能為3 號(hào)上分層采空積水或煤層含水引起的低阻異常；高阻異常區(qū)分別為迎頭向前33 m 處和37 m處，視電阻落值為294 Ω·m～650 Ω·m之間，特別是37 m處高阻異常明顯，解釋為采空區(qū)引起的電性特征變化較大。

4 結(jié)語(yǔ)

采用孔中直流電法探測(cè)小窯采空積水相比傳統(tǒng)的施工方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）抗擾性強(qiáng)：傳統(tǒng)的施工方法受巷道迎頭后方機(jī)組、錨網(wǎng)、鐵軌及電纜影響，特別是巷道后方低洼處積水影響，造成采集數(shù)據(jù)質(zhì)量差，采用孔中直流電法探測(cè)，干擾大大減少，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和有效性。

（2）施工效率高：由于掘進(jìn)巷道底板巖性堅(jiān)硬，傳統(tǒng)的施工方法采用往后方跑極，需要將接受電極釘在底板上，經(jīng)常采用風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)提前打孔，施工效率低。采用鉆孔內(nèi)利用推桿每推進(jìn)2 m 測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)，所受空間影響較小且施工效率大大提高，數(shù)據(jù)采集時(shí)間減少一半。

（3）成果解釋精度高：傳統(tǒng)的直流電法超前探解釋軟件只依據(jù)視電阻率斷面圖進(jìn)行解釋?zhuān)捎每字兄碧峁┯辛⒖假Y料。