幾種超前物探技術在煤炭礦井防治水中的應用

楊 超

（晉能控股煤業集團地測勘探有限公司，山西 大同 037000）

隨著我國煤炭資源的長期開發，礦井生產條件趨于復雜。現代礦井在巷道掘進過程中，對于老空水、上覆近距離采空區積水、底板灰巖承壓水、陷落柱及各類發育范圍較小的隱伏導水構造存在預報困難問題，往往給煤礦的安全生產帶來嚴重隱患。現行探測井田范圍內地質構造的方法主要以三維地震法為主，但對微小構造探測研究效果一般，對多層歷史采空區的煤礦使用效果還待繼續研究。掘進巷道防治水超前探測的物探手段主要以井下瞬變電磁法，三點源直流電法，三極、四極直流電測深法，瑞利波法地震勘探，反射波法地震勘探等淺層地震勘探技術為主。然而，受制于井下全空間特性、施工人員素質、現場復雜的電磁、微震動環境影響，探測效果體積效應和多解性明顯，嚴重制約了解釋精度。因此通過長期對數座礦井開展的直流、瞬變法、巷道淺層地震勘探等超前探技術展開研究和驗證工作，并分析多個成功和失敗案例，在一定程度上明確這些技術在使用和解釋方面的局限性，以期提高超前物探技術在礦井防治水應用中的解釋精度，從而更好地總結與指導下一步物探工程的開展。

本文以晉能控股煤業集團云岡礦、北辛窯礦、南陽坡礦、李陽礦、永定莊礦多個超前物探工程為背景，從中篩選出幾個典型成功與失敗案例，探討超前物探技術在探測小窯破壞區、臨近小窯巷道、掘進巷道前方隱伏小構造、現場復雜環境等實際環境時的具體應用，總結一定的實踐規律，以提高超前物探技術在煤炭礦井防治水中的解釋精度。

1 工程實例分析

1.1 電法超前探在某些條件下的構造探測

1.1.1 項目環境簡述和施工布置

北辛窯煤礦某采區輔運巷沿煤層掘進，煤層頂板上方存在一層穩定砂巖含水層，為探明砂巖富水性，使用瞬變電磁、直流電兩種方法開展超前探工程，本次勘探范圍為輔運巷1 070 m 處掘進迎頭前方區域，探測區域為掘進迎頭前方100 m 范圍。

1.1.2 探測成果及驗證情況

推斷掘進迎頭前方存在兩處低阻異常（圖1），A異常位于迎頭前方60～100 m、橫向-20～0 m 范圍內，B 異常位于迎頭前方25～50 m、橫向10～40 m 范圍內。兩異常均在頂板方向有所反應，推斷裂隙發育且低阻介質充填。后經鉆探驗證該區域，頂板方向砂巖含水層出水，合計峰值水量約12 m3/h。

圖1 瞬變電磁超前物探成果圖

1.2 淺層地震勘探技術的構造探測

1.2.1 環境解釋和施工布置

為了避免巷道掘進中直接揭露地質構造，李陽礦在某膠帶運輸順槽迎頭位置，使用淺層地震勘探技術對其構造進行超前探測，并對迎頭前方地質分布進行分析。

本掘進煤層平均厚度5.09 m，煤層頂板頂板為砂質泥巖，砂質泥巖上部為一層厚6.1 m 的粉砂巖。底板為砂質泥巖，厚1 m，沿底板掘進。膠帶運輸順槽走向長1 073 m，煤層結構簡單，根據地面三維勘探報告分析可知，該礦有可能存在地質構造影響。

1.2.2 探測成果和驗證情況

巷道掘進工作面迎頭前方探測距離約27 m，存在一處異常區（圖2），地質異常范圍較為明顯，推測為煤層破碎帶或斷層等構造造成煤層硬度發生改變而導致的異常反應。綜合地面三維地震勘探和多個鉆孔驗證，該異常揭露為一處陷落柱。

圖2 淺層地震勘探超前探成果及驗證圖

1.3 電法超前探在某些條件下對預計充水小窯巷道、采空區的探測

1.3.1 項目環境簡述和施工布置

云崗礦井田內和周邊存在煤礦30 余座，某巷所在的410 盤區西部礦界附近存在7 座小煤窯，預計在資源整合之前，本區域遭到周邊小窯不同程度的破壞，根據地質報告、資料追溯、地面調查、小窯巡查資料分析，預計巷道南部和西部存在小窯破壞區。

針對此情況，開展井下瞬變超前物探，在布置3條測線的基礎上，對同層正前方的瞬變電磁超前探測采取多次疊加數據采集、處理及綜合解釋，數據處理完成后對6 條實測剖面進行公共異常區疊加解釋，縮小異常區邊界范圍，從而在某種程度上降低瞬變電磁體積效應，從而降低成果解釋的多解性。

1.3.2 探測成果及驗證情況

在巷道掘進期間共采集數據130 余次，以探測巷道3 號測點處物探成果和3 號測點10 m 處同層瞬變電磁超前探為例，在3 號測點處，對正前方進行瞬變超前物探，6 次成果異常區存在公共部分（圖3）。集中在公共異常區域處設計超前鉆孔進行驗證，在“有掘必探”設計的基礎上，加密施工2 個鉆孔，將其全部探通，發現有少量積水及氣體。

圖3 超前物探異常區疊加圖

在明確物探異常區之后，開展了大量的加密工作，對于電法的多解性采用加密探測，探測成果圖的質量得到一定的提高，但達到一定密度之后，多次探測成果圖的對比變化不是很大。

1.4 電法超前探在某些條件下對小窯空巷、采空區的探測

1.4.1 項目環境簡述和施工布置

南陽坡礦某工作面平均煤厚11 m 左右，頭巷設計長度1 000 m，現工作面已圈出。頭巷掘進至320 m時遇見同層小窯空巷，空巷寬度3.18 m，礦方已對空巷進行實測，因此可作為已知空巷，進而開展了本次直流電法探測試驗。本次試驗采用西安博深YTD400（A）全方位探測電法儀，對已知空巷開展三點源超前探，并與四極測深方法進行比較。

對稱四極測深裝置布置1 條測線：測線AO 探測長度為100 m，從8 m、12 m 至28 m 共完成60 個物理點的布置，點距為4 m，。采用三點源法模擬掘進前方存在空巷情況，于迎頭處后撤14 m 布置發射電極A1、A2、A3，接收電極M、N，點距4 m，無窮遠處布置B 極，按三點源法超前探開始跑極，共收集物理點108 個。

1.4.2 探測成果及驗證情況

四極測深全區視電阻率值平均為958.58 Ω·m，標準偏差為886.36 Ω·m，劃分高阻異常區背景值為1 254 Ω·m，共解釋三處高阻異常區（見下頁圖4），1號異常區位于橫坐標8～20 m、縱坐標（垂向測深）20～28 m 的范圍，視電阻率值在1 217～2 904 Ω·m，分析為同層小窯巷道引起的高阻電性反映；2 號異常區位于橫坐標32～52 m、縱坐標（垂向測深）15～28 m的范圍，視電阻率值在1 156～3 781 Ω·m，分析為同層小窯巷道引起的高阻電性反映；3 號異常區位于橫坐標72～84 m、縱坐標（垂向測深）20～28 m 的范圍視電阻率值在1 070～2 323 Ω·m，分析為同層小窯巷道引起的高阻電性反映。

圖4 四極測深和三極超前探成果對比圖

全區視電阻率值平均為505.3 Ω·m，標準偏差為169 Ω·m。劃分高阻異常區背景值為：（505.3（平均值）+169（標準偏差））/3=560 Ω·m，從三極超前探測成果圖分析，探測范圍未發現明顯高阻異常區。依據頭巷已知鉆探資料揭露顯示，在勘探區50 m 處揭露同層小窯巷道，寬度為3.5 m，與2700 巷以26°相交。結合物探探測成果圖綜合分析，四極測深所得1號、2 號、3 號高阻異常區形態與實際小窯巷道延伸情況接近。三點源法超前探對該異常反應不明顯。

2 結果分析

由北辛窯、李陽煤礦的工程實踐可知，受體積效應和多解性的影響，超前物探通常會出現多個物探異常區，不能簡單的將所有物探異常區視為水患，任何物探手段都不是孤立的，都是與地質條件緊密結合的，因此需結合測井、鉆探等資料不斷修正施工布置方法，且需在異常區劃分閾值等重點參數，以此提高超前物探的解釋精度。

由云岡礦的工程實踐可知，對于超前物探異常區采取同一方向加密探測，不同方向互相驗證的方法，可以提高物探異常區解釋的準確性。但是達到一定程度之后，解釋度不能夠繼續增加。在實際使用過程中，應結合地質資料和物探成果進行有重點的復測，避免無意義的重復疊加造成工作量增加。

由南陽坡的工程實踐可知，對于小窯采空區，采用直流電法四極測深探測采空區有一定效果，橫向分辨率高，垂向上電性變化明顯，但在解釋小窯巷道的邊界范圍和形態上，無法實現定量解釋，與實際揭露情況有一定的誤差。在該條件下采用直流電法三極超前探測采空區效果不好，對小窯空巷無明顯反應。各種物探方法都有其適用范圍與局限性，在施工選擇中不能簡單地生搬硬套，針對不同的地質和水文地質條件需要結合實際情況來選用合適的方法。

3 結論

通過對幾種超前物探技術在煤炭礦井防治水中的應用進行研究，結果表明：通過加密施工頻次和采樣數據，可以顯著提升探測的準確性，但是邊際效應明顯；對于小窯采空區，采用直流電法四極測深探測采空區有一定效果，橫向分辨率高，垂向上電性變化明顯；超前物探現場環境復雜，解釋成果受人員水平、現場環境影響較大。

每種物探方法都有其適用范圍與局限性，超前物探技術在煤炭礦井防治水中的實際應用中，應結合具體工程選擇合適的物探方法。不同的方法可能對同一個探測目標會得出不同的結論，因此需要采用資料分析、加密探測等方法，提高綜合判斷結論的可靠性。此外，各項地質參數的收集工作直接關系到解釋精度，結合實際資料不斷修正施工流程與解釋方法，對于指導物探工程實際應用，提高探測準確性有著重要的作用。