井下綜合超前探測技術的原理及應用

鄧濤

摘 要：隨著煤礦開采環境的不斷變化，采取超前探測的方式，全面掌握煤礦井下整體的地質情況非常關鍵。但從當前采取的超前探測技術來看，各種技術在使用過程中均存在一定的不足，而采取綜合超前探測的方式，可較好地提升探測效果。本文從井下綜合超前探測技術原理入手，探討了井下綜合超前探測技術的具體應用。

關鍵詞：煤礦;綜合超前探測技術;瞬變電磁法勘探技術;槽波地震勘探;無線電波坑道透視法

中圖分類號：TD163;P631.325 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0069-03

Abstract： With the continuous change of coal mining environment， it is very important to take the way of advanced detection and fully grasp the overall geological situation of coal mine. However， from the current advanced detection technology， there are some deficiencies in the use of various technologies， and the comprehensive advanced detection method can better improve the detection effect. Starting with the analysis of the principle of underground comprehensive advance detection technology， this paper discusses the specific application of underground comprehensive advance detection technology.

Keywords： coal mine;integrated advanced detection technology;transient electromagnetic exploration technology;trough wave seismic exploration;radio wave tunnel perspective method

現階段，我國煤礦開采已經進入深部開采階段，井下的斷層、地下水等給煤礦正常開采帶來了較大影響，嚴重威脅井下工作人員的生命財產安全。為此，需要采取預測探放措施，以提前探測出井下各種類型的災害，及時采取防治措施。從煤礦開采實踐來看，通過應用超前探測技術，可取得較好的探測效果。

1 井下綜合超前探測技術原理

1.1 瞬變電磁法勘探技術原理

瞬變電磁法主要是一種利用電磁感應原理對地下礦產進行全面勘察的方法，屬于時間域電磁感應法。瞬變電磁法利用階躍波形電磁脈沖激發，利用不接地回線或接地導線源向地下發射一次場，在一次場間歇期，測量由地下介質產生感應二次場隨時間的變化[1]。圖1為瞬變電磁法工作原理示意圖。

1.2 槽波地震勘探

槽波是在煤層中激發、接收、順煤層傳播的導波。槽波地震勘探是在人工激發地震波后，通過檢測只在煤層中傳播的地震波（槽波）的變化來探測煤層中的小型地質構造和變化的地震勘探方法，即同層地震法。槽波透射法數據處理流程如圖2所示。

1.3 無線電波坑道透視法

無線電波坑道透視法是指在鉆孔或坑道中，利用無線電波在巖、礦媒質傳播過程中觀測到的一些現象來探測地下目標物的一種方法。由于電磁波在煤層中傳播時，不同電阻率的介質對電磁波的吸收不同，電阻率小的介質，對無線電波吸收強，接收到的無線電波強度就小，與理論場強相比較，會形成“陰影區”。根據“陰影區”的情況，就可以判斷出地質異常體的存在[2]。

2 井下綜合超前探測技術的具體應用

趙家寨煤礦某工作面設計長度為500 m，傾斜長度為140 m，煤層厚度在5 m左右，距離奧灰頂界面70 m左右。從地質勘察情況來看，工作面整體的地質構造較為簡單，地質情況較為普通，無論是掘進還是回采過程中，均未發現地質構造中存在相對較大的褶皺或者斷層。在工作面開采之前，技術人員采用無線電波坑道透視法、瞬變電磁法及槽波地震法三種物探技術對煤層底板情況進行勘察，以全面掌握地質構造的整體情況。將出現的地質異常區、重疊區作為有可能發生奧灰水突水的風險區域，結合工作面情況，提前采取措施進行預警與預防。技術人員在運輸巷中放炮，設置炮眼的距離為10 m，檢波器之間的距離設置為20 m，見圖3。對于槽波波速等于或者超過2 300 m/s的高速區域，說明煤層出現了變薄的情況，地應力則較為集中，是煤礦開采過程中風險相對較高的區域[3]。

無線電波坑道透視結果表明，勘探區域出現了三處異常區域，見圖4。從巷道揭露情況來看，在異常區域內，煤層出現了變薄的現象，底板向上凸起。該種情況出現的原因可能是出現了順層剪切破壞，導致整個底板隔水性受到了較大影響[4]。

本次也使用了瞬變電磁法對整個地質情況進行勘察，勘察點之間的距離設置為10 m，共設置6個勘察點，勘探結果見圖5。從圖5可看出，其中有1處較為明顯的低阻異常區，異常區的寬度在20 m左右，位于煤層底板40 m之下。這表明該處奧灰巖體有較強的富水性，在該區域容易發生突水風險[5]。

分析這三種方法的勘探結果：若均出現異常，則表明突水概率較大，應采取針對性措施做好防治工作;若僅有一種方法顯示存在異常，則需要對該異常的可靠性進行分析。通過對比可知，瞬變電磁異常區域有突水風險，在工作面開采過程中，需要采取針對性措施進行防治。在采取綜合物探技術后，本次共施工4個鉆孔對異常區域進行驗證，鉆孔深度在50 m左右。隨著鉆進深度不斷加大，水壓也明顯提升，已經從最初的1 MPa提升到1.3 MPa，涌水量也在持續提升，從最初的2～3 m3/h升到15～18 m3/h。從鉆孔揭露情況和水質地質觀測結果可知，異常區域中出現奧灰水的概率明顯上升，可見具有較大的突水風險。技術人員采取了注漿改造的方式，向其中注入大量水泥。

在工作面推進過程中，在距離異常區域較近的位置，技術人員再次使用瞬變電磁方法進行勘探。勘探結果表明，異常情況并沒有消除，這表明本次遇到的情況較為嚴峻，異常區也出現了進一步擴大的情況。為此，立即進行停產處理，不久后在煤壁側發生了奧灰水突水，突水量每小時超過150 m3。

趙家寨煤礦本次將這三種物探方法結合起來，對整個煤層底板含水情況、地質構造、工作面煤層變化等情況進行了全面分析，對這三種方法探測到的異常區域進行了重點防護。

3 結語

隨著煤礦開采深度的不斷增加，面臨的地質環境越來越復雜，傳統的探測技術在很多方面表現出較大的局限性，而通過采取綜合超前探測技術，可使各個探測技術實現互補，從而更好地提升超前探測的效果與質量。

參考文獻：

[1]金鑫.礦井綜合探測技術在趙莊二號井中的實際應用[J].自動化應用，2018（11）：54-56.

[2]袁德鑄.礦井綜合物探技術在隱伏含水構造超前探測中的應用[J].礦業安全與環保，2016（4）：68-71.

[3]程久龍，李飛，彭蘇萍，等.礦井巷道地球物理方法超前探測研究進展與展望[J].煤炭學報，2014（8）：1742-1750.

[4]許召穩，張海軍，李永春.綜合探測結合井下超前探水在煤層掘進中的應用[J].陜西煤炭，2013（2）：69-72.

[5]郝治國，賈樹林，文群林.綜合物探方法在采空區及其富水性探測中的應用[J].物探與化探，2012（增刊1）：102-106.