基于地下水渗流中地电场响应的矿井水害预警试验研究

第28卷第2期岩石力学与工程学报Vol.28No.22009年2月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringFeb.，2009收稿日期：2008–10–06；修回日期：2008–11–16基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB209400)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：[e-mail]基于地下水渗流中地电场响应的矿井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：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2d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：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：TD163文献标识码：A文章编号：1000–6915(2009)02–0267–06EXPERIMENTALRESEARCHONMINEFLOORWATERHAZARDEARLYWARNINGBASEDONRESPONSEOFGEOELECTRICFIELDINGROUNDWATERSEEPAGELIUShengdong1，2，WANGBo1，ZHOUGuanqun3，YANGShenglun1，CHENMingjiang1(1.SchoolofResourcesandEarthSciences，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221008，China；2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou，Jiangsu221008，China；3.AnhuiHuizhouInstituteofSubterraneanCalamity，Hefei，Anhui230088，China)Abstract：Throughtheestablishmentofmodelofseepage-electrictest，thetemporal-spatialdomainparametersofgeoelectricfieldinthecourseofseepageareachievedbythenetworkparallelelectricalinstrument(NPEI).Forthefirsttime，thegeoelectricfieldtransientresponseisobtainedinspace.Basedonthecharacteristicsofpotentialandcurrentisochronesandapparentresistivityisochronoussection，theexperimentsshowthatnaturalelectricfieldrepresentsrisingtrendinthetemporal-spatialfieldinthecourseofseepage.Theisochronalextremepointofnaturalpotentialindicatesthepositionofseepage；andnaturalelectricfieldpossessesaheadofwatersurface.Thefluidsurfaceandtheseepagevelocitycanbeaccuratelyascertainedthroughexcitingvoltageandexcitingcurrentofprimaryfield；anditissuitableforrevealingasymmetricseepagelawofgeologicbody.Thereal-timeapparent•268•岩石力学与工程学报2009年resistivityimageshavetheabilitytotrackandidentifyseepagezonesandthequantityofwater.Withapparentresistivitysteppingdown，groundwaterseepagetendstobesaturated.ThroughthepracticalgeoelectricfieldmonitoringintheWugouMine，thewaterinrushof1013workingfaceissuccessfullypredictedaheadoftwodays.Theisochronalextremepointoflanewaynaturalpotentialindicatesthepositionofwaterinrush.Apparentresistivityisochronalsectionindicateswater-headhorizonofwaterinrush.Thespatialsynchronizationmonitoringtechnologyofgeoelectricfieldisadoptedinmine；andthereal-timemonitoringofthecoalfloorwaterdisasterwillbefeasible.Itpossessesextensiveapplicationtominewaterinrushpreventionandcontrolling.Keywords：miningengineering；groundwaterseepage；geoelectricfield；networkparallelelectricalmethod；minefloorwater；isochrone1引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[3～6]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5cm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.1Experimentalrecordinggeometryanditsarrangement极直径2mm，电极长度为10mm，总电极数23个，测量电极编号从D0～D20、公共地电极N与公共供电负极B，所有电极间距均为5mm，管子全长1.2m。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H163cm。PVC管的倾斜高度差h92cm。数据采集采用自行研制并获国家发明专利的NPEI(networkparallelelectricityinstrument)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0.2s，采样间隔为10ms，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D0～D20共21个电极自然电场和一次场扫描，其测量时间间隔为0.2s，21个电极依次供电循环激励时进水端阀门Hh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12s，每28s测量一次，试验数据采集从进水端阀门打开后计时，设为0s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4004s，累计测量143次。3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10000Ω·m以上，水流进入后迅速降到6000Ω·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=1782s从出水端渗水，流过渗流管的长度x=1.2m，则平均非饱和渗流速度为x/t=2.42m/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.2Apparentresistivitycontourchartatthedifferenttimesintheseepagepipe渗流出水后从不均匀出水缓慢变成稳定出水，在t=2812s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=4004s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8000Ω·m向2000Ω·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t4004s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