矿井综合物探技术在采煤工作面的研究与应用

陈晋强

（晋城煤业集团成庄矿地测科，山西 晋城 048021）

采用井上电法，井下瞬变电磁法、无线电波透视法、槽波地震勘探和钻孔窥视法等多种物探手段，进行了采面的井上下联合精细化探测，圈定了富水异常区和地质构造，分析出了区域井上电法的最佳试验参数，摸索出了井下电法和震法对积水异常区和地质构造区的视电阻率特征及地震波场特性，并最终实现采面井上下物探的“闭合性”，形成了一套保证安全回采的工作面物探方法和措施。

1 矿井概况

本次研究主要依托晋煤集团成庄矿153305工作面，该采面主采15#煤，煤厚平均1.8m，走向长度约700m，倾斜长度180m，另外，采面上覆煤层已部分开采，且存在小煤窑乱采乱挖现象，积水区域不明，另外，受白马寺大断层影响，构造条件复杂，一条顺槽已掘完，靠近断层的另一条顺槽由于生产衔接调整和掘进安全问题，掘进到设计长度的1/3后密闭，剩余部分待布置，回采时危险因素众多。

图1 153305工作面采掘工程平面图

2 主要物探手段及技术路线

回采工作面井上下联合精细化物探，首先需在探测前期对153305工作面的相关地质资料及水文地质资料进行详细分析，有针对性地选择相关物探手段，如在地面利用瞬变电磁法进行半空间的区域富水性探测，在井下利用瞬变电磁法进行全空间的采面富水性探测，综合判定富水异常；再结合井下无线电波透视进行构造区域的电法探测和井下槽波地震勘探进行构造区域的震法探测，综合判定构造异常；然后针对富水异常和构造异常进行直观的钻孔窥视法验证；最终，根据异常区域指导矿方进行工作面布置，并制定相关的防治措施，保证工作面的安全高产、高效回采。

图2 主要物探手段及技术路线图

3 精细化勘探成果

3.1 富水异常区圈定

井上应用PROTEM 47瞬变电磁仪进行探测，试验得出了最佳的发射线框边距、发射电流、频率、增益大小、积分时间等参数，分别为120m×120m、20A、25Hz、1和15s，并利用以上参数，准确圈定出了3#、9#和15#煤不同层位的积水异常区范围，完成了富水异常区的半空间探测。

图3 井上下瞬变电磁法探测结果

井下应用YCS111瞬变电磁仪进行探测，受限于巷道的掘进长度，仅在双侧均已成形的1/3顺槽施工，通过与井上瞬变电磁法探测成果的对比与分析，确定出了回采工作面内部及顶部采空积水区和基岩富水区的范围，并研究得到该区域视电阻率小于15Ω时普遍富水。

最终，圈定工作面内部区域对应的3#煤和9#煤的富水异常区范围分别为32600m2和71840m2，采面同层富水性较弱。

3.2 构造异常区圈定

井下采用Summit Ⅱ Ex槽波地震仪进行反射法勘探，采用检波器间距20m，炮点间距20m，炮检距为10m的观测系统布置，共探测出三个异常带：第一个异常带：水平方向距离切眼550～675m，垂直方向距离1533052巷10～30m，分析为空巷影响；第二个异常带：水平方向距离切眼250～500m，垂直方向距离1533052巷70～115m，分析为破碎带或断层构造；第三个异常带：水平方向距离切眼10～140m，垂直方向距离1533052巷70～115m，分析为断层构造。

另外，采用YDT88无线电波透视仪对双侧均已成形的1/3顺槽进行探测，共探测出四处异常：YC1推断为空巷影响；YC2、YC3、YC4推断为褶曲轴部及周边煤岩破碎带影响所致。

图4 无线电波透视探测成果图

综合无线电波透视与槽波地震勘探成果，认为，槽波探测可以从横向和纵向上进行综合分析，探测出异常的大概位置，但空巷对槽波的发育和传播较为不利，如其背后有隐伏构造，则无法探明，而无线电波透视虽然横向分辨率准确，可纵向分辨率较差，对断层构造也无法进行准确判断，因此，两种方法的有效结合可以更好地提高构造探测的准确性。

3.3 钻孔窥视法验证

综合富水异常和构造异常的圈定结果，利用YCJ90/360钻孔测井仪的窥视分析进行直观验证，并制定相关防治措施，实现井上下联合精细化物探的“闭合性”。由图5可以看出，钻孔窥视成像清晰，可以清楚地看到采空积水区、裂隙出水、岩体破碎等现象。

图5 钻孔窥视成像

3.4 矿井应用成效

通过回采工作面井上下联合精细化物探手段，圈定了采面的富水异常区和构造异常区，矿方针对富水区域布置了多个钻孔，成功进行了采空区积水的预疏放，总放水量达130000m3，并于切眼段实际揭露槽波探测第三个异常带，通过采取缩短切眼长度，布置顺槽反掘等措施，将断层分隔于工作面之外，另外，煤岩体破碎带也得到了窥视验证，通过采取煤体注浆加固技术，保证了工作面的安全回采，大大降低了无计划揭露构造和突水带来的财产损失和人员伤亡，本次研究应用效果良好。

4 主要结论

（1）井上下电法的富水区域探测，从半空间到全空间进行了精细化的解释，提高了探测的准确性。

（2）井下电法与震法的构造区域探测，确保了探测横、纵向分辨率的准确性，从不同原理提高了探测结果的准确性。

（3）通过本次研究，分析了多种物探方法的使用范围，从理论到实践，形成了一套保证工作面安全回采的物探体系：地面物探以瞬变电磁法为主，从整体上控制区域不同煤层的小煤窑开采积水区和富水区域；井下采煤工作面采用瞬变电磁法、槽波探测法、无线电波透视法等，探明富水异常区和地质构造区；为检测地面和井下物探效果，采用钻孔窥视进行验证。最终，对工作面形成了“闭合式”精细化物探，保证工作面的安全回采。