瓦斯-水地質異常體物探連續多方法跟蹤探測

薛維成

摘 要：我國煤礦為了充分利用多種物探手段對未開掘區域的瓦斯和水共存的現象進行超前預測，解決礦井有此類現象的威脅，起到提前卸壓瓦斯及疏放水的作用。對于導水瓦斯的構造狀況進行了解，釋放瓦斯壓力后的掘進巷道涌水涌瓦斯的概率及危害程度達到一個可控的狀態。

關鍵詞：沙曲一號煤礦;超前探測;數據處理;研究分析;物探手段

1 探測依據

（1）《礦井瞬變電磁超前勘驗技術方法》（NB/T 10126-2018）;（2）《工程物探規范》（DB45/T 983-2014）;（3）《礦井地震勘探儀》（MT/T 470-1996）;（4）礦井的設計、地勘、水文地質資料以及現場實際情況。

2 超前探測內容、目的及要求

2.1 探測的內容

礦井超前探測主要探測掘進前方一定范圍內有無不良地質體：如斷層破碎帶、采空區水、巖溶或溶蝕構造帶、煤巖分界面等。

2.2 探測的目的

通過及時探測進一步查明地表勘探中難以查明的重大不良地質問題，結合迎頭掘進實際，及時提出鉆探及掘進方案建議，盡量避免或減少由于技術等原因所造成的煤礦事故以及由此所造成的不必要的人力、物力、財力浪費，保證煤礦開掘安全。

2.3 探測的要求

礦井超前探測以掘進頭地質巖性為基礎，采用多種物探手段相結合的綜合超前探測方法，用宏觀探測指導微觀探測、長距離探測指導中短距離探測、用微觀探測驗證宏觀探測、中短距離探測驗證長距離探測的工作思路，開展礦井的超前探測工作。具體要求如下：地震波法每100m一次，搭接不小于10m，每次有效探測90m;瞬變電磁探測每100m一次，搭接不小于10m，每次有效探測90m;地質雷達探測每30m一次，搭接不小于5m，每次有效探測25m。

3 探測原理

3.1 礦井地震波法探測原理及方法

3.2 礦井瞬變電磁探測原理及方法

本次用瞬變電磁其探測的機理是：發射回路上利用一個電流脈沖方波，在反射回來后沿下降的瞬間，再產生一個向回線法線方向傳播的一次磁場，在一次磁場的效應下，物體即產生渦流，現象大小取決于物體的導電程度，在一次場沒有后，渦流不會瞬間沒有，即將出現一個衰退過程。在這一過程中，電磁能量在導電介質中傳播而使用，高頻部分大部分集中在地表附近，主要分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到遠處，直至范圍擴大。

3.3 礦井地質雷達探測原理及方法

本次利用地質雷達一個天線發射高頻寬頻帶電磁波，另一個天線接受來自探測前方介質界面的反射波。發射部分由產生高頻脈沖波的發射機和向外輻射電磁波的天線（Tx）組成。探地雷達技術實質上是一種確定地下介質分布的定向高頻電磁波反射定位技術。當地下介質中的波速v為已知時，可根據精確測得的走時t，由上式求得目標體的深度H，即：H=v2t2-x22。式中x值即收發距，在剖面測量中是固定的;v值可用寬角法直接測量，也可以根據近似計算公式：v≈cεr，c為光速，εr為地下介質的相對介電常數。探測原理見圖。

對不同雷達，一般200MHz以下頻率可用于超前探測。

4 現場探測及數據處理

現場探測工作于2020年07月15日和2020年07月17日分布在六采區1號底抽巷和四采區底抽聯絡巷展開。現場進行了地震波、瞬變電磁及地質雷達三種方法的探測。

4.1 地震波法

4.1.1 現場探測方案

2020年07月17日地礦井震波探測工作在四采區底抽聯絡巷當日迎頭里程503m處開展。按地震波法超前探測系統要求，實測時觀測系統布置2個接收孔（C1孔深1.5m右幫、C2孔深1.8m右幫底部）和24個炮孔（右幫），每個炮孔炸藥用量為50g，采用電雷管逐個引爆。

炮孔從掘進頭向后，在巷道右幫布置，第一個炮眼距迎頭退后6.14m，孔深1.5m，其他23個炮眼以同樣孔深，間距1.5m向后依次布置。

4.1.2 數據處理

數據處理以檢波點C1和C2中心點為零點，定義X方向為隧洞走向方向，Y方向為垂直隧洞水平面方向，Z方向為水平垂直隧洞走向方向。依此建立坐標系確定炮點。

5 綜合分析成果與建議

5.1 綜合分析成果

經對六采區1號底抽巷和四采區底抽聯絡巷迎頭進行地球物理探測，對前方構造異常及含水異常進行分析總結，形成以下綜合成果：

在探測前方13～27m段（即里程148～162m）雷達回波信號能量整體較強，可見連續同相軸明顯，且局部存在錯段，低頻信號明顯，信號整體表現為推斷為基巖裂隙水發育，圍巖相對破碎，節理裂隙發育。

前方里程148～165m范圍內基巖裂隙水發育，表現為：淋雨～股狀出水。

四采區底抽聯絡巷503m迎頭地震波法

（1）里程527～547m區段縱橫波均存在明顯的強阻抗異常，且速度變化劇烈，推測該區段圍巖條件破碎、裂隙發育;（2）里程567～總587m區段縱波存在明顯強阻抗異常，縱橫波波速變化較大，推測該區段圍巖完整性較差、非均質性強，存在富水可能。

瞬變電磁法

（1）仰角40°在探測前方及左側，距離迎頭距離約65～100m（即里程568～603m）范圍內存在連續低阻異常;

（2）仰角20°在探測前方及右側，距離迎頭距離約60～90m（即里程563～593m）范圍內存在連續低阻異常;

（3）探測前方0°探測前方及右側，距離迎頭距離60～100m（即里程563～603m）范圍內存在較大范圍的連續低阻異常;

（4）俯角40°在探測前方，距離迎頭距離約50～100m（即里程553～603m）范圍內兩處低阻異常。

地質雷達法

在探測前方14～21m段（即里程517～524m）雷達回波信號能量整體較強，可見連續同相軸明顯，且局部存在錯段，信號整體表現為推斷為圍巖破碎或巖性變化，局部基巖裂隙水較發育，節理裂隙發育。

（1）前方里程517～547m范圍內圍巖破碎或巖性編號，基巖裂隙水發育，表現為：淋雨～股狀出水;（2）前方里程567～587m范圍內基巖裂隙水發育，表現為：淋水～股狀出水。

5.2 建議

（1）由于物探手段存在多解性，對異常區域，應加強迎頭地質調查及超前水文地質鉆孔工作，并建議相關生產部門及時采取相應措施，按照《煤礦防治水規定》及時對異常區域施工驗證鉆孔。

（2）掘進過程中對出現的地質異常及時記錄，現場地質技術人員應及時關注開掘驗證情況，以便對成果資料進一步分析與修正。

（3）由于含水裂隙的存在，易造成開掘后局部瓦斯富集，注意掘進過程中的供風、排水。

（4）對后期掘進段落應加強多種物探手段綜合探測，形成多物性成果，提高探測的準確性。

6 結語

總的來說，充分利用多種物探手段對未開掘區域的瓦斯和水共存的現象進行超前預測，解決礦井有此類現象的威脅，起到提前卸壓瓦斯及疏放水的作用。對于導水瓦斯的構造狀況進行了解，釋放瓦斯壓力后的掘進巷道涌水涌瓦斯的概率以及危害程度達到一個可控的狀態。本文主要是針對山西華晉焦煤有限公司沙曲一號煤礦進行了研究和分析，希望能夠促進未來礦井的不斷發展，能夠利用多種物探探測手段以及數據處理結果進行對未知巷道區域進行超前預測及礦井的安全開采。

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作者簡介：薛維成（1986— ），男，漢族，山西大同人，本科，中級工程師，隊長，研究方向：地質水文。