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采用网络并行电法仪探测采煤工作面无煤区
吴荣新1，方良成2，周继生2
(1.安徽理工大学资源与环境工程系.安徽 淮南 232001;
2.淮南矿业集团谢桥矿，安徽 颍上 236221)
摘 要：介绍了网络并行电法仪的基本特点，并采用网络并行电法仪来探测煤矿工作面内全岩区域的范围，用以指导工作面的采煤。探测结果表明，网络并行电法仪可以用于直流电法探测，对于工作面内全岩区域的探测采用温纳四极法和高分辨地电阻率法反演都取得了明显的效果。多装置视电阻率反演的综合解释既提高了资料解释的可靠性，也体现了网络并行电法仪的优势。
关键词：网络并行电法仪;直流电法;地震波法;全岩段;
煤矿中的地质异常包括断层、褶曲、煤及岩石厚度变化和陷落柱等，这些地质异常的存在常常不同程度地影响着煤矿的安全生产。特别是综采工作面全岩无煤区的存在，既影响综采工作面正常割煤，也严重影响着煤质。因此，对工作面异常，特别是全岩段无煤区影响范围的探测圈定，对于综采工作面的开切眼布置、工作面安全生产管理和采煤计划安排意义重大。网络并行电法是由安徽理工大学率先提出，仪器由安徽理工大学和江苏东华测试技术有限公司联合研制[1-2]。本次探测采用网络并行电法仪进行直流电法勘探来解决谢桥矿13116面全岩无煤区域的探测，取得了很好的效果。
1 地质概况
淮南矿业集团谢桥矿13116工作面在运输顺槽中见一全岩段，沿巷道揭示该全岩及薄煤区段长约100m，而在相对应的回风顺槽中煤层正常，因此，该段无煤区在工作面中部尖灭。为指导工作面的合理布置与生产，确定是否需要重开工作面切眼，必需搞清该全岩段向工作面内展布情况。由于全岩部分主要为砂质泥岩和粉砂岩，为低电阻率特征，而煤层为相对高电阻率特征，因此，可以选用直流电法勘探来查明全岩区域的展布情况，为工作面的生产安排提供地质依据。
2 网络并行电法
本次探测使用的网络并行电法仪，设计为煤矿本安型，目前仪器有64道电极。传统的高密度电法仪器均为一次供电，有两个测量电极测一次电位值，电极间的转换依靠电极转换器实现，即为串行采集数据[3]813。尽管与常规电法相比，高密度电法仪的出现已大大提高了工作效率，但现场采集数据仅得到视电阻率值，不能反映电场的时间变化特征，并且现场的施工强度大，工作时间仍较长。本次探测使用的网络并行电法仪，最大优势在于任一电极供电，可在其余所有电极同时进行电位测量，即并行采集电位，同时可清楚地反映探测区域的自然电位、一次场电位和二次场电位的变化情况，采集数据效率比传统的高密度电法仪大大提高，是电法勘探技术的新发展，是国内外率先使用的方法。
传统的高密度电法仪采集方式分为二极.、三极、偶极、对称四极、微分等多种温纳装置，每次采集选用某一种。而网络并行电法仪数据采集方式仅两种：AM法和ABM.法。AM法采集：如测线上布置64个电极，则任一单电极(A极)供电时，其余63个电极(M极)同时采集电位，一次采集的数据可进行所有点电源场的电阻率反演，包括二极、三极等装置;ABM法：由任两个电极组成偶极供电(AB极)，其余62个电极(M极)同时采集电位数据，一次采集的数据可进行所有双点电源场的电阻率反演，包括偶极、对称四极、微分装置。这样网络并行电法仪数据采集效率与串联采集相比，不仅采集效率大大提高，而且可进行多种装置电阻率反演，包括目前广泛使用的高密度电法和高分辨地电阻率法。该系统的另一个特点是实现数据的远程采集，通过仪器专用软件系统、数据Modem以及电话线的连接，可实现电法数据的远程监测，实现数据的高效采集，大大减少现场的工作量。现已在安徽、河南等省煤矿使用该仪器进行了多次现场测试和远程电法监测，取得了很好的效果。
3 现场施工及数据处理
本次探测供电电源采用煤矿专用本安电源。实际沿巷道全岩段工作面一侧布置了64个电极，电极距2m，测线长126m，分别采用AM法和ABM法进行数据采集。AM法数据采集时间通常小于2min，ABM法数据采集时间通常为40min左右。数据处理采用仪器配套的解析软件及自行开发的软件处理系统进行电阻率反演，该软件系统很好地利用网络并行电法仪采集的数据特点，并结合当前广泛应用的电法反演理论[6]15，来实现对采集数据的电阻率反演。
目前，高密度电阻率法为煤矿常用的直流电法，是一种广泛应用而较为有效的方法。由于温纳四极具有较好的抗干扰能力，因此，常被选用进行高密度电阻率法反演[3,6,10]812,15。ABM法采集的数据以温纳四极装置进行高密度电阻率法反演(见图1)。
 高分辨地电阻率法采用单极一偶极装置，以往主要在地面使用，由于其具有很好的空间分辨率，本次在矿井中使用，也取得了很好的结果[11,12]。AM法采集的数据采用高分辨地电阻率法进行反演(见图2)。
4 探测结果
由图1可见，煤层段主要表现为相对高的视电阻率值，全岩段表现为相对低视电阻率区。60～80m段为视电阻率最低区段，且较为均一，可能为全岩段，几乎不含煤层，向工作面内最大延伸约40～50m。
由图2可见.煤层段明显表现为高视电阻率区，全岩段表现为低视电阻率区。65～90m段为视电阻率最低区段，且较为均一，应该为全岩段。其余段视电阻率相对较高。可能为煤岩交互段口无煤或薄煤区向工作面内延伸情况，左侧延伸深度30～40m，偏右侧延伸最大深度为40～50m。近巷道处视电阻率很低(小于60Ωm)，应为全岩段的显示范围。
由于砂质泥岩和粉砂岩与煤层相比，具有较高的波速和波阻抗，因而，在巷道中激发会在煤岩界面处产生较强的地震反射波[13]。在13116工作面运输顺槽测点807#～939#之间同时进行了地震波探测以进行相互验证。地震采用共偏移反射剖面法进行现场测试(见图3)，其中有效测线长度为135m。采用福州华虹KDZlll4-3型便携式矿井地质探测仪和TZBS系列(主频为100Hz)传感器进行数据采集，数据处理采用矿井地质探测仪配套软件系统。全岩与煤层界面处表现出很强的反射波相位，该反射界面的解析位置如图3中粗黑线所示，全岩段向工作面内最大延伸范围约47m，形态为两边延伸大，中间延伸小。距巷道10m以外的影响范围中，还存在一些较小的反射波相位，可能为薄煤区或煤岩交互区的反映。由此可见，地震波探测结果与直流电法反演结果基本相同。
根据物探得出的无煤或薄煤区范围：近巷道部分为主要为全岩段，向工作面内延伸约10～20m;斜线部分为薄煤或煤岩混杂区，向工作面内延伸约30～45m(见图4)。
 在全岩段巷道内利用钻孔来验证探测解释结果。钻孔探测位置为测线上30m位置附近，钻孔沿煤层倾向方向顺层钻进，在1.5m走向距离上，施工3个钻孔。钻孔资料揭示：距巷道10m范围内主要为全岩;距巷道10～20m范围为煤与泥岩交互段或为薄煤带，与物探探测结果基本吻合。这进一步证实采用网络并行电法仪来探测无煤区是可行的。
5 结论
(1)本次探测表明，可以采用网络并行电法仪来进行矿井直流电法探测，来圈定无煤或薄煤区域。
(2)网络并行电法仪采集数据既可以采用高密度电阻率法反演，也可以采用高分辨地电阻率法进行反演。由于不同的电极装置对地电断面的反映灵敏范围不同，因此，采用多种装置反演结果来综合解释可以提高全岩段探测结果的可靠性，更好地为生产服务。
(3)网络并行电法仪展现了数据采集可靠、高效的特点，是非常有前途的新型电法仪器。
参考文献：
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| 添加日期：2013-11-13
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