煤礦井下綜合物探超前探測技術及其應用

范 曉 飛

(山西省煤炭地質144勘查院物探公司，山西 臨汾 041600)

礦井開采通常都是地下作業，很多煤礦事故之所以發生，還是因為開采人員對于礦井地質條件不清和處理不當而引發水害或者是瓦斯爆炸等問題[1]。煤礦井下綜合物探超前探測技術則可通過井巷以及鉆孔來具體探測井下地質條件，綜合鉆探、巷探以及礦井地質資料展開分析來預測開采地的具體地質情況。煤礦井下綜合物探超前探測技術不但可以有效的縮減開采成本，而且安全性和工作效率都很高。此外，它還具有簡化施工操作的功效，對于一些比較狹窄的小巷道的迎頭檢測更具優勢[2]。

1 當前煤礦井下綜合物探超前探測技術運用方面的問題

雖然煤礦井下綜合物探超前探測技術有很多優勢但是在具體運用中依然存在一定的問題。

1.1 技術人才缺乏

煤礦井下綜合物探超前探測技術要求技術人員必須要有極高的專業水準。他們必須要有足夠的知識儲備以及專業積累。同時他們還必須對探測設備有足夠的了解。換言之，要能讓這些探測設備真正物盡其用，技術人員必須要具備超強的數據分析能力以及決策能力。但是，就目前而言，這樣的人才屬于稀缺資源，很多的企業買進設備卻沒有技術人才。此外，企業對于資本的追求也讓他們對人才的培養缺乏足夠的重視，這也是超前探測技術的推廣難的一大原因。筆者認為，要解決當前困境，必須要想辦法提升員工的專業水準。積極培養專業型人才，這也是煤炭行業的發展所需。

1.2 資金不足

大規模的超前探測技術的實施必須要有雄厚的資金作為支撐。近些年，煤礦需求量一直居高不下。為此，很多的煤礦企業被迫進行深度開挖，這在一定程度上增加了企業的生產成本。特別是一些規模比較小企業，僅僅是買進探測設備就是足以耗光他們的儲備資金，很多企業因為無法承擔這樣的開支而被迫關閉。而且，我國現在很大一部分的政府資金從原先的煤炭企業轉向了新能源的開發中，中小煤礦企業的政府支持也進一步縮減。這也是目前煤炭企業資金匱乏的原因之一。筆者以為，超前探測技術的推廣必須要得到政府的資金支持。

2 煤礦井下綜合物探超前探測技術分析

以下主要對井下電磁法探測技術、瑞利波超前探測技術、直流電法超前探測技術等三項進行分析，具體如下。

2.1 井下電磁法探測技術

井下電磁法探測技術主要包括音頻電穿透、地質雷達、直流電法、瞬變電磁探測技術等。以井下地質的化學電極性差異為探測指標，多用在井下含水異常狀況的探測方面。井下煤巖層雷達在高電阻率均勻地質中探測前方異常含水體和煤巖層上取得一定成效，但井下煤巖層多為低電阻率地質且地質層多，導致高頻電磁波快速衰減，井下探測距離具有一定局限性。

探測器根據井下探測作業區域120 m范圍內的地質層電極相對差異，不但能信號反饋探測作業前方的空洞帶、煤巖導含水斷層、下陷柱等，同時也能對礦道頂隔水板厚度、礦道注漿質量等進行探測。

電穿透聲波探測技術通過低頻電磁場穿透回采作業區域電極相對差異，能夠檢測作業礦道頂隔水板的導含水指標，能探測定位作業范圍內的潛在含水體方位和深度，提供科學探測數據給作業區域水文地質預報人員，另外探測井下煤巖層作業范圍內的較弱地質隔水層完整度與厚度，有助于對放水鉆孔設置和注漿堵水效果等的引導探測。

利用直流電法對煤礦井下進行礦道底板深度探測，同時使用音頻電穿透法檢測數據繪制回采作業區域底板不同地質厚度的電阻率等值線圖，有效獲取井下作業開采下方含水異常區域的地質水文狀況信息，可進一步對作業面做三維立體探測。

井下瞬變電磁法主要探測的是純異常場，對于低阻體較為敏感，多應用于煤礦井下探測積水老窯、地質水文、奧灰水、空洞帶等方面，為井下采礦區深處煤巖含水層和含水斷層、下陷柱的縱向連通關系提供檢測信息。

2.2 瑞利波超前探測技術

來自于日本的瑞利波探測技術是從道路工程勘探應用中逐漸發展起來。20世紀80年代末引入我國，通過改良相關設備和探測技術，結合礦井作業特點轉變穩態探測作業模式為瞬態探測作業模式，并于20世紀90年代初成功運用到煤炭開采項目?，F階段瑞利波超前探測技術在井下煤炭開采中主要應用在對石門厚度的超前測量，同時可有效全面探測礦井下方范圍，不僅能夠探測掘進頭前方區域，同時還能夠對井下礦道頂、井下煤礦道側邦、礦道底板進行探測，可實現井下超前80 m探測。瑞利波探測技術屬于彈性波類探測方法的一種，瑞利波是沿傳播介質表面形成逆時針橢圓形運動傳播。由于瑞利波傳播速度與傳播地質的物理結構息息相關，于不均質表面傳播時瑞利波傳播速度受地質影響隨之發生變化從而出現頻散現象。根據瑞利波的散頻和橢圓極化特征，設計兩組接收探測器同時采集寬頻帶地震波脈沖波信號，運用彈性波頻譜技術分離出不同頻率的瑞利波，并根據不同傳播頻率下的兩組信號相位差計算出相應的電磁波相位傳播速度，進一步繪制出該震源的頻散曲線，分析頻散效應特征，完成對煤礦井深度與厚度、巷道頂隔水板厚度、井下掘進前方地質水文、石門揭煤安全厚度等的探測。

2.3 直流電法超前探測技術

礦井直流電法超前探測技術是一種礦井下全空間電法勘探技術。對礦井進行全方位建場，結合井下地質層的物理學特征，根據全空間電場理論對煤礦井下地質水文特性進行科學地超前探測。該技術使用直流電三點源法測量掘進前方地層的導含水分布狀況，設置3個供電點于測試目標位周圍，通過計算井下巷道周圍3個不同電源的電位差，從而得到視電阻率，分析視電阻率低阻異常區的幅度和范圍，對于不同的低阻異常視電阻率數據進各種調節處理，如：排除巷道異常因素、掘進前異常因素、巷道后方異常因素，運用全空間電場交匯能夠實現準確定位掘進前方含水異常區域。

3 煤礦井下綜合物探超前探測技術應用分析

3.1 探測工程實例

以某順槽超前探測為例，該作業區為帶壓開采區域，主要受侏羅系灰巖地質的影響作業范圍內地質水文環境比較復雜。由于煤礦井掘進巷道位于承壓水范圍內，井下掘進過程中，由于其處于煤礦平移正斷層等附近時會受到井下采掘因素的影響松動出現作業區域內異常涌水等突發情況。按照當地水文地質顯示，礦道掘進至西回以北450 m時出現涌水量明顯增大，滲透水點以巷道隔板縫隙、錨索孔為主，正常透水量20 m3/h～30 m3/h，最大40 m3/h，20 d～30 d疏干。為確保礦井下煤炭開采作業的安全性，減少井下滲水事故發生率和降低災害程度，采用井下高密度電法和瞬變電磁法對開采作業區域進行聯合超前探測。由于受到礦巷周圍環境及迎頭處掘進機運動等因素影響，本次測量結果會受到較大影響。通過對比高密度電法探測結果和瞬變電磁水平方向探測結果，顯示井下掘進前方25 m左右范圍內地質層視電阻率相對較低，且在36 m迎頭區域煤巖層承壓水相對較高，煤礦井下現場作業過程中應采取防范措施。

3.2 探測成果驗證

為避免發生煤礦井下水患災害，在進行實際掘進作業前對本輪探測定位的異常范圍進行深入地質考證。分析比較開采現場勘探和實際掘進狀況，本輪探測異常為積水區，積水區與采空區相連通，導致探巷內有大量積水積存。在貫通礦井前為保障貫通安全，對該探巷進行排水和密閉，實際掘進現場與物探數據基本一致：1號低阻率異常范圍的幅值相對較大，富水性較強，2號和3號低阻率異常幅值和范圍相對較小。地質考證結果：1號探測區域為小裂隙發育并滴水，2號探測區域含導水斷層，3號探測區域為巷道隔水板鼓起。

4 結語

煤礦開采時對于巷道前端的地質探測工作是后期順利開展工作基礎，這也是員工人身安全以及工作效率的重要保證。故此，筆者認為，目前煤礦井下綜合物探超前探測技術的開發以及推廣應用是煤礦行業必須要重點關注的問題。因為只有通過行業內同仁的共同努力，超前探測技術的使用才會越來越規范和完善，我國的煤礦事業也才能得到健康長足的發展。