高效三维立体探水系统

温亨聪，刘宝宝，杨海涛

（焦作煤业（集团）有限责任公司 科学技术研究所，河南 焦作454002）

我国部分矿区水文地质条件复杂，主采煤层下部含水层水压高、水量大、补给丰富、导水通道发育，为国内受水害威胁严重的大水矿区[1]。随着矿井采区逐步向深部延伸，主采煤层面临着底板出水、导水通道活化等水害的严重威胁[2]。为解决日益严峻的水害安全问题，矿井急需探明工作面底板岩层的赋水性分布情况，划分底板岩层的相对贫、富水区域，评估水患威胁性。

目前国内外对矿井工作面底板岩层赋水性探查的主要方法有直流电法、电剖面法、音频电穿透法、瞬变电磁法等矿井电磁技术[3]。其中，直流电法和瞬变电磁法凭借着各自对含水体反映灵敏等特点，成为目前井下赋水性探测最常用的方法[4]。同时，随着矿井生产不断规模化、大型化，采区自动化、机械化水平不断提高，工作面的布设、采掘、灾害治理等多项生产环节逐步朝着连续化、集中化等高效模式转变，矿井对水害治理环节中赋水性探查工作形成了“高效、全区域、三维立体”的探测要求。在此形势下，传统的直流电法和瞬变电磁法将变得无法适用：直流电法底板探测只能探查巷道附近区域岩层的赋水性，对工作面中心附近区域无法勘探，存在探测“盲区”且其施工复杂、劳动强度大、物探效率低；瞬变电磁法抗金属干扰能力差，在目前巷道多采用金属支护且有众多铁器设备的环境下，金属干扰严重，探测效果差或无效果[5]。

为此根据国内外矿井采区底板岩层赋水性探测技术和设备的发展情况，结合大水矿区复杂的采掘条件，提出了一种高效、立体的探水系统。该系统以电透视法和高密度电法等矿井电法为主体，在最大程度上避免或减弱巷道金属干扰影响的同时，集合了电透视法对煤层顶底板岩性变化反映灵敏及高密度电法高效施工、多通道采集等优点，采用轴向单极-偶极法为底层装置、三维供电组合为供电装置、多通道采集工艺为测量装置、装置集成为优化，大幅度提高井下物探的工作效率，精准探查工作面附近岩层任一位置、任一深度的赋水性分布情况，划分底板岩层的贫、富水区域，评价工作面的安全性，实现工作面底板赋水性的全区域、无盲区、三维立体探测，保障煤矿的安全生产。

1 方法原理

1.1 电透视法

矿井直流电透视法的原理与矿井无线电坑透法类似，它把供电电极A（有时用偶极AB）和测量电极MN分别布置在采煤工作面两相邻巷道中，采用直流供电，通过测量MN间的电位差△UMN，研究两巷道间工作面内及围岩中的电场分布规律，用于探测工作面内部及其顶底板岩层内的含水、导水构造异常[6]。其较常用的装置形式主要为轴向单极-偶极法、赤道单极-偶极法、轴向偶极-偶极法、赤道偶极-偶极法等。

1.2 高密度电法

高密度电法即是高密度电阻率法，以岩、土导电性的差异为基础，研究人工施加稳定电流场的作用下地下传导电流分布规律，是一种集测深和剖面法于一体的多装置、多极距的组合方法，具有一次布极即可进行的装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息，信息多且观察精度高、速度快、探测深度灵活等特点[7]。

2 系统组成

系统选用电透视法和高密度电法为基础，采用矿井电法为主体，在最大程度上避免或减弱巷道金属干扰影响的同时，集合电透视法对煤层顶底板岩性变化反映灵敏及高密度电法高效施工、多通道采集等优点，通过物探方法协同创新，以轴向单极-偶极法为系统底层装置，以三维供电组合为供电装置，以高效多通道采集工艺为测量装置，使得工作面顶底岩层实现三维立体、高效的赋水性探测。

2.1 底层装置

系统底层装置采用电透视法装置中理论及实践应用最为成熟的“轴向单极-偶极法”，底层装置及电位差曲线如图1。A、B为供电电极（B为无穷远电极），M、N为测量电极。其正演理论电位差曲线为上拱形，中间极大值两边对称，随着极距r→∞，△UMN→0。该方法电极排列形式的电位差响应△UMN特征较为明显，特别是在供电点对应方向幅值较大，对煤层顶底板岩性变化反映灵敏，适于探测煤层顶、底板内岩性的变化情况[8]。

图1 底层装置及电位差曲线Fig.1 Bottom device and potential difference curve

2.2 供电装置

系统供电装置采用三维供电组合方式。其以传统的轴向单极-偶极法装置为基础，在原有的供电电极A位置下方布设竖向电极孔，形成三维供电组合（A、A′、A″、…），使得供电电极A能够布置在底板下方不同深度的岩层中进行供电，实施不同深度的底板电透视勘探，实现工作面底板岩层赋水性的三维立体探测，三维供电组合如图2。

图2三维供电组合Fig.2 Three dimensional power supply combination

2.3 测量装置

传统的“轴向单极-偶极法”电透视勘探工作方法与矿井无线电透视类同，测量施工在工作面上、下巷道间进行，一般每10 m 1个测量点（MN），每50 m 1个供电点（A），电透视法施工布置图如图3。具体测量时，对每个供电点供电，对应在另一巷道的扇形对称区域内布置10～20个观测点依次进行单通道测量，当本巷道内所有供电点测量完毕后，测量与供电在两巷道对调，重复观测所有供电点。如A1供电点测量时，形成“A1供电→M1N1测电位差→A1断电”、“A1供电→M2N2测电位差→A1断电”……“A1供电→M11N11测电位差→A1断电”的单通道测量模式，存在着施工复杂、测量时间长、通讯困难、劳动强度大、物探效率低等问题[9]。

图3 电透视法施工布置图Fig.3 Construction layout of the electric perspective method

系统测量装置采用多通道测量原理，利用高密度电法一次布极、电路转换、多通道数据采集等技术，实现数据的快速智能化采集，极大提高物探工作效率。以高密度电法中温纳三极装置为例，多通道测量示意图如图4。采用多通道技术进行数据采集，只需A一次供电，就可以同时测得n个电极间的电位 差 数 据（U1，2，U2，3，U3，4，…，U1，3，U2，4，U3，5，…，U1，4，U2，5，U3，6，…），仅需用单通道数据采集时间的1/n，大大节省了工作时间，提高了物探效率[10]。

图4 多通道测量示意图Fig.4 Schematic diagram of multi-channel measurement

系统高效多通道采集工艺以高密度电法中温纳三极装置为基础，结合“轴向单极-偶极法”电透视测量原理，对温纳三极装置测点布置进行改进，形成了高效、多通道、多装置集成的测量装置。基于传统的“直线型”多通道测点分布方式，系统创新性更改为“方波型”多通道测点布置：即用1条多芯电缆连接“轴向单极-偶极法”中所有呈方波形状排列的测量电极（M1—N1—N2—M2—M3—N3，…，Mi—Ni，…），形成系统独有的“方波型”的多测道测点分布方式，方波型测点连接图如图5。

图5 方波型测点连接图Fig.5 Square wave type detection point connection

具体测量时，在上巷每个供电点A供电后，对应在下巷扇形区域内观测点用多芯电缆“方波型”连接，再通过程控式多路电极转换开关，根据需要进行电极装置形式、极距及测点的转换，高效快捷地测得不同测量电极间的海量原始数据（U1，2，U2，3，U3，4，…，U1，4，U3，6，…，U2，3，U4，5，…）。

同时，系统测量装置具有“多装置集成”的特点。其能够于海量原始数据中提取出“轴向单极-偶极法”及“赤道单极-偶极法”等多种电透视装置的测量数据。如多通道测点采集N＝1、N＝3时（参考图4），对每个供电点A，提取出的电极测量数据“U1，2，U3，4，U5，6，U7，8，…，Uj，j＋1，…”对应轴向单极—偶极法电透视勘探的测量数据“UM1N1，UN2M2，UM3N3，UN4M4，…，UMiNi，…”；提取出的电极测量数据“U2，3，U6，7，U10，11，…，U4，5，U8，9，…”、“U1，4，U5，8，U9，12，…，U3，6，U7，10，…”对应赤道单极-偶极法电透视勘探的测量数据，多通道测量等效图如图6。

3 系统优势

1）三维供电，立体探测。系统供电点呈三维立体分布，在巷道底板原有的供电点位置下方布设竖向电极孔，形成三维供电组合，使得供电电极能够布置在底板下方不同深度的岩层中，进行三维立体供电，形成不同深度的底板电透视勘探，实现工作面底板岩层赋水性的三维立体探测。

图6 多通道测量等效图Fig.6 Multi-channel measurement equivalent diagram

2）多通道测量，提高物探效率。系统特有的“方波型”多通道采集工艺，可实现现场一次布线、多道接收，完成每轮供电后多种电透视装置的所有原始数据采集，大幅度提高井下物探工作效率、减轻劳动强度、节省人力物力。

3）装置集成，优化探测效果。系统测量装置具有“多装置集成”的特点，其能够于海量原始数据中提取出“轴向单极-偶极法”及“赤道单极-偶极法”等多种电透视装置的测量数据。综合应用这些装置多种探测结果，相互补充、对比验证、综合分析，优化了工作面底板赋水性的探测效果。

4 工程实例

4.1 矿井概况

焦作煤业（集团）新乡能源有限公司12012工作面底板含水层水压高、水量大、补给丰富。其底板主要含水层为L8、L2、O2灰岩含水层，均为高承压含水层。工作面回采前，急需探明工作面底板下方的岩层赋水性分布情况，划分岩层的贫、富水区域，分析工作面回采时的水患威胁性，为矿井合理安排防治水计划、工程及预防水害事故的发生提供参考依据。

4.2 施工布置

本次12012工作面底板赋水性三维立体探测施工布置与矿井坑透类似，测量工作在采煤工作面的两巷道进行，每10 m 1个测量点（MN），每50 m 1个供电组合（A、A′、A″、A‴），每个供电组合电极深度间距20 m，三维立体探测施工布置图如图7。具体测量时，对每个供电组每个供电点供电，对应在另一巷道的扇形对称区域内布置的所有观测点进行△UMN多通道测量。当本巷道内所有供电点测量完毕后，测量与供电在两巷道对调，重复观测所有供电点。

图7 三维立体探测施工布置图Fig.7 Construction layout of three-dimensional detection

4.3 勘探结果

三维立体探测成果图如图8。由图8可以看出，主要反映了相对低阻区的立体连通情况，其中红色阴影区为视电阻率值相对较高区域，黄色和绿色阴影区为视电阻率值中等区域，蓝色阴影区为视电阻率值相对较低区域（相对低阻异常区）。视电阻率值越小（蓝颜色越深），表示岩层可能越为断裂破碎、裂隙发育或赋水性相对越强。工作面底板探测范围内存在6个低阻异常区。这些低阻区均位于煤层底板下方L8灰岩附近、顶界面距离二1煤层较近且往深部延伸，分析认为可能系附近岩层一定赋水性引起的反映。

图8 三维立体探测成果图Fig.8 Three-dimensional water exploration results

4.4 验证情况

矿井对12012工作面底板赋水性三维立体探测的6处低阻异常区采取了钻探验证。根据实际钻探资料显示：85%以上的钻孔出水位置位于6处勘探异常区内，且布置在底板L8灰岩含水层附近的钻孔出水量均较大，布置在煤层底板附近的钻孔出水量小或无出水，勘探结果与工作面钻孔出水量分布等已知地质资料相吻合，探测结果准确、效果可靠。

5结语

1）高效三维立体探水系统以三维供电组合为供电装置，使得供电电极能够布置在底板下方不同深度的岩层中进行三维立体供电，形成不同深度的底板电透视勘探，实现工作面底板岩层赋水性的三维立体探测，使矿井电法技术具有更大的推广性和适用性。

2）高效三维立体探水系统以“方波型”多通道采集工艺为测量装置，实现一次布线、多道接收，快速完成每轮供电后多种电透视装置的原始数据采集工作，减轻劳动强度，大幅度提高了井下物探的工作效率、节省人力物力。

3）高效三维立体探水系统采用轴向单极-偶极法为底层装置、三维供电组合为供电装置、高效多通道采集工艺为测量装置、多装置集成优化等多种技术手段，大幅度提高井下物探的工作效率，可精准探查工作面附近岩层任一位置、任一深度的赋水性分布情况，划分底板岩层的贫、富水区域，评估水患威胁性，实现工作面底板赋水性的全区域、无盲区、三维立体探测，保障煤矿的安全生产。