2024-04-14
（1）采用孔间直流电透视观测系统研究了工作面回采过程中煤层底板的电性时移变化特征，揭示了煤层底板采动破坏电阻率时移规律和机理。（2）将探测目标从单一的研究地质异常转换到对煤层采动过程中工作面底板破坏的全生命周期动态监测，进而实现了工作面底板的精细化监测。基于孔间直流电透视的煤层底板采动破坏电阻率时移变化规律与机理
作者：岳建华1, 2 ， 滕小振1 ， 胡双贵1 ， 习丹阳1 ， 张河瑞3单位：1. 中国矿业大学 资源与地球科学学院; 2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室; 3. 中国矿业大学 安全工程学院煤层开采引起的集中应力会造成底板破坏，底板应力场及破坏深度的研究是底板承压水突水研究的基础。煤层底板突水是采动矿压和水压共同作用的结果，工作面回采过程中，煤层底板因应力变化产生变形、破坏使得底板隔水层厚度变薄，削弱了岩体的隔水性能，容易形成导水裂隙带，导通深部岩溶水发生突水事故。因此，研究煤层底板破坏带深度且实时监测其动态发育演化过程，是矿井水害防治中亟待解决的难题之一。李富等结合煤层底板的破坏机理对易突水区域 的电阻率变化进行分析，建立 3种模型，并对突水点进行预测，设计出一种快速、有效、方便的矿井直流电法数据采集系统来预测底板的突水情况。张平松等为研究煤层采动过程中底板破坏与上覆岩层受采动超前影响至后期的动态发育规律及特征，先后采用震波 CT 探测技术与立体直流电法对采动过程中底板及上覆岩层进行连续探测。雷贵生等采用矿井直流电法探测带压工作面底板，含水层、潜在突水构造的位置及其分布规律取得很好的效果。刘树才在岩样物性分析的基础上建立底板采动导水裂隙带动态演化地电模型，得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征。王家臣等采用矿井电剖面法探测工作面回采过程中底板破坏深度及岩层电性特征的变 化。高召宁等采用直流电法，根据采动过程中岩层电阻率值的时空变化，探讨了底板岩层及覆岩破坏与电阻率的响应关系，分辨岩层结构破坏及裂隙发育规律。张峰等采用高分辨电法仪在承压水上开采的相似模拟实验中探测煤层底板岩层电阻率，有效反应煤层底板在水压和顶板压力作用下的变化以及回采过程中不同时间的底板变形与破坏变化情况。近些年直流电法由探测逐渐转变为监测，为地下电阻率成像提供了随时间的变化特征。DAIL Y等提出了一种使用初始数据和后续数据的比率反演方法，突出了电阻率相对于背景值的变化。KIM等开发了一种使用空间变化跨模型约束的时移反演算法 并提出了选择性跨模型约束，用来识别所有随时间的显著变化，该方法在监测堤坝渗漏区中取得良好的效果。KARAOULIS 等将空间和时间约束转换为活动约束，在反演中纳入先验信息，进而来区分与噪声相关的伪影，得到电阻率的真实变化，也解决了电阻率层析成像随深度增加分辨率降低的问题。LI Shu-cai等提出了一种以多电极阵列为特征的三维感应极化方法，并将其与时移反演实时监测和井间电阻率法相结合引入到隧道和矿山等地下工程突水灾害的预测预警。LIU Bin等将先验时间梯度约束与对观测数据进行归一化，以增强模型参数的敏感性，过滤初始模型的假异常，突出模型随时间变化的重要信息，并在隧道突水引起的地下水运移监测中成功应用。马欢等通过归一化延时电阻率法反演有效地分辨出电阻率结构的微小变化。李飞等基于延时高密度电法的覆岩精细探测方法，建立采前和采后的三维地质地球物理模型，通过数值仿真计算得到了覆岩变 形破坏的异常特征。孙卫民等对常见堤防隐患开展三维正演数值模拟分析，研究了时移高密度电法在堤防隐患探测技术上的有效性。张建智根据填埋场地的物性参数，模拟不同深度低阻体的响应特征，证实了填埋场中所测的渗滤液电阻率、残值及视反射系数随时间具有动态变化特征。ZHOU Wenlong等将分布式光纤传感技术和电阻率三维反演方法应用到监测深部特厚煤层开采过程中受应力影响煤层底板变形破坏的精细特征。LIU Bin等提出了一种重构连续测量并执行 GPU 并行反演数据集的方案，该方案能够准确的定位和描述介质电阻率的快速变化。 张清明等开展了注水前后连续3D电阻率探测试验，通过引入电阻率反射系数，分析了注水前后不同时刻的电阻率变化规律。徐涛等基于时移电阻率法基本原理，开展了膨胀土岸坡含水平裂缝结构电阻率法正演模拟，采用数据比算法对不同时刻视电阻率归一化，反映出了膨胀土岸坡局部电性结构细微变化。苏鹏等在常规电阻率反演算法的基础上，推导了延时电阻率反演公式，得出延时反演算法可以消除不同观测数据集中所包含的随机误差，减少假异常的出现。在饱和岩石中，电导率对原生孔隙度和次生孔隙度都很敏感，JOHNSON 等使用三维时移电阻率成像来监测深部岩层压力改变后岩层裂缝的电场响应规律。 YANG Haiping 等基于并行电法监测技术，采用约束时移电阻率反演方法，消除了反演伪影，最终确定了工作面底板破坏带的最大深度。KIM等将二维反演导出的初始模型进行三维反演，通过时移电阻率成像为基坑施工过程中监测地下地面稳定性提供了 一种有效方法。在电阻率成像中，通常首选高密度电法，该方法破坏性较小且成本较低，但其分辨率随着深度的增加而迅速降低。孔间电阻率成像以布置钻孔为代价，对于一定深度的目标体，其分辩能力将远优于其他观测方式，尤其适用于监测煤层底板某一深度破坏的高分辨率要求。孔间电透视法探测理论与方法研究方面，白登海和于晟从Shima方法出发，系统的阐述了浅层电阻率层析成像的原理和方法。王桦等提出了单极−单极孔间直流电阻率法，通过水压致裂过程中电阻率变化的测试，证明了该方法的可行性。BELL- MUNT等为评估不同装置形式对地下结构的分辨能力，提出了灵敏度和异常检测的指标。WANG Haoran等阐述了孔间电阻率成像中产生对称效应的原因，并提出了组合数据反演方法与加权模型叠加技术来有效地抑制对称效应，提高空间分辨率，该研究对电极装置的选择和结果解释具有重要意义。蒋林城等通过对不同的异常体模型进行数值模拟，综合灵敏度剖面图，发现灵敏度等值线剖面图的疏密、 形态、正负值范围等对分辨率有着直接的影响，并对各种复杂异常体在反演图中所呈现的不同形态进行了区别分析与归类。张欣欣基于扩展卡尔曼滤波的时序反演方法，利用孔间电阻率法完成了地下水运移的实时监测数值模拟和物理试验。付强等定性地分析并总结了各模型反演图像中必然伪影的存在和分布规律，为跨孔电阻率探测的解释提供了指导。笔者在上述学者的研究基础上，将孔间直流电透视观测系统应用到监测煤层底板采动破坏规律的研究中，通过数值模拟对比了比值法与反射系数法对监测数据的处理效果，确定反射系数法能直观的突出底板破坏的异常范围与边界。然后，建立多组典型的地电模型，验证孔间直流电透视方法的准确性，揭示采动过程中底板承压水导升与底板破坏带的电性响应规律与特征。最终，开展井下监测试验，结合现场监 测数据准确判断煤层底板的破坏范围。煤层采动过程中，底板应力状态的改变会产生变形与破坏，而不同煤层采动过程中底板破坏具有一定的规律。目前基于直流电阻率法的煤层底板水害监测主要集中于底板变形与破坏的电阻率响应特征上。为了研究工作面回采过程中煤层底板的电性时移变化特征，采用孔间直流电透视观测系统和时移电阻率反射系数法，通过数值模拟和现场试验揭示了煤层底板采动破坏电阻率时移规律。首先，针对典型地电模型，对比单独反演和时移电阻率变化率的结果，验证了孔间直流电透视时移方法的可靠性。然后，针对煤层底板采动破坏，分析了采动过程中底板承压水导升与底板破坏带的电性响应规律与特征，并讨论了时移电阻率反射系数确定煤层底板破坏深度的可行性，为野外施工提供理论依据。最后，通过现场监测试验，获得工作面回采过程中煤层底板的电性变化特征，并采用时移电阻率反射系数R确定了工作面底板岩层的破坏深度为15 m。结果表明：利用孔间直流电透视法获得的煤层底板采动破坏电阻率时移特征可在一定程度上消除了监测数据中的地层因素和随机噪声影响，且时移电阻率反射系数可用来确定煤层底板破坏深度。该方法将探测目标从单一的研究地质异常转换到对煤层采动过程中工作面底板破坏的全生命周期动态监测，进而实现了工作面底板结构破坏的精细刻画。
图 1 孔间直流电透视法观测系统示意
图 2 孔间直流电透视法时移反演验证
图 3 底板岩层破坏分区示意
图 4 煤层底板承压水导升模型
图 5 煤层底板承压水导升时移模型反演断面
图 6 煤层底板承压水导升反射系数 R 断面
图 7 煤层底板采动破坏地电模型
图 8 煤层底板采动破坏时移模型反演断面
图 9 煤层底板采动破坏反射系数 R 断面
图 10 孔间直流电透视监测系统施工布置
图 11 采动过程中底板岩层监测视电阻率反演断面
图 12 采动过程中底板岩层监测反射系数 R 断面
图 13 采动过程中底板高密度监测视电阻率断面
图 14 采动过程中底板高密度监测反射系数 R 断面
岳建华，男，1964年12月12日生，山东省济宁市人，俄罗斯工程院外籍院士，中国矿业大学二级教授，博士生导师。国家“百千万人才工程”煤炭系统专业技术拔尖人才，江苏省“333人才培养工程”中青年学术带头人，中国科学技术基金会孙越崎青年科技奖获得者，江苏省“五一”劳动奖章获得者，徐州市劳动模范。先后主持“十二五”国家科技支撑计划项目“煤矿突水、火灾等重大事故防治关键技术与装备”、国家自然科学基金重点项目“全空间伪随机张量电磁法监测理论与方法研究”和 国家自然基金面上项目“矿井多匝小回线瞬变电磁法理论基础研究”、“含导水构造的瞬态电磁响应特征与突水探测基础研究”、“巷道影响下全空间瞬变电磁场的三维数值模拟方法及其分布规律研究”、“突水预测的矿井直流电法理论与技术”等4项，主要参加973计划项目“预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究”、863计划项目“矿井灾害监测预警技术的研究”、国家发改委重大产业科技攻关计划项目“西部煤炭资源高精度地震勘探”、国防173计划项目等。获国家级、省部级科技进步奖10项。出版专著、教材6部，在国内外发表学术论文160余篇。
研究方向
煤炭电法勘探，矿井电法勘探，工程与环境地球物理
主要成果
长期从事矿井地球物理勘探方法与基础理论研究，是我国矿井直流电法和矿井电磁法的奠基人之一，亲身经历并组织了煤层底板突水条件评价—顶板富水区探测—掘进工作面超前探—老窑采空区探测—采场顶、底板动态监测等不同阶段研究工作，先后建立全空间稳恒电流场理论和全空间多匝小回线瞬变电磁理论，分别针对采煤工作面和掘进工作面两大典型工作场所，形成了以矿井直流电阻率法、瞬变电磁法、电磁波层析成像和探地雷达为主要方法的地下超前探测技术体系。
来源：
岳建华，滕小振，胡双贵，等. 基于孔间直流电透视的煤层底板采动破坏电阻率时移变化规律与机理[J]. 煤炭学报，2024，49(1):601−615.
责任编辑：宫在芹
