礦井音頻電透視供電集成系統(tǒng)研究與應(yīng)用

溫亨聰 ，劉寶寶 ，楊海濤

（河南焦煤能源有限公司科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454002）

我國多數(shù)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隨著煤礦開采規(guī)模擴(kuò)大，開采深度增加，開采時(shí)所承受的水壓增大，煤礦井下突水事故增加，重特大突水事故頻發(fā)[1-2]。國內(nèi)外對礦井水害的探測，經(jīng)過多年實(shí)踐與應(yīng)用，普遍采用礦井電法對工作面進(jìn)行賦水性探測。其中，礦井音頻電透視技術(shù)憑借其對煤層頂?shù)装鍘r性變化反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，多應(yīng)用于探測工作面頂、底板巖層內(nèi)的賦水性變化情況，在礦井水害防治方面取得了良好效果[3]。

但隨著煤礦開采不斷智能化、機(jī)械化，工作面也向著大型化、規(guī)模化發(fā)展，礦井音頻電透視在滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求方面存在諸多不足[4]。如在供電巷道內(nèi)施工時(shí)，供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜與供電點(diǎn)在空間上相互綁定，供電點(diǎn)改變移動(dòng)時(shí)，供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜也必須跟隨頻繁移動(dòng)，操作人員繁多、施工復(fù)雜、耗時(shí)耗力；音頻電透視勘探普遍采用“定點(diǎn)測量法”施工方式，工作方法與礦井無線電透視類同，具有定點(diǎn)供電，多點(diǎn)測量的特點(diǎn)，探測時(shí)需對每個(gè)供電點(diǎn)供電，對應(yīng)在測量巷道的扇形對稱區(qū)域內(nèi)布置多個(gè)觀測點(diǎn)依次進(jìn)行單通道測量，測量點(diǎn)存在大量重復(fù)測量情況，增加人員勞動(dòng)強(qiáng)度及施工時(shí)間，施工復(fù)雜、通信困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，嚴(yán)重影響礦井音頻電透視勘探的推廣應(yīng)用[5-7]。

為此，根據(jù)礦井電法現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展情況，結(jié)合音頻電透視井下施工布置，創(chuàng)新提出了1 種高效、準(zhǔn)確的礦井音頻電透視探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)為供電方式，提高物探效率；供電端口集中控制模式，減少人工誤操作，提高采集準(zhǔn)確性；類同步測量法為數(shù)據(jù)采集優(yōu)化方式，提高方法實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)工作面音頻電透視的高效、準(zhǔn)確探測。

1 方法原理

1.1 礦井音頻電透視法

礦井音頻電透視法是以煤、巖層的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過人工向地下供入音頻范圍內(nèi)的低頻電流，觀測大地電場的分布規(guī)律，結(jié)合礦井地質(zhì)條件，推斷工作面頂、底板一定深度范圍內(nèi)含水地質(zhì)體的性質(zhì)、富水強(qiáng)度、空間連通形態(tài)以及分布范圍[8]。它與礦井無線電坑透法類似，均依據(jù)CT 掃描工作原理，利用2 條相對巷道交替進(jìn)行發(fā)射和接收，記錄發(fā)射電流和接收的一次場電位差，結(jié)合工作面幾何參數(shù)計(jì)算出每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對應(yīng)的每個(gè)接收點(diǎn)的視電導(dǎo)率值，多重交匯，繪制出工作面中一定深度范圍內(nèi)巖層平均視電導(dǎo)率值的平面等值線圖，從而得知此范圍內(nèi)富、導(dǎo)水區(qū)域的平面分布位置和特征[9]。

1.2 類同步測量法

類同步測量法是音頻電透視勘探的優(yōu)化施工方式，具有定點(diǎn)測量、多點(diǎn)多頻供電的特點(diǎn)：測量時(shí)，測量點(diǎn)在一定的時(shí)間內(nèi)相對固定，明確每個(gè)測量點(diǎn)所對應(yīng)的全部供電點(diǎn)，并依序逐點(diǎn)對供電點(diǎn)進(jìn)行多頻供電，一次性完成同一測量點(diǎn)的所有場強(qiáng)值觀測。當(dāng)同一測量點(diǎn)所有場強(qiáng)值觀測完畢后，固定測量點(diǎn)依序后移，重復(fù)上述操作直至測量巷道內(nèi)所有測量點(diǎn)觀測結(jié)束?！邦愅綔y量法”中測量點(diǎn)的移動(dòng)為正向前進(jìn)，避免測量點(diǎn)的往返重復(fù)測量，減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度及施工時(shí)間，提高礦井音頻電透視勘探的工作效率[10]。

2 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

礦井音頻電透視供電集成系統(tǒng)涉及礦井水害防治技術(shù)領(lǐng)域，主要包括礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)、供電端口集中控制模式、類同步測量數(shù)據(jù)采集法。其采用礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)為供電方式，提高物探效率；供電端口集中控制模式，減少人工誤操作，提高采集準(zhǔn)確性；類同步測量法為數(shù)據(jù)采集優(yōu)化方式，提高方法實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)工作面音頻電透視的高效、準(zhǔn)確探測。

2.1 音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)

礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)是供電端口轉(zhuǎn)換盒和供電集成大線的高效組合應(yīng)用，是對現(xiàn)有礦井音頻電透視法的進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新，其包括供電集成大線、供電端口轉(zhuǎn)換盒、航空接頭、供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)電纜和無窮遠(yuǎn)電極。

礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1。

圖1 礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of mine audio electric perspective power supply integrated network

礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)時(shí)，在距工作面的一定距離的巷道底板布置無窮遠(yuǎn)電極，無窮遠(yuǎn)電極與供電主機(jī)用無窮遠(yuǎn)電纜連接；在工作面供電巷道施工區(qū)段內(nèi)一次性布置好所有的供電電極，供電電極按照固定間距布置在巷道底板中；供電電極通過供電端口外延線與供電集成大線依次連接，供電集成大線與供電端口轉(zhuǎn)換盒相接，供電端口轉(zhuǎn)換盒與供電主機(jī)連接，形成礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)能一次布線、一次布極，快速完成音頻電透視勘探在區(qū)段內(nèi)任意供電點(diǎn)的供電操作，優(yōu)化測點(diǎn)施工方式，形成“類同步測量法”，避免測量點(diǎn)的往返重復(fù)測量，減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度及施工時(shí)間，提高礦井音頻電透視勘探的工作效率。

2.2 供電端口集中控制模式

礦井供電端口集中控制模式主要通過供電端口轉(zhuǎn)換盒和供電集成大線的組合實(shí)現(xiàn)。

供電集成大線由高強(qiáng)度多芯電纜、供電端口、供電端口外延線、航空接頭公頭組成。供電集成大線示意圖如圖2。

圖2 供電集成大線示意圖Fig.2 Diagram of centralized power supply line

高強(qiáng)度多芯電纜由若干絕緣線芯組成，高強(qiáng)度多芯電纜兩端均安設(shè)有航空接頭公頭，航空接頭公頭與高強(qiáng)度多芯電纜內(nèi)絕緣線芯連接，高強(qiáng)度多芯電纜上每隔一定間距布設(shè)供電端口，供電端口向外連接有供電端口外延線，供電端口外延線與高強(qiáng)度多芯電纜內(nèi)部的絕緣線芯按一定順序匹配連接。

供電端口轉(zhuǎn)換盒包括高強(qiáng)度塑料盒、多擋波段開關(guān)、接線柱、航空接頭母頭、內(nèi)置連接線纜。供電端口轉(zhuǎn)換盒示意圖如圖3。

圖3 供電端口轉(zhuǎn)換盒示意圖Fig.3 Diagram of power supply port conversion box

供電端口轉(zhuǎn)換盒頂部安裝有多擋波段開關(guān)和接線柱，供電端口轉(zhuǎn)換盒兩側(cè)各安設(shè)1 個(gè)航空接頭母頭，航空接頭母頭與供電集成大線的航空接頭公頭相連，兩側(cè)航空接頭母頭通過內(nèi)置連接線纜與多擋波段開關(guān)匹配連接，多擋波段開關(guān)和接線柱通過內(nèi)置連接線纜相連接，接線柱作為輸入端口與供電主機(jī)連接。

多擋波段開關(guān)每個(gè)擋位與每條絕緣線芯、每個(gè)供電端口存在一一對應(yīng)、匹配連接的關(guān)系，多擋波段開關(guān)的擋位數(shù)量是供電集成大線內(nèi)絕緣線芯數(shù)量的2 倍，數(shù)量的選擇可根據(jù)具體施工要求進(jìn)行靈活調(diào)整。供電集成系統(tǒng)電路示意圖如圖4。

圖4 供電集成系統(tǒng)電路示意圖Fig.4 Circuit diagram of centralized power supply system

2.3 類同步測量法

類同步測量法示意圖如圖5。

圖5 類同步測量法示意圖Fig.5 Schematic diagram of quasi-synchronous measurement method

實(shí)際物探施工過程中，在供電巷道內(nèi)對供電網(wǎng)絡(luò)采用多頻依次供電時(shí)，供電主機(jī)固定安設(shè)在供電端口轉(zhuǎn)換盒附近，每次供電時(shí)撥動(dòng)多擋波段開關(guān)的不同擋位，完成巷道內(nèi)對應(yīng)位置的供電電極的供電操作；在測量巷道采用“類同步測量法”為施工方式，測量點(diǎn)在一定的時(shí)間內(nèi)相對固定，明確每個(gè)測量點(diǎn)所對應(yīng)的全部供電點(diǎn)，依序撥動(dòng)多擋波段開關(guān)的擋位對供電點(diǎn)逐點(diǎn)進(jìn)行多頻供電，快速完成同一測量點(diǎn)的多頻多點(diǎn)供電施工；當(dāng)同一測量點(diǎn)所有場強(qiáng)值觀測完畢后，固定測量點(diǎn)依序后移，重復(fù)上述操作直至測量巷道內(nèi)所有測量點(diǎn)觀測結(jié)束。

2.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）供電集成網(wǎng)絡(luò)，提高物探效率。系統(tǒng)采用供電集成網(wǎng)絡(luò)，一次布線、一次布極，連接施工區(qū)段內(nèi)所有的供電電極，供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜只需固定安置在供電端口轉(zhuǎn)換盒附近，解除了供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜與供電點(diǎn)在空間上的綁定，避免了隨供電點(diǎn)改變而頻繁移動(dòng)的狀況，提高了井下物探的施工效率。

2）供電集中控制，提高采集準(zhǔn)確性。系統(tǒng)采用的供電端口轉(zhuǎn)換盒操作簡單、簡潔明了，通過撥動(dòng)多擋波段開關(guān)的不同擋位，快速完成音頻電透視勘探在區(qū)段內(nèi)任意供電點(diǎn)的供電操作，避免人工接線忙中出錯(cuò)，提高施工準(zhǔn)確性。

3）類同步測量法，提高方法實(shí)用性。系統(tǒng)采用的“類同步測量法”施工方式，測量點(diǎn)的移動(dòng)為正向前進(jìn)，避免測量點(diǎn)的往返重復(fù)測量，減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度及施工時(shí)間，提高了井下物探效率，使得礦井音頻電透視勘探可更多地適用于各種礦井水害探測。

3 工程實(shí)例

焦煤公司下屬礦井15091 工作面底板存在L8、L2和O2灰?guī)r等多層承壓含水層，存在突水威脅。為保障煤礦的安全生產(chǎn)，對工作面底板煤巖層的賦水性進(jìn)行音頻電透視勘探，探明煤層底板下方巖層賦水性情況，為煤礦的安全生產(chǎn)和災(zāi)害治理提供科學(xué)依據(jù)。

3.1 施工布置

本次15091 工作面底板音頻電透視勘探采用礦井音頻電透視供電集成系統(tǒng)。音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)時(shí)，在工作面的上巷施工區(qū)段內(nèi)一次性布置好所有的供電電極，供電電極按照50 m間距布置在供電巷道底板中；供電電極通過供電端口外延線與供電集成大線依次連接，供電集成大線與供電端口轉(zhuǎn)換盒相接，供電端口轉(zhuǎn)換盒與供電主機(jī)連接，形成礦井音頻電透視供電集成網(wǎng)絡(luò)，探測時(shí)采用供電間距50 m，測點(diǎn)間距10 m，供電集成大線內(nèi)絕緣線芯6 道、12 擋波段開關(guān)等參數(shù)。

具體測量時(shí)，在上巷內(nèi)對供電網(wǎng)絡(luò)采用多頻依次供電時(shí)，供電主機(jī)固定安設(shè)在供電端口轉(zhuǎn)換盒附近，每次供電時(shí)撥動(dòng)多檔波段開關(guān)的不同擋位，完成巷道內(nèi)對應(yīng)位置的供電電極的供電操作；在下巷采用“類同步測量法”施工時(shí)，依序撥動(dòng)多擋波段開關(guān)的擋位，逐點(diǎn)完成對應(yīng)供電點(diǎn)的供電操作，快速完成同一測量點(diǎn)的多頻多點(diǎn)供電施工。

3.2 勘探結(jié)果

音頻電透視法勘探成果圖如圖6。圖中主要反映了相對低阻區(qū)的分布范圍、立體連通情況、發(fā)育變化趨勢及水害威脅性等，其中紅色陰影區(qū)為視電阻率值相對較高區(qū)域，黃色和綠色陰影區(qū)為視電阻率值中等區(qū)域，藍(lán)色陰影區(qū)為視電阻率值相對較低區(qū)域，即相對低阻異常區(qū)。視電阻率值越小，色階藍(lán)顏色越深，表示巖層可能越為斷裂破碎、裂隙發(fā)育或賦水性相對越強(qiáng)。

圖6 音頻電透視法勘探成果圖Fig.6 Exploration result of audio frequency electric perspective

由圖6 可以看出：工作面底板探測范圍內(nèi)存在4 個(gè)低阻異常區(qū)；Y1、Y3低阻區(qū)均位于煤層底板淺層區(qū)域、往深部延伸較少，分析系工作面底板附近煤巖層積水或潮濕引起，發(fā)生水害的可能性較??；Y4僅位于煤層底板深部、距離二1煤層較遠(yuǎn)，分析系附近巖層相對破碎、裂隙發(fā)育或具有一定賦水性引起，發(fā)生水害的可能性較??；Y2主要位于煤層底板下方L8灰?guī)r附近，距離二1煤層較近，且向深部延伸發(fā)育，分析系煤層附近潮濕、積水與底板下方L8灰?guī)r及深部巖層相對斷裂破碎、裂隙發(fā)育或具有一定賦水性共同作用引起，附近容易發(fā)生底板出水等水害。

3.3 驗(yàn)證情況

對4 處低阻異常區(qū)采取了鉆探驗(yàn)證，每處低阻區(qū)均布置2～4 個(gè)煤層底板下方L8灰?guī)r附近的鉆孔。鉆探結(jié)果顯示：Y1、Y32 處勘探低阻區(qū)內(nèi)的鉆孔無出水；Y2、Y42 處勘探低阻區(qū)內(nèi)的鉆孔出水量及注漿量均較大，且Y2布置的4 個(gè)鉆孔由淺至深出水量逐步增加，物探成果與鉆探資料相吻合，物探結(jié)論準(zhǔn)確、可靠。

4 結(jié) 語

為了優(yōu)化礦井音頻電透視的探測效果，研制了礦井音頻電透視供電集成系統(tǒng)。

1）系統(tǒng)采用供電集成網(wǎng)絡(luò)，一次布線、一次布極，連接施工區(qū)段內(nèi)所有的供電電極，解除了供電電極、供電主機(jī)、無窮遠(yuǎn)線纜與供電點(diǎn)在空間上的綁定，避免了隨供電點(diǎn)改變而頻繁移動(dòng)的狀況，提高了井下物探的施工效率。

2）系統(tǒng)采用的供電端口轉(zhuǎn)換盒操作簡單、簡潔明了，通過撥動(dòng)多擋波段開關(guān)的不同擋位，快速完成音頻電透視勘探在區(qū)段內(nèi)任意供電點(diǎn)的供電操作，避免人工接線忙中出錯(cuò)，提高施工準(zhǔn)確性。

3）系統(tǒng)采用的“類同步測量法”施工方式，測量點(diǎn)的移動(dòng)為正向前進(jìn)，避免測量點(diǎn)的往返重復(fù)測量，減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度及施工時(shí)間，提高了井下物探效率，使得礦井音頻電透視勘探可更多地適用于各種礦井水害探測。