高突綜采工作面地質災害超前綜合探測技術

謝 亮

（湖南省地質建設工程集團有限公司，湖南 長沙 410000）

隨著國民經濟的快速發展，電力等行業對煤炭資源的需求呈線性增長[1-2]，煤礦開采[3]也越來越依賴機械化。高突綜采工作面指的是煤礦井下機械化設備發生過瓦斯事故的礦井回采工作面。煤礦中存在大量的瓦斯氣體，煤礦的高突綜采工作面[4-5]會涌出大量的瓦斯氣體，直接影響礦工的人身安全。煤礦下瓦斯的排放僅僅依靠風排或是抽采技術[6-7]已不能滿足礦井需求，必須利用綜合技術解決瓦斯問題。高突綜采工作面導致的地質災害包含煤礦塌方以及突水等，一旦發生事故會直接造成人員傷亡，為了保證人員安全，必須在發生事故前對其進行綜合探測。礦山地質災害類型較多[8]，可根據災害與形成時間進行分類，也可以根據災害空間以及成型原因進行分類。通過詳細分析地質災害類型得出每種災害的最優探測方案，將所有方案綜合得出可操作性最強、執行范圍最廣的探測技術，以此保證礦山工作質量以及工作人員安全。姚敏等[9]利用高密度電阻率法完成鐵礦采空區勘察，根據低阻異常波動數據，推斷地質災害類型，有效避免人為因素的干擾，提高開采工作效率。龍秀潔等[10]通過瞬變電磁法對進行電阻率斷面等值線圖異常形態分析有效判定巖溶塌陷等地質災害，可以確保開采人員的人身安全。馬士趁等[11]采用槽波地震探測技術完成地質構造超前探測，可以有效分析地質斷層、煤層厚度、高瓦斯帶等數據，為開采煤礦作充分準備。

高突綜采工作面地質災害主要有礦體塌方、突水、瓦斯爆炸及軟巖支撐破裂等，發生這些災害最主要的緣由是構造破碎帶等地質內部原因。礦山作業實質上是災害的誘發因素，災害發生的必然條件就是礦山的地質條件，提前明確礦山作業的地質條件有助于提高超前探測的精度，提前對可能發生災害的地區進行處理，最大限度地避免災害發生。

1 高突綜采工作面地質災害劃分

1.1 煤礦礦體變形災害

煤礦礦體變形災害包括煤礦井底地面塌陷[12]、礦場邊坡滑坡及巖崩[13-14]、礦坑內巖爆[15]、礦山地震等。面對礦體埋藏較深的位置進行礦山作業時，必須及時對其進行回填工作，防止采空區出現大面積坍塌。另外，在礦山巖溶洞部位，礦體的排水等作業也會造成溶洞上方出現坍塌，逐漸破壞耕地資源以及部分建筑物，嚴重時會出現淹井事故，這種事故危害極大，嚴重危害工人的人身安全。由于礦山作業幅度較大，容易誘發地震，破壞煤礦井下以及地表，隨著人們對煤礦資源的需求量增大，這種地震只會逐年上漲，嚴重危害周圍地區。

1.2 地下水導致的地質災害

礦坑突發涌水[16]災害產生的主要原因是對地下水的預測錯誤導致的，一旦出現該錯誤極可能穿透水斷層，打通暗河，礦坑瞬間涌入大量河水，造成人員的傷亡，尤其當開采技術低下的施工隊極易發生這種事故。礦坑突水相伴而生的災害就是潰沙涌泥[17]，這種情況是泥沙隨著地下水瞬間涌入礦坑，給礦坑帶來毀滅性的打擊。環境污染也是地質災害的主要表現形式，礦山施工過程中會產生大量廢棄物質，當這些物質未經過處理會對水資源和土地造成污染，直接影響人民身體健康。

1.3 礦體內災害

礦體內災害主要指的是瓦斯爆炸和火災，因礦坑內不易通風的缺點，坑內瓦斯聚集到一定濃度會發生爆炸，對工作人員來說是毀滅性的災害，也會直接毀壞礦山。礦山內發生火災[18-19]最常見的就是煤礦以及含有硫磺的部分礦山，礦山發生火災產生的不良后果極大，發生火災的同時還會損耗礦山資源，礦山發生火災后持續的時間過長，進而改變當地氣候，造成土地不能種植莊稼和樹木，不再適合人們居住。

2 高突綜采工作面地質災害勘察方法

2.1 高密度電阻率探測法

將4組電壓表排列在測線上，在測試中設置陣列形式的高密度探測點，根據電流表的變化程度，獲取高突綜采工作面不同探測點的電阻率。以異常波動數據為基礎，得出高突綜采工作斷面的地質災害情況，從而提高工作效率。具體技術原理如圖1所示。

圖1 高密度電阻率探測法原理Fig.1 Schematic diagram of high density resistivity detection method

該方法是根據礦山地質導電性差異進行探測的方法，這種方法可輕易采集相關數據，還可同時獲取深度和水平方向的電性改變情況[20]，利用相關參數可推斷出災害的埋深和范圍等情況，對不易探測的地下水以及采空區的探測十分有效。

2.2 瞬變電磁法

在煤礦地面設定具有波形電流的發射線圈，通過接地線向地下傳送脈沖電磁場，在傳播間隙利用線圈觀察地下空間的渦流場變化情況，得出地下介質引起的感應渦流場數據。根據周圍空間產生的電磁場數據，完成高突綜采工作面地質災害探測。具體技術原理如圖2所示。

圖2 瞬變電磁法原理Fig.2 Schematic diagram of transient electromagnetic method

由于地質勘探技術主要影響因素是振動，在礦山作業過程中利用該方法，可以有效獲取探測目標地質規律，迅速采集相關數據，直接指出礦山內異常區域位置，降低礦山內部分金屬物質的影響。以此得出定性判斷，完成礦體不同性質的作業選擇。

2.3 槽波地震探測技術

煤礦中激發的波形被稱之為槽波[21-22]，利用煤層進行傳播及反射。煤礦的密度以及對槽波的傳播速度比圍巖小，所以煤層震源所激發的彈性波能量基本在煤層內傳播，因此槽波可探測煤礦中不具有連續性的煤層，為綜合探測技術提供地質保證。槽波地震依據礦山震源及波段接收點工作面分布的不同位置，將其分為透射法和反射法。透射法是將震源以及接收點放置在同一側時進行的災害探測，反射法是在災害探測過程中將震源以及接收點設置在不同方向。2種方法的選擇是根據煤層的構造，其構造較為復雜時同時使用兩種探測方法，較為簡單時僅使用透射法即可。技術原理如圖3所示。

圖3 槽波地震探測技術原理Fig.3 Schematic diagram of slot wave seismic detection technology

3 超前綜合探測技術具體應用

將高密度電阻法、瞬變電磁法、槽波探測技術進行綜合，形成超前綜合探測技術，以此加強高突綜采工作面地質災害探測精度和效率。為了驗證高突綜采工作面地質災害超前綜合探測技術方法的整體有效性，選取湖南省一處私人礦場作為試驗對象，對本文方法進行仿真試驗。

3.1 試驗環境

私人礦場地質構造特征為沉積巖、巖漿巖、變質巖發育，晚元古代以后的地層出露齊全，含煤地層為石炭系下統測水組及二疊系龍潭組和二疊系上統大隆組，這種地質體可以較好地對應地下采空區的工作面采煤、采礦或隧道作業。該礦場存在地面塌陷、地裂縫、崩塌滑坡地質災害類型，且呈線形分布在采空區邊界，破壞礦場含水層，影響地形地貌景觀。本文選擇礦場采空區完成探測試驗。

3.2 地質災害探測試驗結果

地質災害探測高程范圍是探測的重點，可以有效遏制災害發生。在工作面高程+200～+400 m內進行地質災害探測試驗，判斷綜合探測技術性能優劣，試驗結果如圖4、圖5所示。

采用α排列采集礦場采空區電阻率數據，根據圖4可知，礦場在高程范圍+260～+300 m內存在局部較強電阻波動情況，平面范圍+105～+140 m和+180～+210 m存在高阻。

由圖5可知，礦場在高程范圍+200～+240 m和+340～+360 m內存在較高的電阻率，2號和4號測點電性特征明顯。

高密度電阻法、瞬變電磁法、槽波探測技術耦合形成的高探測精度地質災害探測方法可以有效探測礦場高突綜采工作面地質災害。高密度電阻法在高程為+260～+300 m范圍處存在波動變化，測得此處存在地面塌陷災害；瞬變電磁法在高程為+200～+240 m處和+340～+360 m處存在波動變化，且在+200～+240 m處波動較為劇烈，測得此處存在地裂縫災害，同時也有效測得+340～+360 m處存在崩塌滑坡地質災害。針對地質災害區域會產生較高的電阻率，可以清楚明了地呈現可能發生地質災害的位置，相關工作人員依據探測情況及時調整工作內容和進程，從根本上遏制災害的發生。綜上所述，綜合探測技術可以有效獲取地質災害信息。

圖4 高密度電阻法地質災害深度探測結果Fig.4 Depth detection results of geological hazards by high density resistance method

圖5 瞬變電磁法地質災害深度探測結果Fig.5 Depth detection results of geological hazards by transient electromagnetic method

4 結論

本文從地質災害超前綜合探測技術的角度，針對高突綜采工作面開采程度，提出了一種將高密度電阻法、瞬變電磁法、槽波探測技術進行耦合的高探測精度地質災害探測方法，以此達到地質構造超前探測的目的。

（1）在分析礦山地質災害特性的基礎上，所提出的高突綜采工作面地質災害超前綜合探測技術，能夠有效評估不同地質構造特征下的地質災害，其穩定程度具有明顯的深度和長度影響特性。

（2）地質災害超前綜合探測技術主要是通過磁場強度完成地質災害研判，高密度電阻法和瞬變電磁法均能有效探測地質災害深度，槽波探測技術可以有效探測地質災害長度，波動明顯區域為地質災害區域。

（3）高突綜采工作面地質災害超前綜合探測技術方法，可基于礦山的地質條件進行有效探測，能夠加強探測精度，獲取準確的探測結果，提高礦山工作安全性。