戴香華

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

0 引言

晉能控股煤業(yè)集團部分礦井在巷道掘進過程中，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，往往給安全掘進帶來嚴(yán)重隱患。瞬變電磁法和直流電法是目前井下超前探測最常用兩種物探方法[1]，業(yè)界對直流電法超前探測的效果一直存在爭議，包括國內(nèi)著名的地球物理學(xué)者阮百堯、王家林等都曾對該方法提出異議，提出傳統(tǒng)的直流電法三極超前探測掘進迎頭前方采空積水有效性較差，低阻反應(yīng)不明顯。因此，從實際出發(fā)，開展直流電法超前探測小窯采空積水的正演模型試驗。通過室內(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 直流電法超前探測的基本原理及施工方法

直流電法超前探測的施工布置見圖1，施工時一般采用將一個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窮遠處（圖中的B 電極），并在巷道內(nèi)布置一系列的測量電極（圖中電極1、2、3……，n），這種施工裝置被稱為三極裝置[2]。

圖1 直流電法超前探測施工布置

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

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)果對比

2 直流電法超前探測有效性的理論分析

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)果和理論值的對比，圖中橫坐標(biāo)小于零表示位于A極的后方（即實際施工時可以布置電極的區(qū)域），大于零表示位于A 極的前方（實際施工時該區(qū)域不能布置電極，但為方便分析，我們在該區(qū)域布置了孔內(nèi)電極）。由該圖可見，有限元模擬的精度非常高（與理論值的相對誤差小于萬分之三）。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，電壓越小，與直流電探測理論吻合的也非常好。圖5 為根據(jù)數(shù)值模擬的電壓計算的視電阻率，它與模型的真實電阻率十分接近[5]。

圖4 電壓分布平面圖

圖5 視電阻率的真實值和數(shù)值模擬結(jié)果對比

3 正演模型試驗成果

3.1 試驗成果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時的電壓分布與無異常體時（即均勻全空間）的對比，采用三極AMN裝置工作，A極供電時所有電極接收。全空間條件下點電極供電球狀異常體的異常電位計算公式為：

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

圖7 有無異常體的電壓分布對比（r=50 m、ρ2 =10Ω·m）

圖8 有無異常體的視電阻分布對比（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，無法直觀反映低阻異常的位置。

同樣為了便于對比分析我們在0＜x＜100 m的區(qū)域布置了孔中測量電極，與無異常體時相比，存在低阻異常時x＜0 區(qū)域的電壓確實有一定的減小，但是這并不能說明直流電法的超前探測是可行的，原因有以下兩點：（1）電壓降低的幅度太小，最大降幅不超過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（見圖8），根據(jù)模擬結(jié)果，視電阻率在x＜50 m時，視電阻率隨x的增長逐漸增加，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，這是因為我們將一部分虛擬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)外電場不連續(xù)造成的，實際施工中電極無法布置在異常體內(nèi)，因此也觀測不到這種現(xiàn)象。

3.2 試驗成果2

圖10 正演模型示意圖

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

為進一步驗證上述推論，我們異常體的電阻率進一步降低ρ2=1 Ω·m，異常體與A 極距離進一步縮短為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異常體時的對比，可見與前一個模型相比，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)域視電阻率并沒有出現(xiàn)低阻異常（見圖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 有無異常體的電壓分布對比（r=20 m、ρ2=1Ω·m，異常體直立）

4 孔中直流電法探測小窯采空積水的應(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行探測，利用掘進巷超前鉆孔通過MN 接收電極在孔中測量電位差，每推進2米測量一個數(shù)據(jù)，共采集60個物理點（見圖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視電阻率斷面圖

結(jié)合圖14 探測成果圖分析主要解釋一個低阻異常區(qū)和兩個高阻異常區(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

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

（1）抗擾性強：傳統(tǒng)的施工方法受巷道迎頭后方機組、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，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：由于掘進巷道底板巖性堅硬，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)動鉆機提前打孔，施工效率低。采用鉆孔內(nèi)利用推桿每推進2 m 測量一個數(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)視電阻率斷面圖進行解釋，而采用孔中直提供有力參考資料。