《Engineering Geology》：Delineation of inaccessible coal barrier pillar and its stability assessment through hybrid ERT and numerical modeling approach
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•通过结合2D和3D电阻率成像技术，成功绘制出了无法进入的煤层屏障柱的分布图。•••高电阻率异常区域表明相邻矿井之间存在完整的煤层屏障。••已绘制出与旧采空区相连的积水区和扰动区。••数值模拟确认了屏障的稳定性，并评估了挖掘对屏障的有限影响。••结合电阻率成像和数值模拟的方法降低
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通过结合2D和3D电阻率成像技术，成功绘制出了无法进入的煤层屏障柱的分布图。
- •••高电阻率异常区域表明相邻矿井之间存在完整的煤层屏障。
- ••已绘制出与旧采空区相连的积水区和扰动区。
- ••数值模拟确认了屏障的稳定性，并评估了挖掘对屏障的有限影响。
- ••结合电阻率成像和数值模拟的方法降低了洪水风险评估的不确定性。
引言
屏障柱是指设置在相邻矿井之间的大块未开采物质，通常用于防止气体或水的侵入，或防止矿井过早坍塌，由矿井的工作面分隔开（Majdi等人，1991年）。矿井中的煤层屏障柱在维护地下煤矿的安全和稳定性方面起着关键作用，特别是在受废弃或积水矿井影响的区域。此类屏障的失效或厚度不足可能导致危险的水淹事故，对矿井基础设施和人员构成严重威胁（Jin等人，2009年；Ma等人，2018年；Li等人，2021年；Zhang等人，2025年等）。煤层屏障柱的尺寸和厚度未知，加上相邻废弃矿井的空间位置不明确，给地下煤矿的生产效率和安全性带来了重大挑战（Singh，2015年）。在历史采矿记录不足或不可用的地区，有效的矿井规划和管理尤为重要。地下煤矿最严重的危险之一是由于与废弃的积水矿井意外连接而导致的矿井淹没。这些旧矿井通常无法进入，现有的矿井计划往往不完整或不可靠，这使得难以准确评估分隔活跃工作区和积水区的屏障的厚度和完整性。据报道，当新的开采巷道与旧巷道相交时，经常会发生突然的水淹事故，造成重大的人员和设备损失（Jha等人，2004年）。目前，矿井计划和历史及废弃矿井的部分记录往往过时或缺乏维护，从而加剧了地下煤矿作业中的风险。
印度煤矿行业面临的一个紧迫挑战是可靠地确定靠近旧积水矿井的屏障柱的厚度。迄今为止，尚不存在一种标准化且始终可靠的方法可以在开采工作面前提前准确评估屏障的厚度。传统的验证方法是随着矿井开发的进展进行勘探性钻探。然而，基于点状的钻探方法无法提供连续的屏障几何形状和厚度信息。地球物理技术提供了一种非侵入性的有效手段，用于检测废弃和充满水的矿井，并作为传统钻探的替代或补充方法，可以在复杂的采矿环境中提供更好的空间覆盖和屏障柱的表征。全球范围内已广泛试验了地球物理方法，以在开采工作面前绘制历史和废弃矿井的地图，以及水文地质条件，旨在提高矿井安全性和减少地下危害（Singh，2003年；Singh，2015年；Jha等人，2004年；Zhang等人，2011年；Cui，2019年）。
电阻率成像（ERT）是一种近地表地球物理技术，能够通过应用电阻率分布模型对地下特征进行高分辨率成像。该方法利用岩石和土壤的电电阻率的空间变化，这些变化由岩性、孔隙度、流体饱和度和裂隙程度等因素引起，从而影响地下电流的分布。由于这些特性，ERT在多种工程地质和采矿应用中显示出强大的潜力，包括采空区特征分析、喀斯特塌陷检测、岩石断裂成像、基础调查、废弃矿井结构的绘制、扰动区和积水区的识别、大坝结构中的渗漏路径检测以及磷酸盐系列扰动的识别（Chen等人，2014年；Power等人，2015年；Bharti等人，2016a、2016b年；Ward等人，2016年；Ayad和Bakkali，2018年、2022年；Bellanova等人，2018年；Cavalcante等人，2019年；Barbosa等人，2020年；Hermans和Paepen，2020年；Nthaba等人，2020年；Bharti等人，2021年；Arjwech等人，2021年；Bharti等人，2023年；Prakash等人，2023年；Allam等人，2025年）。先前的研究主要集中在空洞检测或浅层地下异常的调查上。然而，关于在水浸条件下煤层屏障完整性和绘制的的研究有限。Krishnamurthy等人（2009年）在Jharia煤矿场应用电阻率成像（ERI）来绘制煤层屏障的厚度并检测充满水的废弃矿井空洞，结果表明电阻率成像可以成功地绘制矿井的几何形状，并作为一种非侵入性的工具用于矿井安全评估。Bharti等人（2022年）使用2D电阻率和三维体积电阻率建模来绘制十年前的矿井。在这项研究中，结合2D电阻率剖面和三维电阻率体积的数据解释，使人们能够识别和表征屏障柱，证明了地球电成像技术在评估屏障连续性和矿井安全性方面的有效性。该研究成功绘制出完整的屏障区，并确认了其在塌陷面板之间的连续性。先前的研究已经证明，ERT能够识别采矿引起的地层扰动，包括裂隙区、水文地质条件的变化以及与地下煤炭开采相关的覆盖层变形（Prakash等人，2022年）。
虽然ERT提供了关于废弃矿井位置、几何形状和含水量的重要信息，但数值模拟通过模拟周围地层的力学行为并评估稳定性来补充这些观测结果。数值模拟整合了诸如完整岩石和岩体属性、静态应力、岩体评级（RMR）、单轴抗压强度（UCS）和抗拉强度等输入参数，以评估失效区域并设计适当的支撑系统（Zou等人，1999年；Yavuz，2004年；Verma和Deb，2008年；Kushwaha等人，2010年；Mercer和Bawden，2005年；Hudson和Feng，2010年；Singh等人，2016年；Paul等人，2012年）。先进的软件如FLAC3D被用于模拟在静态和动态载荷作用下的煤层支柱行为，提供了关于动态响应和不稳定机制的见解（Zhou等人，2018年）。最近的研究应用数值模拟来评估小型煤层支柱和倾斜地层中的支柱稳定性，并结合现场监测数据来优化屏障支柱的设计，以确保矿井安全（Xu等人，2021年；Wu等人，2020年）。ERT和数值模拟的结合应用为绘制地下条件、识别积水区和扰动区以及评估屏障支柱稳定性提供了可靠的方法，从而提高矿井安全性并制定风险缓解策略。
本研究的主要目的是绘制两个相邻矿井之间的屏障柱厚度，以评估由于屏障柱失效而引发的旧废弃矿井淹没的潜在风险。这是通过结合ERT调查和数值模拟的方法来实现的，以评估屏障柱的几何形状、强度和安全系数。该方法包括进行详细的电阻率现场调查、执行数值模拟，并使用钻孔数据和历史矿井计划验证结果。这种综合方法为绘制屏障柱和为工程决策提供依据，从而提高运营安全性。
章节摘录
研究区域
研究区域位于印度Jharia煤矿场的一部分，如图1所示。Jharia煤矿场的概要地质图显示在图1a中，标注了研究区域的主要地质构造、含煤层和结构特征。Moonidih矿井由Bharat Coking Coal Limited（BCCL）运营，位于Jharia煤矿场的南中部。Moonidih矿井的XVII煤层的旧矿井与...
ERT现场数据采集
使用IRIS Instrument Syscal Pro Standard & Switch系统（提供24、48、72、96和120通道配置）收集ERT数据，该系统通过多芯电缆连接96个电极。微控制器和电极切换设备自动为每次测量选择合适的四个电极。通过系统地切换任何四极子（电流和电位）电极阵列，依次进行视电阻率测量。
结果与讨论
收集的数据被传输到Prosys-II软件进行分析。使用过滤技术去除了由于现场限制引起的数据不一致性，处理后的数据被导出到RES2DINV软件中。该软件利用平滑约束的最小二乘反演方法和准牛顿优化方法，将视电阻率反演为研究区域的真实电阻率分布。六个平行的2D ERT剖面...
结论
在Moonidih矿井和Bhagabandh矿井之间进行了ERT调查，并结合数值模拟，以绘制与XVII和XVI（Top）煤层中的旧矿井相关的煤层屏障柱，目的是评估其稳定性和安全系数。地球物理调查帮助识别出两个明显的积水区，这些区域的电阻率值明显较低，分别位于地表距离约140–300米和470–670米处，延伸至...
CRediT作者贡献声明
Abhay Kumar Bharti：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Amar Prakash：撰写——审阅与编辑、监督。Avinash Paul：方法论、调查、正式分析。Aniket Verma：调查、数据管理。Sandip Oraon：调查、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢CSIR-Central Institute of Mining and Fuel Research（Dhanbad）的主任在本研究中的支持、指导以及出版许可。作者还感谢印度政府科技部（DST）在项目编号EEQ/2023/000846下的财政支持。
Abhay Kumar Bharti|Amar Prakash|Avinash Paul|Aniket Verma|Sandip Oraon
