技术领域
[0001] 本
发明涉及一种属于矿井地球物理及矿井水领域，尤其涉及一种利用赤道偶极装置对采场底板水情动态监测方法。
背景技术
[0002] 目前，探查岩层富水性的方法主要可分为地面物探和矿井物探，地面物探在探查地下岩层富水规律的方法有直流电法、瞬变电磁法、人工可控源法(CSAMT)、大地电磁等方法。地面直流电法发展相当成熟，不仅有二维高
密度电法，还可以实现三维高密度电法，直流电法具有施工效果高、探测
精度准等优点，但探测深度有限。瞬变电磁对低阻体敏感，探测精度准，但容易受低阻体干扰，影响其探测精度。CSAMT法探测深度大，但该方法存在一定的盲区。大地电磁法广泛用来探查大地构造，对于岩层富水性的探查很少应用。地面物探技术由于探测深度和范围的影响，制约其在矿井物探方向的发展。矿井物探具有探查目标准确，施工效率高等优点。
[0003] 矿井物探技术是在地面物探的技术上发展而来，探测方法主要有瞬变电磁法和直流电法。瞬变电磁法仪器国外进口仪器主要用进品产品是加拿大Geonics公司的PROTEM和澳大利亚α-GeoInstruments公司的terra TEM瞬变电磁仪。瞬变电磁法对低阻体敏感，探查准确率高，但容易受矿井周围复杂环境的干扰，且探查工作面范围存在盲区，因此其应用受到一定的限制。井下直流电法施工效率高、受周围环境影响小，成图形象、直观，得到广大矿井水防治者青睐。
[0004] 常用的井下直流电法主要装置有温纳装置、三极装置、二极装置、对称四极装置、轴向偶极装置等，以上装置供电
电极和
测量电极都是在一条直线上，测量数据只是巷道顶、底板岩层富水性，对于工作面内岩层富水性无能为
力。然而，近年来，随着大采深、大跨度工作面回采，工作面内突水事件时有发生，尤其是采空区滞后出水，更没有办法探查突水点水情变化情况。采空区滞后突水小则影响工作面回采，大则影响整个矿井安全，因此，设计一种能够监测采动工作面底板水情变化装置及方法，成为当前矿井水防治的亟需解决的问题。
[0005] 中国
专利申请CN101603419A公开了一种采
煤工作面顺
煤层透视的矿井直流电法探测方法，其采用四极AB-MN的直流电法探测装置方式，在测量过程中相对固定电极A、B，在另一巷道移动测量电极M、N，在AB-MN最短距离处为
中轴线的两侧呈扇形扫面测量了根据
电场的分布规律，使用地电成像方法计算出工作面内部的视
电阻率的分布规律,探测工作面煤层内部是否存在地质构造。该专利是利用工作面透视的原理探查工作面内部隐伏构造的一种方法，该方法受外界影响大，干扰多，需大功率设备持续供电，安全问题存在隐患；数据测量过程中只能在工作面采前进行，且
数据采集工程量大，工作效率低；该方法是探查工作面内部隐伏构造的，对于工作面滞后突水无能为力。而矿井三维直流电法专利是借助巷道空间，经多次测量实现对工作面岩层富水性探查，该方法最大探查范围位于工作面当前回采
位置，对于采空区滞后突水无能无力。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为克服上述
现有技术的不足，提供一种利用赤道偶极装置对采场底板水情动态监测方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0008] 一种利用赤道偶极装置对采场底板水情动态监测方法，包括以下步骤：
[0010] 2)铺设电极及电缆，工作面上布置的电缆、电极需埋在巷道底板一定深度下，要挖设电缆沟，并在电缆沟内打电极孔埋设电极，将电极插入电极孔内，并密封；
[0011] 电极和电缆埋设好以后，分别将电缆与电阻率主机，外接电源与电阻率主机连接好，检测各装置连接情况完好后，方能进行测量；
[0012] 3)数据采集，赤道偶极装置测量电极和测线相互垂直，即供电电极A和供电电极B分别位于上、下巷道内，测量电极M和测量电极N分别位于上、下巷道内，供电电极A、B成轴对称关系，测量电极M、N也成轴对称关系，对称轴是工作面跨度即供电电极A、B连线的中垂线；虽然一对供电电极A、B和一对测量电极M、N分居两巷道中，但测量点位于工作面跨度的中间位置；测量时，供电电极A、B不动，测量电极M、N逐点向右同
时移动，得到一条滚动线；接着供电电极A、B，测量电极M、N同时向右移动一个电极，供电电极A、B不动，测量电极M、N逐点向右同时移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到平行四边形断面；该技术的电阻率测深工作是通过增加供电电极A、B与测量电极M、N之间的距离实现的；
[0014] (1)突变点的剔除；
[0015] (2)地形校正；
[0016] (3)数据的光滑平均处理；
[0018] (5)绘制电阻率断面图；
[0019] 5)资料解释
[0020] 根据绘制电阻率成果图，利用现有的水文地质及钻孔资料，结合矿山压力分布情况，分析工作面某回采位置电阻率变化图，圈定异常区，对异常区做出合理的解释，预测可能突水点；通过对照不同开采位置异常区电
阻变化图，对异常区做进一步解释；重点监测采空区范围内异常区的电阻率变化，尤其是突水点水情变化情况，并做出合理的解释，丰富和发展底板突水机理，为矿井水防治者决策提供依据。
[0021] 所述步骤1)的电缆制作需多芯抽头电缆，各抽头都需要有引脚，抽头间距要大于电极间距，防止岩层采动引起电缆长度变化，将电缆破坏；电缆除了插头外，需要密封防水，需要橙色聚胺脂材料保护套保护，保证电缆常年在潮湿环境下绝缘。
[0022] 所述步骤2)中的电缆沟和电极孔要求如下：
[0023] 电缆沟：尺寸：深300mm，宽200mm；挖设位置：上平巷的上帮底板，下平巷的下帮底板，电极孔：28mm，深300mm；埋设要求：电极孔用炮泥塞满，将电极插入电极孔，要将电极与电缆
连接线接头处密封到炮泥中。
[0024] 所述步骤4)的突变点剔除，在数据采集过程中，由于某一电极接地不好，或受采集现场干扰因素的影响，会出现一些数据突变点，为了不造成对解释结果的影响，对数剧突变点进行剔除；利用公式 对每一行电阻率剖面数据进行处理，ρi+1为数据采集完没有经过任何处理的某行第i+1个电阻率值，ρi为数据采集完没有经过任何处理的某行第i个电阻率值，y值是以上两电阻率比值，i为大于等于1的整数，当y值大于或等于α，该点需要剔除；α是剔除控制参数，α值越小，剔除点越多，α越大剔除点越少。数据经过剔除处理后，将数据保存好，再进行地形校正处理。
[0025] 所述步骤4)中的地形校正，根据静电场理论，地形起伏会影响勘探结果；在凸地形处实际电阻率ρs相对于数据采集电阻率ρ测·偏小；在凹地形处实际电阻率ρs数据相对于采集的电阻率ρ测·偏大；为实现对地电模型的真实反映，当凸地形处与水平面坡度为β时，此时实际电阻率ρs＝ρ测.cosβ；在凹地形处与水平地面为β时，此时实际ρs＝ρ测/cosβ，对实际数据进行了地形校正。ρs是凹处或凸处真实电阻率；ρ测·是经过突变点处理后的测量电阻率值，ρi+1和ρi与ρ测·的区别：ρ测·经过剔除突变点处理，ρi+1和ρi没有经过剔除突变点。
[0026] 所述步骤4)中的数据的光滑平均处理，在数据采集过程中，有时会受到一些随机噪声的影响，为了消除这些随机噪声，采用广义形态分量分析法(GMCA)对随机噪声进行对采集数据的随机噪声进行处理；首先，将观测到的一维电阻率数据
信号，扩展为多维信号；假设电阻率采集信号y1(t)是源信号s(t)和噪声信号n(t)线性
叠加，则关系式为：
[0027] y1(t)＝s(t)+n(t) (1)
[0028] 假设噪声信号n(t)是P个不同噪声信号分量的叠加，则 P为大于1的整数，j为大于等于1的整数，kj为第j个噪声的权重系数；将 带入公式(1)
得到
[0029]
[0030] 将P个噪声信号分量[n1(t)，n2(t)……nP(t)]视为源信号，则源信号的数量大于观测信号数量，在GMCA
算法中，要求观测信号的数量不小于源信号的数量，因此，需要引入虚观测信号；将P个噪声信号分量[n1(t)，n2(t)……nP(t)]视为虚观测信号，公式(2)变为[0031]
[0032] 其中A为混合矩阵，只要能计算出混合矩阵A，就能从采集到电阻率中分离出真实的电阻率数据s(t)，从而达到消除随机噪声的目的；形态分量分析(MCA)充分利用信号的形态多样性和稀疏性的特点，把信号源看作是不同形态分量的稀疏表示，并利用稀疏性来估计源信号和混合矩阵，在将真实电阻率分离的同时，还能有效降低随机噪声的干扰，因此GMCA是一种快速有效的去处随机干扰的方法。
[0033] 所述步骤4)中的反演迭代地层真电阻率，为了提高电法勘探的
分辨率，减小电法勘探的体积效应，突出细微地质异常，应当从实测的电阻率出发，迭代出地下介质的地层电阻率；
[0034] 根据地电场理论，建立二维有限差分模型，模型网格数为Nx×Ny＝m，其中Nx、Ny分别是X、Y方向上的网格数；每个网格对应一个电阻率值，模型中m个网格对应m个电阻率值；根据地电场理论，利用有限差分法算出模型中每个网格电阻率的值，即为ρ1，ρ2......ρm，因此，模型中电阻率参数为G＝(ρ1，ρ2......ρm)T，电阻率观测值为dobc＝(ρs1，ρs2......ρsn)T，ρs1，ρs2......ρsn为实际电阻率观测数据(该数据是经过剔除突变点、地形校正和去除随机干扰后的数据)，n为观测数；二维反演问题本身就是非线性问题，将非线性问题经过最小二乘法转化为线性问题，将其线性并正则化得到最小二乘法算法公式:
[0035] JTJΔG＝JTΔd (4)
[0036] J为雅克比矩阵，ΔG为模型参数
修改矢量，Δd为观测数据dobc与正演理论数据dm残差向量，dm为给定模型参数正演理论观测数据；
[0037] 二维反演问题往往是混定问题，导致方程为病态方程，为了解决此问题，将光滑约束引入反演方程；光滑约束就是相邻
节点的电阻率光滑过渡，使相邻网格电阻率差异极小；对公式(4)施加光滑约束后得到圆滑三维电阻率反演方程:
[0038] (JTJ+λF)ΔG＝JTΔd (5)
[0039] F＝fxfxT+fzfzT (6)
[0040] λ为拉格朗日常数，决定光滑约束的权重，fx为水平圆滑滤波系数矩阵，fz为垂直圆滑滤波系数矩阵。圆滑最小二乘法流程见图4。
[0041] 所述步骤4)中的绘制电阻率断面图，在反演迭代出的地下介质电阻率的
基础之上，利用Surfer
软件包绘制出每条测线的电阻率断面图。
[0042] 本发明是为了保证矿井安全生产，在复杂外界环境影响下，专
门设计井下采场底板水情监测电缆及电极，制定合理的施工方案，充分发挥赤道偶极装置供电电极对AB(测量电极对MN)分居两巷道中，电阻率记录点位于工作面跨度中间位置的优点，基于工作面回采前在巷道中一次性埋设电极和电缆，既可以实现对工作面内部底板岩层富水性探查的研究，尤其是实现了工作面采空区突水过程的动态监测的一种方法。
[0043] 通过在上或(下)巷道内预先埋设电缆及供电电极A和测量电极M，下(上)巷道埋设电缆及供电电极B和测量电极N，实现工作面跨度即供电电极A、B中间位置电阻率剖面的数据采集。数据采集完成后，经数据预处理和圆滑最小二乘法反演后，得到工作面内岩层二维电阻率剖面，分析岩层富水区，圈定异常区，实现工作面内水情的探查。同时，结合工作面采动情况的影响，经过多次数据观测，对照每次电阻率剖面图变化情况，实现对采场内水情变化情况的动态监测，尤其是采空区水情的动态变化，这是其它方法无法实现的。该方法原理简单、易懂，操作简单、施工效率高。
[0044] 本发明通过赤道偶极装置，不仅能实现了工作面内水情的探查，而且解决了监测采空区滞后突水技术难题，只需要在采前一次施工，即可实现整个采场底板水情的动态监测。
附图说明
[0045] 图1是电缆制作示意图；
[0046] 图2是赤道偶极装置及电极及电缆布线示意图；
[0047] 图3是赤道偶极扫点断面图；
[0049] 图5是
实施例中51302工作面7月4日工作面色谱断面图；
[0050] 图6是实施例中51302工作面7月27日工作面色谱断面图；
[0051] 图7是实施例中51302工作面8月7日工作面色谱断面图。
具体实施方式
[0052] 下面通过在某矿现场51302工作面实施例并结合附图对本发明作进一步说明[0053] 1.电缆制作
[0054] 该工作面电缆采用32芯插头，插头上的1-30号引脚依次对应连至1—30号抽头，连接关系参见图1。要求电缆总长915m，抽头间距为10.5m(电极间距为10m，两电极之间留有0.5m电缆，防止采动造成电缆破坏)，电缆芯数为32，护套为橙色聚胺脂材料。本电缆除32芯插头外，均密封防水，并能长年工作于潮湿环境中且绝缘性能不变差。电缆的一端为32芯插头，另一端压胶密封。所有抽头处均密封防水，各抽头通过一段30cm长芯线截面积为0.3平方毫米多芯
铜导线引出。
[0055] 2.电极及电缆铺设：
[0056] 为了保障电缆、电极的安全及生产安全，工作面上布置的电缆、电极需埋在巷道底板30mm下，因此要挖设电缆沟，并在电缆沟内打孔埋设电极。将电极插入电极孔内，并用炮泥密封。
[0057] 电缆沟和电极孔要求如下：
[0058] 电缆沟：尺寸：深300mm，宽200mm；挖设位置：上平巷的上帮底板，下平巷的下帮底板电极孔：28mm，深300mm埋设要求：电极孔用炮泥塞满，将电极插入电极孔，要将电极与电缆连接线接头处密封到炮泥中。
[0059] 如图2，本次探查在工作面上、下巷道分别埋设电极1-60及电缆61，电极间距为10m。将两根电缆61与电阻率测量主机62连接好，再将外接电源63与电阻率测量主机62连接好，检测各装置连接情况，连接好后，方可进行数据测量。
[0060] 3.数据采集
[0061] 测量时，如图3所示，供电电极A、B不动，测量电极M、N逐点向右同时移动，得到一条滚动线；接着供电电极A、B和测量电极M、N同时向右移动一个电极，供电电极A、B不动，测量电极M、N逐点向右同时移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到平行四边形断面，电阻率测深工作是通过增加供电电极A、B与测量电极M、N之间的距离实现的。例如：如图2中，当上巷道第30个电极及第29个电极分别为供电电极A和测量电极M,下巷道的第31个电极和第32个电极分别对应供电电极B和测量电极N，此时记录点为第1个记录点。此后，供电电极A、B不变，测量电极M、N依次变为第28、33个电极，按照此种方法，以此类推，直到测量电极M、N变为第1个和第60个为止，完成一条滚动线。此后，供电电极A、B更换为第29个电极和第32个电极，测量电极M、N不断向右移动，完成另外一条滚动线，以此类推，直到数据点断面采集完成为止，得到平行四边形断面。
[0062] 4.数据处理
[0063] 数据采集完成需要经过以下处理。
[0064] (1)突变点剔除；
[0065] 在数据采集过程中，由于某一电极接地不好，或受采集现场干扰因素的影响，会出现一些数据突变点，为了不造成对解释结果的影响，对数剧突变点进行剔除；利用公式对每一行电阻率剖面数据进行处理，ρi+1为数据采集完没有经过任何处理的某行第i+1个电阻率值，ρi为数据采集完没有经过任何处理的某行第i个电阻率值，y值是以上两电阻率比值，i为大于等于1的整数，当y值大于或等于α，该点需要剔除；α是剔除控制参数，α值越小，剔除点越多，α越大剔除点越少。数据经过剔除处理后,将数据保存好，再进行地形校正处理。
[0066] (2)地形校正；
[0067] 根据静电场理论，地形起伏会影响勘探结果；在凸地形处实际电阻率ρs相对于数据采集电阻率ρ测·偏小；在凹地形处实际电阻率ρs数据相对于采集的电阻率ρ测·偏大；为实现对地电模型的真实反映，当凸地形处与水平面坡度为β时，此时实际电阻率ρs＝ρ测.cosβ；在凹地形处与水平地面为β时，此时实际ρs＝ρ测/cosβ，对实际数据进行了地形校正。ρs是凹处或凸处真实电阻率；ρ测·是经过突变点处理后的测量电阻率值，ρi+1和ρi与ρ测·的区别：ρ测·经过剔除突变点处理，ρi+1和ρi没有经过剔除突变点。
[0068] (3)数据的光滑平均处理；
[0069] 在数据采集过程中，有时会受到一些随机噪声的影响，为了消除这些随机噪声，采用广义形态分量分析法(GMCA)对随机噪声进行对采集数据的随机噪声进行处理；首先，将观测到的一维电阻率数据信号，扩展为多维信号；假设电阻率采集信号y1(t)是源信号s(t)和噪声信号n(t)线性叠加，则关系式为：
[0070] y1(t)＝s(t)+n(t) (1)
[0071] 假设噪声信号n(t)是P个不同噪声信号分量的叠加，则 P为大于1的整数，j为大于等于1的整数，kj为第j个噪声的权重系数；将 带入公式(1)得
到
[0072]
[0073] 将P个噪声信号分量[n1(t)，n2(t)……nP(t)]视为源信号，则源信号的数量大于观测信号数量，在GMCA算法中，要求观测信号的数量不小于源信号的数量，因此，需要引入虚观测信号；将P个噪声信号分量[n1(t)，n2(t)……nP(t)]视为虚观测信号，公式(2)变为[0074]
[0075] 其中A为混合矩阵，只要能计算出混合矩阵A，就能从采集到电阻率中分离出真实的电阻率数据s(t)，从而达到消除随机噪声的目的；形态分量分析(MCA)充分利用信号的形态多样性和稀疏性的特点，把信号源看作是不同形态分量的稀疏表示，并利用稀疏性来估计源信号和混合矩阵，在将真实电阻率分离的同时，还能有效降低随机噪声的干扰，因此GMCA是一种快速有效的去处电阻率信号随机干扰的方法。
[0076] (4)反演迭代地层真电阻率；
[0077] 为了提高电法勘探的分辨率，减小电法勘探的体积效应，突出细微地质异常，应当从实测的电阻率出发，迭代出地下介质的地层电阻率；
[0078] 根据地电场理论，建立二维有限差分模型，模型网格数为Nx×Ny＝m，其中Nx、Ny分别是X、Y方向上的网格数；每个网格对应一个电阻率值，模型中m个网格对应m个电阻率值；根据地电场理论，利用有限差分法算出模型中每个网格电阻率的值，即为ρ1，ρ2......ρm，因此，模型中电阻率参数为G＝(ρ1，ρ2......ρm)T，电阻率观测值为dobc＝(ρs1，ρs2......ρsn)T，ρs1，ρs2......ρsn为实际电阻率观测数据(该数据是经过剔除突变点、地形校正和去除随机干扰后的数据)，n为观测数；二维反演问题本身就是非线性问题，将非线性问题经过最小二乘法转化为线性问题，将其线性并正则化得到最小二乘法算法公式:：
[0079] JTJΔG＝JTΔd (4)
[0080] J为雅克比矩阵，Δm为模型参数修改矢量，Δd为观测数据dobc与正演理论数据dm残差向量，dm为给定模型参数正演理论观测数据；
[0081] 二维反演问题往往是混定问题，导致方程为病态方程，为了解决此问题，将光滑约束引入反演方程；光滑约束就是相邻节点的电阻率光滑过渡，使相邻网格电阻率差异极小；对公式(4)施加光滑约束后得到圆滑三维电阻率反演方程:
[0082] (JTJ+λF)ΔG＝JTΔd (5)
[0083] F＝fxfxT+fzfzT (6)
[0084] λ为拉格朗日常数，决定光滑约束的权重，fx为水平圆滑滤波系数矩阵，fz为垂直圆滑滤波系数矩阵。圆滑最小二乘法流程见图4。
[0085] (5)绘制电阻率断面图
[0086] 在反演迭代出的地下介质电阻率的基础之上，利用Surfer
软件包绘制出每条测线的电阻率断面图，该图件是资料解释的主要图件。
[0087] 5.资料解释
[0088] 图5～图7分别为7月4日、7月27日、8月7日对某矿51302工作面进行的底板岩层富水性探查测获得的工作面底板色谱断面图，所有探查均使用工作面偶极技术，采用同一采集参数。
[0089] 7月4日资料解释：在工作面偶极电阻率色谱断面图320m桩号下方有一个幅度较小的低阻异常，说明该处有一隐伏地层
破碎带，该破碎带胶结较好，富水性较差；在大于560m处也存在一低阻区，采煤作业面已靠近该位置，但尚未到达断面位置，该低阻区为采煤作业影响带，该位置由于采煤影响，地层相对破碎。
[0090] 7月27日资料解释：该时间煤层开采已到540m桩号处(进入断面45m)。320m桩号下方的低阻异常继续扩大，说明随着采煤作业面临近，破碎带胶结程度进一步变差，富水性进一步增强；大于530m桩号(约55m宽度)存在一个低阻区域，该区域为煤层采空区的反映，反映了采空区内煤层底板的破坏情况，低阻区电阻率随深度增加逐步增大，最低值在最浅部，说明煤层底板破坏程度随深度增加逐步减小，靠近煤层处最严重；低
阻带的中心位于560m桩号处，该处漏斗状低阻异常向下延伸到约55m处，说明煤层底板的破坏深度达到55深度；从低阻带中心向小号方向底板破坏深度逐步变浅，且变浅幅度逐步变小；从低阻带中心向大号方向电阻率也逐步升高，说明从560m桩号(低阻带中心)向后区域，采空区顶板已经垮塌，逐步
压实破坏的底板，底板中的空隙度减小，富水性降低，同时也说明在560m桩号处(开采作业面后20m)底板破坏深度达到最大(55m)。
[0091] 8月7日资料解释：数据采集时采空区底板出水量稳定在16m3/min。320m桩号下方的低阻异常幅度比出水前(7月27日)资料有所减小，说明由于采空区底板出水，奥
灰水压力减少，导致破碎带富水程度也随之降低；断面图右下
角的低阻区域范围、幅度比8月5日均有所减小，说明随着出水时间的延长，奥灰水压力降低，采空区顶板进一步垮落，破坏的煤层底板被逐步压实，出水通道变小，导致出水量降低。
[0092] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或
变形仍在本发明的保护范围以内。
