張 釗，翟培合，劉宇翔，張同德，任科科

（山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

1 跨孔超高密度電法成像原理

1）超高密度電法數(shù)據(jù)采集原理。超高密度電法[10]是近年來(lái)一種較新的地球物理探測(cè)技術(shù)，其勘探原理與其他傳統(tǒng)電法相同，均以巖土體導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，研究在施加電場(chǎng)的作用下，地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。但其電極排列上選用一種突破原有程式化單裝置束縛的基于“泛裝置”的陣列勘探方法。以2條電纜為例，實(shí)際列為1組，共有的64個(gè)電極互相鏈接，依據(jù)奇-偶間隔配對(duì)原則（1-2，1-4，…，1-64；3-2，3-4，…，3-64；63-2，…，63-64），前后各為32組信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)，經(jīng)由人工電源供電，采集MN的中間數(shù)據(jù)值，獲取反饋的電位信號(hào)，形成61條電位通道，共可得到62 464個(gè)數(shù)值點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)比常規(guī)高密度電法多出幾十倍。超高密度電法系統(tǒng)跑極示意圖如圖1。

圖1 超高密度電法系統(tǒng)跑極示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultra-high density electrical system

2）跨孔電阻率成像[11-12]技術(shù)。指的是通過(guò)高密度發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)對(duì)地下電場(chǎng)的透視以進(jìn)行地質(zhì)巖土體的立體可視化分析；基于超高密度電法進(jìn)行的跨孔電阻率反演與跨孔層析成像法原理類似；在孔中分別放入2根電纜，布設(shè)井下電極陣，進(jìn)而觀測(cè)跨孔間電流、電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)儀器配套的反演軟件，獲得井-井之間的電阻率分布斷面圖，進(jìn)而結(jié)合已有的地質(zhì)鉆探信息，分析深部地電場(chǎng)異常問(wèn)題。

2 工程背景

2.1 工作面地質(zhì)概況

白莊煤礦位于山東省肥城市，其8103工作面橫長(zhǎng)為100 m，推采長(zhǎng)度為250～327 m，平均推采長(zhǎng)度為290 m，回采標(biāo)高-424.1～-438.0 m；煤巖層整體呈背斜構(gòu)造，背斜軸南翼煤巖層走向?yàn)?2°～89°，傾向?yàn)?62°～179°；背斜軸北翼煤巖層走向?yàn)?4°～76°，傾向?yàn)?14°～346°；工作面回采范圍內(nèi)煤巖層傾角為1°～8°，平均為4°。煤層頂板四灰凹凸不平，局部裂隙發(fā)育，局部存在“二合頂”，對(duì)頂板管理有一定影響?；夭煞秶鷥?nèi)揭露3條斷層，落差為0.6～1.4 m，存在不明隱伏地質(zhì)構(gòu)造。

2.2 工作面水害分析

1）老空水。上覆30.7～33.4 m為7煤層采空區(qū)，具備自然泄水條件，且其他工作面回采進(jìn)度已結(jié)束，無(wú)威脅。

2）四灰含水層。頂板8煤層，厚3.8～6.6 m，平均4.7 m，巖層地質(zhì)性不純，含泥質(zhì)，相鄰工作面已大面積揭露，四灰水基本疏干。

3）五灰含水層。上距8煤層底板28.1～43.3 m，平均34.8 m,五灰含水層厚1.6～9.5 m，平均厚5.6 m，工作面區(qū)域鉆孔單孔涌水量0～10 m3/h，平均涌水量0.9 m3/h，回采區(qū)域內(nèi)五灰含水層巖溶發(fā)育不均一、富水性相對(duì)較弱。五灰含水層最大突水系數(shù)為0.096 MPa/m。

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；p為隔水層底板承受的水壓，MPa；M為隔水層厚度，m；ρ為水的密度，kg/m3；h為含水層水位高度。

4）奧灰含水層。厚800 m左右，與五灰層間距為2.1～8.7 m，平均間距5.4 m；單孔涌水量0.5～100 m3/h，平均涌水量12.4 m3/h。奧灰含水層最大突水系數(shù)為0.139 MPa/m.

由于思想認(rèn)識(shí)不到位、制度堅(jiān)持不好、組織活動(dòng)方式缺乏創(chuàng)新、帶頭人隊(duì)伍素質(zhì)能力不足、組織覆蓋不全面等原因，出現(xiàn)了基層黨組織弱化、虛化和邊緣化問(wèn)題。

由于8103工作面嚴(yán)格留足了FN6斷層防水煤柱，故其不受斷層水害威脅，綜合分析可知工作面主要受底板奧灰承壓水威脅。故需對(duì)工作面的底板水情進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以保障煤礦的安全開(kāi)采。

3 工程應(yīng)用

3.1 鉆孔與電纜的布置

設(shè)計(jì)時(shí)為保證井下鉆孔的充分利用與施工的便捷，在注漿改造工作面底板的鉆孔基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了單巷、跨斜孔的觀測(cè)裝置，鉆孔設(shè)置立體圖如圖2。圖2中展示了8103工作面巷道內(nèi)，設(shè)計(jì)的鉆孔分布位置，用1、2、3、4的數(shù)字形式記號(hào)，同時(shí)也在對(duì)應(yīng)的鉆孔插頭位置，做出標(biāo)記。鉆孔呈現(xiàn)立體狀，以4號(hào)孔為測(cè)量基準(zhǔn)鉆孔，其到3號(hào)孔之間的距離定為90 m，到2號(hào)孔的距離是195 m，到1號(hào)孔的距離為300 m。鉆孔結(jié)構(gòu)采用套管的雙級(jí)層推模式，一級(jí)套管在前，約在9煤位置上下浮動(dòng)，二級(jí)套管居于后，位于11煤下部，二極套管延伸長(zhǎng)于一級(jí)套管；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)需要配備打壓合格的孔口控水和防噴反壓裝置，防止水壓過(guò)大頂出鉆桿傷人。

圖2 鉆孔設(shè)置立體圖Fig.2 Stereogram of borehole setting

將長(zhǎng)度160 m的電纜接頭置入鉆孔中，每5 m間隔1個(gè)電極接頭，在電極接頭處焊接金屬片，增大與巖層的接觸面積，便于點(diǎn)電源向底板巖體供電；而后將線纜引出，進(jìn)行封孔設(shè)計(jì)，于鋼管端頭處，焊接1條細(xì)鋼管，電纜從中順出，將封孔裝置固定在孔口，再用高壓注漿封堵，固定電纜；最后在電纜順出處鋪設(shè)一定的斜坡，用水泥注漿，同時(shí)下挖深度為0.4 m的細(xì)溝，將電纜埋設(shè)其中，上附遮蓋石體。

3.2 數(shù)據(jù)采集

本次井下數(shù)據(jù)采集于固定巷道外，使用的儀器是FLASHRES64電測(cè)儀，采集裝置為儀器默認(rèn)裝置即全四極[13-14]裝置，裝置示意圖如圖3。按照組合方式選擇線纜插口進(jìn)行接入，檢查電極，排除異常電極，設(shè)置適用參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集按照兩孔對(duì)應(yīng)原則，理論將獲得6（3×2×1）組鏈接數(shù)值集合；然而實(shí)際施工過(guò)程中，2號(hào)鉆孔的電纜接頭出現(xiàn)流水現(xiàn)象，為保證施工安全，實(shí)際操作過(guò)程中排除2號(hào)鉆孔之外的組合。

圖3 裝置示意圖Fig.3 Device diagram

3.3 數(shù)據(jù)處理

獲取的電位數(shù)據(jù)需先進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)觀察程序界面顯示的電流對(duì)分布情況，對(duì)出現(xiàn)其中的異常電流值，進(jìn)行細(xì)節(jié)性剔除。同時(shí)，設(shè)置裝置采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量閾值，人為去除質(zhì)量較差的變異數(shù)值點(diǎn)，循環(huán)檢查，直至再無(wú)變異點(diǎn)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行反演處理。

反演使用的是廣義最小二乘正則化反演[15-16]方法，其在反演過(guò)程中同時(shí)施加光滑約束與背景約束的雙重約束條件，改變回歸模型使變換后的模型隨機(jī)誤差項(xiàng)消除自相關(guān)，進(jìn)而通過(guò)普通最小二乘法求解新模型的參數(shù)。反演流程示意圖如圖4。

圖4 反演流程示意圖Fig.4 Flow chart of inversion

3.4 成果分析解釋

8103工作面在施工推進(jìn)過(guò)程中，結(jié)合礦山壓力變化情況，間隔7～21 d的固定時(shí)期，進(jìn)行5次數(shù)據(jù)采集工作，這里選中其中有代表性的3次監(jiān)測(cè)作為案例進(jìn)行分析，分別為回采前、回采中、及回采完畢后的3次孔間超高密度電法探測(cè)。依次將鉆孔1、3、4所獲取的數(shù)據(jù)兩兩組合進(jìn)行跨孔反演處理，利用Surfer軟件成圖，結(jié)合超高密度孔間透視技術(shù)，分析礦井底板水體的運(yùn)移規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦回采中底板水[17]的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.4.1 4-3鉆孔孔間CT成像

4-3孔跨孔動(dòng)態(tài)反演圖如圖5。

圖5 4-3孔跨孔動(dòng)態(tài)反演圖Fig.5 4-3 cross hole dynamic inversion

從圖5可以看出，有3個(gè)低阻區(qū)域分布在鉆孔深度范圍內(nèi)，同時(shí)4號(hào)孔中部、3號(hào)孔深處出現(xiàn)高阻區(qū)域與低阻區(qū)域相鄰。結(jié)合鉆孔資料可知4號(hào)鉆孔的高阻區(qū)域正處于五灰含水層區(qū)域，由于經(jīng)注漿處理后五灰地層分布裂隙被封堵，故五灰地層呈現(xiàn)高阻。同時(shí)由于鉆孔工作面切眼的貫通，致使切眼巷道周圍底板應(yīng)力重新分布應(yīng)力增大，底板巖層受壓力影響增大影響壓縮巖層水，水向應(yīng)力減少方向運(yùn)移，使圖中3號(hào)鉆孔橫向坐標(biāo)0～10 m處呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。

由圖5（b）可知，前方20 m范圍內(nèi)，由于受到礦山壓力的影響，巖層受力擠壓，使其中富存的水體分流巖層呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。由于礦山壓力曲線向前、向下傳播，電阻率曲線變化趨勢(shì)與礦山壓力分布趨勢(shì)相似。同時(shí)，在開(kāi)采位置后方采空區(qū)內(nèi)，由于后方冒落區(qū)內(nèi)的巖石導(dǎo)電性差，呈現(xiàn)高阻區(qū)；在膨脹區(qū)內(nèi)巖石沒(méi)有壓實(shí)，巖石的導(dǎo)電性亦是不好，呈現(xiàn)部分高阻區(qū)；隨著采空區(qū)應(yīng)力逐步恢復(fù)，巖石逐步被壓實(shí)，其導(dǎo)電性逐步加強(qiáng)，呈現(xiàn)部分低阻區(qū)。

圖5（c）為工作面向前推進(jìn)230 m（即完成施工，進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)）時(shí)的狀態(tài)?？芍殡S施工開(kāi)采位置的不斷推進(jìn)，工作面后方采空區(qū)的增壓部分也在向前推移，隨著這種狀態(tài)的持續(xù)改變，圍巖電阻率逐漸恢復(fù)。然而，在壓實(shí)區(qū)內(nèi)由于應(yīng)力恢復(fù)原巖應(yīng)力，裂隙張開(kāi)，其它地方的水體隨著裂隙進(jìn)入采空區(qū)，隨著時(shí)間的推移，采空區(qū)內(nèi)水體的不斷增多，內(nèi)部的電阻率不斷降低，成為低阻區(qū)。

3.4.2 3-1鉆孔孔間CT成像

3-1跨孔電阻率動(dòng)態(tài)反演圖如圖6。其對(duì)應(yīng)上述圖5的3次監(jiān)測(cè)狀態(tài)，將二者結(jié)合作為對(duì)整個(gè)工作面底板水情監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充和驗(yàn)證。從圖6（a）中可知3號(hào)孔深部奧灰地層呈現(xiàn)高阻區(qū)與圖5（a）中3號(hào)孔深部奧灰地層呈高阻區(qū)的現(xiàn)象一致，表明經(jīng)注漿處理后奧灰地層不富水。從圖6（b）中可知，隨著工作面向前推進(jìn)，3號(hào)孔和1號(hào)孔附近存在的巖層相當(dāng)于工作面留設(shè)的煤柱，煤柱巖層承受壓力逐漸增大，受到塑性破壞，使巖層裂隙發(fā)育。當(dāng)裂隙中含有空氣時(shí)，呈現(xiàn)高阻區(qū)域；伴隨前方采空區(qū)增大，煤柱的支撐應(yīng)力逐漸減小，其它地方的水體流入裂隙，巖石電阻率降低，呈現(xiàn)不同的變化狀態(tài)。對(duì)比可知，圖5（c）中原有的高阻區(qū)到圖6（c）中轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥鑵^(qū)，其原因是隨著工作面不斷的向前推進(jìn)，煤柱的支撐應(yīng)力變小，巖層逐漸恢復(fù)為原巖應(yīng)力；經(jīng)時(shí)間的發(fā)展，原來(lái)巖層中產(chǎn)生的裂隙，其中的空氣逐漸被水代替，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，呈現(xiàn)低阻區(qū)。

圖6 3-1跨孔電阻率動(dòng)態(tài)反演圖Fig.6 3-1 cross hole dynamic inversion

4 結(jié)語(yǔ)

1）運(yùn)用超高密度電法結(jié)合跨孔電阻率CT成像技術(shù)，最大化地增大數(shù)據(jù)的采集量；同時(shí)選用廣義最小二乘反演優(yōu)化提高其計(jì)算效率與抗干擾能力，提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)4-3孔與3-1孔間的跨孔動(dòng)態(tài)反演圖的分析比較，結(jié)合礦壓變化，得到煤層含水體間的電阻率與應(yīng)力關(guān)系，以礦井水的運(yùn)移導(dǎo)向?yàn)榛c(diǎn)，證明了超高密度電法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦回采過(guò)程中的底板水的變化情況有良好的應(yīng)用效果。

2）超高密度電法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)依托空間電阻率CT法的實(shí)際應(yīng)用，雖取得了良好的監(jiān)測(cè)效果，但其仍未脫離“面”的范疇，不能留下空間立體的直觀印象；同時(shí)，由于技術(shù)的局限性，使其監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)在時(shí)間上是斷開(kāi)的、不連續(xù)的；未來(lái)應(yīng)將該項(xiàng)技術(shù)與三維高密度電法中的“數(shù)面發(fā)散”立體成像、智能視頻識(shí)別等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)礦企對(duì)工作面底板水的三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將井下信息及時(shí)準(zhǔn)確的反饋給地面監(jiān)管單位，從而減少和避免煤礦回采過(guò)程中水害的發(fā)生。