矿井直流电法技术应用现状与展望
杨少文，张平松，许时昂，吴海波，邱实，焦文杰
安徽理工大学地球与环境学院
作者简介：杨少文，研究生，主要研究方向为矿山工程勘探。
通信作者：张平松，教授，博士生导师，从事综合地球物理勘探、矿山及工程多灾害源探测与防治等方向的教学与研究工作。
矿井直流电法是在井中和巷道内探测，距离目标体近，探测精度高。多以煤岩体为研究对象，通过电阻率、极化率和自然电位等多参数测量及异常解释，可应用于煤层顶底板地质特征和巷道超前探测等，在金属矿山和隧道工程中也有应用，如直流聚焦法隧道超前探测等，井中电法寻找盲矿体等。
矿井直流电法作为一种高效的地球物理勘探手段，可精准圈定各类异常。然而，井下探测空间小、干扰多、技术要求高，其发展受到诸多因素限制。
本文从基本原理、技术发展及分类3个方面对矿井直流电法进行了概述，总结了矿井直流电法用于顶底板探查、巷道超前探测、工作面内异常区探查等方面的最新进展；对矿井直流电法仪器与设备研发进展进行了分析，列举了常见的几类矿井直流电法仪器；分析了矿井直流电法在解决工程问题中存在的关键问题；并对矿井直流电法未来发展方向进行了展望。
本文的关键词是：矿井直流电法；顶底板探查；巷道超前探测；异常区探查；地电场数据响应特征库；多源数据融合解释；智能化监测体系。
在我国能源保障体系中，煤炭依然发挥着不可替代的作用。国家统计局资料显示，2022年我国原煤产量达到45.6亿t的新高，煤炭消费量在能源消费总量中的占比较2021年上涨0.2%，达到了56.2%。这充分说明煤炭在保障能源安全和国民经济健康发展中是重要的“稳定器”。近期国家能源局等多部门联合发布的《关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》中，明确提出了“以数字化智能化技术带动煤炭安全高效生产”的目标。因此，构建匹配目前煤炭行业集约化、规模化生产的地质保障技术体系，提升矿井地质探测精度与地质信息透明化水平是煤矿智能、安全、高效生产的基础条件之一。
地球物理探测技术作为矿井地质保障体系的重要组成部分，在矿井建设、生产中指导意义重大。直流电法是一种常用的地球物理勘探手段，具有施工效率高、应用范围广、对水体敏感程度高等特点，在地质保障技术中扮演了重要角色。直流电法根据应用空间环境的不同可分为地面直流电法和矿井直流电法2类。其中，矿井直流电法以煤岩体为研究对象，通过电阻率、极化率和自然电位等多参数测量，获取丰富的地电场参数，从不同电性角度对异常区进行分层刻画，进而实现未知地质异常体准确圈定。矿井直流电法与地面直流电法差别较大，主要体现在以下方面：①地下深部探测环境中，施工空间狭小，金属等干扰多，装备适用性差。②井下探测对仪器设备功率、电流及响应时间等都有约束，同时涉及防爆、安全等问题。因此，亟需从矿井直流电法的技术基础理论、仪器研发、数据处理和成果表达等方面进行创新研究，推动地质保障体系的进一步发展，从而服务于煤矿智能化生产。
建立快速采掘模式下与智能化发展相匹配的矿井直流电法勘探技术体系，对于煤炭智能化生产意义重大。本文概述了矿井直流电法的原理、发展历程，并对技术应用进行了分类，总结了矿井直流电法在工作面顶底板探查、巷道超前探测及工作面内探查的应用和仪器设备发展情况。基于此，讨论了矿井直流电法探测技术在目前工程应用中的优缺点。建议从构建地电场数据响应特征库、多源数据融合解释与联合反演方面入手，提高矿井直流电法成像的精度与解释标准，并建立矿井直流电法动态智能化监测体系，助力煤矿智能化发展。
矿井直流电法以电阻率法为基础，通过对地下人工建立的地电场分布特征进行观察和研究，获得煤岩体及异常体的电性差异响应。以低阻体为例，矿井直流电法探测原理如图1所示。
图1 矿井直流电法探测原理
构建人工电场，通过供电电极供入电流，获取电位信号差，计算待测煤岩体视电阻率：
式中：ρsAB为视电阻率，Ω·m；KAB为测量装置的装置系数；ΔUMN为测量电极所检测到的电位差，V；I为供电电流，A。
早在20世纪50、60年代，苏联学者采用直流电法技术开展煤矿井下勘探，并在长期的实践中积累了丰富经验。我国在1958年由煤炭部地勘司在北京京西矿区万福堂平硐进行了井下直流电法试验，取得了较好的富水区探查效果。之后在京津冀、两淮等多家矿务局相继开展井下试验工作，推动了矿井直流电法的初步发展。20世纪80年代后期，煤炭开采产量增加，水害问题日趋严重，以中国矿业大学、煤炭科学研究总院西安分院、河北邯郸峰峰矿务局等为代表的单位着重关注到矿井直流电法的理论、装备等研究工作。20世纪90年代我国东部矿区煤炭开采规模化发展，国内诸多研究单位从矿井直流电法理论、技术和现场试验与应用等方面开展了大量工作。期间，中国矿业大学首次将高密度电法技术应用于井下底板突水构造探查。另外，河北煤炭科学研究所、邯郸矿务局等单位还进行了矿井直流电法超前探测试验。这一阶段，矿井直流电法勘探工作的测线布置、数据采集与分析等环节愈加标准、规范。一些具有矿井特色的直流电法测试方法被用于井下生产地质保障工作中，例如岩体电阻率法、层测深法、直流电透视法及超前探测技术。
进入21世纪后，煤炭行业迎来黄金十年（2002—2012）快速发展期，在国家重大科技战略支撑下，国内多家高校、研究院、煤矿企业等相关单位投入大量时间与精力进行矿井直流电法的理论研究、技术应用、仪器研发等工作。其中代表性的有中国矿业大学岳建华等学者完成的《矿井直流电法勘探》一书，系统总结了矿井直流电法理论和应用等方面的研究，安徽理工大学研发的并行电法技术也极大地保证了煤矿安全高效开采。
近年来，5G、物联网和相关软硬件技术的提升促进了矿井直流电法仪器的小型化与智能化，现已初步实现了远程智能化动态监测。同时，有学者尝试将矿井直流电法与随掘随采技术相结合，实现采-探、掘-探同步推进，取得了显著成效。矿井直流电法简要发展历程如图2所示。
图2 矿井直流电法简要发展历程
根据场源、解决的工程问题、探测的方式等，矿井直流电法延伸出了一些更为细致的分支，可细分为电测深法、电剖面法、高密度电阻率法、网络并行电法、直流电透视法等。常见的矿井直流电法分类见表1。
表1 常见的矿井直流电法分类
矿井直流电法主要应用于顶底板探查、煤层内构造探测和巷道超前探测等，其原位测试方式从单一的巷道测试发展为孔-巷、孔-地、孔-孔等井下或井上下多样化的联合测试方式，同时，针对不同地质条件、不同探测目标下的矿井直流电法技术与装备正在不断发展与完善。
顶底板的富水性探查和采场围岩破坏发育特征研究是煤炭安全生产全过程关注的重点和难点。顶底板发生突水灾害往往是因为顶底板受采动影响而产生破坏变形，降低了隔水岩层的原生强度和完整性，形成水害导水通道。矿井直流电法对水体响应敏感，同时在采场围岩变形中顶板“上两带”（垮落带、导水裂缝带）和底板“下三带”（导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带）区域的岩体破坏程度不同，导致电阻率的变化不同，奠定了其物性的探查基础。
通过对孔、巷的充分利用，优化既有的观测模式，在工作面回采过程中获得顶底板动态监测结果，圈定富水异常区。采用单孔/单巷观测方式，通过在顶底板钻孔或单巷中布设电极，获取不同回采时间段的二维电阻率剖面，能直观表现出顶底板岩层结构与动态破坏特征。在通过矿井直流电法判识工作面“上两带”高度和“下三带”破坏深度方面，相关学者开展了大量探索性工作，取得了一定效果。张平松等基于并行电法技术，通过对孔巷的充分利用，进行顶板三维动态监测，由此判断回采过程中顶板垮落带和导水裂缝带的高度。施龙青等将三维高密度电法技术用于顶板富水性探查，通过在进风巷、切眼、回风巷布设三维观测系统，得到不同开采过程中的三维电阻率成像过程，直观表现出顶板水分布情况。在数据解释与处理方面，杨海平等、鲁晶津重点关注顶底板受煤层采动破坏过程中的电性响应特征，旨在为顶底板直流电法测试数据解释提供参考。翟培合等基于现场勘探数据构建了光滑约束最小二乘法耦合正则化约束的反演模型，提高了反演的泛化能力和成像精度，进而提高了高密度电法在煤矿顶板探水应用中的准确性。胡雄武等基于单巷与双巷透视法优缺点，通过三极左与三极右联合反演，提出了视电阻率全方位探测方法，用该方法得到底板灰岩水相对低阻区分布结果，如图3所示。
在探查顶板过程中，若遇到巷道过高、顶板岩体坚硬等问题，电极布设难度增大，导致施工效率低下，同时还可能影响电极与煤岩体的接触。因此，鲁晶津等尝试用顶板锚杆作为电极，在去除锚杆电极附近金属干扰物后，开展了锚杆电极的可行性研究。温亨聪等提出了一种适用于工作面顶板的电法赋水性探测系统，包括顶板电法探测网络、高空电极伸缩探测杆、海绵耦合套等，极大地优化了顶板电极布设，促进了基于矿井直流电法的顶底板探测技术的进步。
据不完全数据统计，我国煤矿的巷道年掘进累计量达到上万千米，而且巷道掘进事故在矿井安全事故中的占比超过40%。由于受地质“黑箱”影响，除了降低掘进效率外，还容易受到前方隐伏岩溶、陷落柱等地质灾害体的威胁，并且当前快速掘进模式下要求巷道超前预报更加实时和精准。相关高校及科研单位重点围绕巷道前方地质构造、岩层含水性两大地质灾害开展矿井直流电阻率法超前探测工作，进行了广泛深入的研究。
目前，用于巷道超前探测的直流电法主要有直流三极法、直流聚焦法2种，其中直流三极法及其改进方法更为常见，直流聚焦法多用于隧道超前探测，在煤矿深部地层应用较少。为了获得较好的探测效果，提高巷道前方含水异常体综合辨识和预测能力，优化或改变观测方式是常用的方法。周官群等将3个超前探水钻孔设计为互成28°的“三角锥”型观测系统，利用孔中三维直流电法进行突水灾害超前探测正演模拟。张平松等在三点源布置基础上，利用并行电法测试装备实现多极覆盖，构建了矿井直流电法孔-巷超前观测系统，提高了巷道前方地质异常体的探测精度。王敏等采用直流电法二极“U”型超前探测装置对某矿掘进巷道前方断层富水性进行探测，取得了较好的应用效果，电阻率反演断面如图4所示，可看出该装置对低阻异常区的圈定效果较佳。在数据解释与处理方面，刘洋等利用电阻率三维非结构有限元数值模拟，给出了巷道超前探测的线性预测模型，然后引入MonteCarlo随机化生成大量电阻率任意分布的地下巷道模型，与并行算法相结合，获得了各预测模型的准确度及可靠性估计，从数据处理与解释方面为巷道超前探测准确性和可靠性的定量化描述提供了新思路。
图4 超前探测电阻率反演断面
近年来，隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）被引入矿井巷道掘进中，显著提升了巷道施工速度和效率。然而相对应地，也给巷道前方地质灾害探查预报工作带来了更为严峻的挑战。开展随掘探查成为巷道快速智能掘进探测技术的研究重点。其中，随掘电法超前探测是在盾构机掘进施工过程中，以移动刀盘为测量电极，后方墙体内锚杆作为接地电极，对TBM护盾通入保护电流，进而构成移动阵列超前观测系统，同步进行数据采集与处理，实现对前方地质体的实时预报。
回采工作面地质构造是影响采煤效率的主要因素之一。回采工作面内存在隐伏含/导水构造未被揭露时，在煤层采动影响下易形成导水通道。因此，可利用陷落柱、岩溶等含/导水构造与围岩的电性差异，采用矿井直流电法圈定工作面内异常区。在观测方式方面，牟义等、陈继福等通过巷-巷布设方式在工作面内部区域应用音频透视技术进行含水体圈定，该技术施工便捷、测试效果显著，能够有效地为矿井水害防治提供依据。某矿音频电透视三维反演成像结果如图5所示，获得了前方岩溶陷落柱分布情况。在数据解释与处理方面，曹强针对2个巷道间工作面内的异常体反演问题，研究了巷道间电阻率法三维共轭梯度反演理论，成功避开直接求取雅克比矩阵，通过解“拟正演”问题直接获得雅克比矩阵与一任意向量的乘积及其转置与一任意向量的乘积，为回采工作面三维电阻率法的反演提供了新思路。
图5 工作面音频电透视三维反演成像结果
针对矿井直流电法仪器短缺问题，相关高校与科研单位投入大量的时间和精力开展仪器装备研发工作，探测装备从大功率、高功耗逐渐向便携化、自动化、智能化的方向发展。
煤炭科学研究总院西安研究院最早于1992年研发了适用于井下的DZ-Ⅱ型防爆数字直流电法仪器，填补了国内矿井直流电法仪器的空白。进入21世纪以来，矿井直流电法勘探仪器日趋小型和轻便，各个科研院所和企业相继研发了众多矿用直流电法仪器。中煤科工集团重庆研究院有限公司成功开发了矿用高密度电法仪。刘盛东等设计了分布式并行智能电动机电位差信号采集方法和系统，研发出首款矿用并行电法仪并投入生产使用。
随着仪器设备水平不断提高，矿用电法勘探装备初步实现了智能化动态监测，并由单一物探设备向集成化监测系统发展。王冰纯研发了回采工作面电阻率监测系统，利用光纤和互联网进行远程控制和数据传输，开发了数据实时处理软件和动态成像系统。靳德武等提出了集多频连续电法充水水源监测、“井-地-孔”联合微震采动底板破坏带监测及监测大数据智能预警为一体的煤层底板突水三维监测与智能预警技术。较为常见的几类矿井直流电法仪器功能及特点见表2。
表2 常见矿井直流电法仪器功能及特点
矿井直流电法经过60余年的发展，技术和装备水平得到显著提升，但在解决工程问题上依然存在很多难题，特别是测试环境的变化带来很多新挑战。
1）目前矿井直流电法超前探测技术主要以球壳理论为基础进行含/导水构造体探查工作，而实际井下地质情况复杂，且在全空间三维地电条件下探测存在较强的体积效应，在含/导水异常体圈定空间的定位精度低，同时存在有效探测距离不足的问题。含/导水异常体探查研究多从单一、简单构造出发，与测试地质环境的结合不密切，未给出多种复杂含/导水构造地电场响应特征对应关系，使得地电场响应特征不明确，缺乏系统归纳。此外，对全空间基础理论的研究不够深入，煤炭深部化开采与西部矿井地质条件差异大，一些基础理论与应用适应性变差，亟需进行完善。
2）矿井直流电法施工空间狭小，在有限的测试空间内，多方位地质异常体电性响应叠加，增加了数据处理和解释难度。异常识别效率和测试结果的多解性长期以来未得到很好解决。另外，矿井直流电法现场施工自动化、信息化水平不高，限制了其在随采、随掘、随探、随落等方面的应用，加上导致探测结果多解性的原因复杂，如何优化施工方式，提高施工效能，实现矿井直流电法高速采集与处理是热点问题。目前，多地球物理探测技术联合测试成为趋势，获得大量原位数据之后，开展数据融合解释，进行多方法的相互验证，以提高探测精度，该问题需进一步深入探究。
3）矿井直流电法在井下应用时易受场地金属源干扰，特别是受掘进机、液压支架、锚锁（网）支护、轨道、输送管道等大型金属件影响。现阶段长供电、高稳定性的小型化、便携式电法勘探仪器并不多见，相关设备研发不能适配现阶段的生产需求，人工参与度依然较高。同时，大部分仪器设备采集通道有限，仪器本身的随机噪声压制等会对数据采集与可靠性造成干扰，这些问题都是约束矿井直流电法快速发展的因素。
1）构建多源地电场数据响应特征库。系统研究深部煤岩体激励电位、自然电位、激励电流、电阻率、极化率等多参数特性规律，构建老空水、陷落柱、断层、破碎带等含/导水经典构造的地电场响应特征库，对于精细化分析矿井直流电法探查结果极为关键。通过理论计算与数值模拟，加强1∶1物理模型推演及工程应用，并结合物探、钻探、原位取芯测试，获取含水与不含水时经典构造的地电场差异化信息。这就要求既考虑不同区域不同地质条件下的电性响应特征，也要考虑地质构造的不同体积、不同类型、不同位置等带来的地电场差异，进而分析待测区域地质构造电性响应机制，准确定位异常区，为矿井防灾减灾工作提供参考。
2）多源数据融合解释。采用单一测试方法反演多解性问题普遍存在，同时空间体积效应可能会存在假异常，需要通过多参数、多物探方法的联合与融合，建立一套合理、系统的解释方法。通过捕捉多源数据的有效信息，搭建物探、钻探及地质结构信息之间的桥梁，实现多源同构与异构信息的高效融合。同时，开展基础岩土试验与原位测试，分析其物性关系，提升多源数据的分辨能力。与此同时，基于交叉梯度约束与岩石物性约束对数据进行归一化处理，实现多空间多维度的多源数据融合。多源数据融合处理后进行联合反演，可有效降低或避免电法反演多解性问题，提高数据解释与成像精度。
3）建立矿井直流电法智能化监测体系。基于矿井安全生产的需求，提高采集效率，降低劳动强度，研制集成震-电-磁等于一体的矿井物探仪器装备。在有限的矿井空间中最大化减小环境因素带来的限制，从抗干扰能力、稳定性、探测精度、多功能、长航时、抗噪、防尘一体化等方面提高电法仪器装备性能，同时仪器装备的更新换代及装备小型化、集成化、一键化、智能化是必然趋势。考虑通过非极化电极传感单元搭载钻机、盾构机、割煤机等设备进行随钻随探、随采随探、随掘随探。综合5G和大数据融合技术，尽快在统一标准下建立用于电阻率方法数据采集、处理和反演的三维可视化软件平台，建立矿井直流电法智能化监测体系，满足智能矿山建设的需求。矿井直流电法智能化监测体系如图6所示。
图6 矿井直流电法智能化监测体系
分类概述了矿井直流电法测试技术的基本原理、发展历程及技术分类，总结了矿井直流电法测试技术在煤矿安全生产中的应用及相关仪器的研究进展。随着煤炭工业智能化建设要求的进一步提高和数字信息化与人工智能化的深度融合，矿井直流电法在解决复杂地质问题方面取得了较突出的进展，但是距离高效安全保障体系的形成及定量化、精细化探测尚有一定差距，需要在基础理论、技术装备和反演方法上有所突破。通过优化观测模式，开展多场联合反演，开发一体化综合探测装备，建立实时预报与智能监测预警系统，研究精细化数据解释方法，加强产教学研合作，为提高透明地质水平不断进行技术创新，以期满足智慧矿山对在线、实时、动态全周期监测的要求。新煤炭形势下，基于矿井物探技术联合与融合完善深地空间多场耦合分析，为矿井智能化建设添砖加瓦。
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文章版权声明：本文来源 ：杨少文，张平松，许时昂，等.矿井直流电法技术应用现状与展望[J].工矿自动化，2023，49（8）：20-29 《覆盖区找矿》.，版权归原作者所有，本文不代表阳光创译立场，并对文中观点保持中立，仅供各位阅读者交流参考之目的。本号所转载内容没有任何商业宣传目的，仅供交流，如有侵权，请联系主编删除（主编微信：suntrans2008），另外图片版权归原作者所有，如有侵权请联系我们，我们将会立刻删除！给您带来的不便，尽请谅解！
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