0 引 言
尽管受到环境保护压力和清洁能源冲击等因素的影响，煤炭在我国能源结构中依旧占据主导地位。目前，我国煤炭资源开发面临着埋藏深、地应力环境和水文地质环境复杂的开采条件。工作面回采过程中，在矿压作用下地应力分布发生变化，煤层顶板水和底板承压水会通过在采动破坏影响下动态发育的导水通道连通至开采层，引起突水事故，严重威胁了矿井的安全生产。煤矿突水事故成因与致灾机理复杂，常用的工作面水害防治手段主要集中于工作面回采前的隐患探查和注浆改造，对于回采过程中动态发育的导水通道尚缺乏行之有效的探查方法。
工作面回采过程中水害事故的发生，往往是由于采掘活动接近或打通了含、导水构造而引起，或者是由于采动过程改变了煤层顶、底板的应力状态及应力平衡导致隔水层破坏而引起。围绕煤矿顶、底板突水机理的研究，科研工作者开展了大量的研究工作，分别从隐伏构造活化[1]、覆岩变形破坏[2]和底板岩层破坏[3]的角度揭示突水事故发生的机理，对煤矿安全生产起到了积极的指导作用。工作面回采前的隐患探查可以有效揭示大规模含、导水异常构造，对于小规模隐伏地质异常体，如发育规模较小的陷落柱、断层及裂隙带等，则往往容易遗漏，此类含、导水构造在静态条件下不会引发突水事故，但在采掘活动影响下，由于地应力分布发生变化，导致岩石的构造裂隙扩大或发生新的破裂，隐伏含、导水构造会进一步发育为煤层和含水层之间的导水通道，从而导致工作面水害的发生。根据煤层顶板破坏的“上三带”理论，煤层顶板覆岩变形破坏从下往上产生冒落带、裂隙带和弯曲变形带，其中冒落带和裂隙带具有良好的导水性，冒落带和裂隙带如果发育至顶板含水层，就可能发生顶板突水。根据受承压水威胁的煤层底板“下三带”理论[4]，煤层底板在采动作用下，受矿压和水压的联合作用，自上而下可分为3个带：底板导水破坏带、隔水层带和承压水导升带，在采掘扰动下，底板承压水有可能突破隔水层带，导升至底板导水破坏带，诱发突水事故。因此，对于工作面水害隐患只进行静态探测是远不够的，亟需开展回采过程中导水通道发育过程的动态监测。
要实现回采工作面水害监测需要确定导水通道的发育位置及其导通状态，目前煤矿井下采用的主要方法有多参数传感器监测[5]、微震监测[6]以及电法监测[7]等。多参数传感器监测包含水温、水压、水位、应力及应变等参数的监测，通过布设传感器可以直接监测传感器所处位置的对应物性参数，该类监测方法最为直接有效，但其监测结果只反映了当前传感器所处位置的物性变化情况，用于判断工作面水害时容易以点代面、以偏概全，发生误判或漏判。微震方法通过布设检波器检测采掘扰动下岩石破裂时产生的地震波信号，并通过定位算法对破裂位置进行定位，该方法主要用于监测顶、底板破坏情况及裂隙发育情况，无法判断是否有水通过裂隙导通至开采层。电法通过布设电极、向地下供入电流建立人工电场，测量在工作面顶、底板电性变化影响下的自然电场或人工电场，根据电场的异常响应规律对工作面水害进行判断。电法监测既可以捕捉电极位置的异常变化，也可以有效捕捉整个监测空间内的异常变化。同时，电法监测利用了裂隙含水和不含水时的导电性差异，可以有效判别异常构造的含水性。电法监测的上述特性，避免了多参数传感器监测和微震监测的缺点，在煤层顶、底板破坏监测和矿井水害监测中得到了广泛的应用。
为了促进矿井电法在煤层采动破坏和水害监测中的应用和发展，笔者对矿井电法监测的发展现状以及矿用电法监测设备的研制进展等进行了介绍，进一步对矿井电法监测面临的问题进行了阐述，并对矿井电法监测的应用前景进行了展望。
1 矿井电法监测的发展现状
电法监测在矿山领域的应用最初源于岩体破裂失稳过程的电阻率监测。美国岩体力学家BRACE等[8-9]进行了有关岩体破裂的电阻率变化试验，并提出了若干破坏模式和机理，此后电阻率方法被广泛应用于地震预报[10]、隧道开挖过程中的围岩破坏探测[11]等领域。随着煤炭开采深度加大和岩体动力灾害现象的发生，人们开始注意到煤矿岩体破坏问题，电阻率法也开始在煤矿进行试验，并被用于岩爆和顶板冒落的预测、预报[12]。随后该方法被用于在地面测量煤矿采空区上方岩层裂隙发育深度[13-14]，并被进一步用于在井下探测煤层底板隔水层厚度和底板水导高[15]，均取得良好效果。葛宝堂等[16]分析了用岩体电阻率观测技术预报顶板失稳的物理依据，李德春等[17]通过试验对岩样在破坏过程中的电阻率变化进行了观测，文献[18-20]分别从物理模拟和数值模拟的角度对覆岩变形破坏的电阻率响应特征进行了研究，刘盛东等[21]在煤层顶板布置钻孔进行高密度电阻率法动态探测，对煤层上覆岩层的破坏情况进行分析。上述的研究结果表明，电阻率法可以用于矿山灾害的预测、预报。
受制于煤矿井下电法仪器研发的瓶颈，矿井电法监测的发展较为缓慢。随着网络并行电法仪[22]等可用于工作面采动破坏监测的设备的成功研制，矿井电法监测进入了蓬勃发展的时期，大量井下监测试验得以开展[23-24]，为矿井电法监测的长远发展积累了丰富的经验。从试验结果来看，由于煤层顶、底板破坏机理不同，岩石破坏的电阻率响应特征也有所不同。程久龙[25]通过数值模拟和物理模拟获得了覆岩采动裂隙的电场响应特征，对覆岩破坏“上三带”的电阻率变化进行了量化。刘树才等[26]在岩样测试的基础上建立了底板采动导水裂隙带动态演化地电模型，将煤层底板岩层在回采过程中分为超前压缩区、过渡区、膨胀破坏区及重新压实区等4个不同导电性区段，通过三维正演获得了煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征。刘盛东等[27-29]通过建立渗流-电测模型，对渗流过程中的自然电场、一次场电压、激励电流、视电阻率及视极化率等地电场参数响应特征进行了研究。刘静等[30-31]进行了地下水渗流与地电场参数响应的定量研究，分析了一次场电位和激励电流与突水水量的关系。王莹等[32]对采动影响下煤层覆岩电性变化规律进行了正演模拟研究，分析了存在导水裂隙时覆岩破坏的电性异常特征。刘志新等[33]提出了环工作面电磁法对煤层底板突水进行监测，通过数值模拟研究总结了采煤工作面底板不同空间位置异常体的响应特征。上述电场响应特征的研究，为矿井电法数据采集系统设计和资料处理解释提供了理论依据，矿井电法监测也从早期的岩石破坏监测逐渐向水害监测发展。
由于煤矿井下可利用的观测空间有限，煤层顶、底板矿井电法监测在井下现场应用中发展出了不同的观测方法。张平松等[34]采用在煤层顶、底板施工呈一定夹角的钻孔并埋设电极的方法进行孔间探测，通过反演所的电阻率变化情况对覆岩变形破坏情况进行分析。张平松等[35-36]进一步利用煤层顶板倾斜钻孔及巷道形成孔巷电法测试系统，进行覆岩破坏“两带”发育高度动态探测的模型试验和井下现场测试，模型探测结果与井下实测结果一致。刘斌等[37]采用电阻率层析成像法在防突层布设电极进行顶板突水监测的物理模拟，成功捕捉了一系列前兆信息，为突水灾害的及时预警预报提供了重要参考。王家臣等[38]采用矿井电剖面法在底板倾斜钻孔中布设电极进行工作面底板破坏深度研究，证明了该方法的可行性。张朋等[39]通过在巷道底板和垂直水文孔中安装电极，分别通过数值模拟和井下试验对回采过程中的底板破坏带电阻率变化特征进行跟踪探测，获得了超前应力压缩区和膨胀区的电阻率特征。吴荣新等[40]在工作面高抽巷中布置电法监测系统，采用高分辨电阻率反演分析“垮落带”岩层的动态变化特征，给出了工作面超前采动应力作用范围、周期来压步距及垮落带高度。孙希奎等[41]通过在工作面运输巷和开切眼底板埋设电极进行煤层底板破坏规律电阻率法动态监测，获得了开采扰动在时间和空间上的变化特征。综上可见，开展煤层顶、底板矿井电法监测时，没有固定的观测方法可循，应充分灵活地利用现场条件布设观测系统，包括工作面运输巷、回风巷、开切眼、水文钻孔以及瓦斯抽采巷道和钻孔等。
2 电法监测数据处理解释的研究进展
煤矿井下电法监测面临着复杂的电磁干扰环境，并且还存在许多地质干扰因素。首先，进行回采工作面顶、底板破坏和水害监测时，信号采集不可避免会受到带式输送机、采煤机等大型机电设备的干扰，导致监测数据存在较大的噪声。其次，采掘过程中，由于岩石破裂导致部分监测电极的接地电阻发生变化，虽然可以利用该变化引起的发射电流变化反推电极位置处岩石的破坏情况[40]，但这并不利于对远离电极位置处异常构造的识别。此外，由于电法勘探属于体积勘探，整个监测范围内的电阻率变化都可能引起观测信号的变化，而低阻异常变化可能是由顶板渗水或底板水导升引起，也可能由采掘活动中的应力变化导致裂隙闭合引起，并且采空区积水也会导致低阻异常，这意味着电法监测结果的解释存在多解性。为了有效突出岩石破坏层之外隔水层中导水通道发育引起的异常变化，对矿井电法监测数据进行处理解释时存在着极大的挑战。目前一般采用视电阻率断面图[26,39]或电阻率反演成像[7,34-37]对矿井电法监测数据进行处理解释，解释结果多数局限于二维，并且对不同时间的监测结果进行独立解释，未能突出电阻率在不同空间位置上随时间演化的特性。
时移电阻率成像(time-lapse ERT)和矿井电法监测都是通过在目标区域布设固定的电法勘探系统，进行长期地反复探测来揭示地下电阻率随时间的变化过程。时移电阻率成像主要用于近地表探测，该方法利用了地下介质电阻率与含水率、溶质浓度、化学成分及温度等的变化关系，被广泛用于地下水渗流监测[42]、溶质运移监测[43]、污染治理过程监测[44]、垃圾填埋场监测[45]、冻土区监测[46]、滑坡体监测[47]、隧道掘进过程中的突水监测[48]以及热扩散监测[49]等，在水文地质调查、地下水监测、污染治理以及地质灾害监测等领域发挥着重要作用。时移电阻率成像和矿井电法监测都是基于相同的原理，其数据采集方法、数据预处理方法和各种反演成像方法都可以直接应用于煤矿井下。
对时移电阻率成像而言，进行监测数据采集的观测装置和测线布置方式对成像效果有一定的影响。CLEMENT等[45]为了消除时移电阻率成像中的假异常，除了在反演过程中加入先验信息约束之外，还对比了不同观测装置和测线布置方式，结果表明正反向单极-偶极装置和星状测线可以有效压制假异常。PERRI等[43]在地下溶质运移监测的试验中对比了地面测线和孔间测线的分辨率，结果显示仅采用地面测线时分辨率会很大程度上受限。POWER等[44]尝试了利用地面测线和水平孔中测线进行联合监测的数据采集模式，实现了对DNAPL污染物扩散过程的监测。CAREY等[42]为了压制时移电阻率成像结果中由于较大电性差异导致的假异常，对多种观测装置进行了模拟对比，提出了一种改进的单极-偶极排列方式，有效压制了假异常。
时移电阻率监测在数据采集过程中存在不可避免的电磁噪声，并且在长期的监测过程中电极接地条件和背景环境有可能会发生变化，对数据进行预处理可以有效改善时移电阻率反演的成像效果。较为常见的数据预处理方法是对监测数据进行归一化处理[48-50]，这种方法可以有效地消除系统误差、突出强电性不均匀背景下的微弱电阻率变化。为了消除背景环境变化的影响，COSCIA等[51]在利用孔间时移电阻率成像监测进行砾岩含水层地下水动力学研究的过程中，针对温度变化和地下水的水位变化对监测数据的影响，根据温度和水位与电阻率的变化关系设计了滤波器，消除了原始监测数据中与温度和水位相关的电阻率变化，突出了与砾岩含水层水动力相关的电阻率变化。为了合理评估时移电阻率成像监测数据的误差，LESPARRE等[52]根据电法勘探发射和接收的互易原理，提出了一种数据误差的评估方法，并设计了基于数据误差的反演权重，有效压制了成像结果中的假异常。
常用的时移电阻率成像方法有独立反演、比值反演[53]、差值反演[54]、交叉模型约束反演[55-57](含级联反演)、4维反演[58-61]和同步反演[62]等。对矿井电法监测而言，目前采用的反演解释方法等效于时移电阻率成像方法中的独立反演。不同时移电阻率成像方法的提出，目的都在于消除监测数据采集过程中的系统误差、压制噪声干扰带来的假异常和突出强电性不均匀背景下的微弱电阻率变化。独立反演对不同时间的监测数据分别进行相互独立的常规反演，获取不同时间的电阻率“快照”，通过提取不同时间反演结果的差值获取地下电阻率的变化情况。比值反演[53]用某一时间的监测数据与初始监测数据的比值乘以任意均匀介质的模拟监测数据，构造一组新的数据，并对该数据进行反演，获得电阻率相对该均匀介质的变化情况。差值反演[54]用初始监测数据作为先验背景数据，对某一时间的监测数据与初始监测数据的差值进行反演，获得电阻率的变化情况。交叉模型约束反演[55]直接对某一时间的监测数据进行反演，在反演过程中引入参考模型进行正则化约束，当参考模型设为前一次监测数据的反演模型时又被称为级联反演[50]。MILLER等[50]对独立反演、级联反演和差值反演的成像效果进行了对比，文中利用了比值方法对监测数据进行归一化，结果表明差值反演对数据噪声较敏感，独立反演和级联反演在有噪声干扰的情况下都可以获得较好的结果，其中后者对数据噪声导致的假异常压制效果更好。4维反演[58]在4维时空域中定义地下结构，将地下电阻率和监测数据视为随时间变化的函数，建立4维反演问题，通过一次反演计算可以获得全部监测数据的反演模型。同步反演[62]对2组或多组监测数据进行同步反演，并在反演的过程中加入了一个正则化项，对前后2组监测数据反演模型的差值进行约束。HAYLEY等[62]对独立反演、比值反演、级联反演、差值反演、时间约束反演(4维反演的特例)和同步反演的成像效果进行了对比，结果表明独立反演具有较强的抗噪能力，比值反演对噪声较敏感，级联反演容易引入假异常，差值反演计算效率最高，时间约束反演和同步反演都可以获得更高的分辨率。
更多的研究表明，在反演过程中选择合适的正则化约束方法，可以有效改善成像效果。LOKE MH[55]采用光滑约束最小二乘反演进行时移电阻率成像，分别对比了l2范数约束和l1范数约束等不同类型的光滑约束方法，结果表明，当电阻率在空间分布上呈光滑渐变时宜采用l2范数约束，当电阻率在空间上呈块状分布时宜采用l1范数约束。OLDENBORGER等[56]通过地下溶质运移监测试验，对比了正则化约束的参考模型分别为独立模型、初始监测数据的反演模型和前一次监测数据的反演模型这3种情况下的反演结果，其中参考模型为前一次监测数据的反演模型时可以获得更强的异常响应，同时还可以大幅节省计算量。KIM[57]分别提出了随空间变化和选择性的交叉模型约束算法，前者可以突出显著的电阻率变化，后者可以识别和定位所有的电阻率变化，并且2种算法都可以有效压制假异常。KARAOULIS等[59-60]先后针对4维反演引入灵活时间约束和时空联合约束，在有效压制假异常的同时对远离电极位置的异常变化也可以保持较高的分辨率。LOKE等[61]在4维反演的过程中引入粗糙度过滤器分别对空间和时间进行光滑约束，结果表明在数据存在噪声的情况下该方法也可以准确识别电阻率变化。LIU等[48]针对隧道掘进过程中的突水监测，引入了对空间不同方向可以赋予不同权重的时间约束项，成功实现了突水过程中地下水运移通道的探测。从上述研究结果来看，合适的正则化约束方法可以有效压制假异常、突出真实的电阻率变化，但正则化约束方法的选择需要建立在先验信息的基础上，需要研究者对作为监测对象的物理演化过程有足够的了解。
3 矿用电法监测设备的研制进展
由于矿井作业的防爆要求，在煤矿井下使用的设备必须满足本安输出的条件，大幅限制了地面电法仪器在煤矿井下的使用。煤炭科学研究总院西安分院自主研发的DZII型防爆数字直流电法仪于1992年研制成功并通过鉴定，填补了我国矿用电法仪器的空白[63]。随着煤炭经济的复苏和煤矿对矿井地质安全保障技术的迫切需求，矿用直流电法仪以其在水害隐患探测上的独特优势受到青睐，众多科研院所和企业相继开展了相关研究工作，其中比较有代表性的设备是YDZ(A)/YDZ(B)型直流电法仪以及YD32(A)高分辨电法仪等系列产品、YDZ50矿用直流电法仪以及YDZ16(B) 矿用多道并行直流电法仪等。为了克服直流电法仪抗干扰能力差的问题，煤炭科学研究总院西安研究院在矿井电法透视的基础上又研制了用于探测工作面顶、底板水害的矿用音频电透仪[64]，接收信号分辨率可以达到5 μV。上述矿用电法仪器主要用于工作面水害隐患的静态探测，不能长时间在井下使用，并且接入的电极数量有限，一般也没有自动测量的功能，不适用于电阻率动态监测。
安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司研制的YBD11矿用网络并行电法仪，使用全电场观测技术同步采集所有测点的自然电场、一次电场电位和二次电场电位数据，具备接入物联网及云计算的功能，可提供远程技术服务，属于真正意义上的矿用电法监测设备。中煤科工集团西安研究院有限公司近年来开展了回采工作面电阻率监测系统的研发[65]，该系统利用光纤和互联网进行远程控制和数据传输，建立数据库对监测数据进行自动存储和管理，并开发了与数据库自动交互的数据实时处理软件，动态显示低阻区域的变化情况，在远程监测的基础上进一步实现了监测数据的自动处理和成像解释。
4 矿井电法监测面临的问题和展望
最新的《煤矿防治水细则》(2018年9月1日起施行)对导水通道受采动影响变化情况的监测做出了明确规定，矿井电法监测迎来了新的发展机遇。然而煤矿井下施工环境复杂、观测空间有限，矿井电法用于煤层采动破坏和水害监测时还存在如下问题有待解决：
1)电磁噪声干扰。进行矿井电法监测时，信号采集不可避免会受到带式输送机、采煤机等大型机电设备的干扰，基于直流信号发射和接收的矿井电法监测设备存在抗干扰能力不足的缺点。为了提高矿井电法监测的抗干扰能力，可以借鉴矿用音频电透视仪的原理，采用低频交流信号进行发射和接收。
2)监测电极接地电阻随时间变化。在监测过程中，由于采掘扰动和岩石破坏，即使是相同位置的电极其接地电阻也会随时间发生变化。电极接地电阻的不一致，会导致相同电极在相同地质背景下和相同供电条件下获得的数据不一致，需要在数据处理的过程中加以校正。
3)监测数据成像方法。目前对矿井电法监测数据一般进行二维成像解释，并且对不同时间的监测结果进行独立解释，未能突出电阻率在不同空间位置上随时间演化的特性。时移电阻率成像可以采用多种手段消除监测数据采集过程中的系统误差、压制噪声干扰带来的假异常和突出强电性不均匀背景下的微弱电阻率变化，适用于煤矿井下电法监测数据的成像解释。
4)电法监测结果的解释存在多解性。由于电法勘探属于体积勘探，整个监测范围内的电阻率变化都可能引起观测信号的变化，导致电法监测结果的解释存在多解性。目前对电场响应特征的研究主要集中在覆岩和底板破坏规律上，对于导水通道发育过程中的电场响应特征及干扰因素的识别涉及较少，有待进一步加强。
5)工作面水害预警。进行矿井电法监测的最终目的是为工作面水害预警提供技术参数，进行矿井电法监测可以获得的监测参数包括原始发射电流、接收电压、视电阻率以及反演电阻率等，要利用这些参数实现工作面水害风险评估，需要在大量模型计算和井下试验的基础上，研究电性变化与水害风险的定性关系，同时结合微震监测及其他监测手段进行综合分析，建立水害风险评估准则。
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