超大采高工作面顶板电阻率监测可行性试验

鲁晶津，李德山，王冰纯



超大采高工作面顶板电阻率监测可行性试验

鲁晶津，李德山，王冰纯

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

顶板覆岩破坏是造成回采工作面突水的主要原因之一，利用矿井电法进行顶板电阻率监测可以对覆岩破坏情况进行动态探查，但是超大采高工作面顶板电阻率监测面临着常规方法音频信号难以穿透、顶板监测电极埋设施工困难以及回风巷顶板监测电极难以保护等问题。为了解决上述问题，利用音频电透仪和回采工作面电阻率监测系统开展了超大采高工作面顶板电阻率监测可行性试验研究。结果显示：单极–偶极装置音频信号透视穿透距离可达340 m；锚杆可以作为监测电极进行电流发射和信号采集；可以将回风巷监测电极布置于巷道底板加以保护。在某矿超大采高工作面部署了回采工作面电阻率监测系统，信号测试结果与可行性试验的结论一致。

电阻率监测；覆岩破坏；锚杆；音频电透视

煤炭资源开发阶段的常规探测技术手段，主要是在煤层初始未扰动条件下的原位、静态探测，无法实现煤矿开采过程中动力地质灾害的探测。顶板覆岩破坏是造成回采工作面突水的主要原因之一，通过动态监测确定采动煤层顶板上覆岩体破坏高度，对煤炭安全、高效开采具有重要意义。

顶板覆岩破坏存在导通煤层顶板含水层的风险，对顶板覆岩破坏高度进行探查的常规方法有注水实验法、高密度电阻率法、超声成像法以及声波CT层析成像法等[1]。然而顶板覆岩破坏高度的发育是一个动态变化的过程，采用常规方法进行原位、静态探测，无法对工作面回采过程中水害风险进行动态评估和预警。矿井电法[2]通过布设电极、向地下供入电流建立人工电场，测量在工作面顶、底板电性变化影响下的自然电场或人工电场，根据电阻率的异常变化对工作面水害进行判断。利用矿井电法进行顶板电阻率监测，可以对覆岩破坏情况进行动态探查[3]，并且对破坏裂隙的导水性进行判识，实现工作面水害风险的动态评估和预警。电法监测在矿山领域的应用最初源于岩体破裂失稳过程的电阻率监测[4]，后来被广泛应用于地震预报[5]、隧道开挖过程中的围岩破坏探测[6]等领域。随着煤炭开采深度加大和岩体动力灾害现象的发生，人们开始注意到煤岩破坏问题，电阻率法也开始在煤矿进行试验，并被用于岩爆和顶板冒落的预测、预报[7]。随后该方法被用于在地面测量煤矿采空区上方岩层裂隙发育高度[8]，并被进一步用于在井下探测煤层底板隔水层厚度和底板水导升高度[9]，均取得良好效果。受制于煤矿井下电法仪器研发的瓶颈，矿井电法监测的发展较为缓慢。网络并行电法仪等工作面采动破坏监测设备研制成功后[10]，井下监测试验得以开展[11-19]，为矿井电法监测的长远发展积累了丰富的经验。

在顶板水害电法监测中，一般采用向顶板斜上方打深度数百米的钻孔并在钻孔中安装电极进行监测的方法[20]。由于煤矿井下打钻成本较高，在钻孔中安装电极的难度也较大，该方法只能在较小范围内开展，无法大规模使用。对超大采高工作面进行顶板电阻率监测时，面临着常规方法音频透视信号难以穿透、顶板监测电极埋设施工困难以及顶板监测电极难以保护等问题。为了解决上述问题，本文针对超大采高工作面开展了利用锚杆做监测电极进行顶板电阻率监测的可行性试验研究，并利用中煤科工集团西安研究院有限公司研制的回采工作面电阻率监测系统进行了信号测试，为超大采高工作面顶板电阻率监测的实施奠定了试验基础。

1 回采工作面电阻率监测系统简介

中煤科工集团西安研究院有限公司研制的回采工作面电阻率监测系统，通过在工作面回风巷、运输巷顶(底)板布置电极、人工激发电场并监测分析煤层顶(底)板电阻率异常变化，来确定顶(底)板破坏情况以及裂隙带是否与含水层沟通。回采工作面电阻率监测系统由地面服务器、通讯主站、监测分站、隔爆兼本安电源、监测电极、监测线缆和配套的地面智能控制软件、数据实时处理软件等组成，其系统结构图如图1所示。

图1 回采工作面电阻率监测系统结构示意图

回采工作面电阻率监测系统，通过地面服务器远程对回采工作面顶/底板电阻率变化进行动态监测，采用监测数据的远程在线处理技术，实现井下隐蔽导水通道变化过程的实时动态成像。该监测系统采用多频率信号同步发射，进行高精度全波形数据连续采集，实现多频率信号同步接收；通过智能控制软件实现发射、接收电极的自动切换，利用光纤进行远程数据传输，建立数据库进行数据存储，实现了井下无人值守、地面远程控制监测。该系统配套了与数据库自动交互的数据实时处理软件，采用最小二乘法和小波分析技术对不同频率的电压信号进行数据预处理，利用拟高斯–牛顿法对预处理后的数据进行全空间三维电阻率反演，软件自动对反演结果进行二维切片、三维异常体提取和立体成像等操作，实现了富水区域变化过程的实时动态成像。该系统实现了工作面水害隐患的自动化和智能化监测，便于技术人员实时掌控回采工作面含、导水通道的发育情况，及时对突水隐患进行排查，为煤矿安全高效开采提供了技术保障。

在施工过程中，监测分站安置在综采工作面两侧的大巷或采(盘)区巷中，电极及线缆埋入综采工作面两侧的巷道。监测分站可以作为发射机使用，也可以作为接收机使用。监测分站通过光纤连接至地面服务器，技术人员在地面通过智能软件控制监测分站的工作状态和发射、接收电极的自动切换，实现井下无人值守、地面远程控制的动态监测。监测系统可以根据需求选择一次性铺设，也可以根据工作面回采进度定期滚动铺设；监测分站采集的监测数据由光纤传输至地面服务器，地面采用远程在线处理技术，对数据进行实时处理和异常体动态分析。数据实时处理及异常体动态分析软件可以对井下富水区域的变化过程进行实时动态成像。

2 试验工作面概况

某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。如图2所示，该工作面对应地表有石灰沟，此沟为季节性沟流，是该区域较大的一条泄洪通道，雨季沟流量较大，沟内上覆层厚度为120~170 m，且沟内有多个水塘，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。因此，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。

图2 试验工作面示意图

开展试验的超大采高工作面回风巷一侧为单巷道，另一侧为运输巷加辅运巷的双巷道，为了便于保护监测电极和监测线缆，计划利用辅运巷和回风巷布置监测电极，监测电极均布设于巷道外帮。

3 顶板电阻率监测可行性试验

3.1 音频电透信号强度测试

试验工作面倾向长度接近300 m，运输巷和辅运巷间距25 m，再加上巷道自身宽度均大于5 m，监测电极布设在回风巷和辅运巷外帮，采用音频电透视的数据采集方式进行顶板电阻率监测时，实际发射和接收的距离超过340 m，而常规音频信号的穿透距离一般不超过250 m。为了保证足够的信号强度，需要对不同的数据采集方式进行测试。考虑到回采工作面电阻率监测系统和音频电透仪的工作原理相似，都是进行音频信号发射和接收，可以利用音频电透仪对不同的数据采集方式进行信号强度测试。

音频信号的穿透深度与仪器自身的发射电流、接收信号的分辨率以及探测时采用的观测装置和极距大小紧密相关。在仪器技术指标不变的情况下，其穿透深度主要取决于观测装置和极距大小。传统音频电透视法采用图3a所示的平行单极–偶极观测装置，接收电极分别布置于巷道的两个侧帮，在收发距离不变的情况下接收信号的大小取决于接收极距的大小，然而的大小又受限于巷道宽度，导致传统音频电透视法的穿透深度基本不超过250 m。本次工作采用了图3b所示的平行偶极–偶极和图3c所示垂向单极–偶极观测装置，由于发射电极和接收电极均沿巷道走向布置，电极极距不受限制，可以通过合理选择极距调整接收信号的大小，从而达到增大穿透深度的目的。

图3 电透视法观测装置示意图

在辅运巷和回风巷分别布置了电极间距30 m、40 m和50 m的测线，测线长度300~350 m，不同极距的测线彼此重合，如图4所示。对不同极距的测线分别进行了单极发射–偶极接收测试和偶极发射–偶极接收测试，发射信号频率分别为15 Hz和120 Hz，测试所得的电压曲线如图5和图6所示，图中的背景值是不接入发射电流时采集到的背景噪声。电压曲线的结果显示：接收电压基本都高于背景值，表明不同极距下信号基本都可以穿透宽达340 m的距离；整体而言，120 Hz的接收信号强度比15 Hz的接收信号强度要小，符合高频信号衰减更快的物理规律；对于位于0~50 m范围内的1—2号发射点而言，极距30 m和40 m时接收信号强度基本接近背景值，极距50 m时接收信号强度有所增大；整体而言，除个别干扰点外，极距越大，接收信号强度越大。对比单极发射和偶极发射的接收信号可见，相同接收极距下，单极发射时接收信号强度更大。

图7和图8给出了不同极距下偶极发射和单极发射所得数据的三维电阻率反演结果。选择了深度20 m的电阻率切片进行对比，图7和图8中=0 m为接收巷道、=340 m为发射巷道。反演结果表明：不同频率、相同极距的异常形态彼此基本吻合，相同频率、不同极距的异常形态彼此也基本吻合；单极发射和偶极发射的异常形态差异较大，但低阻区和高阻区的相对位置基本一致。根据现场记录，接收巷道=90~120 m处有变压器，=180~210 m处有钻机施工，反演结果在这两处位置都表现出明显的高阻异常，推测为游散电流影响所致。

试验研究发现：极距在30~50 m范围内时，音频信号可以顺利穿透宽达340 m的距离；极距越大，接收信号越强，综合考虑信号强度和数据采集密度的需求，可以采用40 m极距进行顶板电阻率监测试验；单极发射时信号强度比偶极发射信号强度大，监测时可以考虑单极发射；120 Hz的接收信号强度比15 Hz的接收信号强度要小，监测时发射频率可以取15 Hz。

(—极距30 m；—极距40 m；—极距50 m)

图5 偶极发射–偶极接收不同极距时电压曲线

图6 单极发射–偶极接收极距50 m电压曲线

图7 偶极发射–偶极接收不同极距时反演结果

图8 单极发射–偶极接收极距50 m反演结果

3.2 锚杆导电性测试

开展试验的超大采高工作面，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，拟采用锚杆作监测电极使用。在监测区域内，选择靠近巷道外帮的顶板锚杆，断开锚杆与锚网等金属物之间的接触，对锚杆的导电性进行测试。分别在辅运巷选择了1对锚杆作为发射电极，在回风巷选择了5对锚杆作为接收电极，相邻锚杆间距40 m。在辅运巷拉无穷远，采用单极发射，在回风巷进行偶极接收，用音频电透仪进行锚杆供电和信号采集测试，15 Hz发射信号的测试结果如表1所示。测试结果显示：发射电流为47.8~59.5 mA，电流值较大，表明锚杆的接地情况良好；接收信号变化范围为19.2~48.8 μV，接收信号较稳定。锚杆供电和信号采集测试结果表明，顶板锚杆导电性良好，可以用做监测电极。

表1 锚杆单极发射–偶极接收测试结果

3.3 回风巷监测电极顶底板对比测试

回风巷顶板在回采过程中会发生垮落，若监测电极布置于顶板，当监测电极进入采空区后会随顶板一起垮落，监测线缆也可能在顶板垮落的过程中被拉断，无法实现切眼后方采空区的监测。为了便于对回风巷的监测电极和监测线缆进行保护，实现采空区覆岩破坏情况的动态监测，拟将回风巷监测电极布置于巷道底板。为了验证这种布极方式的探测效果，在回风巷相同走向位置分别布置顶板监测电极和底板监测电极，辅运巷监测电极均布置于巷道顶板。对比回风巷监测电极分别位于顶板和底板时的探测效果，可为监测线缆保护方法的选择提供依据。

利用回采工作面电阻率监测系统，分别通过回风顶板联合辅运顶板、回风底板联合辅运顶板的方式进行数据采集，对回风巷不同布极方式下采集所得的数据进行三维电阻率反演，结果如图9a和图9b所示；图9c给出了利用音频电透仪通过回风底板联合辅运顶板的方式进行透视的处理结果；选择了深度20 m的电阻率切片进行对比，图中=0 m为回风巷，=340 m为辅运巷。

反演结果表明：将回风巷电极布置在底板、辅运巷电极布置在顶板和两条巷道电极均布置在顶板时的异常形态、异常位置彼此基本吻合，音频电透设备和回采工作面电阻率监测设备的结果也基本吻合；电极均位于顶板时，低阻异常分辨率更高。

对顶板低阻异常体模型进行三维数值模拟和反演成像，对顶–顶透视和底–顶透视两种观测方式进行了模拟计算，反演结果如图10所示。可以看出，顶–顶透视和底–顶透视获得的低阻异常位置基本吻合，顶–顶透视的低阻异常分辨率更高。数值模拟结果与井下试验结论基本一致。

图9 回风巷不同布极方式下采集所得数据的反演结果

图10 顶板低阻异常体探测数值模拟结果

井下对比试验和数值模拟结果表明：为便于监测电极和监测线缆的保护，实现采空区覆岩破坏情况的动态监测，可以将回风巷中的电极打在底板，以代替原来将电极打在顶板的监测方案。

4 监测系统布署和信号测试

在上述可行性试验的基础上，开展超大采高工作面顶板电阻率监测，在井下安装了回采工作面电阻率监测系统，利用锚杆做监测电极进行信号发射和接收，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，具体布置如图11所示。

鉴于工作面监测长度较大，采用滚动监测模式。单次监测覆盖300 m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。电极移动过程中，始终保持着300 m的监测长度。采用类似音频透视的方法开展顶板电阻率监测，首先以回风巷为发射巷道，辅运巷为接收巷道，依次从1号电极开始发射电流信号，每发射一次，接收巷道中的所有电极顺次接收电位差并存储至接收机中；完成回风巷中电极的发射之后，再以辅运巷为发射巷道，回风巷为接收巷道，重复发射和接收过程。上述过程完毕，即完成一次监测，同时开始下一次监测。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。

完成了回采工作面电阻率监测系统的安装调试后，选取31、33、35、37、39号电极，采用单极发射–单极接收的数据采集方式进行了信号强度测试，测试所得的电压曲线如图12所示。结果显示：不论回风巷发射–辅运巷接收还是辅运巷发射–回风巷接收，其信号强度均远高于仪器背景值，与利用音频电透仪的试验结果基本一致；总体来看，单极发射–单极接收的电压值较大，接收信号也较稳定。

图11 监测电极布置示意图

图12 单极发射–单极接收电压曲线(频率15 Hz)

5 结论

a.采用单极发射–偶极接收时，在极距为40 m、发射频率为15 Hz的情况下，音频信号的穿透距离可以达到340 m，适用于倾向宽度较大的大型工作面。

b. 锚杆导电性良好，可以用做监测电极进行电流发射和信号采集，应用于超大采高工作面顶板电阻率监测时可大大降低施工难度。

c.将监测电极布置于底板既可以对顶板电阻率进行探测，对回风巷监测电极保护也是有利的。

d. 回采工作面电阻率监测系统信号测试结果与可行性试验的结论一致。

致谢：论文研究内容由神华神东煤炭集团公司“超大采高工作面成套设备安全工程研究”项目支持！

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Feasibility test of roof resistivity monitoring for super-high mining face

LU Jingjin, LI Deshan, WANG Bingchun

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Techonogy and Engieering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The failure of roof overburden is one of the main reasons for water inrush in mining working face. Roof resistivity monitoring by mine electrical method can be used to detect overburden failure dynamically. However, roof resistivity monitoring for super-high mining face has many problems, such as audio electromagnetic signal by conventional methods is difficult to penetrate through wide working face, burying of roof monitoring electrodes is difficult, monitoring electrode in the roof of air return lane is hard to protect, and so on. In order to solving these problems, feasibility study of roof resistivity monitoring for super-high mining face is carried out by audio electromagnetic perspective instrument and working face resistivity monitoring system. Experiment result shows: perspective distance of audio electromagnetic signal by pole-dipole arrays can be 340 m; anchor bolt can be used as monitoring electrode for current transmission and signal acquisition; monitoring electrodes of the return air way can be arranged on the way floor for protection. On the basis of above research, a resistivity monitoring system for mining working face is arranged for a super high mining face. The signal test results are consistent with the feasibility test results.

resistivity monitoring; overburden failure; anchor bolt; audio electromagnetic perspective

National Key R&D Program of China(2017YFC0804103)

鲁晶津，1983年生，女，湖北随州人，博士，副研究员，从事矿井电磁法勘探及其应用研究. E-mail：lujingjin@cctegxian.com

鲁晶津，李德山，王冰纯. 超大采高工作面顶板电阻率监测可行性试验[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(3)：186–194.

LU Jingjin，LI Deshan，WANG Bingchun. Feasibility test of roof resistivity monitoring for super-high mining face[J]. Coal Geology & Explortion，2019，47(3)：186–194.

1001-1986(2019)03-0186-09

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.029

2018-08-20

国家重点研发计划课题(2017YFC0804103)

(责任编辑 聂爱兰)