矿井矩阵电极探测系统研究与应用

温英明，温亨聪，郭 纯

（焦作煤业（集团）有限责任公司 科学技术研究所，河南 焦作 454002）

我国是世界主要产煤国，多数煤矿水文地质条件复杂，特别是华北地区煤田灰岩富水性强、水压高、补给水源区域广、隔水层薄，断裂构造及陷落柱较发育，煤矿重特大突水事故多发[1-2]。国内外对矿井水害的探测技术主要为直流电法、音频电透视法、高密度电法、瞬变电磁法等矿井电磁技术[3]。但随着矿井开采不断大型化、深部化，这些探测技术在满足现场生产需求方面存在诸多不足[4]。其中，瞬变电磁法抗金属干扰能力较差，在目前巷道多采用工钢等金属支护且金属设备众多的强金属干扰环境下，探测效果差或无效果[5-6]。矿井电法方面，直流电法、音频电透视法数据采集采用传统低效的单通道方式，地电场数据密度有限、物探效率低且局限于电测深或电透视单一探测类型；高密度电法采用简单的“直线型”多通道测量方式，无法完成电透视主流装置“轴向单极-偶极法”的数据采集，在目前需电测深、电剖面、电透视等多种成果补充对比、综合分析，高效、精细探测水害情况的背景下，传统矿井电法的适用范围逐渐减小[7]。

为此，对现有矿井电法的电极布极和数据采集方式进行研究和创新，改进传统低效的“直线型”电极模式和单通道数据采集方式，研发出矩阵电极探测系统，提出“矩阵式”电极布置模式、多通道数据采集技术，达到一次布线、一轮供电完成所有原始数据的采集工作效果[8-10]。

1 方法原理

1.1 单通道测量方式

传统的直流电法、音频电透视法等矿井电法普遍采用单通道采集技术，即施工时对每个测深点或供电点处的供电电极进行供电，对应的测量电极依次进行单通道测量，当此测深点或供电点处的所有测量点施工完毕后，对下1 个测深点或供电点进行类似观测[11]。单通道测量示意图如图1。以电法中温纳三极装置为例，A1供电点测量时，形成“A1供电-M1N1测电位差-A1断电”、“A1供电-M2N2测电位差-A1断电”……“A1供电-MiNi测电位差-A1断电”的单通道测量模式，存在着地电场数据密度有限、测量时间长、劳动强度大、物探效率低等问题[12-13]。

1.2 “直线型”多通道测量方式

传统“直线型”多通道测量方式在矿井水文物探的应用主要以高密度电法和网络并行电法为典型代表，是集电测深和电剖面法于一体的多装置、多极距的高密度测量组合[14]。其测量布置通常包括1 条测量电缆和若干位于探测巷道底板上的电极，电极呈直线型等间距布置在巷道底板、并与测量电缆连接，测量电缆与现场主机相连接，“直线型”多通道测量示意图如图2。

图2 “直线型”多通道测量示意图Fig.2 Schematic of“linear”multi-channel measurement

依据供电电极在巷道的布置方式，“直线型”电极模式多通道测量可分为单巷探测方式和双巷探测方式。单巷探测方式下，供电电极、测量电极均布置在同一巷道内；双巷探测方式下，供电电极、测量电极分别布置在2 个相对巷道中。“直线型”多通道探测方式如图3。

图3 “直线型”多通道探测方式Fig.3 “Linear”multi-channel probe mode

其中，单巷探测方式一次布线可完成二极装置、三极装置、四极装置、偶极装置等多种装置电测深、电剖面2 种工作方式的数据采集工作，无法完成电透视装置的数据采集；双巷探测方式一次布线可完成二极装置、三极装置、四极装置、偶极装置等多种装置电测深、电剖面2 种工作方式及赤道单极-偶极法电透视装置的数据采集工作，但无法完成井下电透视常用的轴向单极-偶极法等电透视装置的数据采集。

2 矩阵电极探测系统

矩阵电极探测系统是对现有矿井电法的进一步改进和创新，其提出的创新型电极模式与数据采集方式是多芯电缆和矩阵探测电极的高效组合应用，探测电极呈双排矩阵形按照固定的行间距和列间距布置在巷道顶底板中，并通过多芯电缆与主机相连接，实现一次布线、一轮供电完成多种电测深、电剖

面、电透视勘探的数据采集工作，大幅度提高井下物探工作效率、物探成果的精细度和可靠性。

2.1 多芯电缆

多芯电缆是实现矩阵电极与主机间供电、测量的重要连接装置，系统采用的多芯电缆是由多根绝缘线芯组成的高强度线缆，并用绝缘密闭性能优良的塑胶包裹。多芯电缆上按照固定间距分布有测量端口，且每个端口留设2 个测道口，并通过测道口的大小加以区分。每个测道口按顺序依次与绝缘线芯相连，形成多芯测量电缆，多芯电缆组成示意图如图4。

图4 多芯电缆组成示意图Fig.4 Diagrams of multi-core cable composition

2.2 连接线夹

连接线夹是矩阵电极与多芯电缆测道口的连接装置，包括接头、保护套、连接线。接头部分安有1大1 小2 个夹片，宽度大小对应多芯电缆的测道口。连接线可分为红色、蓝色连接分线，分别与接头夹片相连接，具体为红色连接分线与小夹片相连，蓝色连接分线与大夹片相连。连接处用保护套保护，保证其绝缘密闭性，连接线夹如图5。

图5 连接线夹Fig.5 Connecting clamp

2.3 矩阵电极

探测电极呈双排矩阵形按照固定的行间距和列间距布置在巷道顶底板中，并通过连接线夹与铺设在巷道中的多芯电缆依次相连接，形成矩阵探测网络，多芯电缆与主机相连接，“矩阵式”多通道测量示意图如图6。

图6 “矩阵式”多通道测量示意图Fig.6 Schematic of“matrix”multi-channel measurement

依据探测目的、供电电极布置方式的不同，“矩阵式”电极模式多通道测量可分为单巷和双巷探测方式。单巷探测方式下，供电电极、测量电极布置在同一巷道内；双巷探测方式下，供电电极、测量电极分别布置在2 个相对巷道中。“矩阵式”多通道探测方式如图7。

图7 “矩阵式”多通道探测方式Fig.7 “Matrix”multi-channel probe mode

其中，单巷探测方式一次布线、一轮供电，可同时完成2 套电测深、电剖面工作方式的数据采集，每套数据里包括二极装置、三极装置、四极装置、偶极装置等多种装置的数据，提高了井下物探工作效率，同时2 套数据对比补充、综合分析，进一步提高原始数据的采集密度、精细度和可靠性。矩阵电极单巷探测等效图如图8。

图8 矩阵电极单巷探测等效图Fig.8 Equivalent diagram of matrix electrode single lane detection

双巷探测方式是在单巷探测方式基础上的拓展，一次布线、一轮供电可完成二极装置、三极装置、四极装置、偶极装置、轴向单极-偶极装置、赤道单极-偶极装置等多种常用装置的电测深、电剖面、电透视工作方式的数据采集，形成“大满贯式”全面数据采集，提高了井下物探效率，丰富采集数据种类多样化、全面化，保障水文物探的精细度和可靠性，矩阵电极双巷探测电透视等效图如图9。

图9 矩阵电极双巷探测电透视等效图Fig.9 Equivalent diagram of matrix electrode double lane detection

3 系统优势

1）提高物探工作效率。提出的“矩阵式”电极布置模式和多通道数据采集技术，通过一次布线、一轮供电实现了多种常用装置的电测深、电剖面、电透视等各类电法勘探的数据采集工作，形成“大满贯式”全面数据采集，提高了井下物探效率。

2）保障物探精细度和可靠性。“矩阵式”电极模式多通道测量在探测应用中，可同时完成2 套电测深、电剖面、赤道单极-偶极电透视法工作方式的数据采集，提高了数据的采集密度，丰富了数据的种类多样化和全面化，多套数据对比补充、综合分析，保障物探的精细度和可靠性。

3）拓宽应用范围。矩阵电极探测系统是对现有矿井电法的进一步改进和创新，通过对直流电法、高密度电法、电透视法等多种电法技术取长补短、融合创新、集成应用，形成“大一统”优势电法勘探技术，突破现有矿井水文物探技术的瓶颈，提出了一种创新型“矩阵式”电极模式与数据采集方式，一次布线、一轮供电实现电测深、电剖面、电透视等各类矿井电法的高效、精细勘探，打破了矿井电磁法适用范围受限、技术停滞不前的尴尬局面，提升了电法勘探技术的水平，使水文物探技术在矿井安全生产中具有更大的推广性和适用性。

4 工程实例

焦作煤业（集团）有限责任公司中马村矿39022工作面水文地质条件复杂，主采煤层附近承压含水层水压高、水量大、补给丰富，断层、裂隙分布广泛，为保障煤矿的安全生产，矿方对该工作面实施了疏水降压改造工程。现工作面准备进入回采阶段，需对工作面底板改造工程的质量进行效果检验、评价工作面回采水害安全性，为工作面安全顺利回采提供参考依据。

1）施工布置。本次39022 工作面底板改造工程的质量检测采用矩阵电极探测系统技术，在39022工作面回风巷和运输巷分别布置1 套矩阵电极探测系统。每套系统的探测电极呈双排矩阵形布置在巷道底板中，矩阵电极行间隔5 m，列间距3 m，且双巷探测时在对应巷道内布置间距为50 m 的透射供电点。具体测量时，按顺序对工作面巷道进行。“矩阵式”电极模式多通道测量，对透射供电点依次供电，一次布线、一轮供电完成了该巷道的电测深、电剖面、电透视等各类矿井巷道电法勘探。

2）勘探结果。中马村矿39022 工作面底板赋水性探测成果图如图10，图中主要反映了相对低阻区的分布范围、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（相对低阻异常区）。视电阻率值越小（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。从图中可以看出，工作面底板探测范围内存在4 个低阻异常区。这些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，工作面回采时，这些低阻区附近发生底板出水的可能性较小。

图10 工作面底板赋水性探测成果图Fig.10 Water bearing detection result of working face floor

3）验证情况。矿方对4 处低阻异常区采取了钻探验证，每处低阻区均布置2 个煤层底板下方L8灰岩附近的钻孔。结果显示：4 处勘探低阻区内的钻孔出水量及注浆量都较小，这与该工作面已完成疏水降压等已知地质资料相符合，且39022 工作面已完成安全回采，无底板出水现象，物探结论准确、可靠。

5 结 语

1）提出的“矩阵式”电极布置模式和多通道数据采集技术，通过一次布线、一轮供电实现了电测深、电剖面、电透视等各类矿井电法勘探的数据采集工作，提高了井下物探工作效率。

2）系统矩阵式电极探测时，能够同时完成2 套电测深、电剖面、赤道单极-偶极电透视法工作方式的数据采集，提高了数据的采集密度，丰富了数据的种类多样化和全面化，保障物探的精细度和可靠性。

3）矩阵电极探测系统通过对直流电法、高密度电法、电透视法等多种电法技术取长补短、融合创新、集成应用，突破现有矿井水文物探技术的瓶颈，提出的创新型“矩阵式”电极模式与数据采集方式，实现了电测深、电剖面、电透视等各类矿井电法的高效、精细勘探，提升了电法勘探技术的水平，实现矿井电法技术的进一步创新和拓展。