双频激电法在淮南矿区A组煤工作面底板水害探测中的应用

黄刚; 任波; 韩云春; 余国锋; 罗勇; 胡雄武; 周官群; 魏廷双; 韩必武; 谭西宁

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507781

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (28) :12022-12037 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507781

天文学、地球科学

双频激电法在淮南矿区A组煤工作面底板水害探测中的应用

黄刚 ¹^,²^,³ ,
任波 ¹^,²^,³^,^* ,
韩云春 ¹^,²^,³^,⁴ ,
余国锋 ¹^,²^,³ ,
罗勇 ¹^,²^,³ ,
胡雄武 ⁵ ,
周官群 ⁶ ,
魏廷双 ¹ ,
韩必武 ¹ ,
谭西宁 ¹^,²^,³

作者信息 +

Application of Dual Frequency Induced Polarization Method in Floor Water Disaster Detection of Group A Coal Face in Huainan Mining Area

HUANG Gang ¹^,²^,³ ,
REN Bo ¹^,²^,³^,^* ,
HAN Yun-chun ¹^,²^,³^,⁴ ,
YU Guo-feng ¹^,²^,³ ,
LUO Yong ¹^,²^,³ ,
HU Xiong-wu ⁵ ,
ZHOU Guan-qun ⁶ ,
WEI Ting-shuang ¹ ,
HAN Bi-wu ¹ ,
TAN Xi-ning ¹^,²^,³

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摘要

针对淮南矿区A组煤工作面底板太原组灰岩含水层“岩性低阻”与“含水低阻”难以区分的技术难题,以顾北煤矿13421工作面为工程背景,采用“数值模拟-物理模拟-现场探测-综合验证”的技术路线,系统开展双频激电法(dual-frequency induced polarization,DFIP)应用研究。数值与物理模拟结果表明,富水区呈现“低电阻率+高频散率”的典型响应特征,从理论层面验证了该方法破解“低阻多解性”的可行性,且双频激电全方位探测技术对异常体的定位精度显著优于传统手段。在顾北煤矿13421工作面现场,通过双频激电探测系统布置多测点扇形扫描,在底板70 m深度范围内成功圈定2处富水异常区。经钻探验证及三维电法对比分析,圈定的异常区与钻孔出水点吻合度高,富水性识别精度显著优于传统物探技术,同时证实工作面内断层导水性较弱,与现场实际揭露情况一致。研究表明,双频激电法能够实现A组煤底板灰岩水害的精准探测与定位,为淮南矿区A组煤安全高效开采提供了可靠技术支撑。

Abstract

Aiming at the technical problem that it is difficult to distinguish “lithological low resistance” from “water-bearing low resistance” in the limestone aquifer of Taiyuan Formation at the floor of Group A coal face in Huainan mining area, taking the 13421 working face of Gubei Coal Mine as the engineering background, the application research of dual-frequency induced polarization (DFIP) method was systematically carried out by adopting the technical route of “numerical simulation-physical simulation-field detection-comprehensive verification”. The results of numerical and physical simulation show that water-rich areas present the typical response characteristic of “low resistivity + high frequency dispersion rate”, which verifies the feasibility of this method to solve “low resistance multi-interpretability” from the theoretical level. Moreover, the positioning accuracy of dual-frequency IP omni-directional detection technology for anomalies is significantly better than that of traditional methods. In the field of 13421 working face of Gubei Coal Mine, fan-shaped scanning with multiple measuring points was arranged through the dual-frequency IP detection system, and two water-rich abnormal areas were successfully delineated within the depth of 70 m under the floor. Through drilling verification and comparative analysis of three-dimensional electrical method, the delineated abnormal areas have a high degree of coincidence with borehole water outflow points, and the water-rich identification accuracy is significantly superior to that of traditional geophysical exploration technologies. Meanwhile, it is confirmed that the water conductivity of faults in the working face is weak, which is consistent with the actual on-site exposure. The research shows that the dual-frequency IP method can realize the accurate detection and positioning of limestone water hazards at the floor of group A coal, and provide reliable technical support for the safe and efficient mining of Group A coal in Huainan mining area.

Graphical abstract

关键词

双频激电法 / A组煤 / 低阻多解性 / 富水异常 / 电性响应特征

Key words

dual-frequency induced polarization method / Group A coal / low resistance multi-interpretability / water-rich anomaly / electrical response characteristic

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黄刚, 任波, 韩云春, 余国锋, 罗勇, 胡雄武, 周官群, 魏廷双, 韩必武, 谭西宁. 双频激电法在淮南矿区A组煤工作面底板水害探测中的应用[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(28): 12022-12037 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507781

HUANG Gang, REN Bo, HAN Yun-chun, YU Guo-feng, LUO Yong, HU Xiong-wu, ZHOU Guan-qun, WEI Ting-shuang, HAN Bi-wu, TAN Xi-ning. Application of Dual Frequency Induced Polarization Method in Floor Water Disaster Detection of Group A Coal Face in Huainan Mining Area[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(28): 12022-12037 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507781

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淮南矿区作为中国东部煤炭生产核心基地,A组煤是矿区主力可采煤层之一,资源储量占比超25%,其高效开发对保障区域能源安全具有重要意义^[1-3]。然而,A组煤工作面底板普遍发育太原组 C₃Ⅰ灰岩含水层,该含水层平均厚度32.6 m,单位涌水量0.000 434~0.002 29 L/(s·m)、渗透系数0.001 2~0.009 72 m/d,虽富水性弱,但静水压力超过3 MPa,且断层、岩溶等可能成为导水通道,历史上曾因底板突水造成工作面停采,直接经济损失显著^[4-8]。因此,实现底板富水异常的精准探测,是A组煤安全回采的核心前提。

当前采场底板水害探查主要依赖传统地质分析法、钻探法与地球物理勘探法三种手段^[9-13]。其中,传统地质分析法依赖地层露头与钻孔资料,对隐伏构造与富水异常的预判精度有限;钻探法虽能直接验证富水性,但成本高、效率低,难以实现大范围连续探测;而地球物理勘探法因施工便捷、成本可控、异常区圈定精确等优势^[14-18],成为当前底板水害探测的主流技术,其中矿井电法更是核心分支。近40年来,矿井电法已发展出直流电法、音频电透视、瞬变电磁法等多种技术^[19-23],但其在岩层富水性判定中仍存在两大核心问题:其一,实测电阻率的多解性问题突出,导致富水区判定误差大,矿井电法通过电阻率横向差异圈定低阻异常以推断富水性,但实测电阻率受内外因素双重干扰。内因方面,深部开采导致断层、陷落柱等构造发育,构造应力改变岩层孔隙度与含水率,且淮南矿区A组煤煤系地层中浅层砂岩与深层灰岩电阻率差异显著,统一低阻阈值易误判垂向富水特征^[24-25];外因方面,巷道起伏、浮煤矸石及局部积水改变电极间导电性,进一步削弱电阻率对地层真实电性的响应精度^[26-27]。其二,观测方式多样但数据未融合,富水区空间定位精度低。现有矿井电法包括双巷多角度瞬变电磁测深、单巷电测深与双巷电透视等,但各方法存在固有局限:瞬变电磁法对中远距离目标体放大失真,单巷电测深无法区分富水区位于工作面内外侧,双巷电透视对巷道外侧异常识别能力不足;虽常采用多方法联合观测,但数据分别处理未融合,难以提升定位精度^[28-30]。

双频激电法作为一种新型可控源电法技术,可同步采集电阻率(反映岩层导电性)与频散率(反映岩层极化特性,富水岩层频散率显著高于干岩层),为“电性—含水性”关联识别提供双参数支撑,在地面找水领域已展现优势。近年来,激电法逐步向矿井领域延伸。张玉贵等^[31]研究了煤体复电阻率频散特性。杜毅博等^[32]探索了煤巷水害激电探测技术。刘盛东等^[33]建立含导水构造激电响应模型,证实激电法在矿井水害探测中的潜力。

基于此,以淮南矿区顾北煤矿A组煤13421工作面为工程背景,采用“数物模拟-现场探测-多方法验证”技术路线,系统开展双频激电法应用研究,旨在建立适配A组煤底板条件的水害探测技术体系,解决传统矿井电法多解性与定位精度低的难题,为A组煤安全开采提供技术支撑。

1 双频激电法工作原理

1.1 理论基础

双频激电法基于激发极化效应(又称激电效应),是伴随电阻率测量过程中的一种附加电学特性,是由岩矿石及其所含水溶液在电流作用下所发生的复杂电化学活动性所致。极化单元模型复电阻率的表达式,即复电阻率Cole-Cole模型表达式^[1]为

(1)ρ(iω)=ρ₀$\left\{1-m\left[1-\frac{1}{1+{\left(\mathrm{i}\omega \tau \right)}^{c}}\right]\right\}$

式(1)中:ρ为复电阻率;i为虚数单位;ρ₀为频率为零时的电阻率;m为充电率;c为频率相关系数;τ为时间常数;ω=2πf为角频率,其中f为频率。

频散率是岩层交变电场下激发极化效应的量化表征,其幅值与演化特征由岩层含水率、孔隙结构、矿物成分等多种因素共同决定,各自独立调控且协同耦合,是双频激电法通过高频散率识别富水异常的核心物理基础。含水率为极化效应的核心激活因子,是极化发生的必要前提。无水岩层无自由移动的带电离子,频散率趋近于0;随岩层含水率升高,孔隙水溶液中离子浓度与迁移效率同步提升,固-液界面的电荷积累效应显著增强,频散率呈正相关递增,且微量含水即可引发频散率的阶跃式变化,这也是其对含水异常具备高灵敏度的关键原因。孔隙结构为极化效应的空间载体,决定极化效率的上限。岩层孔隙度越高,固-液接触表面积越大,极化位点越多;当岩层发育微裂隙、小孔隙且连通性良好时,不仅能扩增极化位点,还能保障离子迁移通道顺畅,大幅强化电荷积累效率,相较单一大孔隙岩层,频散率提升更为显著;而致密岩层因孔隙连通性差,即使含水,频散率增幅也受明显限制。矿物成分为极化效应的本底基础,决定岩层固有极化潜力。淮南矿区A组煤顶底板中,泥岩含黏土矿物占比高,其层状晶体结构带永久负电荷,比表面积大且吸附离子能力强,能显著提升岩层极化本底,频散率相对偏高;砂岩、灰岩以石英、方解石等弱极化矿物为主,表面带电性弱,无额外极化贡献,频散率本底值低;煤层虽矿物成分复杂,但孔隙发育特征为主要调控因素。

几种因素协同作用时,矿物成分奠定极化本底,孔隙结构提供极化空间,含水率激活极化效应,形成“极化潜力-极化空间-极化激活”的耦合机制。对于淮南矿区A组煤底板灰岩、砂岩而言,其弱极化矿物为主的成分特征决定了含水率是频散率变化的主导因素。当此类岩层因含水、构造破碎导致含水率升高时,会在固有低极化本底上形成显著的频散率增幅,表现为“低阻+高频散”的典型富水异常响应;而泥岩虽频散率本底偏高,但其含水率变化仍会驱动频散率进一步提升,可通过与电阻率的联合分析区分岩性低阻与含水低阻。

基于上述耦合机制,双频激电法实测的视频散率与视电阻率可形成互补的双参数响应:含水率上升会反向降低视复电阻率、正向提升视频散率,这一对应变化特征,成为后续数物模拟与现场探测中,识别淮南矿区A组煤底板“含水低阻”与“岩性低阻”、圈定富水异常区的核心判识依据^{[25,31,33-34]}。

1.2 观测系统

双频激电法数据观测包括单巷交直流电法(简称“单巷电法”)与双巷交直流电透视法(简称“双巷电透视法”)两部分,同步完成。现场观测时,需在采煤工作面双巷中分别布置SL1和SL2电法测线,测线内等间距布置64或96个电极,所有电极由电法测试仪器统一控制。当测线SL1内电极供电时,该测线其余电极均采集三极(Pole-Dipole)装置测深数据,同时测线SL2内全部电极同步采集Pole-Dipole装置透视数据(Dipole为SL2内相邻电极组合);反之,SL2内电极供电时,在SL2内部和SL1内部分别完成测深和透视数据采集,最终完成两条测线所有电极的供电与数据采集,观测系统示意图如图1所示。

2 数物模拟

2.1 数值模拟

以淮南矿区A组含煤地层为研究背景,使用COMSOL专业软件开展层状介质条件下工作面内外双异常体地电模型双频激电法全方位探测数值模拟,该组煤底板以砂岩、泥岩、灰岩为主,其中底板石炭系${\mathrm{C}}_{3}^{3\mathrm{上}}$、${\mathrm{C}}_{3}^{3\mathrm{下}}$层位灰岩为主要富水地层,是A组煤开采的主要水害威胁。基于矿区钻孔测井资料^[25]统计分析,确定各层位电性特征:砂、泥岩电阻率189~391 Ω·m、煤层平均3780 Ω·m、${\mathrm{C}}_{3}^{1}$和${\mathrm{C}}_{3}^{2}$层位8 000~9 000 Ω·m、${\mathrm{C}}_{3}^{3\mathrm{上}}$和${\mathrm{C}}_{3}^{3\mathrm{下}}$层位大于 10 000 Ω·m;同时结合地层激电效应特征,灰岩不含或弱含水时极化率参数较小,泥岩相对略大,再参照钻孔揭露的地层厚度,合理设置Cole-Cole模型相关激电参数(表1),构建尺寸为800 m(长)×600 m(宽)×260 m(高)的地电模型(图2),模型内采煤工作面走向长480 m、倾向长260 m,地层几何与激电参数如表1所示。

如图2所示,Model-1和Model-2中的异常体1和异常体2的半径为50 m、高度为25 m;其中 Model-1 中异常体1(低阻高频散)和异常体2(等阻高频散)均位于工作面内,异常体2电阻率与砂泥岩一致(189 Ω·m);Model-2中异常体1(低阻高频散)位于工作面内,异常体2(低阻高频散)位于工作面外,异常体电性及几何参数如表2、表3所示。

将双频激电法全方位数据以及双巷透视数据分别进行三维激电反演成像,图3为模型Model-1和Model-2的全方位数据体三维反演结果,由左侧的电阻率反演结果可以看出,Model-1和Model-2对异常体1和2均有响应;右侧的频散率反演结果表明模型Model-1和Model-2均存在两个高频散异常区域,与正演模型所设置电性参数一致,表明双频激电法对不同电性特征异常体的识别能力良好。

为进一步对比分析双频激电全方位探测方法和双巷透视对异常体的形态反映及核心区的定位,选取过圆柱体中心z=-39.5 m的全方位数据反演水平切片和双巷透视数据反演水平切片,如图4、图5所示。

图4和图5分别为模型Model-1和Model-2的全方位数据反演水平切片和双巷透视数据反演水平切片图。对比图4和图5可知,双巷透视视电阻率(ρ_S)反演结果仅对异常体1有所反映,异常体2没有明显反映,视频散率(P_S)反演结果仅对异常体2有所反映,异常体1没有明显反映;双频激电全方位探测方法视电阻率(ρ_S)和视频散率(P_S)反演结果对异常体1和2均有反映,但异常体2的视电阻率ρ_S异常幅值较异常体1的ρ_S异常幅值小,主要有以下两方面的原因:①异常体2的电阻率与砂泥岩电阻率一致均为189 Ω·m,但是异常体2穿过砂泥岩进入${\mathrm{C}}_{3}^{3\mathrm{上}}$和${\mathrm{C}}_{3}^{3\mathrm{下}}$灰岩层位,穿过部分相较于${\mathrm{C}}_{3}^{3\mathrm{上}}$和${\mathrm{C}}_{3}^{3\mathrm{下}}$灰岩仍表现为低电阻率电性特征;②异常体2的电阻率和相对于围岩的异常体积较异常体1的电阻率和相对于围岩的异常体积小。异常体1的P_S异常幅值较异常体2的P_S异常幅值小,主要因为异常体的P_S异常幅值与围岩的零频电阻率有关。

分析图4和图5可知,当采煤工作面内外均设置有异常体时,双频激电全方位探测方法仍能够准确反映和定位面内、外异常体的形态和核心区域,而双巷透视对面外异常体的定位则出现了明显的偏差,由此可以说明双频激电全方位探测方法能够同时发现工作面内部和外部的异常体,并准确圈定其形态和核心位置,空间定位精度高。

2.2 物理模拟

在数值模拟基础上,设计长方体物理模型(长200 cm×宽120 cm×高80 cm),模型从上至下分为3层介质:煤层(厚度2 cm)、砂土(厚度20 cm,砂∶土=1∶2)、细砂(厚度25 cm),每层均夯实处理,如图6所示。在模型中布置异常体(泥盆,半径 20 cm,内装小碎石),分两阶段注入盐水模拟底板岩层电阻率变化,铜棒电极布置在测试巷道底板,两条巷道各设1个测站,每站布置32个电极,共64个电极,电极距5 cm,测线长155 cm,物理模拟现场如图7所示。

模型注水实验分两个阶段进行,具体如下。

(1)第一阶段。测量物理模型背景电阻率值后,进行第一阶段的模拟地下水注入,注入量分别为500、1 500、2 500、3 500、5 000 mL。

(2)第一阶段注入结束后,模型静置一天,随即开始第二阶段的模拟地下水注入,注入量分别为 1 000、2 000、3 000、4 000、6 000 mL。两个阶段总注水量为29 000 mL。具体注水情况如表4所示。

2.2.1 视电阻率反演结果

以1号电极位置为原点,建立相对坐标系,将测量数据解编为测深数据和穿透数据的集合,使用RES3D软件进行反演计算。

(1)反演视电阻率值切片分析(第一阶段)。在第一阶段实验过程中,模型未注水时,模型背景视电阻率值分布区间为0.1~10 Ω·m,整体显示出相对高阻值特征,如图8(a)、图9(a)所示。当注水量大于1 500 mL后,出现明显低电阻率值异常区域,异常区电阻率值普遍小于0.01 Ω·m,区域空间位置与异常体埋设异常体位置对应(图中黑色虚线框位置),分析为注入水沿异常体所属层位裂隙导升所致,如图8(d)~图8(f)所示;随注水量增大,异常区电阻率逐步降低、范围扩大。

(2)反演电阻率值切片分析(第二阶段)。第二阶段实验前,模型静置一天后,异常体中心深度及上方出现大范围低阻区(视电阻率≤0.01 Ω·m),分析为第一阶段注水扩散浸润所致[图10(a)、图11(a)];注水量大于1 000 mL后,低阻异常区阻值进一步降低,空间位置与异常体对应[图10(b)~图10(f)、图11(b)~图11(f)],为注入水持续浸润导致。

2.2.2 视频散率反演结果

(1)反演视频散率值切片分析(第一阶段)。选取低频8 Hz和高频128 Hz激发数据进行视频散率反演。第一阶段实验中,模型未注水时背景视频散率为0.31%~0.61%,呈相对低频散特征[图12(a)];注水量大于1 500 mL后,出现明显高视频散异常区,视频散率值普遍大于0.91%,空间位置与异常体对应[图12(c)~图12(f)],随注水量增大,异常区视频散率逐步升高、范围扩大。

(2)反演视频散率值切片分析(第二阶段)。第二阶段实验前,模型静置一天后,异常体中心深度出现大范围高视频散区(视频散率≥0.91%),推测为第一阶段注水扩散所致[图13(a)];注水量大于2 000 mL后,高视频散异常区频散率进一步升高,空间位置与异常体对应[图13(c)~图13(f)],为注入水持续浸润导致。

3 现场应用

3.1 工作面水文地质条件

试验地点在淮南矿区顾北矿A组煤13421工作面,位于中央1煤采区井底车场西南侧,北侧为已回采的13321工作面,西侧为1煤防水煤柱线,东侧为南一1煤采区系统巷道,南侧为已回采的13521工作面。13421工作面可采走向长平均1 513 m,倾斜长207 m,主采1煤。

工作面1煤底板距下伏太原组C₃I灰岩含水层平均18.4 m,该含水层平均厚度32.6 m,单位涌水量0.000 434~0.002 29 L/(s·m)、渗透系数0.001 2~0.009 72 m/d,富水性弱,但南一1煤采区该含水层静水压力达5.8 MPa,对工作面回采安全构成威胁。工作面顶底板以泥岩、砂岩、灰岩为主,发育含水层且导电性存在差异,构造破碎带含水或富水区会使局部电阻率降低,为电法探测提供了物性基础。

3.2 现场探测

在13421工作面运输顺槽和回风顺槽分别布置测线,射点间距 10 m,在对应巷道布置接收点进行扇形扫描。在胶带机顺槽布置发射点157 个,回风顺槽布置接收点157 个,每个发射点对应32个接收点,与井下测量导线点校对,采集系统示意图如图14 所示,观测系统布置如图15所示。

3.3 探测结果

3.3.1 电阻率反演结果

图16(a)为13421工作面底板双频电法电阻率成像立体效果图,直观反映工作面底板70 m以浅岩层的电性整体分布特征。图17为该工作面底板双频电法视电阻率切面图,对比不同深度切面可见,工作面退尺-500、-1 300 m附近发育小范围低阻异常区,均位于工作面内部,结合地质条件分析,该低阻特征与工作面内小断层、裂隙发育相关;整体来看,本次探测区段岩层视电阻率整体偏高,且工作面内电阻率值显著高于面外区段。

3.3.2 频散率反演结果

图16(b)为13421工作面底板双频电法视频散率成像立体效果图,直观反映了工作面底板70 m以浅岩层的视频散率整体分布特征。图18 为该工作面底板双频电法视频散率切面图,对比不同深度切面可见,工作面退尺-200~-500 m范围内发育一处高频散异常区,整体位于工作面内部;退尺-900~-1 200 m范围内同样存在高频散异常区,主要分布于工作面回风巷道及面外区域。

综合双频电法视电阻率与视频散率切片图(图17、图18)的联合分析结果,工作面退尺-400~-500 m、-900~-1 200 m两个区段均呈现视电阻率与视频散率异常叠合的特征,其中前者异常区位于工作面内部,后者异常区紧邻回风巷道及面外区域,结合电性响应特征分析,判定该两段底板岩层为弱富水性。

4 技术验证

4.1 工作面钻探探查情况

根据13421工作面顺槽及相邻工作面开采揭露断层和底板灰岩前探钻孔情况,断层带附近巷道及顶底板未出现涌水量异常情况,表现为滴、淋水现象,灰岩钻孔基本无水或水量小且衰减快。地面区域探查期间,S5、S5-1~S5-3等钻孔穿过工作面内 Fs854、Fq13421-1等断层(表5),结合浆液消耗量和钻孔涌水量分析,工作面内断层裂隙不发育、导水性差。

井下钻孔验证结果显示(表6),工作面底板 70 m范围内岩层富水性总体较弱,局部存在少量裂隙水,验证钻孔单孔涌水量均小于3.0 m³/h。其中D4-1、D4-1-1孔终孔水量2.8 m³/h,对应工作面退尺-900~-1 200 m异常区;D4-5孔终孔水量0.55 m³/h,对应工作面退尺-400~-500 m异常区,异常区对应性良好。

4.2 物探结果对比

三维电法探测结果显示(图19),工作面退尺0~550 m段视电阻率较低(≤40 Ω·m),存在多处小范围低阻异常区;退尺550~1 560 m段视电阻率较高(90~1 000 Ω·m),仅回风巷道附近存在局部小范围低阻区(推测与巷道积水及小断层裂隙发育有关),总体为弱富水性。

对比分析可见,双频激电法对A组煤底板弱富水性岩层的探测敏感性更优,能够精准捕捉小范围裂隙水异常,且具备工作面外异常体的有效识别能力,其富水性识别精度与针对性显著优于三维电法,为工作面水害防治提供了更为可靠的技术支撑。

5 结论

(1)数物模拟与物理注水试验系统揭示了淮南矿区A组煤底板灰岩富水异常体的典型电性响应规律,当注水量大于1 500 mL时,富水异常区呈现视电阻率≤0.01 Ω·m、视频散率≥0.91%的特征,且异常范围随富水性增强呈规律性扩展,为双频激电法现场探测的异常识别、阈值划定提供了理论依据与量化参数。

(2)顾北煤矿13421工作面的应用证明了双频激电法在A组煤底板水害探测中的工程适配性与技术优越性,该方法可在底板70 m深度范围内实现富水异常区的精准圈定,探测深度满足A组煤工作面超前探水要求,且能有效区分工作面内、外异常体,一定程度上解决了传统物探对工作面外侧异常识别能力不足的技术难题,为矿井工作面全方位探水提供了可靠的技术手段。

(3)双频激电法通过电阻率-频散率双参数联合分析的技术思路,克服了传统直流电法仅依靠单一电阻率参数导致的“岩性低阻”与“含水低阻”难以区分的低阻多解性问题,提升了低阻地质背景下灰岩富水区识别的准确性与灵敏度;与三维电法对比表明,该方法对A组煤底板弱富水性岩层的微裂隙水异常捕捉能力更优。

(4)双频激电法在淮南矿区的成功应用,为我国东部同类低阻煤田、深部煤炭开采中的底板水害精准防控提供了重要的技术参考,其双参数联合识别的技术理念也为矿井物探技术的发展提供了新思路。后续可结合全空间校正、多方法数据融合、人工智能反演等技术,进一步解决高阻煤层屏蔽、复杂构造干扰等问题,持续提升该方法在极端地质条件下的探测精度与适用范围,推动矿井水害物探技术向精准化、智能化方向发展。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	何继善. 双频激电法理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2016.

[2]	He Jishan. Theory and application of dual frequency IP method[M]. Beijing: Science Press, 2016.

[3]	张宏忠, 刘启蒙, 李术才. 淮南矿区A组煤底板突水机理与防治技术[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(S1): 2890-2898.

[4]	Zhang Hongzhong, Liu Qimeng, Li Shucai. Mechanism and prevention technology of water inrush from coal floor of group A in Huainan mining area[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2020, 39(S1): 2890-2898.

[5]	安徽省煤田地质局. 淮南煤田地质综合研究报告[R]. 合肥: 安徽省煤田地质局, 2018.

[6]	Anhui Provincial Coalfield Geological Bureau. Huainan coalfield geological comprehensive research report[R]. Hefei: Anhui Provincial Coalfield Geological Bureau, 2018.

[7]	李连崇, 姚成宇, 魏廷双, 等. 淮南矿区A组煤开采工作面底板破坏带深度确定[J]. 煤矿安全, 2022, 53(1): 212-218.

[8]	Li Lianchong, Yao Chengyu, Wei Tingshuang, et al. Determination of floor failure zone depth in working face of group A coal mining in Huainan mining area[J]. Safety in Coal Mines, 2022, 53(1): 212-218.

[9]	黄刚, 任波, 韩云春, 等. 淮南矿区潘二煤矿A组煤分层开采底板破坏深度安全性评价[J]. 煤炭工程, 2025, 57(5): 70-76.

[10]	Huang Gang, Ren Bo, Han Yunchun, et al. Safety evaluation of floor failure depth of group a coal seam in paner coal mine of Huainan mining area[J]. Coal Engineering, 2025, 57(5): 70-76.

[11]	唐永志. 淮南矿区煤炭深部开采技术问题与对策[J]. 煤炭科学技术, 2017, 45(8): 19-24.

[12]	Tang Yongzhi. Technical problems and countermeasures of deep coal mining in Huainan mining area[J]. Coal Science and Techno-logy, 2017, 45(8): 19-24.

[13]	曾小英, 孙晶晶. 潘北煤矿A组煤底板灰岩水文地质条件研究[J]. 地下水, 2018, 40(3): 118-119.

[14]	Zeng Xiaoying, Sun Jingjing. Study on hydrogeological conditions of limestone in coal floor of group A in Panbei coal mine[J]. Groundwater, 2018, 40(3): 118-119.

[15]	任波, 余国锋, 汪敏华, 等. 淮南矿区微震监测应用与思考[J]. 陕西煤炭, 2021, 40(4): 1-4.

[16]	Ren Bo, Yu Guofeng, Wang Minhua, et al. Application and thinking of microseismic monitoring in Huainan mining area[J]. Shaanxi Coal, 2021, 40(4): 1-4.

[17]	施龙青, 邱梅, 朱鲁, 等. 华北型煤田下组煤开采底板突水机理研究[J]. 煤炭学报, 2015, 40(5): 973-984.

[18]	Shi Longqing, Qiu Mei, Zhu Lu, et al. Study on floor water inrush mechanism of lower group coal mining in north China type coalfield[J]. Journal of Coal Industry, 2015, 40(5): 973-984.

[19]	吴荣新, 江浩, 孙斌杨. 基于FLAC3D与并行电法的采动覆岩裂隙发育规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(7): 2812-2822.

[20]	Wu Rongxin, Jiang Hao, Sun Binyang. Development law of mining-induced overburden fractures based on FLAC3D and parallel electrical method[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(7): 2812-2822.

[21]	董书宁, 刘其声, 虎维岳. 中国煤矿水害防治技术现状与发展趋势[J]. 煤炭科学技术, 2020, 48(1): 1-13.

[22]	Dong Shuning, Liu Qisheng, Hu Weiyue. Current situation and development trend of water disaster prevention technology in China[J]. Coal Science and Technology, 2020, 48(1): 1-13.

[23]	尹尚先, 连会青, 刘德民, 等. 煤矿深部开采底板突水机理与防控研究现状及展望[J]. 煤炭学报, 2019, 44(8): 2417-2426.

[24]	Yin Shangxian, Lian Huiqing, Liu Demin, et al. Research status and Prospect of water inrush mechanism and prevention and control in deep coal mining[J]. Acta Coal, 2019, 44(8): 2417-2426.

[25]	朱楠, 董毅, 郭凯, 等. 基于瞬变电磁多参数的煤矿采空区类型贝叶斯快速判别[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(29): 12364-12371.

[26]	Zhu Nan, Dong Yi, Guo Kai, et al. Bayesian rapid discrimination of coal mine goaf types based on transient electromagnetic multi-parameters[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(29): 12364-12371.

[27]	刘树才, 刘志新, 姜志海. 矿井直流电法勘探技术与应用[J]. 煤炭学报, 2019, 44(7): 2105-2113.

[28]	Liu Shucai, Liu Zhixin, Jiang Zhihai. Exploration technology and application of mine direct current method[J]. Journal of Coal Industry, 2019, 44(7): 2105-2113.

[29]	黄刚, 韩云春, 余国锋, 等. 全光纤微震监测技术在底板突水监测中的应用研究[J]. 工矿自动化, 2024, 50(6): 36-45.

[30]	Huang Gang, Han Yunchun, Yu Guofeng, et al. Application of all fiber microseismic monitoring technology in floor water inrush monitoring[J]. Industrial and Mining Automation, 2024, 50(6): 36-45.

[31]	陈儒军, 黄哲, 李帝铨. 双频激电法在矿井水害探测中的应用[J]. 矿业研究与开发, 2022, 42(8): 156-161.

[32]	Chen Rujun, Huang Zhe, Li Diquan. Application of dual frequency IP method in mine water disaster detection[J]. Mining Research and Development, 2022, 42(8): 156-161.

[33]	周官群, 崔颖, 梁希凯, 等. 三维并行高密度电法在六国化工磷石膏堆场场地勘察中的应用[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(2): 495-505.

[34]	Zhou Guanqun, Cui Ying, Liang Xikai, et al. Application of 3D parallel high-density electrical method in site investigation of liuguo chemical phosphogypsum yard[J]. Science Technology and Engineering, 2024, 24(2): 495-505.

[35]	王旭东, 高光喆, 许茂业, 等. 瞬变电磁横向约束反演精细探查鄂尔多斯深埋煤层及含水构造[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(35): 14980-14989.

[36]	Wang Xudong, Gao Guangzhe, Xu Maoye, et al. Transient electromagnetic laterally constrained inversion for fine exploration of deep-buried coal seams and water-bearing structures in Ordos[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(35): 14980-14989.

[37]	岳建华, 杨海燕, 邓居智. 矿井直流电法勘探的若干问题与发展趋势[J]. 地球物理学进展, 2016, 31(1): 370-377.

[38]	Yue Jianhua, Yang Haiyan, Deng Juzhi. Some problems and development trend of mine DC electrical prospecting[J]. Geophysical Progress, 2016, 31(1): 370-377.

[39]	黄刚, 杨海燕, 余国锋, 等. 圆锥型场源瞬变电磁数据 AWPSO 算法优化反演[J]. 地球物理学进展, 2021, 36(4): 1521-1530.

[40]	Huang Gang, Yang Haiyan, Yu Guofeng, et al. AWPSO algorithm optimization inversion of cone field source transient electromagnetic data[J]. Progress in Geophysics, 2021, 36(4): 1521-1530.

[41]	胡雄武, 张平松, 刘盛东. 矿井电法探测低阻屏蔽层影响及校正方法[J]. 地球物理学进展, 2019, 34(3): 1240-1247.

[42]	Hu Xiongwu, Zhang Pingsong, Liu Shengdong. Influence of low resistance shielding layer detected by mine electrical method and its correction method[J]. Progress in Geophysics, 2019, 34(3): 1240-1247.

[43]	程久龙, 温来福, 刘志新. 矿井瞬变电磁法全空间视电阻率解释方法[J]. 煤炭学报, 2017, 42(8): 1977-1984.

[44]	Cheng Jiulong, Wen Laifu, Liu Zhixin. Full space apparent resistivity interpretation method of mine transient electromagnetic me-thod[J]. Journal of Coal, 2017, 42 (8): 1977-1984.

[45]	黄刚, 余国锋, 韩云春, 等. 采煤工作面导水通道电法智能监测技术应用研究[J]. 煤炭工程, 2024, 56(2): 92-98.

[46]	Huang Gang, Yu Guofeng, Han Yunchun, et al. Research on application of electrical intelligent monitoring technology for water diversion channel in coal mining face[J]. Coal Engineering, 2024, 56(2): 92-98.

[47]	姜志海, 陆莱平, 刘树才. 巷道影响下全空间电法勘探三维数值模拟[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(3): 494-500.

[48]	Jiang Zhihai, Lu Laiping, Liu Shucai. Three dimensional numerical simulation of full space electrical exploration under the influence of roadway[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2017, 46(3): 494-500.

[49]	胡雄武, 胡原榕, 吴荣新, 等. 煤矿巷道掘进前方含水体的频率域激电响应特征[J]. 煤田地质与勘探, 2025, 53(2): 179-190.

[50]	Hu Xiongwu, Hu Yuanrong, Wu Rongxin, et al. Frequency domain induced polarization response characteristics of aquifer in front of coal mine roadway excavation[J]. Coalfield Geology and Exploration, 2025, 53(2): 179-190.

[51]	胡雄武, 於浩, 王莹, 等. 煤矿巷道正反三极双频激电探测方法[J]. 煤炭科学技术, 2026, 54(2): 401-412.

[52]	Hu Xiongwu, Yu Hao, Wang Ying, et al. Coal mine roadway po-sitive and negative three pole dual frequency IP detection method[J]. Coal Science and Technology, 2026, 54(2): 401-412.

[53]	余国锋. 基于微震和神经网络的煤层底板突水预警技术研究[D]. 淮南: 安徽理工大学, 2023.

[54]	Yu Guofeng. Research on early warning technology of water inrush from coal seam floor based on microseismic and neural network[D]. Huainan: Anhui University of Science and Technology, 2023.

[55]	周官群, 许少添, 张维鑫, 等. 不同角度双孔观测系统直流电法超前探模拟研究[J]. 煤田地质与勘探, 2025, 53(11) 23-33.

[56]	Zhou Guanqun, Xu Shaotian, Zhang Weixin, et al. Research on Simulation of DC electrical method advanced exploration with two hole observation system at different angles[J]. Coalfield Geology and Exploration, 2025, 53(11): 23-33.

[57]	胡雄武, 徐标, 张平松, 等. 采煤工作面底板水双频激电法数值仿真与探测试验[J]. 煤炭学报, 2022, 47(8): 3024-3036.

[58]	Hu Xiongwu, Xu Biao, Zhang Pingsong, et al. Numerical simulation and detection test of double frequency induced polarization method for floor water in coal mining face[J]. Journal of Coal Industry, 2022, 47(8): 3024-3036.

[59]	薛国强, 陈卫营, 周楠楠. 瞬变电磁法拟地震偏移成像研究进展[J]. 地球物理学报, 2021, 64(2): 731-747.

[60]	Xue Guoqiang, Chen Weiying, Zhou Nannan. Progress in pseudo seismic migration imaging using transient electromagnetic method[J]. Acta Geophysical Sinica, 2021, 64(2): 731-747.

[61]	张玉贵, 刘树才, 孙建博. 煤体复电阻率频散特性与含水性关系实验研究[J]. 煤炭学报, 2018, 43(10): 2897-2904.

[62]	Zhang Yugui, Liu Shucai, Sun Jianbo. Experimental study on the relationship between complex resistivity dispersion characteristics and water content of coal[J]. Journal of Coal, 2018, 43(10): 2897-2904.

[63]	杜毅博, 刘志民, 李磊. 矿井激电法在煤巷水害探测中的应用研究[J]. 中国煤炭地质, 2021, 33(5): 81-86.

[64]	Du Yibo, Liu Zhimin, Li Lei. Research on the application of mine induced polarization method in water disaster detection of coal roadway[J]. China Coal Geology, 2021, 33(5): 81-86.

[65]	刘盛东, 张金涛, 周官群. 含导水构造的矿井激电响应模型及应用[J]. 地球物理学报, 2020, 63(7): 2765-2776.

[66]	Liu Shengdong, Zhang Jintao, Zhou Guanqun. Induced polarization response model of mine with water conducting structure and its application[J]. Acta Geophysical Sinica, 2020, 63(7): 2765-2776.

[67]	周官群, 罗世凌, 张维鑫, 等. 基于多模态的EWT-CNN微震信号识别与分类[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(30): 12786-12794.

[68]	Zhou Guanqun, Luo Shiling, Zhang Weixin, et al. Microseismic signal recognition and classification based on multi-modal EWT-CNN[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(30): 12786-12794.

基金资助

国家科技重大专项(2024ZD1004100)

深地国家科技重大专项(2024ZD1004103-6)

淮南市科技计划(2023A09)

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Received	Published	Revised
2025-11-09	2026-10-18	2026-04-02
Online Date
2026-10-23

摘要