煤礦井下掘進(jìn)工作面超前物探技術(shù)分析

段世雄

摘 要：隨著礦井挖掘的不斷深入，煤礦開采規(guī)模也在不斷擴展，井下地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，風(fēng)險隱患更為突出，急需加強對煤礦井下地質(zhì)情況的探測。基于此，本文將簡要概述井下超前物探技術(shù)，探究各類井下超前物探技術(shù)的基本原理，并分析煤礦井下掘進(jìn)工作面超前物探技術(shù)的實際應(yīng)用情況，以期為井下掘進(jìn)作業(yè)的安全提供一定保障。

關(guān)鍵詞：煤礦;掘進(jìn)工作面;超前物探技術(shù)

引言：煤礦企業(yè)在開采挖掘中深度越大越容易受到水害的影響，不僅無法正常開展采礦作業(yè)，也會嚴(yán)重影響到施工人員的生命安全。為了保證煤礦井下開采工作的順利進(jìn)行，需要利用物探技術(shù)監(jiān)測和分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)，保證煤礦井下安全。

1井下超前物探技術(shù)概述

井下物探技術(shù)的發(fā)展與煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形影不離，不斷趨于成熟。井下物探技術(shù)就是地面物探技術(shù)的升級版，其需要適應(yīng)煤礦地下工作環(huán)境，得到準(zhǔn)確有效的探測數(shù)據(jù)。煤礦井下超前物探技術(shù)可以在非常近的距離內(nèi)探測出煤礦井下的構(gòu)造情況，提供詳細(xì)的地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)，也能夠探測出掘進(jìn)工作面前方存在的水體或地質(zhì)體，以保證后續(xù)掘進(jìn)作業(yè)的有效性。煤礦井下超前物探技術(shù)的探測范圍正在不斷擴展，對煤層厚度、構(gòu)造、穩(wěn)定性都能夠探測清楚，并且探測精度較高，探測誤差不高于5%，探測時間和投入資金較少，在掘進(jìn)工作中無需直接接觸工作面就可進(jìn)行探測工作。并且當(dāng)前物探技術(shù)有多種方式，在實際情況中科學(xué)合理地選擇物探技術(shù)并將多種方法組合起來，能夠得到更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。

2井下超前物探技術(shù)的基本原理

2.1瞬變電磁探測技術(shù)

瞬變電磁法是利用不接地下線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，并在脈沖磁場間歇期間利用接地電極觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場，從而探測介質(zhì)電阻率的一種方法。在煤礦井下探測便是利用巖石電導(dǎo)率的差異來掌握各類介質(zhì)的變化情況。其原理是在電流斷開前，之前的電流會在周圍空間形成磁場，當(dāng)電流斷開后，電流磁場便會立即消失，磁場的劇烈變化就會引發(fā)二次磁場的產(chǎn)生，相關(guān)設(shè)備便可以利用二次場的衰減規(guī)律分析出地質(zhì)體的導(dǎo)電性，以此確定地質(zhì)體的實際情況。瞬變電磁探測技術(shù)的本質(zhì)是利用二次場的衰減規(guī)律來確定地質(zhì)區(qū)域的異常。

2.2直流電法探測技術(shù)

直流電法探測技術(shù)包含電阻率剖面法、電阻率測探法、充電法等是電法勘探的一大類。其工作原理是在全空間電場的理論和科學(xué)支持下，探測各類巖石不同導(dǎo)電性的方法，利用科學(xué)的電場理論解決和處理關(guān)于煤礦井下的一些地質(zhì)問題。直流電法探測技術(shù)大多可以探索工作面前方100m范圍內(nèi)的斷層、水體或是導(dǎo)水裂隙帶，可以確保探測區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件的準(zhǔn)確性，而且低阻率下的響應(yīng)非常迅速，能夠反映細(xì)微的低阻異常。超前探測時需使用兩個發(fā)射電極和兩個測量電極，其中一個發(fā)射電極可不斷向探測工作面延伸，通常與另一個電極距離在400m范圍內(nèi)，在掘進(jìn)過程中測量電極不斷探測，當(dāng)檢測地質(zhì)異常情況時兩個測量電極就會出現(xiàn)電位差變化，再根據(jù)交匯原理，便能夠得到具體的位置[1]。

2.3激發(fā)極化探測技術(shù)

激發(fā)極化效應(yīng)的原理是當(dāng)穩(wěn)定電流加載到地層當(dāng)中，在電化學(xué)的作用下形成附加電場，而瞬時電位在測量電極中不會出現(xiàn)飽和，而是跟隨時間推移增加的，直至達(dá)到飽和并穩(wěn)定。這時切斷加載電流，瞬時點位差也會隨著時間衰減，直到為零。激發(fā)極化法與直流電法類似，都是以巖石介質(zhì)作為對象，不過激發(fā)極化效應(yīng)是以鉆孔中激電效應(yīng)為研究對象。激發(fā)極化法的應(yīng)用范圍越來越廣泛，當(dāng)前主要采用的是頻率激發(fā)極化法，其優(yōu)點輸出功率更低，頻率域激發(fā)極化法表征為組合多種超低頻電流波形，電極排列方式類似與直流電法，根據(jù)充電時間的長短來分析介質(zhì)產(chǎn)生的激發(fā)極化現(xiàn)象。

3煤礦井下掘進(jìn)工作面超前物探技術(shù)應(yīng)用

3.1超前物探方案

根據(jù)煤礦井下實際情況，明確主要的應(yīng)用需求和需要解決的問題，做好井下工程勘察工作，獲取切實有效的數(shù)據(jù)信息，再通過分析數(shù)據(jù)對比不同的物探技術(shù)，集合礦井實際情況，總結(jié)出適宜煤礦井下掘進(jìn)工作面的超前物探技術(shù)。

在前期鉆孔施工中，煤礦鉆機之間的間距不應(yīng)超過200m，還需避免傾斜角度過大，以此來保證施工的穩(wěn)定性，也能夠為后續(xù)探測提供便利。超前鉆探施工時，鉆探作業(yè)采取扇形分布方式，兩個鉆孔間距應(yīng)小于3m。并且在對煤礦地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測時，需多次進(jìn)行物探，降低物探技術(shù)可能存在的偏差或錯誤。超前物探方案可以選擇多種探測技術(shù)相互結(jié)合，在前期先使用瞬變電磁法進(jìn)行煤礦井下的施工作業(yè)，以此保證對地質(zhì)構(gòu)造體的準(zhǔn)確分析，之后在掘進(jìn)前利用頻率域激發(fā)極化法探測工作面情況確保地質(zhì)條件情況，避免存在裂隙、水體等問題。最后在掘進(jìn)施工過程中運用直流電法進(jìn)行實時監(jiān)測，及時分析掘進(jìn)過程中地質(zhì)巖層的電導(dǎo)率等相關(guān)因素，確保掘進(jìn)作業(yè)的安全穩(wěn)定[2]。

3.2掘進(jìn)工作面超前物探

為了防止探測出現(xiàn)浮式鉆進(jìn)現(xiàn)象，需將鉆孔長度控制在120m之內(nèi)，可以保證鉆井的質(zhì)量。在完成鉆井施工后，管理人員或有關(guān)部門要對鉆井情況進(jìn)行檢驗，確保鉆井結(jié)果符合施工要求。若在掘進(jìn)工作面施工過程中遇到一些較為復(fù)雜或特殊的地質(zhì)情況時，需對鉆探勘測技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，制定科學(xué)合理的解決方案。在過往一些掘進(jìn)工作超前物探技術(shù)應(yīng)用中一直存有部分問題，除了超前物探技術(shù)本身的局限性之外，例如地震波法對大范圍地質(zhì)構(gòu)造體的彈性波法反映良好，但是小范圍的波源反映薄弱，難以詳細(xì)區(qū)分。還有一些施工作業(yè)中存在的遺留問題，比如在礦井預(yù)警預(yù)測工作中應(yīng)當(dāng)遵循“有掘必探、先探后掘”的探測原則，但在實際工作中為了省時省力，掘進(jìn)的要比探測的多，正確率在整個探測中權(quán)重較低，探測效率較差。運用科學(xué)合理的超前物探技術(shù)避免了過往直接鉆探法消耗的大量時間和費用，也提高了物探的準(zhǔn)確性和可操作性，有效保證了煤礦的安全生產(chǎn)，降低煤礦的運行成本。

3.3工作面超前物探實際應(yīng)用

在完成初期勘測后可以大致確定井下工作面100m范圍內(nèi)可能存在的積水、含水或者特殊構(gòu)造體等地質(zhì)情況，其中這100m范圍包括掘進(jìn)頭頂、底板以及掘進(jìn)前方，并非單獨指掘進(jìn)位置區(qū)域。在物探前應(yīng)當(dāng)對礦井內(nèi)部情況予以勘探，包括過往的老窖或采空區(qū)，將水文地質(zhì)情況和位置信息記錄在地質(zhì)圖紙上。然后便可利用適宜的超前物探技術(shù)對掘進(jìn)工作面進(jìn)行探測，確定鉆孔孔深、傾斜角度，之后測量出電導(dǎo)率或極化率的整體走勢，若走勢較為平穩(wěn)，沒有較大變化則表現(xiàn)在鉆孔孔深至掘進(jìn)工作面區(qū)段沒有異常地質(zhì)隱患。如果電導(dǎo)率或極化率出現(xiàn)變化則說明存在異常構(gòu)造體，其中電導(dǎo)率增幅較小時，可以推測存在裂隙。通常情況下第一次鉆孔孔深約為50m左右，之后每次增加10～20m左右，連續(xù)探測4至5次。在超前物探工作完成后，需將探測出的數(shù)據(jù)信息結(jié)合礦山地質(zhì)資料，推測出井下掘進(jìn)工作面的異常體可能，并以此為根據(jù)采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理[3]。

結(jié)論：通過對煤礦井下掘進(jìn)工作面超前物探技術(shù)的分析，詳細(xì)探究了瞬變電磁法、直流電法和激發(fā)極化法在井下掘進(jìn)工作面的應(yīng)用效果，結(jié)合實際煤礦情況，選擇科學(xué)合理的方法，探查井下掘進(jìn)工作面的異常構(gòu)造體，為煤礦井下安全施工提供良好支撐，提高了開挖施工的穩(wěn)定性和安全性，促進(jìn)了煤礦企業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉務(wù)全.瞬變電磁和直流電法超前物探的對比研究[J].山西冶金，2020，43（05）：44-46.

[2]吳超凡，邱占林，路拓，梁文全.綜合物探技術(shù)在大彎煤礦巷道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2020，52（04）：43-47.

[3]帥美榮.多種物探技術(shù)在礦井導(dǎo)水構(gòu)造超前探測中的實際應(yīng)用簡析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（12）：77.