煤礦井下掘進(jìn)工作面超前物探技術(shù)分析

黃治富

(山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)和人民生活對(duì)煤炭等資源的需求越來(lái)越高，要求煤礦企業(yè)不斷提高生產(chǎn)率，生產(chǎn)更優(yōu)質(zhì)的煤炭資源。在包惠煤礦水文地質(zhì)條件下，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦井開挖深度增加，對(duì)洪泛礦井的安全構(gòu)成極大威脅。為了保證礦井生產(chǎn)安全，降低水害的可能性，除了加強(qiáng)水文地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)外，還必須充分采用先進(jìn)的地球物理勘探技術(shù)，制定排水方案，檢測(cè)分析地質(zhì)構(gòu)造和水害，確保隧道施工安全。

1 工程概況

以某煤礦為例，其為帶壓開采煤礦，同時(shí)煤礦處于奧灰水承壓含水層下方，水位高度已經(jīng)超過(guò)了839米。因?yàn)閵W灰水層在施工區(qū)域的正上方，所以施工作業(yè)面會(huì)承受相對(duì)較大的壓力，有可能會(huì)造成施工事故的發(fā)生。因此，在進(jìn)行此次施工過(guò)程中采用了超前探測(cè)技術(shù)，對(duì)掘進(jìn)工作面的地質(zhì)構(gòu)造、水源走向等進(jìn)行勘測(cè)。

2 超前物探技術(shù)相關(guān)原理分析

根據(jù)此次施工區(qū)域的特點(diǎn)，結(jié)合直流電法探測(cè)技術(shù)與瞬間變電磁探測(cè)技術(shù)的工作原理，最終確定了以直流技術(shù)電法探測(cè)技術(shù)為只要是施工技術(shù)，再其無(wú)法滿足探測(cè)要求時(shí)再采用瞬變電磁技術(shù)。本文對(duì)此兩項(xiàng)探測(cè)技術(shù)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單研究。

2.1 直流電發(fā)探測(cè)技術(shù)

2.1.1 工作原理

通過(guò)采用先進(jìn)的技術(shù)可以將巖電機(jī)制加以區(qū)分，在完整的高精度三維空間中，利用整個(gè)區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)相關(guān)原理對(duì)巖層的地質(zhì)構(gòu)造加以說(shuō)明，尤其是采用微生物三級(jí)等高級(jí)探測(cè)技術(shù)，能夠準(zhǔn)確的對(duì)地質(zhì)層進(jìn)行剖析，對(duì)前方巖層中的含水層及其走向等進(jìn)行探索。其屬于地下電氣檢測(cè)技術(shù)中之一。

2.1.2 使用范圍

此項(xiàng)技術(shù)可以探測(cè)到工作面周圍一百米以內(nèi)潛伏在地表以下的斷層和溶巖，特別是對(duì)含水層和導(dǎo)水的裂縫位置能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的探測(cè)。以保證被探測(cè)位置地質(zhì)結(jié)構(gòu)符合施工要求，低阻反應(yīng)對(duì)敏捷，對(duì)不宜覺察的低阻也可以探測(cè)到。

2.1.3 工作方法

為了更好的對(duì)三級(jí)超前彈墊技術(shù)進(jìn)行闡述，在此加以示圖，圖1充分展示了電源電位和電力線的位置，其中A、B均代表發(fā)射電極，M和N代表測(cè)量電極。B與A之間相隔約四百米，B能夠?qū)ο锏纼?nèi)測(cè)量點(diǎn)極位置的磁場(chǎng)造成影響，但是影響力非常小，一般情況下為影響，所以可以將A處的電源電場(chǎng)分布視為與B處的相同。

圖1 三級(jí)超前探點(diǎn)電源電位以及電力線分布

對(duì)三級(jí)超前交匯探測(cè)技術(shù)的闡述如圖2所示，圖中工作面中共設(shè)置三個(gè)不同供電電極，分別用A1，A2和A3所表示，在三個(gè)電極全部給電的情況下，對(duì)VI和N兩處測(cè)量電極進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，發(fā)現(xiàn)所測(cè)量數(shù)值隨II和III兩處體積的變化而變化。由此可得，在進(jìn)行掘進(jìn)施工期間，工作面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)可有M和N兩處電位差的變動(dòng)所表現(xiàn)出來(lái)，以此來(lái)判斷工作面的特殊狀況，并根據(jù)三級(jí)超前建輝探測(cè)技術(shù)來(lái)判定特殊地質(zhì)狀況的準(zhǔn)確方位。

圖2 三級(jí)超前交匯探測(cè)

2.2 瞬變電磁探測(cè)技術(shù)

瞬變電磁法是利用巖層之間導(dǎo)電性不同的原理，后通過(guò)安全回路線對(duì)被探測(cè)體進(jìn)行脈沖電流傳輸，以此形成電磁場(chǎng)，并刺激被探測(cè)提產(chǎn)生電流，后通過(guò)脈沖電流的縫隙對(duì)被探測(cè)體產(chǎn)生的電流進(jìn)行測(cè)量，記錄其隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的不同數(shù)據(jù)，以此來(lái)判定被檢測(cè)體的電性值。在電流接通的情況下，向安全回路附近區(qū)域再次傳輸電流并創(chuàng)建另一個(gè)磁場(chǎng)。切斷向安全回路區(qū)域的電流傳輸，會(huì)發(fā)現(xiàn)由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)隨之消散，由一次磁場(chǎng)在特定變化下的變化可以產(chǎn)生二次磁場(chǎng)。正是因?yàn)閷?duì)二次磁場(chǎng)消散過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以測(cè)量出巖層的導(dǎo)電性，巖層的導(dǎo)電性與磁場(chǎng)的消散速度成反比。所以，對(duì)二次場(chǎng)的消散進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以判定巖層的地質(zhì)構(gòu)造。

3 煤礦井下掘進(jìn)施工方案制定

根據(jù)煤礦井下具體的地質(zhì)構(gòu)造和水文分布，若想確保正常施工完全符合煤礦掘進(jìn)施工方案，需將先進(jìn)的施工技術(shù)加以融合。此文所介紹的煤礦開采項(xiàng)目中融和了先進(jìn)的物探技術(shù)和鉆探技術(shù)，通過(guò)將此兩項(xiàng)技術(shù)的融合有效的保證了施工質(zhì)量及安全。

3.1 超前鉆探方案

此煤礦利用zy-1250型鉆機(jī)進(jìn)行鉆探作業(yè)，此鉆機(jī)為全液壓鉆機(jī)，能夠?qū)紤]值不超過(guò)8的巖石及煤礦進(jìn)行鉆探。在進(jìn)行煤炭勘測(cè)期間，其鉆機(jī)間距最高可達(dá)二百米，但是在硬度較高的巖層中鉆探相對(duì)困難。所以，當(dāng)進(jìn)行鉆探作業(yè)的礦井傾斜角度偏大時(shí)會(huì)相對(duì)增加施工難度系數(shù)。同時(shí)若對(duì)礦井外圍、防護(hù)煤柱外圍、物探警示區(qū)域、水壓高于0.1npa的煤礦進(jìn)行鉆探施工，為了保證施工安全必須使用定向管。

本文中所介紹的煤礦開采工程在進(jìn)行鉆探施工時(shí)采用了超前鉆探技術(shù)。鉆探施工時(shí)呈扇形分布施工。每?jī)蓚€(gè)鉆孔相隔最遠(yuǎn)不超過(guò)三米，煤柱相隔在二十米到三十米之間。

3.2 超前物探和超前鉆孔結(jié)合的巷道掘進(jìn)工程物探成果見圖3。

圖3 巷道掘進(jìn)工作面超前物探成果圖

3.3 掘進(jìn)工作面超前探測(cè)

本工程進(jìn)行超前探測(cè)工序時(shí)應(yīng)用高密度直流法對(duì)工作面的前半部分進(jìn)行鉆探施工。為了避免浮式鉆井現(xiàn)象的出現(xiàn)，將所有孔長(zhǎng)限制在一百米到一百二十米之間，以此來(lái)保證鉆井質(zhì)量。在鉆井工序完成后，質(zhì)檢部門對(duì)鉆井成果進(jìn)行檢驗(yàn)，保證鉆井效果達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。若在現(xiàn)實(shí)施工期間發(fā)現(xiàn)未知地質(zhì)環(huán)境，則需實(shí)施加密鉆孔方案對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行勘探，并制定相關(guān)整改措施，保障開采施工的順利進(jìn)行。待物探和鉆探作業(yè)完成后必須對(duì)工作面的抗水能力進(jìn)行檢測(cè)。

3.4 回采工作面超前探測(cè)

在對(duì)巷道進(jìn)行施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)施工位置為回采工作面，則應(yīng)當(dāng)先采用無(wú)線電波隧道探測(cè)技術(shù)對(duì)特殊地質(zhì)區(qū)域范圍進(jìn)行確認(rèn)。后利用順便電磁法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，最后對(duì)特殊地質(zhì)位置實(shí)施鉆井作業(yè)，以此來(lái)判定此區(qū)域的具體情況。進(jìn)行鉆孔檢驗(yàn)過(guò)程中，每組鉆孔最少包含三個(gè)鉆眼，每組鉆孔之間需相隔十米左右。同時(shí)在距離特殊地質(zhì)區(qū)域五十米處設(shè)置礦井。采用雙車道鉆井措施進(jìn)行施工，以確保在同一平面上礦井之間相隔十米以內(nèi)。完成物探鉆探工序后同樣對(duì)鉆探效果進(jìn)行檢驗(yàn)并對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行總結(jié)。

3.5 實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意的問(wèn)題

煤礦開采業(yè)迅速發(fā)展，在進(jìn)行煤礦地質(zhì)勘探及開采施工期間高密度直流檢測(cè)技術(shù)使用平率逐漸降低，在應(yīng)用此技術(shù)與直流電場(chǎng)空間三超級(jí)技術(shù)結(jié)合時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果，無(wú)法準(zhǔn)確的檢測(cè)到水源分布、水體走向及巖層含水率，所以大多數(shù)情況下回采用瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)進(jìn)行施工作業(yè)，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行鉆井工序中zy-1250型鉆機(jī)體積相對(duì)較大，根據(jù)其自身體積狀況，在空間較小的施工區(qū)域使用相對(duì)困難。同時(shí)，體積較大的檢測(cè)設(shè)備運(yùn)輸也極為困難，所有，在采購(gòu)鉆機(jī)時(shí)，要選擇體積小便于運(yùn)輸，同時(shí)鉆進(jìn)力和轉(zhuǎn)進(jìn)扭矩能保障工程質(zhì)量需要。鑒于物探測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演解釋時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種結(jié)論，所以在進(jìn)行反演算過(guò)程中對(duì)場(chǎng)地的選擇和電導(dǎo)率等因素必須完全剖析。進(jìn)行鉆井工序期間，通過(guò)研究巖性等相關(guān)數(shù)據(jù)，制定合理的鉆井方法避免浮式鉆井現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為了確保煤礦巷道開挖的安全，有必要做好初步調(diào)查工作，科學(xué)利用地球物理勘查技術(shù)預(yù)測(cè)敏感和危險(xiǎn)地區(qū)，洪水和配合鉆探技術(shù)，以避免事故，以提高開挖施工的安全。