一、研究背景
    煤炭是我国目前的主要能源之一，煤炭工业是涉及能源安全和国民经济命脉的重要基础产业。随着煤炭开采向深部延伸，在高瓦斯、高地应力、高地温等条件下，瓦斯、水害、火灾、顶板以及冲击地压等多因素复合灾害愈发频繁，为确保煤矿高产高效生产，需加强高精度快速勘探技术。
    随着高强度、集约化、智能化的煤炭开采技术快速发展，对煤炭安全防控技术提出了新的要求。矿井地质工作在行业大背景下，积极探所新理念，研发新装备，应用新技术，将传统地质工作与互联网、大数据、人工智能相结合。作为煤矿生产的两大核心环节，掘进与综采系统智能化的发展需求极为迫切。智能化发展要求下的地球物理探测理论与体系应适应于煤矿快速智能化发展，建设与之相匹配的探(监)测体系是煤矿快速智能化建设的重要有机组成部分，对提升煤矿智能化水平具有重大意义。
二、研究内容
    智能采掘全生命周期电法探(监)测系统基于煤矿电法监测系统，通过研究地电场随工作面掘进、回采进度的变化规律与工作面底(顶)板岩层富水性变化规律之间的关系，实现工作面自掘进至回采结束的全生命周期探测与监测目标。
    (1)巷道掘进期间建立电法监测系统，持续监测巷道掘进前方及巷道底(顶)板岩层在巷道掘进活动影响下的电性变化特征，连续动态监测富水性情况变化；
    (2)工作面回采前采用三维电法和音频电透视法对工作面底(顶)板岩层进行探查，综合分析工作面底(顶)板岩层异常区分布情况，评价其富水性变化情况；
    (3)工作面回采期间对工作面底(顶)板岩层在采动影响下富水性情况变化进行连续动态监测，动态评价突水风险性；
    (4)工作面回采后对采空区富水性情况变化进行连续动态监测，动态评价突水风险性。
三、技术原理
3.1 电阻率法
    将电源的两端通过埋设地层的两个电极A、B向大地供电，建立起稳定电场(如图3-1)。该稳定电场的分布状态决定于地层不同电阻率的岩层(或矿体)的赋存状态。所以，观察稳定电场的变化和分布，可以了解地层的地质情况。     如果地层存在导电性不同的岩层和矿体，它们会影响电场的分布，良导体对电流有“吸引”作用，导电性差的则对电流有“排斥”作用。
    因此，当地层存在导电性差的地质体时，由于它对电流的“排斥”作用，使电流远离它本身而流过；而当地层存在有良导体时，它将对电流有“吸引”作用，使大部分电流通过其本身(如图3-2)。这样，观测到的电场将发生畸变，通过对畸变电场的分析，判断地层不同导电性地质体的赋存状态，这就是电阻率法勘探的基本原理。
3.2 电法超前探测技术
    井下直流电法超前探测技术在矿井巷道掘进超前探测过程中，主要是依据单极—偶极电阻率法测量原理，在均匀介质中，利用单点电源A极供电，另一供电电极B极置于“无穷远”(使B极点电源场在探测区域内可以忽略)，点电源A极形成的等位面为球面，通过观测测量电极M、N极之间的电位差，该电位差为MN极所夹球壳内岩体的综合电性响应，如图3-3所示。     通过在掘进头后方滚动布置供电测量电极对，获取测量电极之间的电位差，按如下公式计算视电阻率值： 式中：ρs-单位：Ω·m；ΔUMN-单位：V；I-单位：A
    若MN球壳体积范围内有异常体(如导水断层)存在，则其电阻率ρs相对围岩表现为低阻；若断层破碎带不导水，则ρs表现为相对高电阻率值。因此利用分析视电阻率值的变化情况预报掘进迎头前方电性异常。
    井下现场观测布置方式具有独特性。利用电法仪器一次布置多个电极，任一电极供电时，其余电极采集电位，完成多个供电点三极组合测试，取得大量的电极点电位数据，实现多极供电直流电法超前探测技术。如图3-4所示，在掘进巷道迎头附近一次布置32个电极，其中迎头立面上布置A1～A8八个电极(视迎头断面大小而定)，M1～M24沿巷道迎头后方底板按照一定极距布置，控制并行电法仪器使得A1至A8逐个供电，该仪器在电极供电的同时，采集其余非供电点的电位值。     根据直流电法超前探测需要可从中提取前几个(一般为3～8个)电极供电数据，通过一定的数据处理方法(如下述内容)表达巷道迎头前方岩体视电阻率分布情况，判断前方低阻异常。
四、监测系统布置
4.1 整体监测系统设计
    在工作面巷道未掘进前，根据设计工作面的整体分布，进行整体监测系统设计。工作面电法监测的监测范围一般为工作面采掘活动范围，即工作面切眼后退至工作面停采线范围。
    为满足工作面回采末期的监测需求，实际测线布置在监测范围外延长一条监测线缆，即在停采线后延长一条大线的监测长度。     电法监测系统的布置方式分为分布式布置和集中式布置。分布式布置的电极转换装置使用电极转换器，电极转换器分布在整条巷道，电极转换器与电法监测线缆直接连接，依次布置，如下图所示：     集中式布置的电极转换装置使用电法控制器，电法控制器全部安装在同一位置，位于测线的首端，电法控制器通过电法延长线与相应的电法监测线缆连接，如下图所示： 两种布置方式对比：
    1、集中式布置由于电法控制器与电法监测线缆之间需要电法延长线连接，而分布式电极转换器与电法监测线缆直接连接，依次布置，不需要布置延长线。因此系统安装时，集中式布置比分布式布置安装工时更长，成本更高。
    2、分布式布置由于电极转换器分布在整条巷道中，需要工作面的回采进度，回收电极转换器，且每台电极转换器的环境不同，整套系统的运行环境复杂多变，系统运行受环境影响因素较大。集中式布置全部电法控制器位于一处，系统运行受环境影响因素较小，且不需要随工作面回采回撤设备。因此在系统维护上，集中式布置比分布式布置更方便。
    综合上述，当工作面较短时，选择集中式布置，系统维护较为方便，当工作面较长时，选择分布式布置，安装工时较短，成本较低。
4.2 巷道掘进监测系统
    监测系统在巷道掘进期间开始布置，据监测系统设计，在巷道未掘进至测线起始位置之前，先进行地面服务器安装与井下通讯系统布置。
4.2.1 服务器安装
    根据监测系统的实际使用需求，服务器安装位置一般在调度室或是科室。服务器与机房位置不宜过远，在100m范围以内。服务器需同时连接井下工业环网与外网。
4.2.2 通讯系统布置
    电法监测通讯系统首选采用工业环网和485总线通讯方式。电法监测分站通过485总线连接KZC18(B)以太网信号转换器，KZC18(B)以太网信号转换器位于环网交换机处，将数字信号转换为以太网信号，连接井下环网，将监测数据通过环网传送至地面服务器。
    当无法使用井下工业环网时，采用通信光缆通讯方式。根据监测系统设计通讯线路，从地面服务器至井下分站位置单独布设一根通信光缆，电法监测分站通过485总线连接KJ418-F2(A)矿用本安型数据传输分站装置，KJ418-F2(A)矿用本安型数据传输分站装置位于电法监测分站处，将数字信号转换为光信号，将监测数据通过通信光缆传送至地面服务器。
4.2.3 电法监测分站布置
    电法监测分站安装位置位于巷道开口一侧，测线范围之外的区域。电法监测分站可安装在硐室中，也可安装在巷道侧帮不受巷道运输等其他生产活动影响的地方。
    电法监测分站需加工保护箱、支架，避免设备在生产活动中遭到破坏，同时减缓设备因直接暴露在井下高温高湿环境中腐蚀。 4.2.4 供电系统布置
    监测分站处从分站安装位置处的综保或者照明电缆处取电，连接矿用隔爆兼本安电源，为监测系统供电，巷道里段范围可直接从照明电缆上取电。
4.2.5 电法监测线缆与电极布置
    当巷道掘进至测线首个电极位置时，开始进行电法监测线缆与电极的安装。根据巷道的掘进进度，每掘进一个电极距离，立即安装电法监测线缆与电极。 具体电极安装要求：
    ①电极要求：锚杆电极，即为正常锚杆，开始安装前地面进行锚杆打磨除锈，增加导电性，并辅助打磨下运；
    ②打孔装置：选用常规锚杆钻机进行打孔；
    ③孔深：当底(顶)板无余煤时，电极孔深1-2m，当底(顶)板有余煤时，电极要穿过余煤，达到岩层0.5m深；
    ④孔径：正常锚杆孔径；
    ⑤打孔位置：电极安装位置位于巷道侧帮生产活动一侧，减少生产活动对电极的影响，且利于后期维护；
    ⑥安装工艺：打孔→取出打孔锚杆→下入加盐陶土→用锚杆钻机将锚杆电极打入至孔底，注浆耦合，完成1个电极安装→进行下一个电极施工安装，以此类推，直到全部安装完成。
    采用注浆(泥浆中加入一定量的盐，增加泥浆的导电性)的方式进行电极耦合，注浆采用多次注浆的方式，一次注浆，泥浆沉降凝结后，再次注浆，直至电极孔全部封闭，且耦合情况良好。
4.2.6 巷道掘进电法监测
    根据电法超前探测装置类型及算法特点，当电法测线较短时，没有足够的监测数据。因此，当实际电法测线布置超过200m时，开始进行掘进电法监测。在地面服务器中的主控软件中设置作业文件，控制井下电法监测分站进行数据采集，通过数据处理软件进行数据处理，得到监测成果图，并编制监测成果报表。
4.3 工作面回采前富水性探测
    工作面形成后，利用已形成的监测系统进行工作面三维电法和音频电透视法探测，对工作面底(顶)板岩层进行探查，综合分析工作面底(顶)板岩层异常区分布情况，评价其富水性变化情况，为工作面防治水工作提供依据。 4.4 工作面采中监测系统
    工作面回采前即开始进行监测工作，监测数据作为背景场数据，与工作面采中监测数据对比，分析工作面采动应力对地电场的影响。
    工作面回采中通过电法监测分站进行数据采集，通过数据处理软件进行数据处理，得到监测成果图，并编制监测成果报表。
    报表根据现场监测的数据及时进行定位分析，分别在平面图、剖面图上展示，为矿方技术人员提供依据。在系统监测一段周期后，需要对监测员培训制定统计数据报表，该数据能够帮助管理和技术人员更好的分析变化规律，为制定相应措施提供科学的依据。
4.5 工作面采后采空区监测系统
    由于采空区中不能安装电器设备，如果要对工作面采后采空区进行监测，需在监测系统安装阶段采用集中式布置方式，对监测线缆进行预埋处理，同时协调好回采支护单位，在工作面回采过程中，注意保护监测线缆与电极。一旦监测线缆与电极受到破坏，无法进行检修维护，影响采空区监测系统甚至破坏采空区监测系统。 五、应用案例
5.1 巷道掘进电法超前监测 5.2 工作面富水性探测 5.3 工作面回采中电法监测