超高密度电法在煤矿底板水动态监测中的应用

张 钊，翟培合，刘宇翔，张同德，任科科

（山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590）

1 跨孔超高密度电法成像原理

1）超高密度电法数据采集原理。超高密度电法[10]是近年来一种较新的地球物理探测技术，其勘探原理与其他传统电法相同，均以岩土体导电性差异为基础，研究在施加电场的作用下，地中传导电流的分布规律。但其电极排列上选用一种突破原有程式化单装置束缚的基于“泛装置”的阵列勘探方法。以2条电缆为例，实际列为1组，共有的64个电极互相链接，依据奇-偶间隔配对原则（1-2，1-4，…，1-64；3-2，3-4，…，3-64；63-2，…，63-64），前后各为32组信号数据对，经由人工电源供电，采集MN的中间数据值，获取反馈的电位信号，形成61条电位通道，共可得到62 464个数值点，采集数据比常规高密度电法多出几十倍。超高密度电法系统跑极示意图如图1。

图1 超高密度电法系统跑极示意图Fig.1 Schematic diagram of ultra-high density electrical system

2）跨孔电阻率成像[11-12]技术。指的是通过高密度发射系统和接收系统对地下电场的透视以进行地质岩土体的立体可视化分析；基于超高密度电法进行的跨孔电阻率反演与跨孔层析成像法原理类似；在孔中分别放入2根电缆，布设井下电极阵，进而观测跨孔间电流、电压数据，经过仪器配套的反演软件，获得井-井之间的电阻率分布断面图，进而结合已有的地质钻探信息，分析深部地电场异常问题。

2 工程背景

2.1 工作面地质概况

白庄煤矿位于山东省肥城市，其8103工作面横长为100 m，推采长度为250～327 m，平均推采长度为290 m，回采标高-424.1～-438.0 m；煤岩层整体呈背斜构造，背斜轴南翼煤岩层走向为72°～89°，倾向为162°～179°；背斜轴北翼煤岩层走向为44°～76°，倾向为314°～346°；工作面回采范围内煤岩层倾角为1°～8°，平均为4°。煤层顶板四灰凹凸不平，局部裂隙发育，局部存在“二合顶”，对顶板管理有一定影响。回采范围内揭露3条断层，落差为0.6～1.4 m，存在不明隐伏地质构造。

2.2 工作面水害分析

1）老空水。上覆30.7～33.4 m为7煤层采空区，具备自然泄水条件，且其他工作面回采进度已结束，无威胁。

2）四灰含水层。顶板8煤层，厚3.8～6.6 m，平均4.7 m，岩层地质性不纯，含泥质，相邻工作面已大面积揭露，四灰水基本疏干。

3）五灰含水层。上距8煤层底板28.1～43.3 m，平均34.8 m,五灰含水层厚1.6～9.5 m，平均厚5.6 m，工作面区域钻孔单孔涌水量0～10 m3/h，平均涌水量0.9 m3/h，回采区域内五灰含水层岩溶发育不均一、富水性相对较弱。五灰含水层最大突水系数为0.096 MPa/m。

式中：T为突水系数，MPa/m；p为隔水层底板承受的水压，MPa；M为隔水层厚度，m；ρ为水的密度，kg/m3；h为含水层水位高度。

4）奥灰含水层。厚800 m左右，与五灰层间距为2.1～8.7 m，平均间距5.4 m；单孔涌水量0.5～100 m3/h，平均涌水量12.4 m3/h。奥灰含水层最大突水系数为0.139 MPa/m.

由于思想认识不到位、制度坚持不好、组织活动方式缺乏创新、带头人队伍素质能力不足、组织覆盖不全面等原因，出现了基层党组织弱化、虚化和边缘化问题。

由于8103工作面严格留足了FN6断层防水煤柱，故其不受断层水害威胁，综合分析可知工作面主要受底板奥灰承压水威胁。故需对工作面的底板水情进行动态监测以保障煤矿的安全开采。

3 工程应用

3.1 钻孔与电缆的布置

设计时为保证井下钻孔的充分利用与施工的便捷，在注浆改造工作面底板的钻孔基础上，设计了单巷、跨斜孔的观测装置，钻孔设置立体图如图2。图2中展示了8103工作面巷道内，设计的钻孔分布位置，用1、2、3、4的数字形式记号，同时也在对应的钻孔插头位置，做出标记。钻孔呈现立体状，以4号孔为测量基准钻孔，其到3号孔之间的距离定为90 m，到2号孔的距离是195 m，到1号孔的距离为300 m。钻孔结构采用套管的双级层推模式，一级套管在前，约在9煤位置上下浮动，二级套管居于后，位于11煤下部，二极套管延伸长于一级套管；同时现场需要配备打压合格的孔口控水和防喷反压装置，防止水压过大顶出钻杆伤人。

图2 钻孔设置立体图Fig.2 Stereogram of borehole setting

将长度160 m的电缆接头置入钻孔中，每5 m间隔1个电极接头，在电极接头处焊接金属片，增大与岩层的接触面积，便于点电源向底板岩体供电；而后将线缆引出，进行封孔设计，于钢管端头处，焊接1条细钢管，电缆从中顺出，将封孔装置固定在孔口，再用高压注浆封堵，固定电缆；最后在电缆顺出处铺设一定的斜坡，用水泥注浆，同时下挖深度为0.4 m的细沟，将电缆埋设其中，上附遮盖石体。

3.2 数据采集

本次井下数据采集于固定巷道外，使用的仪器是FLASHRES64电测仪，采集装置为仪器默认装置即全四极[13-14]装置，装置示意图如图3。按照组合方式选择线缆插口进行接入，检查电极，排除异常电极，设置适用参数，进行数据采集。数据采集按照两孔对应原则，理论将获得6（3×2×1）组链接数值集合；然而实际施工过程中，2号钻孔的电缆接头出现流水现象，为保证施工安全，实际操作过程中排除2号钻孔之外的组合。

图3 装置示意图Fig.3 Device diagram

3.3 数据处理

获取的电位数据需先进行预处理，通过观察程序界面显示的电流对分布情况，对出现其中的异常电流值，进行细节性剔除。同时，设置装置采集数据的质量阈值，人为去除质量较差的变异数值点，循环检查，直至再无变异点，将数据导出进行反演处理。

反演使用的是广义最小二乘正则化反演[15-16]方法，其在反演过程中同时施加光滑约束与背景约束的双重约束条件，改变回归模型使变换后的模型随机误差项消除自相关，进而通过普通最小二乘法求解新模型的参数。反演流程示意图如图4。

图4 反演流程示意图Fig.4 Flow chart of inversion

3.4 成果分析解释

8103工作面在施工推进过程中，结合矿山压力变化情况，间隔7～21 d的固定时期，进行5次数据采集工作，这里选中其中有代表性的3次监测作为案例进行分析，分别为回采前、回采中、及回采完毕后的3次孔间超高密度电法探测。依次将钻孔1、3、4所获取的数据两两组合进行跨孔反演处理，利用Surfer软件成图，结合超高密度孔间透视技术，分析矿井底板水体的运移规律，实现对煤矿回采中底板水[17]的动态监测。

3.4.1 4-3钻孔孔间CT成像

4-3孔跨孔动态反演图如图5。

图5 4-3孔跨孔动态反演图Fig.5 4-3 cross hole dynamic inversion

从图5可以看出，有3个低阻区域分布在钻孔深度范围内，同时4号孔中部、3号孔深处出现高阻区域与低阻区域相邻。结合钻孔资料可知4号钻孔的高阻区域正处于五灰含水层区域，由于经注浆处理后五灰地层分布裂隙被封堵，故五灰地层呈现高阻。同时由于钻孔工作面切眼的贯通，致使切眼巷道周围底板应力重新分布应力增大，底板岩层受压力影响增大影响压缩岩层水，水向应力减少方向运移，使图中3号钻孔横向坐标0～10 m处呈现低阻状态。

由图5（b）可知，前方20 m范围内，由于受到矿山压力的影响，岩层受力挤压，使其中富存的水体分流岩层呈现高阻状态。由于矿山压力曲线向前、向下传播，电阻率曲线变化趋势与矿山压力分布趋势相似。同时，在开采位置后方采空区内，由于后方冒落区内的岩石导电性差，呈现高阻区；在膨胀区内岩石没有压实，岩石的导电性亦是不好，呈现部分高阻区；随着采空区应力逐步恢复，岩石逐步被压实，其导电性逐步加强，呈现部分低阻区。

图5（c）为工作面向前推进230 m（即完成施工，进入采空区内）时的状态。可知伴随施工开采位置的不断推进，工作面后方采空区的增压部分也在向前推移，随着这种状态的持续改变，围岩电阻率逐渐恢复。然而，在压实区内由于应力恢复原岩应力，裂隙张开，其它地方的水体随着裂隙进入采空区，随着时间的推移，采空区内水体的不断增多，内部的电阻率不断降低，成为低阻区。

3.4.2 3-1钻孔孔间CT成像

3-1跨孔电阻率动态反演图如图6。其对应上述图5的3次监测状态，将二者结合作为对整个工作面底板水情监测的补充和验证。从图6（a）中可知3号孔深部奥灰地层呈现高阻区与图5（a）中3号孔深部奥灰地层呈高阻区的现象一致，表明经注浆处理后奥灰地层不富水。从图6（b）中可知，随着工作面向前推进，3号孔和1号孔附近存在的岩层相当于工作面留设的煤柱，煤柱岩层承受压力逐渐增大，受到塑性破坏，使岩层裂隙发育。当裂隙中含有空气时，呈现高阻区域；伴随前方采空区增大，煤柱的支撑应力逐渐减小，其它地方的水体流入裂隙，岩石电阻率降低，呈现不同的变化状态。对比可知，图5（c）中原有的高阻区到图6（c）中转变为低阻区，其原因是随着工作面不断的向前推进，煤柱的支撑应力变小，岩层逐渐恢复为原岩应力；经时间的发展，原来岩层中产生的裂隙，其中的空气逐渐被水代替，导电能力增强，呈现低阻区。

图6 3-1跨孔电阻率动态反演图Fig.6 3-1 cross hole dynamic inversion

4 结语

1）运用超高密度电法结合跨孔电阻率CT成像技术，最大化地增大数据的采集量；同时选用广义最小二乘反演优化提高其计算效率与抗干扰能力，提高监测的准确性。通过对4-3孔与3-1孔间的跨孔动态反演图的分析比较，结合矿压变化，得到煤层含水体间的电阻率与应力关系，以矿井水的运移导向为基点，证明了超高密度电法动态监测技术在煤矿回采过程中的底板水的变化情况有良好的应用效果。

2）超高密度电法动态监测技术依托空间电阻率CT法的实际应用，虽取得了良好的监测效果，但其仍未脱离“面”的范畴，不能留下空间立体的直观印象；同时，由于技术的局限性，使其监测中的数据在时间上是断开的、不连续的；未来应将该项技术与三维高密度电法中的“数面发散”立体成像、智能视频识别等技术相结合，实现矿企对工作面底板水的三维实时动态监测，将井下信息及时准确的反馈给地面监管单位，从而减少和避免煤矿回采过程中水害的发生。