基于地下水渗流中地电场响应的矿井水害预警试验研究.pdf

第 28 卷 第 2 期 岩石力学与工程学报 Vol.28 No.2 2009 年 2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2009 收稿日期：收稿日期：20081006；修回日期：修回日期：20081116 基金项目：基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400)作者简介：作者简介：刘盛东(1962)，男，1984 年毕业于淮南矿业学院煤田地质与勘探专业，现任教授、博士生导师，主要从事地球物理勘探和灾害地球物理场方面的教学与研究工作。E-mail： 基于地下水渗流中地电场响应的矿井基于地下水渗流中地电场响应的矿井 水害预警试验研究水害预警试验研究 刘盛东1，2，王 勃1，周冠群3，杨胜伦1，陈明江1(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008；3.安徽惠洲地下灾害研究设计院，安徽 合肥 230088)摘要：摘要：通过建立渗流电测模型，在渗流过程中采用网络并行电法仪进行时空域地电场参数试验，首次取得渗流中地电场参数的空间瞬态响应。以电位、电流等时线和视电阻率等时面特征为依据，发现渗流过程中自然电场在时空域均表现为上升趋势，自然电位等时线的极值点指示渗流位置，并具有超前感应能力。激励一次场电压、电流可以精确确定渗流液面与渗流速度，适合于非均匀地质体渗流规律的研究。实时视电阻率图像具备跟踪识别渗流区域和相对水量变化的能力，随着视电阻率变低，地下水渗流趋向饱和。通过对五沟煤矿的实际地电场监测，提前 2 d 成功预报了 1013 工作面底板出水，巷道自然电位极值点指示出水位置，视电阻率等时面指示出水水源层位。采用井下地电场的空间同步监测技术，可用来进行煤层底板水害的实时监测研究，在矿井突水灾害防治中具有应用前景。关键词：关键词：采矿工程；地下水渗流；地电场；网络并行电法；煤矿底板水；等时线 中图分类号：中图分类号：TD 163 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2009)02026706 EXPERIMENTAL RESEARCH ON MINE FLOOR WATER HAZARD EARLY WARNING BASED ON RESPONSE OF GEOELECTRIC FIELD IN GROUNDWATER SEEPAGE LIU Shengdong1，2，WANG Bo1，ZHOU Guanqun3，YANG Shenglun1，CHEN Mingjiang1(1.School of Resources and Earth Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.State Key Laboratory of Geomechanics and Deep Underground Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Anhui Huizhou Institute of Subterranean Calamity，Hefei，Anhui 230088，China)Abstract：Through the establishment of model of seepage-electric test，the temporal-spatial domain parameters of geoelectric field in the course of seepage are achieved by the network parallel electrical instrument(NPEI).For the first time，the geoelectric field transient response is obtained in space.Based on the characteristics of potential and current isochrones and apparent resistivity isochronous section，the experiments show that natural electric field represents rising trend in the temporal-spatial field in the course of seepage.The isochronal extreme point of natural potential indicates the position of seepage；and natural electric field possesses ahead of water surface.The fluid surface and the seepage velocity can be accurately ascertained through exciting voltage and exciting current of primary field；and it is suitable for revealing asymmetric seepage law of geologic body.The real-time apparent 268 岩石力学与工程学报 2009 年 resistivity images have the ability to track and identify seepage zones and the quantity of water.With apparent resistivity stepping down，groundwater seepage tends to be saturated.Through the practical geoelectric field monitoring in the Wugou Mine，the water inrush of 1013 working face is successfully predicted ahead of two days.The isochronal extreme point of laneway natural potential indicates the position of water inrush.Apparent resistivity isochronal section indicates water-head horizon of water inrush.The spatial synchronization monitoring technology of geoelectric field is adopted in mine；and the real-time monitoring of the coal floor water disaster will be feasible.It possesses extensive application to mine water inrush prevention and controlling.Key words：mining engineering；groundwater seepage；geoelectric field；network parallel electrical method；mine floor water；isochrone 1 引引 言言 地下水运动于岩土孔隙、裂隙及溶隙中，以渗流形式进行运动与物质交换1，渗流场对于地下工程，特别是煤矿开采过程中出现的底板突水事故具有密切相关性2。从流体力学与固液耦合等方面，很多学者36进行了长期不懈的研究工作，并掌握地下水的渗流特征对于矿山开采、隧道施工、基坑开挖、海水浸入和水污染的防治等都具有积极的研究价值7，8。地下水在运动过程中与各种岩土介质相互作用，使其成为一种复杂的溶液9，这种溶液里含有多种离子，离子含量愈多，离子价愈高，则水的导电性愈强。随着地下水的渗流迁移，发生溶液扩散、吸附、过滤及氧化还原等效应，在固、液介质中产生地电场的异常，利用自然电场异常进行渗流研究已在岩土工程实际中得到应用10。通过测定地下水及其赋存空间的地电场特性的变化规律，结合电化学中的电渗、电泳现象来反映地下介质的赋存、运移规律，同样是地电场应用的研究方向11。将地电场的自然场与人工场相结合，进行瞬态响应研究，目前还鲜见相关报道，本次试验研究旨在将地电场的自然电位、激励电流和电压、视电阻率等参数进行瞬态响应的同步研究，分析渗流过程中地电场的瞬态响应特征，为煤矿底板突水预警提供新参数与新方法。2 试验模型设计与测量装置试验模型设计与测量装置 试验设计地下水渗流电测模型如图 1 所示，采用直径不同的 PVC 管材作为渗流通道，在 PVC 管中充填细砂，并在 PVC 管上每 5 cm 安装一个电极，电极材料选用铜棒、水泥钉、碳棒等材料，电 图 1 试验观测系统与布置 Fig.1 Experimental recording geometry and its arrangement 极直径 2 mm，电极长度为 10 mm，总电极数 23个，测量电极编号从 D0D20、公共地电极 N 与公共供电负极 B，所有电极间距均为 5 mm，管子全长 1.2 m。为防止细砂填充物从出水端流出，用过滤纱布封住出水端。为控制进水端水流流速，在进水端使用了一个阀门。进水端水位高度H163 cm。PVC 管的倾斜高度差h92 cm。数据采集采用自行研制并获国家发明专利的NPEI(network parallel electricity instrument)网络并行电法仪12。该仪器实现了电位变化的同步阵列测量，达到对自然电场、一次场和二次场的全电场时空观测目的13，14，NPEI 系统将地电场勘探数据采集归纳为 AM 法和 ABM 法 2 种采集模式，实现了海量电法数据的历时采集，提高了试验数据采集的效率15。本次试验仪器数据采集模式为 AM 法工作，B 和 N 电极设在出水端，每次供电激励时间为0.2 s，采样间隔为 10 ms，供电方式为单正法，环境温度为室温，水质为自来水。使用 NPEI 进行多次重复测量，每次进行 D0D20 共 21 个电极自然电场和一次场扫描，其测量时间间隔为 0.2 s，21 个电极依次供电循环激励时进水端 阀门 H h 网络并行电法仪 NPEI 砂 第 28 卷 第 2 期 刘盛东，等.基于地下水渗流中地电场响应的矿井水害预警试验研究 269 间为 12 s，每 28 s 测量一次，试验数据采集从进水端阀门打开后计时，设为 0 s 时刻，直到出水端单位时间内流出的水量恒定不变为止，试验全程时间为 4 004 s，累计测量 143 次。3 试验数据处理与分析试验数据处理与分析 在本次试验过程中，由于铜棒和水泥钉为较活性电极，测定的电位历时曲线发现有局部不稳定现象。以下分析数据均为碳棒电极测定数据。采集到的海量数据通过 NPEI 软件提取同一试验的不同组数据进行解编，得到视电阻率的同时，对自然场、一次场电压和电流进行分别处理与解释。3.1 渗流过程中的视电阻率响应渗流过程中的视电阻率响应 由于已充水介质和未充水介质相比，其电阻率将明显降低。因此，首先进行渗流过程的视电阻率数据提取与解编，采用 AM 法的三极视电阻率数据计算，从累计 142 张视电阻率等值线图中，抽取 18张不同时刻的渗流管视电阻率剖面，如图 2 所示。图2中的18个横向条带代表渗流管在各时段的视电阻率图像。图 2 显示细砂在非保水状态下其视电阻率值高达 10 000 m 以上，水流进入后迅速降到 6 000 m 左右，饱水后视电阻率主要反映自来水的电阻率特征。图 2 为不同时刻水流到达的位置与渗流的过程状态，从进水端阀门打开时刻开始，经历了t=1 782 s 从出水端渗水，流过渗流管的长度x=1.2 m，则平均非饱和渗流速度为x/t=2.42 m/h；电极号 距离 x/m 图 2 渗流管在不同时刻的视电阻率剖面 Fig.2 Apparent resistivity contour chart at the different times in the seepage pipe 渗流出水后从不均匀出水缓慢变成稳定出水，在t=2 812 s 以后的 3 张渗流管视电阻率图中可以看出，低阻的蓝色部分指示饱和渗流位置，从出水端缓慢向进水端发展，最终在t=4 004 s 为全管饱和渗流并稳定出水，这与实际出水端量杯的实测结果相一致。从不同时段的视电阻率图片的阻值变化，可以分辨介质的相对充水饱和度，阻值从 8 000 m 向2 000 m 以下发展，表示渗流管充水从非饱和向饱和方向发展，从最后时刻t4 004 s 的视电阻率最低，认为管子内含水饱和。因此采用不同时段的视电阻率图像，通过其值的相对变化可以反映渗流的含水饱和度即水量的相对大小。3.2 渗流过程的自然电场响应渗流过程的自然电场响应 为了研究渗流过程中自然电场的响应，从同一试验采集的不同组数据，提取未供电前的 D1D20电极同步测量与 N 电极的电压即为自然电场电位，同一时刻自然电场随电极的变化曲线如图 3 所示。图 3 自然电位等时线随电极的变化 Fig.3 Variation of natural potential isochrones following the electrodes 时间计时从阀门放水开始为t0 s，D0 电极为参照电极。图 3 为渗流过程的自然电场的时空域特征。图 3 中电位等时线从进水端向出水端总体表现为下降趋势，高电位在进水端，对比图 2 的结果，发现等时线的极值点(或拐点)与过水面有对应关系，如t64 s 时极值达在 D4 电极；t96 s 时极值达 D6 电极，t128 s 时极值达 D7 电极；t320 s时渗流到达 D11 电极，直到t544 s 极值在 D12 电极，自然电位指示水流位置要比电阻率法超前 23个电极间距。不同时刻电位等时线在各电极点处随着时间的增加表现为上升的趋势，在渗流初始阶段由于渗流速度不稳定，自然电位变化加快，如图 3时间/s 视电阻率/(km)580 630 680 730 780 830 880 930D1 D3 D5 D7 D9 D11 D13 D15 D17 D19 电极号 自然电位/mV 0 32 64 96 128 160 192 224 256 288 320 352 384 416 448 480 512 544 D21时间/s 270 岩石力学与工程学报 2009 年 所示的 D1D12 电极位置在t64 s 以前的变化特征；渗流后的自然电位在各电极处具有平稳上升至曲线饱和状态特征；在 D4D12 电极位置，在t512 s 前自然电位达到极值状态。由于在时间增大和电极号增加方向为渗流方向，自然电位在时空域的增加方向与渗流流向一致。因此，可以通过对自然电位的监测，及时发现渗流方向、渗流速度，并可将其作为出水前兆因素来利用。3.3 渗流过程的一次场电位响应渗流过程的一次场电位响应 为了研究渗流过程中一次场电位的响应，在 D0电极与 B 电极之间供入 12 V 的激励电压，同步测量 D1D20 与 N 电极的电位差，即为一次场电位。图 4 为一次场电位等时线随电极的变化，在t544 s内，D1D12 电极一次场电位均达到饱和电位，说明在t544 s 试验历程中 D12 电极前面有水流存在，并形成了 9 V 的等位面。具体渗流过程特征：开阀t32 s 后渗流到达 D3 电极；t352 s 渗流到达 D12 电极、此后水流被阻塞在 D12 与 D13 电极的区域，至到时间t512 s 为止。因此通过一次场的变化可以监测渗流的不均匀过程，并可求出各电极间的渗流速度变化。图 4 一次场电位等时线随电极号的变化 Fig.4 Primary field potential isochrones following the electrodes change 3.4 渗流过程的激励电流响应渗流过程的激励电流响应 为了研究渗流过程中电流的响应情况，提取D1D20 电极分别与 B 电极连接进行供电，形成一次场激励电流。由于每个电极供电时间为t0.2 s，单正法采集前后各有 1 个暂空，每个电极供电需要时间 0.6 s，20 个电极循环一次需 12 s。解编一次场激励电流后，得到同一时刻的电流随电极变化曲线，如图 5 所示。由图 5 可知：电流对水体敏感程度高，有水渗流时电流直接跃迁到一个稳定值上，随着渗流的变化，各电极电流保持相对稳态；通过电流的阶跃变化，可以精确确定各电极间的渗流速度；D1，D2 电极间时差最小，渗流速度最快；而 D8，D9，D10 电极之间时差较大，渗流速度较慢。图 5 激励电流随时间的变化曲线 Fig.5 Variation curves of exciting current with time 3.5 渗流场作用引起地电场变化特征渗流场作用引起地电场变化特征 通过自来水在细砂中的渗流，引起地电场的响应特征可小结为：渗流造成电阻率明显降低，供电电流明显升高；自然电场、一次场电位远高于未充水介质中的电位，电位极值位置指示渗流的到达位置；随着渗流时间的延续，电极电位和供电电流均有所上升。通过对渗流地电场的监测可以直观地得到介质的富水状况、渗流速度、渗流饱和度等的变化状态。水的渗流造成了地电场异常，通过地电场异常，必然反演地下水的渗流过程。4 煤矿底板水害监测实例分析煤矿底板水害监测实例分析 皖北煤电公司五沟矿 1013 工作面是该矿井投产的首采工作面，开采山西组 10 煤层，平均煤厚为2.7 m，煤层平均倾角为 8，10 煤直接底为 1.3 m 泥岩，下伏为 15 m 灰白色中细砂岩和 40 m 厚的砂质泥岩互层，煤层底板距离太原组第一层灰岩平均距离 56 m，10 煤开采过程中的灰岩水压力为 3.5 MPa，工作面突水系数为 0.083 MPa；工作面走向长1 000 m，倾斜宽 150 m，一次采全高。工作面风巷高程为330374 m，而其机巷高程为347 388 m。该工作面在开采过程中煤层底板有突水可1 2 3 4 5 6 7 8 9 D1 D3 D5 D7 D9 D11 D13 D15 D17 D19 D21电极号 一次场电位/V 32 64 96 128160192224 256 288 320352384416448480512544 时间/s 50 250350450550650750850950064 128 192 256 320 384 448 512 时间/s 一次场电流/A D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 D16 D17 D18 D19 D20 150576电极号第 28 卷 第 2 期 刘盛东，等.基于地下水渗流中地电场响应的矿井水害预警试验研究 271 能。为了保障该工作面的安全回采，皖北煤电公司与五沟煤矿高度重视，列出了专项经费进行底板加固与实时监控。现场地电场监测工作于 2008 年 3月 18 日开始，在 5 月 12 日工作面已回采 60 m 时，向矿方发出底板有可能突水警报；5 月 13 日矿方及时进行机巷清理和排水管路布设；5 月 14 日 14：00时，底板出水，初期出水量为 5 m3/h，5 月 15 日出水量增大到 20 m3/h 以上，5 月 17 日水量渐小并停止。本次成功预报，使工作面生产不受影响，得到生产部门的肯定。4.1 矿井工作面地电场监测系统布置矿井工作面地电场监测系统布置 该工程运用网络并行电法仪(NPEI)布置远程监测系统如图 6 所示(巷道中小点表示电极，j 表示机巷底板电极，机巷布置电极 32 个，从 j1j32；f表示风巷底板电极，风巷布置电极 32 个，从 f1f32)。每天进行一次探测，数据采集模式为 AM 法工作，B 和N 电极设在巷道后方500 和 1 000 m 处，每次供电激励时间为 0.5 s，采样间隔为 20 ms，供电方式为单正法。图 6 五沟矿 1013 工作面底板电极布置图 Fig.6 Arrangement of floor electrode of 1013working face in Wugou Mine 4.2 观测资料数据处理及分析观测资料数据处理及分析 通过对测量数据解编，提取自然电场电位曲线如图 7 所示。在 2008 年 5 月 9 日以前，自然电位曲线基本一致，主要表现为负电位特征，5 月 10 日j1j11 电极出现明显高电位异常，5 月 11，12 日仍向高电位发展，但增高幅度减小，按照自然电位指示渗流方向和其变化梯度的特征规律，认为底板具有出水可能；5 月 12 日晚及时向矿方发出底板可能突水警报。图 7 中的电位等时线可以利用图 3 的试验数据进行对比解释，5 月 10 日的等时线在 j8 处出 图 7 机巷自然电位等时线与电极关系(2008 年)Fig.7 Down laneway natural potential isochrones following the electrodes change(in 2008)现了极值点，即在回采线 45 m 处底板就开始渗水，5 月 14 日在 j11 点(回采线60 m)出现第 2 个出水点，因此从自然电位等时线上，反映了出水位置与时间，是本次成功预报的主要依据。利用 NPEI 的 AM 法同时解编得到的巷道三极电测深如图 8 所示，从图 8 可以看出，出水当天视电阻率有降低趋势，出水后整体阻值明显降低，5月 14 日出水主要为在回采线 60 m的底板深度15 m以内的砂岩裂隙水，视电阻率剖面图上出现小块蓝色低阻异常显现。5 月 1517 日视电阻率剖面图上蓝色低阻区主要表现在 45 m 回采线位置，其深度在 20 m 左右，可较好解释了该时段水量增大显现。(a)5 月 12 日 (b)5 月 13 日 (c)5 月 14 日 (d)5 月 15 日 距离/m 风巷底板电极距离/m 机巷底板电极距离/m 32012080280480680j2 j6 j10 j14 j18 j22 j26 j30 j32 机巷底板电极号 自然电位/mV 5 月 8 日5 月 9 日5 月 10 日5 月 12 日5 月 13 日5 月 14 日5 月 15 日5 月 16 日5 月 17 日5 月 18 日5 月 19 日5 月 20 日10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 离切眼距离/m 15 25 35 底板深度/m 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 离切眼距离/m 15 25 35 底板深度/m 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 离切眼距离/m 15 25 35 底板深度/m 1 350 1 150 900 700 550 400 310 200 100 10 视电阻率/(m)15 25 35 底板深度/m 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 离切眼距离/m 切眼 272 岩石力学与工程学报 2009 年 (e)5 月 16 日 (f)5 月 17 日 图 8 五沟矿 1013 工作面底板风巷不同时段视电阻率剖面 Fig.8 Apparent resistivity contour charts of up laneway of 1013 working face in Wugou Mine at the different times 5 月 17 日的视电阻率低阻区相对减小，表明水量减弱。从图 8 来看，低阻区主要分布在 25 m 以上，该出水主要为底板砂岩裂隙水与底板灰岩水没有直接联系。5 结论与展望结论与展望 从以上实验室的地下水渗流过程地电场响应模拟试验与现场探测实例分析来看，渗流过程中的自然电场、人工激励电场中的电流和电压以及视电阻率等参数，都能明显反映渗流场的变化。从地下水的渗流过程来看，在水流流过的位置自然电位、激励电流呈升高的趋势，并且自然电场具有超前感应能力；激励电流和一次场电位具有精确确定渗流位置、渗流速度的特征，特别适合于非均匀介质的地质体渗流变化研究；实时视电阻率图像具有指示渗流区域和相对水量变化的能力，在电法勘探的前提下，通过实时勘探将使其具备跟踪识别渗流过程的能力。本次地电场试验研究仅初步对自然电场和一次场特征进行了分析，二次场特征研究和非时空域的研究是后续的主要研究方向，大量的定量研究需要进行更加细致的工作。地电场方法本身具有激励响应简单、布设安装方便、独立参数多、研究方法多样的优势，地电场研究具有广阔的应用前景，不仅可以用于对地下水的测量，还可以运用于瓦斯的抽放状况研究、油气开采评价、深部岩土特性识别等方面。参考文献参考文献(References)：1 章志洁，韩宝平，张月华，等.水文地质学基础M.徐州：中国矿业大学出版社，1995.(ZHANG Zhijie，HAN Baoping，ZHANG Yuehua，et al.Fundamental of hydrogeologyM.Xuzhou：China University of Mining and Technology Press，1995.(in Chinese)2 赵阳升.矿山岩石流体力学M.北京：煤炭工业出版社，1994：112120.(ZHAO Yangsheng.Rock hydrodynamics of mineM.Beijing：China Coal Industry Publishing House，1994：112120.(in Chinese)3 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90 100 离切眼距离/m 15 25 35 底板深度/m 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 离切眼距离/m 15 25 35 底板深度/m