矿井电阻率法监测系统在采煤工作面水害防治中的应用

鲁晶津，王冰纯，李德山，段建华

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

实现煤炭工业绿色、安全、可持续发展，煤矿自动化、信息化、智能化是必经之路。目前，我国煤炭开发依旧面临着水文地质条件复杂的环境，随着开采深度逐渐加大，顶底板以及采空区突水等水害威胁日趋严重，但水害隐患地质透明化手段却较为欠缺，大大制约了煤矿智能化、无人化开采技术的长远发展。经过数十年的发展，我国大多数煤矿逐步迈入智能化开采的新阶段[1]，要进一步实现无人化开采，迫切需要水害隐患地质透明化为其保驾护航。

煤矿突水事故多数是由于采掘过程中打通隐伏含、导水构造或采掘扰动破坏隔水层所导致的，仅仅进行采掘前的静态水害隐患探查和治理工作是不够的，还需要对采掘过程中顶底板采动破坏过程及导水通道发育过程进行动态监测[2]，才能实现真正意义上的水害隐患地质透明化。矿井电阻率法作为煤矿井下地质安全保障技术的一种重要手段，在煤层顶、底板破坏及水害监测中的应用已有十余年的历史[3-4]，科研工作者在方法原理[5-8]、监测装备[9-10]、数据处理解释[11-12]以及工程应用[13-16]等方面开展了大量研究，并在煤矿井下的应用中取得了一定的地质效果。然而，采用矿井电阻率法进行采煤工作面顶、底板水害监测时，采煤机、皮带运输机等大型机电设备的运转必然会对信号采集产生较强的电磁干扰。同时，在采掘扰动下形成的突水通道其规模相对较小，由其引起的异常信号变化相对较弱。因此，矿井电阻率法监测对数据采集系统在强噪声背景下微弱有效信号的检测能力提出了较高的要求，也对数据处理解释方法提出了挑战。

中煤科工集团西安研究院有限公司研制的矿井电阻率法监测系统[10]，采用伪随机信号发射、全波形数据采集，在满足防爆要求的前提下提高了设备的抗干扰能力，该系统在上湾煤矿的顶板电阻率监测试验中透视距离达到340 m[17]。对监测数据进行处理解释时，采用电极接地条件一致性校正、监测数据归一化处理等手段压制电磁噪声干扰和采掘扰动影响导致的假异常，采用时移电阻率成像实现水害隐患电阻率异常响应的识别和提取，为采煤工作面水害隐患地质透明化提供了技术支撑。本文结合矿井电阻率法监测系统近年来的井下现场试验，分别介绍其在顶、底板水害监测中的应用案例，综合评价该系统在采煤工作面水害防治中的应用效果。

1 矿井电阻率法监测系统简介

矿井电阻率法监测系统拓扑图如图1 所示，系统主要由监测装备、通信设备和配套软件组成，其中监测设备由监测主机、隔爆兼本安电源、监测线缆和监测电极组成，通信设备由地面光端机、井下交换机及配套电源组成，配套软件主要有远程系统控制和数据管理平台以及数据处理和动态成像软件等。

图1 矿井电阻率法监测系统拓扑图[2]Fig.1 Topological graph of the mine-used electrical resistivity monitoring system[2]

监测主机采用模块化设计，集成伪随机信号发射模块、全波形数据采集模块、智能电极控制模块、光纤通信模块及微型工业控制计算机等[18]。伪随机信号发射模块根据参数设置可以分别生成2n伪随机单频波、3 频波、5 频波以及7 频波序列，并将伪随机信号通过发射电路升压至额定电压后供入地下。全波形数据采集模块采用24 位AD 进行数据采集，同时使用工频陷波器来抑制50 Hz 工频干扰对采集信号的影响，并且使用放大增益来适应不同大小的采集信号，为提高数据采集精度、保证数据反演解释效果提供保障。电阻率法监测系统是一套固定式在线监测系统，监测主机采用收发一体化的设计，通过控制命令可以将监测主机设置为发射机或接收机中的一种模式。智能电极控制模块根据监测主机的收发模式对电极功能进行转换，当监测主机为发射机模式时，通过控制命令将监测电极设置为发射电极，电极与发射电路连通，发射2n伪随机信号并采集发射电流；当监测主机为接收机模式时，通过控制命令将监测电极设置为接收电极，电极与AD 采集模块连通，进行电位或电位差信号采集。智能电极控制模块最多可控制60 个电极的智能转换，使其分别可以作为发射A、发射B、接收M、接收N等。监测系统可根据具体要求的不同，灵活选用单极-单极、单极-偶极以及偶极-偶极等不同的数据采集方式。通过智能电极控制模块使监测系统真正意义上实现了高效海量数据的实时采集。

监测主机由专门的隔爆兼本安电源供电，为了保证监测装备在井下可以长期自动连续采集数据，采用低纹波噪声线性直流稳压电源为监测主机各个模块提供多路独立供电，避免电源纹波噪声对信号采集形成干扰，保证系统对微弱信号的采集能力。实际测试表明，采用线性稳压电源为监测装备供电，电源质量的提高明显提升了系统对小信号的分辨能力[18]。电阻率法监测系统采用矿用光网交换机进行网络通信，监测主机内置光纤通信模块，通过矿用光网交换机和井下工业环网实现井下与地面的通信交互，实现了井上远程监控、井下无人值守的监测模式。采用光纤网络通信控制方案有效提升了井地间数据传输的可靠性，提高了系统的电气安全性能[18]。

监测系统的远程系统控制和数据管理平台主要由上位机控制软件、监测主机智能电极控制程序、监测主机数据采集控制程序、信号处理程序以及监测数据库等组成。上位机控制软件实现井下通信及监测设备与地面服务器之间的交互工作，同时可以实现对数据库的管理；监测主机智能电极控制程序控制发射、接收电极的自动切换；监测主机数据采集控制程序控制全波形数据的连续采集和传输；信号处理程序利用伪随机信号相关辨识技术从采集的全波形数据中提取不同频率的电压信号，实时绘制电压变化曲线；监测数据库实时存储和管理监测数据以及处理结果。监测系统配套的数据处理和动态成像软件，通过自动访问数据库获取监测数据，对监测数据进行三维电阻率反演，同时对反演结果进行电阻率三维立体成像显示和异常体动态变化结果可视化显示，数据处理和成像过程不需要人工干预。

2 电阻率法监测数据处理解释方法

2.1 电极接地条件一致性校正

在进行矿井电阻率法监测数据采集的过程中，监测电极的接地条件在采掘扰动影响下可能会随时间推移发生变化，导致先后采集的监测数据出现不一致性，容易在数据中引入假异常。在对数据资料进行分析处理时，一般将接收数据绘制成曲线图，如图2a 所示，每一个发射电极都对应一条接收电压曲线，即共发射点电压曲线。电压值可以进一步换算为视电阻率值，可以得到如图2b 所示的视电阻率曲线。数值模拟的结果表明，当某一接收电极接地条件发生变化时，每一条共发射点电压曲线都会在变化位置附近出现尖锐的锯齿状异常，如图2a 所示，每条曲线都在两条虚线之间的区域出现了锯齿状异常，对于视电阻率曲线（图2b）而言锯齿状异常更加显著；当某一发射电极接地条件发生变化时，则表现为该发射电极对应的共发射点曲线发生整体的偏移，如图2a 和图2b 中的红色曲线所示。针对共发射点曲线的锯齿状异常，可以对曲线进行平滑处理，实现接收电极接地条件的一致性校正。对于发生整体偏移的共发射点曲线，一般的数据处理方法难以解决该问题。通过对数据进行进一步分析发现，对完成了接收电极接地条件一致性校正的数据根据接收点不同重新进行分组，不同发射点、同一接收点对应的数据归为一组，绘制数据曲线，得到共接收点曲线。此时，每一个接收点对应一条共接收点曲线，若存在发射电极接地条件变化，则每一条共接收点曲线在该发射点附近均会出现锯齿状异常。对该锯齿状异常再次进行曲线平滑处理，即可实现发射电极接地条件的一致性校正。图2c 和图2d 分别为对图2a 和图2b 的模拟监测数据进行一致性校正后的结果，结果显示，针对采掘扰动影响导致电极接地条件不一致的问题，采用上述方法，可以分别消除由接收电极接地条件变化导致的共发射点曲线锯齿状异常和由发射电极接地条件变化导致的共发射点曲线整体偏移。

图2 共发射点曲线一致性校正结果Fig.2 Consistency correction results of common transmission point curves

2.2 监测数据归一化处理

矿井电阻率法监测等价于对煤矿井下同一片目标区域连续不断地重复进行电法勘探。矿井电阻率法勘探采集的数据一般是电位或电位差，要从中解译出有用的地质信息，需要消除电磁噪声、巷道积水、浮煤、金属体等干扰因素的影响。监测过程中，这一类干扰的来源一般是固定的，对监测数据造成的影响是系统性的，不会随着监测过程的持续而消失，属于系统误差。对监测数据进行归一化，可以消除系统误差的影响。此外，含煤地层在垂向上存在较强的电性不均匀性，其电阻率响应往往会掩盖水害发育过程导致的微弱电阻率变化，不利于水害隐患异常响应的识别和提取。对监测数据进行归一化，还可以消除含煤地层的影响，有效突出强电性不均匀背景下的微弱电阻率变化。对监测数据进行归一化时，一般选择任意均匀介质作为背景模型，计算该均匀介质的模拟监测数据dc，然后计算任一时段监测数据与初始监测数据的比值，将该比值乘以dc，得到一组新的数据dnew，如下式所示：

对新构造的数据dnew进行反演，即可以获得电阻率相对均匀介质dc的变化情况。

2.3 时移电阻率成像方法

时移电阻率成像方法一般有独立反演、比值反演、差值反演和交叉模型约束反演等。选择合适的时移电阻率成像方法，可以消除监测数据采集过程中的系统误差、压制各种干扰因素带来的假异常，并可以有效突出强电性不均匀背景下的微弱电阻率变化[4]。

独立反演采用常规的电阻率反演方法，对不同时段的监测数据分别进行相互独立的反演计算。独立反演的模型更新公式[19]如下：

式中：dobs为实测数据，具体为观测的电压除以输入电流；d(m)是对给定的电导率模型进行正演计算所得的数据；m是用于反演迭代的模型，模型参数为lnσ，σ为模型电导率；mref是参考模型；δm为模型修正量；J=∂d/∂m为雅可比矩阵；Wd是数据权重矩阵；Wm是模型正则化矩阵；β是正则化参数，用于平衡最小化过程中数据误差和模型正则化的影响。

当用dnew替换式（2）中的dobs时，根据式（2）进行反演拟合的过程也被称为比值反演[20]。比值反演也可以通过计算与前一时段的监测数据的比值，再用该比值乘以dc，得到一组新的数据drat，如下所示：

利用drat进行反演可以突出当前时段电阻率相对上一时段电阻率的变化情况。

差值反演[21]对某一时段的监测数据与初始监测数据的差值进行反演，其模型更新公式如下：

式中：ΔD=(d(m)-d(m0))-是初始监测数据，m0是初始监测数据反演所得模型，d(m0)是初始监测数据反演所得模型对应的正演模拟数据。

交叉模型约束反演[22]在独立反演的基础上引入参考模型mref，利用mref对反演模型进行正则化约束。为了突出模型随时间的变化情况，参考模型mref可以设置为上一时段监测数据的反演模型。交叉模型约束反演的模型更新公式如下：

其中，=μGx+γGy+ηGz，V=λI。

式中：G为梯度算子，Gx、Gy、Gz分别为x、y、z方向的梯度算子；μ、γ、η分别为x、y、z方向梯度的权重；I为单位矩阵；λ为模型矩阵对角元素的权重。

3 底板电阻率监测试验

对采动后煤层底板破坏规律的深入研究和现场实测结果表明，采动后煤层底板存在“下三带”：破坏带、隔水层带和承压水导升带[23]。底板破坏带在支撑压力的作用下，沿煤层工作面推进方向又可分为4 个区：超前应力压缩区、过渡区、卸压膨胀区和重新压实区[5]。对于富水性差的工作面而言，在超前应力压缩区内，底板原生裂隙在超前应力作用下发生闭合，围岩导电性增强、电阻率下降；在卸压膨胀区内，底板岩层发生破裂，围岩导电性减弱、电阻率升高；在重新压实区，由于卸压膨胀发生破裂的岩石被重新压实，岩石裂隙减小，围岩导电性再度增强、电阻率下降；过渡区围岩导电性介于压缩区和膨胀区之间。当采动破坏裂隙与富水区导通时，底板电阻率则会迅速下降。基于上述原理，采用矿井电阻率法监测系统，先后在葛泉煤矿开展采煤工作面底板电阻率监测。

冀中能源股份有限公司葛泉矿东井11916 工作面埋深300 m 左右，采宽70 m，煤层倾角约为24°，平均煤厚5 m，该工作面属于带压开采，存在底板承压水害威胁，并且其相邻工作面揭露一大型陷落柱，该陷落柱虽经注浆改造，但探查孔中仍有少量出水。为了确保工作面安全回采，针对11916 工作面开展了长达5 个月的底板电阻率监测[16]，监测范围100 m×600 m，监测电极间距10 m，共布置监测点120 个。监测电极和监测线缆分别布置于工作面两侧巷道底板，为了避免监测线缆进入采空区后被破坏，采用耐压胶管对监测线缆加以保护。监测系统采用单极-偶极观测装置进行电透视法监测数据采集。为了提高数据采集时效，采用分段滚动监测模式，单次覆盖监测范围100 m×200 m，监测范围随工作面推进逐渐向前移动，每组数据采集时长约90 min。

从监测结果来看，11916 工作面底板电阻率整体呈高阻（>200 Ω·m），且随时间推移无明显变化，仅在2019 年9 月9 日—14 日出现过1 次低阻异常，如图3所示。从图3 可以看出，9 月9 日工作面开始出现低阻异常，该低阻异常位于底板下方40 m 以浅，随时间推移呈现先增强后减弱的趋势；低阻异常区位置基本不变，没有表现出向推采方向移动的趋势。

图3 葛泉矿11916 工作面出水事件前后电阻率变化Fig.3 Resistivity variations before and after the water outflow in working face 11916 of Gequan Coal Mine

图4 为9 月10 日低阻异常达到最大时的监测结果，图中展示了底板下方20 m 深度的水平切片，电阻率切片与工作面示意图叠加在一起，并标注了工作面实时回采进度和陷落柱位置，回采线右侧为采空区。从图4 可以看出，低阻异常主体位于回采线前方超前应力压缩区，低阻异常的发育形态与工作面外侧陷落柱的延展方向基本一致。

图4 陷落柱位置与低阻异常位置[16]Fig.4 Digram of the collapse column position and low resistivity anomaly position[16]

综合上述电阻率异常变化和分布规律，可以推测该低阻异常与采掘活动无关，可能为陷落柱残留积水在采掘扰动下导入回采工作面所致。据矿井水文观测台账显示，9 月10 日—12 日工作面涌水量有所增加，与煤层底板电阻率发生显著变化的时间段基本吻合，电阻率法监测结果较好地捕捉到了该次出水过程的前兆信息。

4 顶板电阻率监测试验

对于煤层覆岩变形破坏而言，按照岩层破断程度不同，在垂直方向上可分为3 带：垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。垮落带和裂隙带具有良好的导水性，这“两带”如果发育至顶板含水层，就可能发生顶板突水。覆岩变形破坏电阻率响应的物理模拟和实测结果显示，垮落带电阻率值为正常围岩值的4～6 倍，裂隙带电阻率值为正常围岩值的2～3 倍，弯曲变形带电性特征受采动影响不明显[24]。因此，可以通过监测顶板高阻异常的发育情况，实现对工作面顶板“两带”发育高度的动态监测。基于上述原理，采用矿井电阻率法监测系统，在上湾煤矿开展采煤工作面顶板电阻率监测。

神东上湾煤矿12401 综采面煤层平均厚度9.26 m，工作面设计采高8.8 m，倾向长度299 m，推进长度5 286 m，属超大采高工作面。工作面回采速度10 m/d。该工作面对应地表有石灰沟，沟内上覆层厚度为120～170 m，工作面回采后导水裂隙带有可能导通基岩含水层及松散含水层，导致含水层水涌入工作面，对工作面的安全生产造成威胁。为确保该工作面安全回采，需在回采过程中对工作面顶板“两带”发育高度进行动态监测。该工作面巷道高度将近5 m，在巷道顶板布设电极施工难度大，为了降低施工难度，采用锚杆作监测电极使用[17]。根据12401 工作面的水文地质情况，重点对地表石灰沟覆盖范围内的工作面顶板进行监测，监测长度1 500 m。在工作面辅运巷和回风巷中每隔40 m 布置一个电极，共布设电极80 个。采用分段滚动监测模式，单次监测固定的推进长度，随着工作面不断推进，监测电极逐渐向推进方向移动。监测过程中，监测系统通过地面软件控制电极切换来实现监测区域的移动，不需要在井下进行人工干预。为了提高信噪比，监测系统采用单极-单极观测装置进行电透视法监测数据采集。监测系统完成部署后，从2018 年8 月开始正式监测，直至工作面推过整个监测区域为止，进行了长达5 个月的持续监测。

整个监测过程中，电阻率变化较缓慢，为了突出电阻率变化情况，对电阻率变化量进行分析。用当前的监测结果减去前一天的监测结果计算电阻率变化量。电阻率变化量为正，表明当前电阻率相对前一天而言有所升高，属于高阻异常；电阻率变化量为负，表明当前电阻率相对前一天而言有所降低，属于低阻异常。图5 展示了9 月的部分电阻率变化量分析结果，提取了顶板上方z=30 m 的电阻率变化量顺层切片，顺层切片与工作面示意图叠加在一起，图中标注了工作面实时回采进度，推进位置右侧为采空区。不同时段的监测结果均显示，采空区内呈弱高阻，采空区外有低阻异常发育，并且异常范围随时间推移向工作面推进方向移动，电阻率异常变化规律与工作面采动影响规律基本吻合。整个9 月工作面安全回采，工作面涌水量没有异常增加的现象，因此，可以认为9 月监测到的电阻率变化量是由工作面采动影响引起的，属于正常的电阻率变化。

图5 上湾煤矿12401 工作面9 月监测结果Fig.5 Monitoring results of working face 12401 in Shangwan Coal Mine in September

图6 是12 月的部分电阻率变化量分析结果，12 月11 日采空区前方有低阻异常发育，采空区内呈弱高阻异常，与9 月相比电阻率变化量在正常范围内；12 月12 日采空区内出现大规模高阻异常，采空区前方有强低阻异常发育，与9 月相比电阻率变化量明显超出正常变化范围。

图6 上湾煤矿12401 工作面12 月监测结果Fig.6 Monitoring results of working face 12401 in Shangwan Coal Mine in December

图7 是该监测区段内水文观测孔R122 孔的水位曲线，从图中可以看出12 月12 日前后R122 孔水位有明显降低的趋势。矿井水文观测台账显示，12 月19 日工作面涌水量有所增加。

图7 R122 孔12 月水位曲线Fig.7 Water level curve of borehole R122

综合分析可见，12 月12 日采空区内的大规模高阻异常可能是由顶板大量裂隙发育并相互贯通造成的，该异常变化规律可以作为顶板即将出水的前兆信息。

5 结 论

a.矿井电阻率法监测系统针对工作面回采过程中的水害问题，采用伪随机信号发射、全波形数据采集提高设备的抗干扰能力，采用电极接地条件一致性校正、监测数据归一化处理等手段压制假异常，采用时移电阻率成像实现水害隐患电阻率异常响应的识别和提取，通过监测工作面回采过程中顶、底板电阻率变化对水害风险进行判识，井下试验结果显示，电阻率法监测可以有效捕捉顶、底板出水过程的前兆信息。b.矿井电阻率法监测系统实现了采动工作面水害隐患的地质透明化，顺应智能化、无人化工作面的发展趋势，在工作面水害防治领域有着广阔的应用前景，但在实际应用过程中，该系统依旧面临着强电磁干扰以及采空区监测线缆难以保护等问题，并且采掘扰动对煤岩电阻率的影响机理研究不足，导致对电阻率异常进行分析解释时存在较大争议，还需要进一步开展相关研究工作。