矿井音频电透视供电集成系统研究与应用

温亨聪 ，刘宝宝 ，杨海涛

（河南焦煤能源有限公司科学技术研究所，河南 焦作 454002）

我国多数煤矿水文地质条件复杂，随着煤矿开采规模扩大，开采深度增加，开采时所承受的水压增大，煤矿井下突水事故增加，重特大突水事故频发[1-2]。国内外对矿井水害的探测，经过多年实践与应用，普遍采用矿井电法对工作面进行赋水性探测。其中，矿井音频电透视技术凭借其对煤层顶底板岩性变化反应灵敏的特点，多应用于探测工作面顶、底板岩层内的赋水性变化情况，在矿井水害防治方面取得了良好效果[3]。

但随着煤矿开采不断智能化、机械化，工作面也向着大型化、规模化发展，矿井音频电透视在满足现场生产需求方面存在诸多不足[4]。如在供电巷道内施工时，供电电极、供电主机、无穷远线缆与供电点在空间上相互绑定，供电点改变移动时，供电电极、供电主机、无穷远线缆也必须跟随频繁移动，操作人员繁多、施工复杂、耗时耗力；音频电透视勘探普遍采用“定点测量法”施工方式，工作方法与矿井无线电透视类同，具有定点供电，多点测量的特点，探测时需对每个供电点供电，对应在测量巷道的扇形对称区域内布置多个观测点依次进行单通道测量，测量点存在大量重复测量情况，增加人员劳动强度及施工时间，施工复杂、通信困难、劳动强度大、工作效率低，严重影响矿井音频电透视勘探的推广应用[5-7]。

为此，根据矿井电法现有技术和设备的发展情况，结合音频电透视井下施工布置，创新提出了1 种高效、准确的矿井音频电透视探测系统。该系统采用矿井音频电透视供电集成网络为供电方式，提高物探效率；供电端口集中控制模式，减少人工误操作，提高采集准确性；类同步测量法为数据采集优化方式，提高方法实用性，实现工作面音频电透视的高效、准确探测。

1 方法原理

1.1 矿井音频电透视法

矿井音频电透视法是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入音频范围内的低频电流，观测大地电场的分布规律，结合矿井地质条件，推断工作面顶、底板一定深度范围内含水地质体的性质、富水强度、空间连通形态以及分布范围[8]。它与矿井无线电坑透法类似，均依据CT 扫描工作原理，利用2 条相对巷道交替进行发射和接收，记录发射电流和接收的一次场电位差，结合工作面几何参数计算出每个发射点对应的每个接收点的视电导率值，多重交汇，绘制出工作面中一定深度范围内岩层平均视电导率值的平面等值线图，从而得知此范围内富、导水区域的平面分布位置和特征[9]。

1.2 类同步测量法

类同步测量法是音频电透视勘探的优化施工方式，具有定点测量、多点多频供电的特点：测量时，测量点在一定的时间内相对固定，明确每个测量点所对应的全部供电点，并依序逐点对供电点进行多频供电，一次性完成同一测量点的所有场强值观测。当同一测量点所有场强值观测完毕后，固定测量点依序后移，重复上述操作直至测量巷道内所有测量点观测结束。“类同步测量法”中测量点的移动为正向前进，避免测量点的往返重复测量，减少人员劳动强度及施工时间，提高矿井音频电透视勘探的工作效率[10]。

2 系统组成及特点

矿井音频电透视供电集成系统涉及矿井水害防治技术领域，主要包括矿井音频电透视供电集成网络、供电端口集中控制模式、类同步测量数据采集法。其采用矿井音频电透视供电集成网络为供电方式，提高物探效率；供电端口集中控制模式，减少人工误操作，提高采集准确性；类同步测量法为数据采集优化方式，提高方法实用性，实现工作面音频电透视的高效、准确探测。

2.1 音频电透视供电集成网络

矿井音频电透视供电集成网络是供电端口转换盒和供电集成大线的高效组合应用，是对现有矿井音频电透视法的进一步改进和创新，其包括供电集成大线、供电端口转换盒、航空接头、供电电极、供电主机、无穷远电缆和无穷远电极。

矿井音频电透视供电集成网络示意图如图1。

图1 矿井音频电透视供电集成网络示意图Fig.1 Schematic diagram of mine audio electric perspective power supply integrated network

矿井音频电透视供电集成网络铺设时，在距工作面的一定距离的巷道底板布置无穷远电极，无穷远电极与供电主机用无穷远电缆连接；在工作面供电巷道施工区段内一次性布置好所有的供电电极，供电电极按照固定间距布置在巷道底板中；供电电极通过供电端口外延线与供电集成大线依次连接，供电集成大线与供电端口转换盒相接，供电端口转换盒与供电主机连接，形成矿井音频电透视供电集成网络。该网络能一次布线、一次布极，快速完成音频电透视勘探在区段内任意供电点的供电操作，优化测点施工方式，形成“类同步测量法”，避免测量点的往返重复测量，减少人员劳动强度及施工时间，提高矿井音频电透视勘探的工作效率。

2.2 供电端口集中控制模式

矿井供电端口集中控制模式主要通过供电端口转换盒和供电集成大线的组合实现。

供电集成大线由高强度多芯电缆、供电端口、供电端口外延线、航空接头公头组成。供电集成大线示意图如图2。

图2 供电集成大线示意图Fig.2 Diagram of centralized power supply line

高强度多芯电缆由若干绝缘线芯组成，高强度多芯电缆两端均安设有航空接头公头，航空接头公头与高强度多芯电缆内绝缘线芯连接，高强度多芯电缆上每隔一定间距布设供电端口，供电端口向外连接有供电端口外延线，供电端口外延线与高强度多芯电缆内部的绝缘线芯按一定顺序匹配连接。

供电端口转换盒包括高强度塑料盒、多挡波段开关、接线柱、航空接头母头、内置连接线缆。供电端口转换盒示意图如图3。

图3 供电端口转换盒示意图Fig.3 Diagram of power supply port conversion box

供电端口转换盒顶部安装有多挡波段开关和接线柱，供电端口转换盒两侧各安设1 个航空接头母头，航空接头母头与供电集成大线的航空接头公头相连，两侧航空接头母头通过内置连接线缆与多挡波段开关匹配连接，多挡波段开关和接线柱通过内置连接线缆相连接，接线柱作为输入端口与供电主机连接。

多挡波段开关每个挡位与每条绝缘线芯、每个供电端口存在一一对应、匹配连接的关系，多挡波段开关的挡位数量是供电集成大线内绝缘线芯数量的2 倍，数量的选择可根据具体施工要求进行灵活调整。供电集成系统电路示意图如图4。

图4 供电集成系统电路示意图Fig.4 Circuit diagram of centralized power supply system

2.3 类同步测量法

类同步测量法示意图如图5。

图5 类同步测量法示意图Fig.5 Schematic diagram of quasi-synchronous measurement method

实际物探施工过程中，在供电巷道内对供电网络采用多频依次供电时，供电主机固定安设在供电端口转换盒附近，每次供电时拨动多挡波段开关的不同挡位，完成巷道内对应位置的供电电极的供电操作；在测量巷道采用“类同步测量法”为施工方式，测量点在一定的时间内相对固定，明确每个测量点所对应的全部供电点，依序拨动多挡波段开关的挡位对供电点逐点进行多频供电，快速完成同一测量点的多频多点供电施工；当同一测量点所有场强值观测完毕后，固定测量点依序后移，重复上述操作直至测量巷道内所有测量点观测结束。

2.4 系统特点

1）供电集成网络，提高物探效率。系统采用供电集成网络，一次布线、一次布极，连接施工区段内所有的供电电极，供电主机、无穷远线缆只需固定安置在供电端口转换盒附近，解除了供电电极、供电主机、无穷远线缆与供电点在空间上的绑定，避免了随供电点改变而频繁移动的状况，提高了井下物探的施工效率。

2）供电集中控制，提高采集准确性。系统采用的供电端口转换盒操作简单、简洁明了，通过拨动多挡波段开关的不同挡位，快速完成音频电透视勘探在区段内任意供电点的供电操作，避免人工接线忙中出错，提高施工准确性。

3）类同步测量法，提高方法实用性。系统采用的“类同步测量法”施工方式，测量点的移动为正向前进，避免测量点的往返重复测量，减少人员劳动强度及施工时间，提高了井下物探效率，使得矿井音频电透视勘探可更多地适用于各种矿井水害探测。

3 工程实例

焦煤公司下属矿井15091 工作面底板存在L8、L2和O2灰岩等多层承压含水层，存在突水威胁。为保障煤矿的安全生产，对工作面底板煤岩层的赋水性进行音频电透视勘探，探明煤层底板下方岩层赋水性情况，为煤矿的安全生产和灾害治理提供科学依据。

3.1 施工布置

本次15091 工作面底板音频电透视勘探采用矿井音频电透视供电集成系统。音频电透视供电集成网络铺设时，在工作面的上巷施工区段内一次性布置好所有的供电电极，供电电极按照50 m间距布置在供电巷道底板中；供电电极通过供电端口外延线与供电集成大线依次连接，供电集成大线与供电端口转换盒相接，供电端口转换盒与供电主机连接，形成矿井音频电透视供电集成网络，探测时采用供电间距50 m，测点间距10 m，供电集成大线内绝缘线芯6 道、12 挡波段开关等参数。

具体测量时，在上巷内对供电网络采用多频依次供电时，供电主机固定安设在供电端口转换盒附近，每次供电时拨动多档波段开关的不同挡位，完成巷道内对应位置的供电电极的供电操作；在下巷采用“类同步测量法”施工时，依序拨动多挡波段开关的挡位，逐点完成对应供电点的供电操作，快速完成同一测量点的多频多点供电施工。

3.2 勘探结果

音频电透视法勘探成果图如图6。图中主要反映了相对低阻区的分布范围、立体连通情况、发育变化趋势及水害威胁性等，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，即相对低阻异常区。视电阻率值越小，色阶蓝颜色越深，表示岩层可能越为断裂破碎、裂隙发育或赋水性相对越强。

图6 音频电透视法勘探成果图Fig.6 Exploration result of audio frequency electric perspective

由图6 可以看出：工作面底板探测范围内存在4 个低阻异常区；Y1、Y3低阻区均位于煤层底板浅层区域、往深部延伸较少，分析系工作面底板附近煤岩层积水或潮湿引起，发生水害的可能性较小；Y4仅位于煤层底板深部、距离二1煤层较远，分析系附近岩层相对破碎、裂隙发育或具有一定赋水性引起，发生水害的可能性较小；Y2主要位于煤层底板下方L8灰岩附近，距离二1煤层较近，且向深部延伸发育，分析系煤层附近潮湿、积水与底板下方L8灰岩及深部岩层相对断裂破碎、裂隙发育或具有一定赋水性共同作用引起，附近容易发生底板出水等水害。

3.3 验证情况

对4 处低阻异常区采取了钻探验证，每处低阻区均布置2～4 个煤层底板下方L8灰岩附近的钻孔。钻探结果显示：Y1、Y32 处勘探低阻区内的钻孔无出水；Y2、Y42 处勘探低阻区内的钻孔出水量及注浆量均较大，且Y2布置的4 个钻孔由浅至深出水量逐步增加，物探成果与钻探资料相吻合，物探结论准确、可靠。

4 结 语

为了优化矿井音频电透视的探测效果，研制了矿井音频电透视供电集成系统。

1）系统采用供电集成网络，一次布线、一次布极，连接施工区段内所有的供电电极，解除了供电电极、供电主机、无穷远线缆与供电点在空间上的绑定，避免了随供电点改变而频繁移动的状况，提高了井下物探的施工效率。

2）系统采用的供电端口转换盒操作简单、简洁明了，通过拨动多挡波段开关的不同挡位，快速完成音频电透视勘探在区段内任意供电点的供电操作，避免人工接线忙中出错，提高施工准确性。

3）系统采用的“类同步测量法”施工方式，测量点的移动为正向前进，避免测量点的往返重复测量，减少人员劳动强度及施工时间，提高了井下物探效率，使得矿井音频电透视勘探可更多地适用于各种矿井水害探测。