深部煤礦多層采空/積水區(qū)遠(yuǎn)距離探測技術(shù)及應(yīng)用

（供稿：晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（大同）技術(shù)中心 臧歡歡）

研發(fā)起止時(shí)間：2018.9～2020.12

完成單位：晉能控股集團(tuán)有限公司、太原理工大學(xué)、晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司、晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司

成果水平：國際先進(jìn)

1 項(xiàng)目背景

目前，大同礦區(qū)雙紀(jì)煤層多層采空/積水區(qū)探測存在的突出問題是雙紀(jì)煤層的層間距大，石炭-二疊紀(jì)煤層賦存較深，地面和井下的常規(guī)探測設(shè)備不能精準(zhǔn)探測到石炭-二疊紀(jì)煤層頂板上方的積水層位和積水范圍，無法實(shí)現(xiàn)深部煤礦多層采空/積水區(qū)的遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)探測。所以，有必要針對該問題進(jìn)行深入研究，探究預(yù)測與防治采空積水的新方法、新技術(shù)和新設(shè)備。

2 研究內(nèi)容

（1）雙紀(jì)煤層圍巖破裂連通特征及時(shí)空演化規(guī)律

采用實(shí)驗(yàn)室測試、理論研究、物理模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了侏羅紀(jì)大間距煤層群下行開采圍巖破壞與連通性特征，綜合分析了侏羅紀(jì)煤層底板采動(dòng)破壞深度與石炭-二疊紀(jì)煤層頂板裂隙擴(kuò)展高度，揭示了侏羅-石炭二疊雙紀(jì)煤層開采擾動(dòng)應(yīng)力場、巨厚層間裂隙區(qū)及滲流場演化特征規(guī)律。

（2）深部大間距煤層群采空/積水區(qū)精準(zhǔn)立體探測體系

針對礦井遠(yuǎn)距離多層采空積水區(qū)的探測問題，提出了地面探測與井下探測相結(jié)合、瞬變電磁法與直流電法相結(jié)合、物探解釋與采掘和抽放水資料相結(jié)合、多參數(shù)定性解釋與定量解釋相結(jié)合的綜合立體探測方法，構(gòu)建地面與井下、瞬變電磁與直流電法相結(jié)合的深部大間距煤層群采空/積水區(qū)精準(zhǔn)立體探測體系，如圖1所示。

圖1 井地聯(lián)合探測方法示意圖

（3）遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)探測儀器及裝置的研發(fā)

常規(guī)的井下瞬變電磁發(fā)射裝置由單人或雙人手持來控制發(fā)射線框的高度及發(fā)射方向，最大問題是發(fā)射方向或方向角偏差太大、接收數(shù)據(jù)中含有人體及其抖動(dòng)產(chǎn)生的電磁場干擾，對所采集數(shù)據(jù)的可靠性影響較大，甚至?xí)?dǎo)致處理解釋結(jié)果出現(xiàn)假異常。為了解決現(xiàn)有設(shè)備的弊端，設(shè)計(jì)了一種傾斜巷道礦井瞬變電磁無干擾發(fā)射裝置，發(fā)射裝置的主視圖如圖2 所示。這種發(fā)射裝置為木質(zhì)卯榫結(jié)構(gòu)，能精確控制發(fā)射方向、發(fā)射框邊長、發(fā)射高度，有效避免人體或發(fā)射架體的電磁感應(yīng)影響，架體穩(wěn)定，而且適應(yīng)傾斜巷道地形，發(fā)射裝置主視圖及實(shí)物圖如圖2、圖3所示。

圖2 發(fā)射裝置的主視圖

圖3 發(fā)射裝置實(shí)物圖

3 創(chuàng)新成果

（1）研究了侏羅紀(jì)大間距煤層群下行開采圍巖破壞與連通性特征，應(yīng)用彈塑性理論，綜合分析了侏羅紀(jì)煤層底板采動(dòng)破壞深度與石炭-二疊紀(jì)煤層頂板裂隙擴(kuò)展高度，揭示了侏羅-石炭二疊雙紀(jì)煤層開采擾動(dòng)應(yīng)力場、巨厚層間裂隙區(qū)及滲流場演化特征規(guī)律。

（2）提出了深部煤礦多層采空積水區(qū)井地聯(lián)合探測的方法，構(gòu)建了地面與井下、瞬變電磁與直流電法相結(jié)合的深部大間距煤層群采空/積水區(qū)精準(zhǔn)立體探測體系。

（3）研制了礦井巷道瞬變電磁無干擾發(fā)射裝置，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離全方位電磁信號(hào)的發(fā)射與接收，提高了采空/積水區(qū)探測精度。

4 應(yīng)用效益

研究成果在金莊煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，建立了一種深部煤礦多層采空/積水區(qū)井地聯(lián)合探測方法，實(shí)現(xiàn)了多層采空/積水區(qū)的精準(zhǔn)探測，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)，項(xiàng)目的開展為煤礦安全生產(chǎn)提供了可靠的保障措施。

本項(xiàng)目于2021年4月8日通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定，研究成果達(dá)到國際先進(jìn)水平。