矿井电法高效顶板探测系统研究与应用

2022-01-26温亨聪刘宝宝杨海涛

煤矿安全 2022年1期

温亨聪，刘宝宝，杨海涛

（焦作煤业（集团）有限责任公司科学技术研究所，河南焦作454002）

矿井顶板水害是影响煤矿安全生产的重要因数之一，井下工作面在采掘过程中，顶板受采动影响通常会出现跨落带、断裂带和弯曲下沉带，若跨落带、断裂带与上部含水层或老空积水贯通，极易出现顶板溃水、溃沙、突泥等顶板水害事故[1]。为防止顶板突水事故的发生，矿方应对煤层顶板的富水性进行全面探测[2]。目前国内外对顶板富水性探测的主要手段为直流电法、高密度电法、并行电法、音频电透视法等矿井电法，这些技术凭借着抗干扰能力强、对含水体反映灵敏的特点，在矿井顶板水害防治方面取得了良好效果[3]。

但随着煤矿开采不断机械化、深部化，矿井电法在满足现场生产需求方面存在诸多不足。如工作面顶板岩体坚硬，电极难以打入，电极与顶板间无固定点，电极布置困难，难以实现电极在顶板上的一次性布置，造成以高密度电法、并行电法为代表的多通道电法技术无法推广使用，而以探测电极少、结构简便为特点的直流电法、音频电透视法为单通道数据采集，地电场数据密度有限、物探效率低；巷道顶板过高，电极布置困难，需要人员利用梯子登高作业，将电极固定在顶板上，并随着测点移动频繁上下梯子，施工繁琐、劳动强度大，极大增加了高空作业的危险性，存在严重的安全隐患；顶板岩质坚硬、干燥，电极难以打入岩体内，电极与顶板耦合接触差、接地困难，所采集的数据跳跃性大、极不稳定，存在较大偏差，严重影响探测结果的精细度和可靠性[4-6]。

基于此，根据矿井电法现有技术和设备的发展情况，结合顶板高空作业因素，创新提出了一种高效、精细的顶板赋水性探测系统。该系统采用矩阵测点和伸缩探测杆的高效探测组合，完成顶板电法多通道探测网络铺设，提高物探效率；伸缩探测杆为高空电极布设模式，使电极高空布设简单方便，消除人员的高空作业安全隐患；海绵耦合套为数据采集优化装置，优化顶板电法数据采集质量，实现工作面顶板赋水性的高效、精细探测。

1 方法原理

1）矿井电法。矿井电法技术经过多年发展，其技术主要有直流电法、高密度电法、并行电法、音频电透视法等[7]。这些方法的基础原理大致相同，均是以煤岩层的导电性差异为基础，通过人工向目标体供入稳点电流、观测其电流场的分布规律，从而确定岩、矿体的物性分布规律和地质构造特征等[8]。施工方式大致为通过接地电极把电流供入目标体中，而通过其他接地电极观测用于计算目标体电阻率所必需的电位或电位差信息。

2）单通道测量。单通道测量方式在矿井电法中以直流电法和音频电透视法为典型代表，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，对下一个测深点或供电点进行类似观测。该测量方式普遍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[9]。

3）多通道测量。多通道测量方式在矿井电法中以高密度电法和网络并行电法为典型代表，其原理是以岩、土导电性的差异为基础，研究人工施加稳定电流场的作用下地下传导电流分布规律，是一种集测深和剖面法于一体的多装置、多极距的组合方法，具有一次布极即可进行的装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息，信息多且观察精度高、速度快、探测深度灵活等特点[10]。

2 矿井电法高效顶板探测系统

矿井电法高效顶板探测系统属于矿井水害防治技术领域，主要包括顶板电法多通道探测网络、伸缩探测杆电极布设模式、海绵耦合套数据采集优化装置。其采用多通道矩阵电极为探测方式，大幅度提高矿井电法顶板探测效率；伸缩探测杆操作简单、安设方便，减小人员的高空作业危险性；海绵耦合套提高探测电极与顶板的耦合接触，优化顶板电法数据采集质量，实现工作面顶板赋水性的高效、精细探测。

2.1 顶板电法多通道探测网络

顶板电法多通道探测网络是矩阵测点和伸缩探测杆的高效组合应用，是对现有矿井顶板电法的进一步改进和创新，其包括若干伸缩探测杆、连接线、测量大线、现场主机、无穷远电缆和无穷远电极。顶板电法多通道探测网络示意图如图1。

图1 顶板电法多通道探测网络示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-channel detection network of roof electric method

多通道探测网络铺设时，在探测巷道内铺设测量大线，并在巷道顶板标定探测点的位置，在距探测区域一定距离的巷道底板布置无穷远电极，无穷远电极与现场主机用无穷远电缆连接；在探测巷道内一次性布置好所有的伸缩探测杆，伸缩探测杆呈双排矩阵形按照固定的行间距和列间距布置在巷道顶板中，且其位置与顶板标定的探测点对应；每个伸缩探测杆的两端分别顶紧巷道的顶板和底板，伸缩探测杆通过连接线与测量大线连接，测量大线与现场主机连接，现场主机通过无穷远电缆连接无穷远电极，形成顶板电法多通道探测网络，该网络能多频供电、一次布线、一次布极、一轮完成巷道顶板的电测深、电剖面、电透视等电法勘探，大幅提高探测效率。

2.2 伸缩探测杆电极布设模式

伸缩探测杆包括铜电极、连接端头、伸缩内杆、管旋紧锁、伸缩外杆、握把、内置铜线和卷筒。连接端头的一端与铜电极连接，另一端与伸缩内杆固定连接；伸缩内杆和伸缩外杆通过管旋紧锁连接固定，握把固定在伸缩外杆远离管旋紧锁的一端；内置铜线位于伸缩杆内部，且缠绕在卷筒外部，其一端与铜电极相连接，另一端通过卷筒内部与连接线相连接。伸缩探测杆示意图如图2。

图2 伸缩探测杆示意图Fig.2 Schematic diagram of telescopic detection rod

顶板电法电极布设时，在探测巷道内一次性布置好所有的伸缩探测杆，伸缩探测杆的位置与顶板标定的矩阵测点对应，旋松管旋紧锁，将伸缩内杆向外拉伸，同时带动内置铜线的移动和卷筒的转动，铜线随着卷筒转动向外延伸，同时卷筒内侧的多环形弹簧片逐渐拉伸压缩（回收时多环形弹簧片回弹而回转卷筒，缠绕铜线）；将伸缩探测杆伸长至合适长度时，拧紧紧锁外旋套，将伸缩探测杆带铜电极一端顶紧顶板，握把一端顶紧底板，使伸缩探测杆铜电极与顶板良好耦合接触，完成伸缩探测杆电极布设。

2.3 海绵耦合套数据采集优化装置

海绵耦合套包括海绵套和铜电极，海绵套固定在铜电极的前端。伸缩探测杆电极布设时，海绵套沾浸硫酸铜溶液并包裹铜电极前端，将伸缩探测杆带铜电极一端顶紧顶板，握把一端顶紧底板，提高伸缩探测杆铜电极与顶板岩层的耦合接触，减弱铜电极的激发极化效应，优化顶板电法勘探时数据采集的质量。海绵耦合套示意图如图3。

图3 海绵耦合套示意图Fig.3 Schematic diagram of sponge sleeve

2.4 系统优势

1）多通道探测网络，提高顶板物探效率。系统采用伸缩探测杆顶板电极布设模式和多通道数据采集技术，解决了顶板电极快速、成组、矩阵布置的难点，实现了矿井顶板电法多通道探测网络的铺设，通过一次布线、一次布极、一轮完成巷道顶板的电测深、电剖面、电透视等电法勘探工作，提高了井下顶板电法探测效率。

2）轻便电极布置模式，消除高空作业安全隐患。系统在顶板电极布置时采用伸缩探测杆电极布置模式，所用伸缩探测杆操作简单、安设方便，无需人员登高作业就能把探测电极固定在巷道顶板上，减少人员的高空作业危险性，消除安全隐患，提高物探施工的安全性。

3）海绵耦合套，优化数据采集质量。系统采用的电极海绵套，通过沾浸硫酸铜溶液，包裹电极前端，提高探测电极与顶板的耦合接触，减弱铜电极的激发极化效应，确保顶板电法勘探时数据采集的稳定、准确、可靠。

3 工程实例

焦煤公司下属矿井16051工作面顶部为巨厚松散层且基岩层较薄，顶板含水层水量大、补给丰富，工作面存在顶板溃水溃沙的危险。工作面回采前，急需探明煤层顶板上方的岩层赋水性情况，划分顶板基岩层附近的相对贫、富水区域，分析物探范围内工作面回采时的顶板富水区域的威胁性，为煤矿的安全生产和灾害治理提供重要依据。

3.1 施工布置

本次16051工作面顶板赋水性探测采用矿井电法高效顶板探测系统。多通道探测网络铺设时，在16051工作面进风巷、回风巷和切眼内铺设测量大线，并在巷道顶板标定探测点的位置，在距探测区域500m远的巷道底板布置无穷远电极，无穷远电极与现场主机用无穷远电缆连接。顶板电法高效探测系统布置图如图4。

图4 顶板电法高效探测系统布置图Fig.4 Exploration plan of roof electrical method efficient detection system

在16051工作面所有探测巷道内一次性布置好所有的伸缩探测杆，伸缩探测杆呈双排矩阵形按照5m的行间距和3m的列间距布置在巷道中，且其位置与顶板标定的探测点对应；每个伸缩探测杆的两端分别顶紧巷道的顶板和底板，伸缩探测杆通过连接线与测量大线连接，测量大线与现场主机连接，现场主机通过无穷远电缆连接无穷远电极，形成顶板电法多通道探测网络。具体测量时，对探测网络采用多频依次供电，完成不同频率的顶板电法数据采集，每次供电1轮完成巷道顶板的电测深、电剖面、电透视的数据采集。

3.2 勘探结果和验证情况

16051工作面顶板赋水性探测的成果图如图5。图5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5 顶板电法勘探成果图Fig.5 Roof electric prospecting result drawing

由图5可以看出，工作面顶板探测范围内存在1个低阻异常区，此低阻区位于煤层顶板上方冲积层底界面附近且向下发育延伸至工作面顶板、异常范围从上至下逐渐扩大，分析认为该低阻区系附近岩层相对破碎、裂隙发育或具有一定赋水性引起。

矿方对16051工作面顶板电法探测出的低阻异常区采取了钻探验证和注浆加固的安全措施。按照勘探结果，矿方在工作面进风巷、回风巷最靠近低阻区的巷道位置布置钻机进行施工。施工结果显示：布置在巷道顶板的钻孔出水位置均位于或靠近勘探异常区内，且布置在异常区内的钻孔越靠近冲积层底界面附近，钻孔出水量越大，勘探结果与工作面钻孔出水量分布等已知地质资料相吻合，探测结果准确、效果可靠。