矿井工作面底板水害探查试验模拟研究

付茂如，张平松，吴荣新，胡雄武，程 锐

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.淮南矿业(集团)公司潘二矿，安徽 淮南 232001)

矿井工作面水害问题一直是影响煤矿安全开采的一个重要因素。工作面在回采前需对底板岩层的富水性进行必要的探测，查寻可能存在的富水区域，指导矿方进行有效的防治水工作，以确保后期的安全回采。

目前，井下探查矿井工作面底板水害的方法主要包括钻探法、瞬变电磁技术、音频电透视技术以及直流电法技术。

钻探法是直接利用探水机向工作面底板施工探放水钻孔判定岩层的赋水性，该方法施工存在一定的盲目性，施工的探放水孔能够准确的命中赋水区概率较低；瞬变电磁技术现场施工较为方便，但是其对探查环境要求较高，探测结果易受施工现场金属支护材料、铁器等影响，并且相应的干扰校正技术尚不成熟，使得该种方法具有一定的局限性[1-2]；双巷音频电透视法采用不同的单频波场对工作面底板不同深度赋水区进行探查，是比较常用的底板探水方法，但受其观测系统的影响， 现场施工时间较长，并且探测结果的空间定位性有待提高；直流电法技术主要包括高密度电法、井下单极-偶极法、以及双巷三维并行电法等。传统的高密度电法通常只能探查巷道下方二维剖面中底板的赋水特征，其对工作面内底板下方岩层的富水性只能进行预测；三维高密度电法、平行双极-偶极法在底板水害探测中亦进行了相关应用研究[3-4]；双巷三维并行电法是近几年来发展的用于底板岩层富水异常探测的技术，在底板水探测中取得了一定的效果[5-6]。双巷三维并行电法技术中所包含的常规探测方法有AM法和ABM法两种，其在井下施工时的观测系统有一定的区别。论文通过在室内水槽中模拟AM法、ABM法采集系统，对比分析两种观测方法在工作面底板水害探测上反映特征。

1 探测方法

并行电法为直流电阻率法的一种，是在高密度电法勘探基础之上发展起来的一种新技术，采用拟地震数据采集技术，其本质上是改变了传统高密度电法的数据采集方式及观测系统。并行电法系统中当一个电极处于供电状态时，其他电极均同时处于采样状态，采集各电极处的电位数据，并通过通讯线实时将测量数据送回主机，因此整个采样过程中没有空闲电极出现，大大提高了数据的采集率。

双巷三维并行电法是利用并行电法技术，在工作面两侧巷道布设观测系统，并利用并行电法仪进行数据的采集，最后联合多组测站数据，进行数据的解编及三维反演得出工作面底板岩层三维状态下的富水性特征。

论文以双巷三维并行电法技术中的AM法采集模式和ABM法采集模式作为实验测试方法，研究两种观测模式对不同异常体的反应特征。

1.1 AM法采集模式

AM法采集系统布置时，把供电电极A和B分别布置在工作面两侧相对巷道中，采用直流电供电，通过研究两巷道间工作面内的电场变化规律，探测工作面底板下方的含水、导水构造异常。

现场进行数据的采集时，供电电极(A极)布置在工作面一侧巷道(巷道A)上，另一个供电电极(B极)放置在对面巷道(巷道B)的对应位置；测量电极对(M、N极)与供电电极A位于同一巷道，与B极形成地电场；测量时，测线上各电极逐点供电，测量电极同步扫描，形成扇形射线区(见图1)，测量各点的自然电场、一次场和二次场的电位变化情况，获取大量的地电参数，达到对探测区域的多次覆盖探测。当单边测量结束后，换边进行另一巷道探测。

图1 AM法施工布置图

1.2 ABM法采集模式

ABM法测试时，在工作面两侧巷道A和巷道B上同时各布置一条测线，测量时将2条测线连接到仪器站作为一组测线。根据供电电极和测量电极的分布位置，常规的布置方式为以下2种。

1)当供电电极A、B和测量电极M、N分别位于两侧巷道时，如图2(a)所示。供电电极A、B位于工作面一条巷道，向工作面底板供电，建立稳恒的直流电场。测量电极M、N位于工作面对应的另一侧巷道上，测量M、N之间的电压U及A、B间的电流I。固定AB，保持MN长度不变，以一定的间隔移动MN，这样O1O2就扫过一定的面积。保持AB长度不变，把AB移到下一位置，重复上一次同样的操作，这样O1O2又扫过一定的面积。当AB移完整条巷道，单边测量结束。把供电电极AB和测量电极MN所在的位置互换，按同样的方法完成另一个单边测量。

(a) 观测模式1

(b) 观测模式2图2 ABM法观测施工布置图

2)当供电电极A和B分别位于两侧巷道时，如图2(b)所示。供电电极A和测量电极M、N位于工作面一条巷道，另一供电电极B位于工作面对应的另一侧巷道上。该类布置方式与AM法类似，但是与AM法不同的是ABM法模式下供电电极B的位置是随着每组测量电极的位置移动的，而AM法观测时供电电极B的位置是随着整条测线移动的。

对于ABM法存在的2种观测模式，现场布置测线时只需要一次布极，布极完成后仪器会发出相应的采集指令进行数据的采集，不需要单独分开布线。数据处理时，对两种方式采集的数据进行相应的解编处理，同时对数据进行融合并进行三维反演，得出工作面底板下方不同深度的电阻率分布情况，从而给出客观的地质解释。

2 物理实验模拟

2.1 实验装置及观测系统布置

室内实验模拟是在2.0m×1.2m×0.8m的水槽中进行，实验中采用盐水作为均匀介质模拟围岩，水槽内水深为0.7m。采用宽0.05m，厚0.01m，长1.20m的木板模拟工作面两边巷道，工作面宽度为0.50m；电极采用铜电极，有效长度为0.05m。实验通过在室内水槽中模拟井下AM法、ABM法采集模式在工作面底板探水中的应用效果，来对比分析这两种电法观测系统的有效性及差异性(见图3)。

(a) 低阻异常体剖面位置示意图

(b) 高阻异常体剖面位置示意图

(c) 复杂异常体剖面位置示意图图3 观测系统示意图

实验中，观测系统电极极距为0.04m。采用一个0.2m×0.2m×0.2m的铁盒模拟低阻异常体；高阻异常体采用截面半径为0.1m，高0.2m的圆柱形树脂玻璃筒。

2.2 实验数据处理

实验时，采用并行电法仪进行实验数据的采集。数据处理时，根据两种系统数据采集特点，提取出对应的电场数据。在数据提取过程中，对于AM法采集模式，提取出单个供电电极供电时其他接收电极间的电位差数值；对于ABM法采集模式，同时提取出两种观测模式下供电电极供电时其他接收电极间的电位差数值。提取出的数据体依照反演文件格式形成三维反演文件，利用AGI软件进行数据三维反演。通过电阻率三维反演，获得单次模拟的电阻率分布剖面。由于受模型边界条件的影响，为提高分辨率，对反演处理得到的电阻率数据进行比值计算，将含有异常体的反演结果值ρi与背景电阻率场值ρ0相比，即获得异常系数：γ=ρi/ρ0。当γ>1或γ<1的区域，便为电性异常区域。

2.3 异常体探测模拟

1)单一低阻异常体。实验中利用铁盒作为低阻体模拟工作面底板岩层中的赋水区。图4为单一低阻异常体探测结果对比图，其中图4(a)为低阻异常体的平面位置示意图。图4(b)和图4(c)分别为采用AM法采集模式和ABM法采集模式探测异常体的反演电阻率值与背景电阻率值的比值结果图。从图中可看出当γ=0.5时，两种方法均对低阻异常体的位置反应较为清楚。 对比图4(b)、 图4(c)可见，两种不同观测系统对异常体形态大小及位置的归位效果有差异，ABM法反应效果相对较好。

(c) ABM法探测比值结果图

图4 单一低阻异常体探测结果对比图

2)单一高阻异常体。同时，实验中利用圆柱形树脂玻璃桶作为高阻体模拟工作面底板岩层内的陷落柱(不含水)。图5为单一高阻异常体探测结果对比图，其中图5(a)为高阻异常体的平面位置示意图。图5(b)和图5(c)分别为采用AM法采集模式和ABM法采集模式探测异常体的反演电阻率值与背景电阻率值的比值结果图。从图中可看出当γ=1.6时，两种方法均对高阻异常体的位置反应较为清楚，反应效果相对差异较小。

(a) 高阻异常体位置示意图

(b) AM法探测比值结果图

(c) ABM法探测比值结果图

图5 单一高阻异常体探测结果对比图

3)多异常体组合。图6为多异常体组合探测结果对比图，其中图6(a)为复杂异常体的位置示意图，分别为两个不同阻值和尺寸的低、高阻异常体。图6(b)、图6(c)分别为采用AM法采集模式和ABM法采集模式探测异常体的反演电阻率值与背景电阻率值的比值结果图。对比可见，图6(b)中对两种异常体的形态大小及位置的反应相对与图6(c)来说，效果较差。

(a) 多异常体组合位置示意图

(b) AM法探测比值结果图

(c) ABM法探测比值结果图

图6 复杂异常体组合探测结果对比图

实验结果对比分析可知：两种采集模式对于设置的异常体均有较好的反应，说明双巷三维并行电法的现场可行性。其中，受观测方式和数据采集模式的影响，AM法对于低阻探测结果的异常位置收敛性差。

3 结论

1)结合室内模型实验对井下双巷三维并行电法中的AM法和ABM法采集模式进行模拟实验，实验结果显示对设置的异常体均有较为明显反应。通过与异常体的实际位置及形态对比分析，ABM法采集模式能够更为准确地定位异常体的位置及形态大小。

2)利用双巷三维并行电法探测技术，可较清晰地反映工作面底板赋水区的范围，实现工作面底板水害的三维空间定位，有力地指导钻孔探放水及钻孔注浆施工。对于两种观测系统的选取，可以根据勘探精度要求，进行灵活选择。AM法现场施工效率高，但其探测结果的收敛性稍差；ABM法观测方式现场施工时间长，但其对异常目标体反应及定位较为准确，对工作面内底板岩层异常区的空间范围判断准确。

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