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付茂如1，韩东亚2，张平松1，吴荣新1
(1．安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001；
2．淮北矿业集团水文中心，安徽淮北234000) 摘 要：矿井工作面底板探水电法穿透方式较多，且特点各异。通过室内实验模拟井下常用的单极—偶极法、平行双极—偶极法以及双巷并行电法技术，分析三种探测方法的优缺点，为工作面底板水害实测提供参考。结果表明：三种方法采集数据各有特点，对于异常体均有反应。单极—偶极法采集数据量有限，其探测结果的收敛性稍差；平行双极—偶极法数据采集量较大，但数据采集效率相对较低，施工时间长，适合进行小范围探测；双巷并行电法技术的数据采集量大，数据采集效率高，目标体收敛性好，其面内底板赋水区的空间范围判断准确，适合于进行精细探查。
关键字：底板赋水性；矿井水害探查；观测系统；单极—偶极法；平行双极—偶极法；并行电法
在煤矿开采过程中，随着开采深度的增加，工作面内底板水的威胁日益严重，因此，在回采前需对工作面底板的赋水性进行探测，以确保后期的安全回采。电法可有效探测工作面内底板岩层的赋水性，探测方法主要包括瞬变电磁技术、音频电透视技术以及直流电法技术。瞬变电磁法的现场施工较为方便，但是其探测结果受施工现场金属支护材料、铁器等影响较大，具有一定的局限性［1－2]。
双巷音频电透视法采用不同的单频波场对工作面底板不同深度赋水区进行探查，是比较常用的底板探水方法［3－4］，但其探测结果的空间定位性有待提高。
直流电法技术主要包括高密度电法、井下单极—偶极法、平行双极—偶极法以及双巷并行电法等。传统的高密度电法通常探查巷道测线方向下二维剖面中底板的赋水特征。三维高密度电法、井下单极—偶极法及平行双极—偶极法在底板赋水性探测中亦有一定的应用［5－7]。双巷并行电法是近年来发展的用于底板空间异常探测的技术，在底板水探测中取得了一定的效果［8－9]。
在本文中，通过在室内水槽中模拟井下单极—偶极法、平行双极—偶极法和双巷并行电法技术，对比分析三种方法所反映的底板赋水性特征。
1 探测方法
1．1 井下单极—偶极法
井下单极—偶极法探测方式与井下坑透法类似，把供电电极和测量电极分别布置在工作面两相邻巷道中，采用直流供电，通过研究两巷道间工作面内的电场变化规律，探测工作面内部及其顶底板上下的含水、导水构造异常。
现场采用单极(供电)—偶极(接收)装置进行数据的采集(图1)，即一个供电电极(A极)位于工作面一侧巷道B某处，另一个供电电极(B极)为无穷远；测量电极对(M、N极)位于工作面另一巷道A内，在与供电电极(A极)对应位置两侧一定范围内(该范围的大小与工作面宽度有关)多点进行扇形接收。依次探测，当巷道B内所有供电电极供电完成后，单边测量结束。将供电电极布置到巷道A中，将接收电极对布置在巷道B中，按同样的方法进行另一边探测。
1．2 平行双极—偶极法
平行双极—偶极法双极—偶极法实际上是由偶极—偶极观测系统引伸而来。所谓双极—偶极法是指为增大观测信号，供电电极极距不必与测量电极极距相等，且可加大至不满足AB小于等于1/5OO'(OO'为供电电极AB中点到测量电极MN中点间的距离)，这时AB源不可看作偶极源的条件，因而称之为双极，平行双极—偶极排列即是AB与MN平行放置的一种探测方法。
工作面上、下两巷道间采用平行双极—偶极排列探测工作面底板赋水性如图2所示。在工作面的一条巷道内布置供电电极A、B，向工作面底板供电，建立稳恒的直流电场。在工作面的另一条巷道内布置测量电极M、N，测量M、N间的电压ΔU及A、B间的电流I。固定AB，保持MN长度不变，以一定的间隔移动MN，这样O1O2就扫过一定的面积。保持AB长度不变，把AB移到下一位置，重复上一次同样的操作，这样O1O2又扫过一定的面积。当AB移完整条巷道，单边测量结束。把供电电极AB和测量电极MN所在的位置互换，按同样的方法完成另一个单边测量。
1．3 双巷并行电法
双巷并行电法是在高密度电阻率法勘探基础之上发展起来的一种新技术。并行电法系统每一个电极在接受供电状态命令时，电极采样部分断开，让电极处于供电状态(即电极A或B)，否则一直处于电压采样状态(即电极M)，并通过通讯线实时将测量数据送回主机，采样过程没有空闲电极出现。由于采用并行技术，在数据采集时具有同时性和瞬时性，可得到供电时的测线上的全部电位曲线，使得电法图像更加真实合理，大大提高了视电阻率的时间分辨率。并行电法仪采集的数据为全电场空间电位值，保持电位测量的同步性，避免了不同时间测量数据的干扰问题。
现场在工作面风巷和机巷中布置电法测线(图3)。由于具有较大的平面展布范围，特别适合通过双巷间电阻率成像来得到工作面内底板岩层的电性分布情况。采用并行电法仪观测不同位置、不同标高的电位变化情况，通过三维电法反演，得出工作面内及其底板不同深度的电阻率分布情况，从而给出客观的地质解释［9］。
2 实验装置及数据处理
室内实验模拟在2m×1.2m×0.8m的水槽中进行。用自来水作为均匀介质模拟围岩，水槽内水深0.7m，采用宽0.05m，厚0.01m，长1.2m的木板模拟工作面两边巷道，工作面宽度为0.5m，供电电极采用铜电极，有效长度为0.05m。实验中，单极—偶极发射电极距0.08m，接收电极距0.05m；平行双极—偶极发射电极距0.04m，接收电极距0.04m；并行电法电极极距0.04m。采用一个0.2m×0.2m×0.2m的铁盒模拟低阻异常体，高阻异常体采用截面半径为0.1m，高0.2m的圆柱形树脂玻璃筒(图4a，图5a)。
采用并行电法仪采集数据，根据三种观测系统数据采集特点，提取出对应的电场数据。在数据提取过程中，对于井下单极—偶极观测系统，提取出单个供电电极供电时所对应的15组接收电极的电位差数值；对于平行双极—偶极法，提取供电电极供电时相邻两个接收电极间的电位差数值；对于双巷并行电法观测系统，则提取出单个供电电极供电时其他接收电极间的电位差数值。提取出的数据体依照反演文件格式形成三维反演文件，利用AGI软件进行数据三维反演，详细原理见参考文献［10－12］。
通过电阻率三维反演，获得单次模拟的电阻率分布剖面。由于受模型边界条件的影响，为提高分辨率，对反演得到的电阻率数据进行比值计算，将含有异常体的反演结果ρi与背景电阻率场值ρ0相比，即获得异常系数γ=ρi/ρ0，γ大于1或γ小于1的位置为电性异常区域。
3 异常体探测模拟
实验中完成单一低阻和高阻异常体条件下数据采集，这里选取低异常体探测结果说明。图4给出了采用井下单极—偶极法、平行双极—偶极法和并行电法观测系统得到的γ平面。可以看出，当γ=0.6时，低阻异常体的位置可以较清楚地显示。图中还显示，两种不同观测系统对异常体形态大小及位置的归位效果有差异，并行电法效果相对较好。
图5为采用音频电透视、平行双极—偶极以及并行电法观测多异常体组合的γ平面。对比可见，图5b和图5c中对异常体的形态大小及位置的反应相对与图5d来说，效果较差。
由此可知，当采用井下单极—偶极和平行双极—偶极观测系统对异常体进行探测时，探测结果的归位性及收敛性较低，其对异常体的定位也比双巷并行电法技术稍差。
4 结论
结合室内模型对井下单极—偶极、平行双极—偶极和双巷并行电法观测系统进行模拟实验，其结果对异常体的反应均较为明显。通过与异常体的实际位置及形态对比分析，双巷并行电法技术能够更为准确的定位异常体的位置及形态大小。利用双巷并行电法探测技术，可较清晰地反映工作面底板赋水区的范围，实现赋水区三维空间定位，指导钻孔探放水及钻孔注浆施工。
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文章摘自《物探与化探》2013年12月第37卷第6期
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| 添加日期：2014-11-21
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