高突綜采工作面地質(zhì)災(zāi)害超前綜合探測技術(shù)

謝 亮

（湖南省地質(zhì)建設(shè)工程集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力等行業(yè)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(jī)械化。高突綜采工作面指的是煤礦井下機(jī)械化設(shè)備發(fā)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(fēng)排或是抽采技術(shù)[6-7]已不能滿足礦井需求，必須利用綜合技術(shù)解決瓦斯問題。高突綜采工作面導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害包含煤礦塌方以及突水等，一旦發(fā)生事故會直接造成人員傷亡，為了保證人員安全，必須在發(fā)生事故前對其進(jìn)行綜合探測。礦山地質(zhì)災(zāi)害類型較多[8]，可根據(jù)災(zāi)害與形成時間進(jìn)行分類，也可以根據(jù)災(zāi)害空間以及成型原因進(jìn)行分類。通過詳細(xì)分析地質(zhì)災(zāi)害類型得出每種災(zāi)害的最優(yōu)探測方案，將所有方案綜合得出可操作性最強(qiáng)、執(zhí)行范圍最廣的探測技術(shù)，以此保證礦山工作質(zhì)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(qū)勘察，根據(jù)低阻異常波動數(shù)據(jù)，推斷地質(zhì)災(zāi)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(jìn)行電阻率斷面等值線圖異常形態(tài)分析有效判定巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)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(shù)完成地質(zhì)構(gòu)造超前探測，可以有效分析地質(zhì)斷層、煤層厚度、高瓦斯帶等數(shù)據(jù)，為開采煤礦作充分準(zhǔn)備。

高突綜采工作面地質(zhì)災(zāi)害主要有礦體塌方、突水、瓦斯爆炸及軟巖支撐破裂等，發(fā)生這些災(zāi)害最主要的緣由是構(gòu)造破碎帶等地質(zhì)內(nèi)部原因。礦山作業(yè)實質(zhì)上是災(zāi)害的誘發(fā)因素，災(zāi)害發(fā)生的必然條件就是礦山的地質(zhì)條件，提前明確礦山作業(yè)的地質(zhì)條件有助于提高超前探測的精度，提前對可能發(fā)生災(zāi)害的地區(qū)進(jìn)行處理，最大限度地避免災(zāi)害發(fā)生。

1 高突綜采工作面地質(zhì)災(zāi)害劃分

1.1 煤礦礦體變形災(zāi)害

煤礦礦體變形災(zāi)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(nèi)巖爆[15]、礦山地震等。面對礦體埋藏較深的位置進(jìn)行礦山作業(yè)時，必須及時對其進(jìn)行回填工作，防止采空區(qū)出現(xiàn)大面積坍塌。另外，在礦山巖溶洞部位，礦體的排水等作業(yè)也會造成溶洞上方出現(xiàn)坍塌，逐漸破壞耕地資源以及部分建筑物，嚴(yán)重時會出現(xiàn)淹井事故，這種事故危害極大，嚴(yán)重危害工人的人身安全。由于礦山作業(yè)幅度較大，容易誘發(fā)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(yán)重危害周圍地區(qū)。

1.2 地下水導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害

礦坑突發(fā)涌水[16]災(zāi)害產(chǎn)生的主要原因是對地下水的預(yù)測錯誤導(dǎo)致的，一旦出現(xiàn)該錯誤極可能穿透水?dāng)鄬樱蛲ò岛?，礦坑瞬間涌入大量河水，造成人員的傷亡，尤其當(dāng)開采技術(shù)低下的施工隊極易發(fā)生這種事故。礦坑突水相伴而生的災(zāi)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(huán)境污染也是地質(zhì)災(zāi)害的主要表現(xiàn)形式，礦山施工過程中會產(chǎn)生大量廢棄物質(zhì)，當(dāng)這些物質(zhì)未經(jīng)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(nèi)災(zāi)害

礦體內(nèi)災(zāi)害主要指的是瓦斯爆炸和火災(zāi)，因礦坑內(nèi)不易通風(fēng)的缺點(diǎn)，坑內(nèi)瓦斯聚集到一定濃度會發(fā)生爆炸，對工作人員來說是毀滅性的災(zāi)害，也會直接毀壞礦山。礦山內(nèi)發(fā)生火災(zāi)[18-19]最常見的就是煤礦以及含有硫磺的部分礦山，礦山發(fā)生火災(zāi)產(chǎn)生的不良后果極大，發(fā)生火災(zāi)的同時還會損耗礦山資源，礦山發(fā)生火災(zāi)后持續(xù)的時間過長，進(jìn)而改變當(dāng)?shù)貧夂?，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(zhì)災(zāi)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(shè)置陣列形式的高密度探測點(diǎn)，根據(jù)電流表的變化程度，獲取高突綜采工作面不同探測點(diǎn)的電阻率。以異常波動數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得出高突綜采工作斷面的地質(zhì)災(zāi)害情況，從而提高工作效率。具體技術(shù)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(jù)礦山地質(zhì)導(dǎo)電性差異進(jìn)行探測的方法，這種方法可輕易采集相關(guān)數(shù)據(jù)，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(guān)參數(shù)可推斷出災(zāi)害的埋深和范圍等情況，對不易探測的地下水以及采空區(qū)的探測十分有效。

2.2 瞬變電磁法

在煤礦地面設(shè)定具有波形電流的發(fā)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(zhì)引起的感應(yīng)渦流場數(shù)據(jù)。根據(jù)周圍空間產(chǎn)生的電磁場數(shù)據(jù)，完成高突綜采工作面地質(zhì)災(zāi)害探測。具體技術(shù)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(zhì)勘探技術(shù)主要影響因素是振動，在礦山作業(yè)過程中利用該方法，可以有效獲取探測目標(biāo)地質(zhì)規(guī)律，迅速采集相關(guān)數(shù)據(jù)，直接指出礦山內(nèi)異常區(qū)域位置，降低礦山內(nèi)部分金屬物質(zhì)的影響。以此得出定性判斷，完成礦體不同性質(zhì)的作業(yè)選擇。

2.3 槽波地震探測技術(shù)

煤礦中激發(fā)的波形被稱之為槽波[21-22]，利用煤層進(jìn)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(fā)的彈性波能量基本在煤層內(nèi)傳播，因此槽波可探測煤礦中不具有連續(xù)性的煤層，為綜合探測技術(shù)提供地質(zhì)保證。槽波地震依據(jù)礦山震源及波段接收點(diǎn)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(diǎn)放置在同一側(cè)時進(jìn)行的災(zāi)害探測，反射法是在災(zāi)害探測過程中將震源以及接收點(diǎn)設(shè)置在不同方向。2種方法的選擇是根據(jù)煤層的構(gòu)造，其構(gòu)造較為復(fù)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(shù)原理如圖3所示。

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

3 超前綜合探測技術(shù)具體應(yīng)用

將高密度電阻法、瞬變電磁法、槽波探測技術(shù)進(jìn)行綜合，形成超前綜合探測技術(shù)，以此加強(qiáng)高突綜采工作面地質(zhì)災(zāi)害探測精度和效率。為了驗證高突綜采工作面地質(zhì)災(zāi)害超前綜合探測技術(shù)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(jìn)行仿真試驗。

3.1 試驗環(huán)境

私人礦場地質(zhì)構(gòu)造特征為沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖發(fā)育，晚元古代以后的地層出露齊全，含煤地層為石炭系下統(tǒng)測水組及二疊系龍?zhí)督M和二疊系上統(tǒng)大隆組，這種地質(zhì)體可以較好地對應(yīng)地下采空區(qū)的工作面采煤、采礦或隧道作業(yè)。該礦場存在地面塌陷、地裂縫、崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害類型，且呈線形分布在采空區(qū)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(qū)完成探測試驗。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害探測試驗結(jié)果

地質(zhì)災(zāi)害探測高程范圍是探測的重點(diǎn)，可以有效遏制災(zāi)害發(fā)生。在工作面高程+200～+400 m內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害探測試驗，判斷綜合探測技術(shù)性能優(yōu)劣，試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

采用α排列采集礦場采空區(qū)電阻率數(shù)據(jù)，根據(jù)圖4可知，礦場在高程范圍+260～+300 m內(nèi)存在局部較強(qiáng)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(nèi)存在較高的電阻率，2號和4號測點(diǎn)電性特征明顯。

高密度電阻法、瞬變電磁法、槽波探測技術(shù)耦合形成的高探測精度地質(zhì)災(zāi)害探測方法可以有效探測礦場高突綜采工作面地質(zhì)災(zāi)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(zāi)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(zāi)害，同時也有效測得+340～+360 m處存在崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害。針對地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域會產(chǎn)生較高的電阻率，可以清楚明了地呈現(xiàn)可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置，相關(guān)工作人員依據(jù)探測情況及時調(diào)整工作內(nèi)容和進(jìn)程，從根本上遏制災(zāi)害的發(fā)生。綜上所述，綜合探測技術(shù)可以有效獲取地質(zhì)災(zāi)害信息。

圖4 高密度電阻法地質(zhì)災(zāi)害深度探測結(jié)果Fig.4 Depth detection results of geological hazards by high density resistance method

圖5 瞬變電磁法地質(zhì)災(zāi)害深度探測結(jié)果Fig.5 Depth detection results of geological hazards by transient electromagnetic method

4 結(jié)論

本文從地質(zhì)災(zāi)害超前綜合探測技術(shù)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(shù)進(jìn)行耦合的高探測精度地質(zhì)災(zāi)害探測方法，以此達(dá)到地質(zhì)構(gòu)造超前探測的目的。

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

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

（3）高突綜采工作面地質(zhì)災(zāi)害超前綜合探測技術(shù)方法，可基于礦山的地質(zhì)條件進(jìn)行有效探測，能夠加強(qiáng)探測精度，獲取準(zhǔn)確的探測結(jié)果，提高礦山工作安全性。