煤礦井下綜合物探超前探測技術(shù)及其應(yīng)用

范 曉 飛

(山西省煤炭地質(zhì)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(yè)，很多煤礦事故之所以發(fā)生，還是因為開采人員對于礦井地質(zhì)條件不清和處理不當(dāng)而引發(fā)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(shù)則可通過井巷以及鉆孔來具體探測井下地質(zhì)條件，綜合鉆探、巷探以及礦井地質(zhì)資料展開分析來預(yù)測開采地的具體地質(zhì)情況。煤礦井下綜合物探超前探測技術(shù)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(yōu)勢[2]。

1 當(dāng)前煤礦井下綜合物探超前探測技術(shù)運用方面的問題

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

1.1 技術(shù)人才缺乏

煤礦井下綜合物探超前探測技術(shù)要求技術(shù)人員必須要有極高的專業(yè)水準。他們必須要有足夠的知識儲備以及專業(yè)積累。同時他們還必須對探測設(shè)備有足夠的了解。換言之，要能讓這些探測設(shè)備真正物盡其用，技術(shù)人員必須要具備超強的數(shù)據(jù)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(yè)買進設(shè)備卻沒有技術(shù)人才。此外，企業(yè)對于資本的追求也讓他們對人才的培養(yǎng)缺乏足夠的重視，這也是超前探測技術(shù)的推廣難的一大原因。筆者認為，要解決當(dāng)前困境，必須要想辦法提升員工的專業(yè)水準。積極培養(yǎng)專業(yè)型人才，這也是煤炭行業(yè)的發(fā)展所需。

1.2 資金不足

大規(guī)模的超前探測技術(shù)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(yè)被迫進行深度開挖，這在一定程度上增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。特別是一些規(guī)模比較小企業(yè)，僅僅是買進探測設(shè)備就是足以耗光他們的儲備資金，很多企業(yè)因為無法承擔(dān)這樣的開支而被迫關(guān)閉。而且，我國現(xiàn)在很大一部分的政府資金從原先的煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)向了新能源的開發(fā)中，中小煤礦企業(yè)的政府支持也進一步縮減。這也是目前煤炭企業(yè)資金匱乏的原因之一。筆者以為，超前探測技術(shù)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(shù)分析

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

2.1 井下電磁法探測技術(shù)

井下電磁法探測技術(shù)主要包括音頻電穿透、地質(zhì)雷達、直流電法、瞬變電磁探測技術(shù)等。以井下地質(zhì)的化學(xué)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(zhì)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(zhì)且地質(zhì)層多，導(dǎo)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(jù)井下探測作業(yè)區(qū)域120 m范圍內(nèi)的地質(zhì)層電極相對差異，不但能信號反饋探測作業(yè)前方的空洞帶、煤巖導(dǎo)含水?dāng)鄬?、下陷柱等，同時也能對礦道頂隔水板厚度、礦道注漿質(zhì)量等進行探測。

電穿透聲波探測技術(shù)通過低頻電磁場穿透回采作業(yè)區(qū)域電極相對差異，能夠檢測作業(yè)礦道頂隔水板的導(dǎo)含水指標，能探測定位作業(yè)范圍內(nèi)的潛在含水體方位和深度，提供科學(xué)探測數(shù)據(jù)給作業(yè)區(qū)域水文地質(zhì)預(yù)報人員，另外探測井下煤巖層作業(yè)范圍內(nèi)的較弱地質(zhì)隔水層完整度與厚度，有助于對放水鉆孔設(shè)置和注漿堵水效果等的引導(dǎo)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(shù)據(jù)繪制回采作業(yè)區(qū)域底板不同地質(zhì)厚度的電阻率等值線圖，有效獲取井下作業(yè)開采下方含水異常區(qū)域的地質(zhì)水文狀況信息，可進一步對作業(yè)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(yīng)用于煤礦井下探測積水老窯、地質(zhì)水文、奧灰水、空洞帶等方面，為井下采礦區(qū)深處煤巖含水層和含水?dāng)鄬?、下陷柱的縱向連通關(guān)系提供檢測信息。

2.2 瑞利波超前探測技術(shù)

來自于日本的瑞利波探測技術(shù)是從道路工程勘探應(yīng)用中逐漸發(fā)展起來。20世紀80年代末引入我國，通過改良相關(guān)設(shè)備和探測技術(shù)，結(jié)合礦井作業(yè)特點轉(zhuǎn)變穩(wěn)態(tài)探測作業(yè)模式為瞬態(tài)探測作業(yè)模式，并于20世紀90年代初成功運用到煤炭開采項目?，F(xiàn)階段瑞利波超前探測技術(shù)在井下煤炭開采中主要應(yīng)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(qū)域，同時還能夠?qū)碌V道頂、井下煤礦道側(cè)邦、礦道底板進行探測，可實現(xiàn)井下超前80 m探測。瑞利波探測技術(shù)屬于彈性波類探測方法的一種，瑞利波是沿傳播介質(zhì)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(zhì)的物理結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，于不均質(zhì)表面?zhèn)鞑r瑞利波傳播速度受地質(zhì)影響隨之發(fā)生變化從而出現(xiàn)頻散現(xiàn)象。根據(jù)瑞利波的散頻和橢圓極化特征，設(shè)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(shù)分離出不同頻率的瑞利波，并根據(jù)不同傳播頻率下的兩組信號相位差計算出相應(yīng)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(yīng)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(zhì)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(shù)

礦井直流電法超前探測技術(shù)是一種礦井下全空間電法勘探技術(shù)。對礦井進行全方位建場，結(jié)合井下地質(zhì)層的物理學(xué)特征，根據(jù)全空間電場理論對煤礦井下地質(zhì)水文特性進行科學(xué)地超前探測。該技術(shù)使用直流電三點源法測量掘進前方地層的導(dǎo)含水分布狀況，設(shè)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(qū)的幅度和范圍，對于不同的低阻異常視電阻率數(shù)據(jù)進各種調(diào)節(jié)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?qū)崿F(xiàn)準確定位掘進前方含水異常區(qū)域。

3 煤礦井下綜合物探超前探測技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 探測工程實例

以某順槽超前探測為例，該作業(yè)區(qū)為帶壓開采區(qū)域，主要受侏羅系灰?guī)r地質(zhì)的影響作業(yè)范圍內(nèi)地質(zhì)水文環(huán)境比較復(fù)雜。由于煤礦井掘進巷道位于承壓水范圍內(nèi)，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(xiàn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)異常涌水等突發(fā)情況。按照當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)顯示，礦道掘進至西回以北450 m時出現(xiàn)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(yè)的安全性，減少井下滲水事故發(fā)生率和降低災(zāi)害程度，采用井下高密度電法和瞬變電磁法對開采作業(yè)區(qū)域進行聯(lián)合超前探測。由于受到礦巷周圍環(huán)境及迎頭處掘進機運動等因素影響，本次測量結(jié)果會受到較大影響。通過對比高密度電法探測結(jié)果和瞬變電磁水平方向探測結(jié)果，顯示井下掘進前方25 m左右范圍內(nèi)地質(zhì)層視電阻率相對較低，且在36 m迎頭區(qū)域煤巖層承壓水相對較高，煤礦井下現(xiàn)場作業(yè)過程中應(yīng)采取防范措施。

3.2 探測成果驗證

為避免發(fā)生煤礦井下水患災(zāi)害，在進行實際掘進作業(yè)前對本輪探測定位的異常范圍進行深入地質(zhì)考證。分析比較開采現(xiàn)場勘探和實際掘進狀況，本輪探測異常為積水區(qū)，積水區(qū)與采空區(qū)相連通，導(dǎo)致探巷內(nèi)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(xiàn)場與物探數(shù)據(jù)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(zhì)考證結(jié)果：1號探測區(qū)域為小裂隙發(fā)育并滴水，2號探測區(qū)域含導(dǎo)水?dāng)鄬樱?號探測區(qū)域為巷道隔水板鼓起。

4 結(jié)語

煤礦開采時對于巷道前端的地質(zhì)探測工作是后期順利開展工作基礎(chǔ)，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(shù)的開發(fā)以及推廣應(yīng)用是煤礦行業(yè)必須要重點關(guān)注的問題。因為只有通過行業(yè)內(nèi)同仁的共同努力，超前探測技術(shù)的使用才會越來越規(guī)范和完善，我國的煤礦事業(yè)也才能得到健康長足的發(fā)展。