采煤工作面电阻率动态监测技术新进展

问题的提出：煤矿开采扰动条件下的水害监测工作面回采过程中，煤层顶板水和底板承压水会通过在开采扰动下动态发育的导水通道导通至开采层，引起突水事故。对于工作面水害隐患只进行静态探测是远远不够的，亟需开展开采扰动条件下导水通道发育过程的动态监测。覆岩破坏导水裂隙带示意图底板破坏型突水示意图矿井水害监测技术现状多参数传感器监测：包含水温、水压、水位、应力及应变等多种参数，监测结果只反映了传感器所处位置的变化情况。微震监测：用于监测顶、底板破坏情况及裂隙发育情况，无法判断是否有水通过裂隙导通至开采层。电法监测：可以有效捕捉整个监测空间内的异常变化，也可以有效判别异常构造的含水性。回采工作面顶、底板岩层受力变化示意图(张平松等，2017)矿井电法监测的基本原理工作面回采过程中，煤层顶、底板经历着周期性的应力变化，应力变化导致岩石内部结构发生变化，从而导致其导电性能发生变化；当采动破坏产生的裂隙与地下含水体导通时，岩石电阻率会发生更加明显的变化。通过监测工作面顶、底板的电阻率变化，判断岩石破坏情况和是否有导水通道发育。巷道电法透视(张平松等，2017)孔间电阻率CT(张平松等，2017)矿井电法监测的技术现状现有监测设备：网络并行电法仪（刘盛东等，2006）、工作面底板动态监测系统（朱鲁等，2008）、矿井电法监测系统（王冰纯等，2018）等。常用的数据采集方法：高密度电法、巷道电法透视、孔-巷间电阻率CT、孔间电阻率CT等。开采扰动对矿井电法监测的影响监测设备：开采过程中进行监测，不可避免会受到大型机电设备的干扰，基于直流信号发射和接收的矿井电法监测设备存在抗干扰能力不足的缺点；开采扰动产生的裂隙导致电极接地条件差，同等发射功率下发射电流较小，进一步导致接收信号较弱，对监测设备的小信号分辨能力要求高。数据处理解释：采动破坏、应力变化等都会引起电阻率的变化，会对含、导水通道异常的识别形成干扰，目前一般采用视电阻率断面图或电阻率反演成像对矿井电法监测数据进行独立解释，未能突出电阻率在不同空间位置上随时间演化的特性，解释精度较低。施工工艺：顶板垮落、底板破坏以及液压支架移动等导致采空区内监测线缆和监测电极的安装保护较困难；进行孔中监测时孔中线缆的推送、孔中电极与孔壁的耦合问题等。采煤工作面电阻率监测系统自主研发自主研发电阻率监测系统拓扑图矿用伪随机电法监测装置远程系统控制和数据管理技术电阻率动态反演成像技术井下施工方法和施工工艺关键技术实现了多频率信号同步发射和同步接收；实现了电极功能及观测模式的智能切换；实现了光纤通信和井下电网供电；接收信号分辨率：5μV。2.1矿用伪随机电法监测装置2.1矿用伪随机电法监测装置隔爆电源监测分站监测线缆电极监测分站：收发一体；可接入60道电极；可发射32种频率组合。监测线缆：分段式，长度可扩展。实现了信号发射和数据采集的远程控制；建立了数据库对数据进行存储和管理；建立了远程数据传输平台进行远程数据传输。2.2远程系统控制和数据管理技术2.2远程系统控制和数据管理技术监测系统地面控制软件2.2远程系统控制和数据管理技术煤矿数据远程传输平台开发了与数据库自动交互的数据实时处理软件；实现了电阻率三维反演和动态成像；实现了监测数据处理解释的自动化和智能化。2.3电阻率动态反演成像技术2.3电阻率动态反演成像技术反演方法：拟高斯-牛顿法目标函数正则化参数β——取常数，β~10数据权重W(d)模型权重W(m)——电场随到点源的距离衰减初始模型——平均视电阻率构成的均匀模型收敛条件——数据残差达到噪声水平2.3电阻率动态反演成像技术电阻率实时监测成像软件采用顺巷偶极-偶极装置进行监测数据采集；为了提高时效，进行分段式滚动监测；使用耐压套管进行线缆和电极保护。2.4井下施工方法和施工工艺2.4井下施工方法和施工工艺1801851901952002052102152205.45.65.866.26.46.66.87x(m)U(mV)20m15m10m8m6m5m4m3m1801851901952002052102152200.060.080.10.120.140.160.180.20.22x(m)U(mV)20m15m10m8m6m5m4m3m不同埋深的电位曲线不同埋深的电位差曲线监测参数对比：电位差曲线可以更好的突出异常信号。装置形式对比：偶极-偶极装置只需在单侧帮布置测点，施工更便捷。-100-5005010002004006008001000120014001600x(m)U(V)AB=MN=10mAB=20m,MN=10mAB=MN=20mAB=30m,MN=10mAB=40m,MN=10mAB=40m,MN=20mAB=50m,MN=10mMN=2m(AMN)MN=3m(AMN)MN=4m(AMN)两种装置不同极距的电位差曲线(工作面宽度200m)2.4井下施工方法和施工工艺不同导升高度的电阻率反演结果d=30md=20md=10m监测过程模拟3.1底板电阻率监测——梧桐庄煤矿在梧桐庄煤矿开展了为期2个月（2017.12.13~2018.2.9）的回采工作面底板电阻率监测试验;监测范围70m*200m，监测点42个，每天采集6-7组数据，每组数据包含800条数据记录，每组数据采集时长约3小时，获得完整监测数据80组。工作面示意图3.1底板电阻率监测——梧桐庄煤矿1回采过程中发射电流的变化：发射电流的变化主要反映了电极接地情况的变化，采空区内发射电流迅速减小。3.1底板电阻率监测——梧桐庄煤矿1回采过程中反演所得电阻率的变化：随工作面推进采空区内有低阻异常发育。3.2顶板电阻率监测——上湾煤矿利用顶板锚杆做监测电极。3.2顶板电阻率监测——上湾煤矿1回采过程中发射电流的变化（9月份）：电极进入采空区后，发射电流迅速减小，辅运巷电极发射电流也受到影响。3.2顶板电阻率监测——上湾煤矿回采过程中反演所得电阻率的变化：对电阻率反演结果进行独立解释，难以识别电阻率异常变化。9.21~9.29电阻率监测结果3.2顶板电阻率监测——上湾煤矿9月份监测结果：采空区内呈弱高阻，采空区外有低阻异常发育。相对9月13号的电阻率变化相对9月21号的电阻率变化3.2顶板电阻率监测——上湾煤矿10月份监测结果：10月19日之前电阻率变化较小，10月22号采空区内出现大范围高阻异常，采空区前方有低阻异常发育；10月26号采空区内有小规模低阻异常发育，R122孔水位开始缓慢降低。3.2顶板电阻率监测——上湾煤矿11月份监测结果：11月10日之前电阻率变化较小，11月23号采空区内出现大规模高阻异常，采空区前方有低阻异常发育，该时段前后R122孔水位明显降低后又逐渐回升。3.2顶板电阻率监测——上湾煤矿12月份监测结果：12月11号采空区前方有低阻异常发育，采空区内呈弱高阻异常；12月12号采空区内出现大规模高阻异常，采空区前方有强低阻异常发育，该时段前后R122孔水位明显降低，12月19号工作面出水！3.3孔中电阻率监测——桑树坪煤矿开展了为期1个多月的孔中监测试验（2018.8.17~2018.9.29）;监测范围80m*100m(孔深*孔间距)，监测点39个，系统从9月9日起正常稳定运转至9月29日，获得完整监测数据90余组。本次监测试验对井下孔中电阻率监测的施工工艺进行了探索，采用钻机推送的方式将带电极的监测线缆送进钻孔，并注浆封孔保证电极与孔壁的良好耦合，从试验结果来看，电极进入钻孔后可以长时间正常工作。3.3孔中电阻率监测——桑树坪煤矿回采过程中发射电流的变化：3.3孔中电阻率监测——桑树坪煤矿回采过程中反演所得电阻率的变化：回采工作面电阻率监测系统小信号分辨率可以达到5μV，实现了井下无人值守、地面远程控制监测，并实现了监测数据的自动、实时处理。通过井下试验，探索了适用于顶板监测、底板监测和孔中监测的施工方法和施工工艺，为矿井电法监测的推广应用奠定了基础。井下试验结果表明，发射电流可以作为评估电极接地情况的重要指标，反演结果则较好地反映了回采工作面顶、底板在采掘应力作用下及赋水情况发生变化时的电阻率变化，并可以综合利用电阻率异常变化情况和水位变化情况对工作面水害风险进行超前预警。下一步需要在大量试验数据的基础上，分析总结采掘活动以及岩石含水性变化的电阻率响应特征，在数据自动处理的基础上进一步实现自动解释和智能预警。谢谢！