徐 翀， 韩云春， 张 寒， 任 波， 凡 净

(1．淮南矿业集团，安徽 淮南232001;2．安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001)

煤层安全开采过程中，探查与分辨底板岩层赋水条件对回采安全至关重要。随着开采水平的延伸和开采深度的增加，矿井受水害威胁的程度日趋严重，提高探测工作面底板隐伏构造和含水体的精度也更加迫切。目前，煤层工作面底板水害条件探查手段主要有传统地质手段、钻探法及地球物理勘探法三类。传统地质手段判断工作面底板赋水情况时，存在误差较大、难以准确判别的问题;钻探法则存在施工工期较长、成本大、施工目标较为盲目等问题;地球物理勘探方法具有施工方便、异常区域分辨明显、探测成本低等优势，可以高效率地探测出异常区。

目前，工作面底板岩层赋水性探测所采用的地球物理方法主要有矿井瞬变电磁法［1］、音频电透视法及矿井直流电法［2］等。矿井瞬变电磁技术虽然操作方便，但在井下施工时受巷道支护材料等金属干扰影响很大。音频电透视技术在煤矿工作面底板水探测中虽然取得了一定的效果，但其探测深度受工作频率的限制。另外，受观测系统及技术手段的限制，采集的数据量较少，对异常范围圈定不够精确。矿井直流电法受现场施工条件限制较少，方法相对可靠，并且采用适合的观测系统布置可以得到工作面底板下一定深度的岩层电阻率剖面信息［3－4］。然而，现有的矿井直流电法技术主要是针对赋水区空间的探查与定位，对受采动条件影响的动态发育过程难以掌握。因此，积极开展电法透视探测及监测评价研究，对发挥矿井电法在矿井防治水工作中的作用具有重要意义。笔者以井下工作面底板水害条件为基础，采用并行电法监测技术，进行地面模拟实验，为煤层工作面底板水害条件探测提供了借鉴。

1 并行电法监测技术

1.1 并行电法监测原理

并行电法是直流电阻率法的一种。并行电法仪的每一电极都配备A/D 转换器，可自动采样，相当于智能电极。智能电极通过网络协议与主机保持实时联系，在接受供电状态命令时电极采样部分断开，让电极处于AB 供电状态，否则一直处于电压采样状态，并通过通讯线实时地将测量数据送回主机。该仪器通过供电与测量的时序关系对自然场、一次场、二次场电压数据及电流数据自动采样，采样过程没有空闲电极出现。由于采用并行技术，数据采集具有同时性和瞬时性，可得到供电测线上的全部电位数值，电法更加真实合理，极大地提高了视电阻率的时间分辨率。

1.2 电场数据的三维反演

采用并行电法技术采集的电场数据，通过电场常规数据解编后，可以根据装置类型提取出相应的电流及电位数据。通常情况下，将提取出的电流及电位数据组合后，进行电阻率三维反演［5－10］。电阻率三维反演问题的一般形式［11］为

式中:G——Jacobi 矩阵;

Δd——观测数据d 和正演理论值d0的残差向量;

Δm——初始模型m 的修改向量。

将模型剖分成三维网格(图1)，反演要求参数为各网格单元内的电导率值，三维反演的观测数据则是测量的单极－单极电位差值或单极－偶极电位差值。由于它们变化范围大，一般用对数标定反演数据及模型参数，这有利于改善反演的稳定性。由于反演参数太多，传统的阻尼最小二乘反演往往导致模型过于复杂，即产生所谓多余构造，它是数据本身所不要求的或是不可分辨的构造信息，给解释带来困难。Sasaki 在最小二乘准则中加入光滑约束，反演求得光滑模型，提高了解的稳定性。求解模型修改向量Δm 的算法［11］为

式中:C——模型光滑矩阵;

λ——阻尼系数。

通过求解Jacobi 矩阵G 及大型矩阵逆，求取各三维网格电性数据。

图1 三维网格单元划分Fig．1 Three-dimensional grid cell division

2 模拟实验

2.1 系统布置

模拟实验要求在相同探测区域布置固定的探测模式，在不同时间段内进行相应的测试。以井下工作面底板水害条件为基础，进行地面模拟实验。探测实验在草地上展开，探测区内布设一个深10 m、直径40 mm 的注水孔。电极按钻孔间距0.5 m 的规律布置成十字型，便于观测注水孔水量变化后的电性参数。图2 为检测系统布置。探测区域呈正方形，纵横测线共64 个电极，横测线布置1#～32#，长度15.5 m;纵测线垂直横测线，电极为33#～64#，长度15.5 m。

图2 检测系统布置Fig．2 Detection system arrangement

2.2 数据采集

直流电法监测模型实验分为背景值选取和钻孔注水特征连续探测两部分:

(1)背景值选取。对注水孔本身水量水位探测2 次，得到注水孔在不同时间的水位变化特征，以此作为背景值。

(2)钻孔注水特征连续探测。2014年4月29日、30日，5月1日、5月4～7日，采用AM、ABM 两种探测方式，对地下岩土层含水特征进行探测分辨。每次向钻孔中加入一桶容积约7.3 L 的水，以此探测结果与背景值进行对比。

现场电极布置完毕，待孔内水量稳定后，将电极连接线按设计顺序接好，并布置好必要的电极电位参照点(无穷远极B 极与N 极)。开始测量注水孔区域背景电阻率值，共采集电法数据7 d。随着钻孔注入水量不断增加，地下岩土层的电性条件不断变化，根据采集的电位、电流计算电阻率变化特征，分析监测地下岩土层的含水变化情况。

图3 为实验模型探测坐标系及AM 法反演示意。其中，观测系统L1、L2线上各电极间距为0.5 m，单条测线布置32 个测试电极，即单条测线长度为15.5 m。所有实验电极均采用铜电极，以此保证电极的可靠性及有效性，最大程度地降低电极对测试结果的影响。测试时，采集的数据包括三极法(AM 法)、四极法(ABM 法)两类数据体。

2.3 结果分析

根据现场采集的不同时段的数据，提取AM 法中单极－ 偶极电位差数值及ABM 法中的“温四”“温偶”两种方式的电位差数值，进行探测区域电性参数反演，其中AM 法反演对纵向深度效果较好，因此，文中给出AM 法反演结果。图4、5 给出了深度为－0.15、－0.83、－1.73、－3.01、－4.64、－6.57 m时的电阻率切片对比结果。

图3 探测区域坐标系构建及AM 反演示意Fig．3 Detection area coordinate system building and AM inversion

图4 直流电法监测AM 法结果切片Fig．4 AM results section of direct current monitor

图5 直流电法监测AM 法结果切片Fig．5 AM results section of direct current monitor

由图4、5 可以看出，随着注水量不断增加，注水孔不同深度的低阻区也逐渐明显，且低阻响应区与注水钻孔位置较吻合。

综合分析可知，不同时间段内，随着水量不断增加，钻孔注水孔内水位也发生相应变化。直流电法可以很好地查明注水后孔底部岩层电性发育情况，准确判断不同深度、不同层位的含水变化，从而较好地评价探查区岩层含水量的变化情况。

3 结束语

此次直流电法监测地下水动态的实验，通过对钻孔注水补给岩层，探查与预测其岩层含水变化特征。三维空间电阻率反演结果表明，随着钻孔注水量的不断增加，低阻区域逐渐明显。这与预测结果相吻合，从而证明直流电法在地下水动态监测中是可行的。直流电法可以较好地反应注水钻孔的位置，不同深度、不同条件下注水后岩土层水量的变化情况。

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