基于COMSOL掘进巷道直流电法超前探测研究

郝耀军，李 浩，武 艺

（西山煤电集团西曲矿，山西 太原 030200）

0 引言

煤矿巷道掘进时，如果存在水害威胁，一定要采取先探测后采掘的措施。当异常体存在于巷道迎头前方时，要进行超前探测来发现异常体。矿井直流电法超前探测技术与一般的电测深的原理有所不同，因此所选择的装置也有所不同，直流电法超前探测所选的测量装置一般是单点供电的三极AMN装置，该装置在超前探测中对含水异常体有较好的探测效果和较高的异常分辨率。本文通过有限元分析软件进行数值模拟与生产实例相结合，总结出巷道掘进迎头前方地质异常体对测量结果的影响规律，为矿井直流电法超前探测资料的解释提供理论依据，也能够对实际测量中采集数据的反演解释工作提供指导[1]。

1 勘探方法原理

矿井直流电法与地面电阻率法原理相同，虽然选用的测量装置不尽相同，都会有供电电极对大地进行供电，形成稳定电流场，在供电电极所在的测线（其余位置）设置测量电极，测得电位数据将用于计算地层的视电阻率。对于矿井直流电法来说，按照事先设定好的测线将供电以及测量电极布设在被测巷道底板或者侧帮上，通过改变测量电极位置从而达到观测供电电极形成稳定电流场的分布以及变化特征，利用上述的测量数据来超前预测巷道前方的构造异常情况，从而达到超前探测的目的。

三极AMN装置是最早应用于矿井直流电法超前探测的装置，如图1所示。目前广泛应用于超前探测巷道迎头前方的地质异常体。在三维空间介质中利用单点电源A进行供电（另一供电电极B设置在相对无穷远处），并且将M、N用作测量电势差。超前探测与电测深原理不同，因此相应的操作方法有所不同，超前探测电极布设方法：将供电电极A固定到巷道迎头上，M、N测量电极处于测线上，并且位于A点后方，所测电位差为△UMN，记录点处的电场强度与供电点A和测量电极M、N的距离有很大关系，记录点为两测量电极的中点。在巷道迎头处进行超前探测时，当巷道的垂直截面尺寸都小于记录点到A点距离时，巷道对测量结果影响较小；当巷道的垂直截面尺寸都大于记录点到测量点距离时，巷道对测量结果影响很大，当这种影响不可被忽略时，按照视电阻率公式计算视电阻率值，然后进行消除巷道影响处理，就可以得出沿巷道的视电阻率剖面曲线[3]。

图1 AMN装置超前探测原理图

2 矿井直流电法超前探测异常体数值模拟

2.1 有限元数值模拟原理及流程

直流电法正演模拟是将事先设定好的的地电模型利用数值计算来求解稳定场的分布情况。利用COMSOL Multiphysics进行地电模型正演数值模拟过程，结合下述的流程图分析，详细步骤如图2所示：

1）首先根据分析问题需要选择三维空间模型，选择软件的电流(ec)模块，研究状态为稳态。

2）进行全局变量设置和几何模型构建，然后全部构建几何模型形成联合体，根据地电模型需要，对几何联合体进行点、边界和域的定义，便于对地电模型各部分赋值等工作。

3）根据实际情况，进行地电模型的材料设置，然后对静电场的点电源进行赋值，以及接地边界的定义。

4）地电模型的网格剖分，地电模型的主体划分为自由剖分四面体网格，无穷远层状介质，网格剖分成薄层扫掠形式。由于建立的模型较大需要对重点区域进行细致研究，就要

将重点部位网格细化剖分，细化的重点为巷道周围以及异常体周围。供电电极周围网格超细化剖分。

5）地点模型数值运算，运算速度与模型划分的总单元数有关，模型的单元数越多，数值计算的速度越缓慢。

6）地电模型的后处理过程，可以根据需要对正演模拟的数据集进行三维整体输出，也可以进行截面数据输出或者截点数据输出。也可以利用COMSOL Multiphysics软件进行地电模型的三维切片、一维、二维、三维图组处理，然后输出成果图。

图2 COMSOL Multiphysics数值模拟流程图

2.2 多异常体并存对视电阻的影响

在实际生产中，往往遇到复杂的地层存在，有可能是高阻和低阻同时出现，通过矿井直流电法数值模拟总结复杂地层下视电阻率曲线变化规律，对于超前探测具有较好的指导作用，具有实际意义。

模型设定：围岩长度1100m，宽度500m，高度500m，供电点A在迎头底板处，巷道长度500m，截面为6m的正方形，巷道电阻率为108Ω·m，供电电流设置为1A，电极间距为10m，测量装置有三极AMN，下面3个模型设定了不同异常体存在情况。

图3 两个异常体分布示意图

图3 为两个异常体共同影响下的电位分布图，图中上边的是高阻异常体，下边是低阻异常体。

模型1：单独低阻体阻值10Ω·m，异常体截面平行于巷道，异常体截面为60×60m，厚度为6m，位于巷道迎头侧前方10×30m处。

模型2：单独高阻体阻值3000Ω·m，异常体截面平行于巷道，异常体截面为60×60m，厚度为6m，位于巷道迎头侧前方10×30m处。

模型3：高阻低阻体共同存在，低阻体阻值10 Ω·m，高阻体阻值3000Ω·m，异常体截面都平行于巷道，异常体截面为60×60m，厚度为6m，位于巷道迎头侧前方10×30m处。

图4 多异常体存在时视电阻率曲线对比图

图4 为不同异常体影响下的视电阻率曲线，从图中可以看出：

1）当巷道侧前方只有低阻体时，视电阻率曲线所显示的低阻异常较明显；当巷道侧前方只有高阻体时，视电阻率曲线显示的高阻异常幅度不大。

2）当巷道侧前方高阻体和低阻体共同存在时，通过分析三条曲线异常变化趋势可知，高阻体和低阻体共同作用时的视电阻率曲线，基本符合单独高阻和单独低阻视电阻率曲线异常叠加效果。

3 煤矿探测实例

3.1 南六盘区地质概况

西曲矿南六采区面积共1.6km2，区内沟谷枞横、地形复杂，小煤窑众多。区内上组煤有2.3#、4#煤，4#煤属不稳定局部可采煤层，且4#煤层厚度变化较大。区内原勘探程度较低，矿井后续生产衔接任务无法开展。西曲矿现计划对南六采区下组煤层进行回采，而该采区上覆煤层已基本全部被破坏。南六采区小煤矿分布较多，区内上组煤大部分被小窑破坏，小窑破坏程度、巷道位置及巷道内积水情况均不确定，为保证煤矿安全生产，提前做好预测预报工作，现利用直流电法对该区域皮带下山巷道进行超前探测。

3.2 数据采集及成果解释

本次井下超前探测数据采集使用的是WJDJ-4型高密度电阻率系统，沿巷道中心布置测线，电极间距为10m，测量电压为144V，供电时间为500ms，采用三极AMN装置进行数据采集，皮带下山巷道内共布设了29个电极，本次井下超前探测工作巷道内停止了施工并关闭了用电设备，采集的数据较为稳定，采集数据质量好。

根据直流电法超前探测数值模拟二维视电阻率平面图可知，当巷道前方有低阻异常时，所形成的二维视电阻率平面图会显示低阻异常，并且巷道前方的异常体规模越大，低阻异常范围在图中显示的也越大。通过此规律分析解释西曲矿南六采区皮带下山的二维视电阻率分布情况[4]。

数据处理后得到电阻率色谱平面图见图5，平面图宽度约50m，巷道位置如图所示，实线为已掘巷道，用正数表示，虚线为未掘巷道，用负数表示，平面图等值线为地层电阻率的对数值。

图5 南六采区皮带下山巷道超前探测电阻率色谱平面图

迎头前方85m范围内地层电阻率基本为高阻显示，电阻率对数值大于1，说明85m范围内地层富水性不强，巷道能够向前掘进；在迎头前方85～105m范围地层电阻率有所下降，电阻率对数值0.4～1，说明该范围内地层裂隙相对发育，富水性有所增强；在迎头前方105～130m范围地层电阻率最低，电阻率对数值小于0.4,说明该位置范围断裂、裂隙比较发育，地层富水性强；迎头前方130m以后范围地层电阻率为高阻显示，电阻率对数值大于1，说明该位置岩性变化，为奥灰反映[3]。后经钻探验证，与物探结果基本吻合。

4 结论

1）当有多个异常体存在巷道迎头前方时，所测得视电阻率曲线异常是由所有异常体影响的叠加结果。通过实例验证数值模拟，利用数值正演模拟形成二维视电阻率平面图，总结规律指导反演解释工作。

2）直流电法超前探测技术在实际探查工作中，测量条件虽复杂，数据规律起伏较大，但该方法在掘进前方富水性探测的应用中，仍有较为明显的效果。