煤矿巷道超前综合物探方法在平朔矿区的应用

迟占国，郭森林

(中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036000)

在煤矿老空区勘探方法中，钻探是一种常规作业手段，但由于钻探为单轴状地层揭露，而老窑采空区一般为小规模开采，采空区往往分散独立，未能形成大面积或大容腔分布的采空区，因此，钻孔勘探资料需其与地质、物探资料配合解释，才能提高隐患探测成果的可靠性。

通过综合物探精细了解和掌握老窑采空区的分布状况意义重大，但目前有效探测的高精度物探方法尚未形成。本文拟通过综合方法试验尝试，提出一套适合平朔煤矿巷道物探的技术方法。

1 试验的地质及地球物理条件

拟开采平朔矿区井工一矿4109采掘面位于井工一矿4#煤层，煤层厚度在6～10 m，煤层中有夹矸分布。主、辅巷道已掘进至设计停头位置，为掌握停头位置前方以及4#煤层下方9#煤层中是否存在老窑采空区，在停头位置向4#煤层左右和前方、9#煤层布设了多个勘探钻孔，钻孔都没有揭示到老窑采空区的存在。

4109巷位于4#煤层，巷道呈矩形，上部两肩略拱;平均高度约4 m，宽度6～7 m;底板直接位于4#煤层底部岩石面。巷道内开挖煤壁基本平整，很多地段都有夹矸存在，部分地段煤体松落，侧面和顶部有锚杆、锚索和挂网支护。

在物性参数上，采空区弹性波波速较低，尤其是横波波速呈现急剧变化，由于采空区赋存水体的存在，在电性参数上体现为低阻高极化特征。弹性波在传播过程中遇到波阻抗界面出现反射、散射，极化体激发极化异常的幅度受异常体积影响较大，因此，各种物探方法的探测能力和分辨精度受异常体积和规模的影响较大。巷道物探的一个有利条件是接近隐患目标，因此，一般情况下，其探测能力和分辨能力与地面物探相比有较大优势［1－4］。

2 巷道超前综合物探方法试验

本次试验工作在平朔矿区井工一矿4109采掘面巷道停头附近展开。试验包括3种方法:基于弹性波反射方法的地震映像探测法、基于TSP超前预报系统的停头前方隐患探测法、基于大定源建场测量的双频激电超前预报法。

本次测量试验工作累计测试完成工作量见表1。

3 试验过程

按照实际工作的顺序，现场试验过程描述如下:

3.1 基于弹性波反射方法的地震高密度探测

在4109辅巷面向4108主巷一侧的煤层中布设噪声调查剖面，以了解煤层中弹性波参数和波列的分布规律，为弹性波剖面勘探提供物性参数支撑。实际噪声剖面调查长度45 m，实测记录见图1。

表1 巷道物探综合试验完成工作量一览表

图1 4109辅巷煤层弹性波噪声调查剖面图

在4109辅巷底板上布设噪声调查剖面，以了解底板岩层中弹性波参数和波列的分布规律，为弹性波剖面勘探提供物性参数支撑。实际噪声剖面调查长度50 m，实测记录见图2。

图2 4109辅巷底板弹性波噪声调查剖面图

以噪声调查剖面为参考，选择相应传感器和作业参数进行剖面勘探。分别在4109辅巷中完成两侧壁和底板3条剖面、4109主巷中完成侧壁和底板2条剖面勘探。剖面勘探资料见图3～7。

图3 4109辅运巷侧壁面向4108主巷波形剖面图

3.2 基于TSP超前预报系统的停头前方隐患探测

TSP超前预报分别在4109主、辅巷停头附近展开，根据设计方案使用24个炮源和2组三分量检波器进行数据采集。共完成2个停头的超前预报。

图4 4109主运巷底板弹性波探测波剖面图

图5 4109辅运巷底板弹性波探测波剖面图

图6 4109辅运巷面向4109主巷侧壁波形剖面图

图7 4109主运巷面向4109辅运巷侧壁波形剖面图

4109主、辅运巷原始波形记录见图8，9。

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3.3 基于大定源建场测量的双频激电超前预报

大定源建场测量工作模式是为了适应煤矿井巷物探工作需要而设计的一种新技术，采用双频激电原理，在地面供电建立覆盖拟探测井巷区间的电场，在巷道内进行观测和实时预警预报。根据电场异常和激发极化异常(幅频率)特征预测巷道停头前方一定区域内的储水构造。储水构造的尺度越大，可预测预报的距离也越大。

图8 4109辅运巷TSP实测记录示意图(x分量)

图9 4109主运巷TSP实测记录示意图(z分量)

基于4109主辅巷的测试试验分别建立了两个地面场源。在主运巷测量中，供电电极AB平行于巷道轴向，AB=693.3 m，地面水平偏移巷道距离为50 m，覆盖测量区间以巷道停头为起点(0 m)回退200 m，测量区间正好在AB投影中间段;在辅运巷测量中，供电电极AB正好位于辅运巷之投影上，AB=686.0 m，拟测区间位于AB覆盖范围中段。

测试之前，AB供电(供电电流1.5 A)，对MN极距对观测数据的影响进行了测试，见表2。

表2 MN极距对观测数据影响试验记录表

由表2表明，地面供电电路1.5 A时，深度大于200 m的井巷内能够观测到有效的电位差记录，数据稳定可靠。

基于60 m的MN极距，对4109主、辅运巷开展了双频激电测试工作，形成了测试数据。

4 测试数据分析与解释

4.1 弹性波连续剖面测量

4109主运巷底板以巷道停头为参照，倒退61 m处，底板可能存在小断层或底板脱空，深度小于10 m，影响范围在10 m左右。

4.2 TSP 超前预报

4109控制采掘面(4#煤层)在主、辅运巷一侧50 m深度范围内无大规模构造或采空区存在。

4.3 大定源建场双频激电测量

主运巷开挖巷道附近的4#煤层没有发现明显异常，存在储水采空区的可能性小。

辅运巷停头前方可能存在一定规模储水构造，若向前方掘进应注意。

5 结论及建议

主运巷底板以巷道停头为参照，倒退61 m处，底板可能存在小断层、薄底板或底板脱空，深度范围10～20 m，影响范围在10 m左右。建议钻孔或钻探揭示，施工过程中采取一定防范措施，以精确了解地质状况，为后续物探方法改进提供参照依据。

4109主、辅两掘进巷道前方100 m范围内，在4#煤层中均没有大规模构造或采空区存在。

4109采掘面(4#煤层)在主、辅运巷一侧50 m深度范围内无大规模构造或采空区存在。

4109辅运巷裂隙或小断层发育情况要较主运巷复杂，主要存在位置在停头前方70～100 m处。

4109辅运巷停头前方可能存在一定规模储水构造，若向前方掘进应予注意。

［1］段天柱，赵洪月，胡运兵，等.煤矿掘进巷道地震反射波超前探测技术及应用［J］.矿业安全与环保，2013(12):85－87.

［2］李维宏.TSP超前预报在新万山寺隧道涌水灾害防治中的应用［J］.铁道建筑，2010(02):27－28.

［3］董海杰，李 飞，谢 俊，等.巷道掘进中地震超前探测波场特征研究［J］.煤矿安全，2013(01):31－33.

［4］徐冰寒.综合物探技术超前探测迎头前方老空巷道［J］.煤矿安全，2013(10):20－21.