煤矿井下综合物探超前探测技术及其应用

范 晓 飞

(山西省煤炭地质144勘查院物探公司，山西 临汾 041600)

矿井开采通常都是地下作业，很多煤矿事故之所以发生，还是因为开采人员对于矿井地质条件不清和处理不当而引发水害或者是瓦斯爆炸等问题[1]。煤矿井下综合物探超前探测技术则可通过井巷以及钻孔来具体探测井下地质条件，综合钻探、巷探以及矿井地质资料展开分析来预测开采地的具体地质情况。煤矿井下综合物探超前探测技术不但可以有效的缩减开采成本，而且安全性和工作效率都很高。此外，它还具有简化施工操作的功效，对于一些比较狭窄的小巷道的迎头检测更具优势[2]。

1 当前煤矿井下综合物探超前探测技术运用方面的问题

虽然煤矿井下综合物探超前探测技术有很多优势但是在具体运用中依然存在一定的问题。

1.1 技术人才缺乏

煤矿井下综合物探超前探测技术要求技术人员必须要有极高的专业水准。他们必须要有足够的知识储备以及专业积累。同时他们还必须对探测设备有足够的了解。换言之，要能让这些探测设备真正物尽其用，技术人员必须要具备超强的数据分析能力以及决策能力。但是，就目前而言，这样的人才属于稀缺资源，很多的企业买进设备却没有技术人才。此外，企业对于资本的追求也让他们对人才的培养缺乏足够的重视，这也是超前探测技术的推广难的一大原因。笔者认为，要解决当前困境，必须要想办法提升员工的专业水准。积极培养专业型人才，这也是煤炭行业的发展所需。

1.2 资金不足

大规模的超前探测技术的实施必须要有雄厚的资金作为支撑。近些年，煤矿需求量一直居高不下。为此，很多的煤矿企业被迫进行深度开挖，这在一定程度上增加了企业的生产成本。特别是一些规模比较小企业，仅仅是买进探测设备就是足以耗光他们的储备资金，很多企业因为无法承担这样的开支而被迫关闭。而且，我国现在很大一部分的政府资金从原先的煤炭企业转向了新能源的开发中，中小煤矿企业的政府支持也进一步缩减。这也是目前煤炭企业资金匮乏的原因之一。笔者以为，超前探测技术的推广必须要得到政府的资金支持。

2 煤矿井下综合物探超前探测技术分析

以下主要对井下电磁法探测技术、瑞利波超前探测技术、直流电法超前探测技术等三项进行分析，具体如下。

2.1 井下电磁法探测技术

井下电磁法探测技术主要包括音频电穿透、地质雷达、直流电法、瞬变电磁探测技术等。以井下地质的化学电极性差异为探测指标，多用在井下含水异常状况的探测方面。井下煤岩层雷达在高电阻率均匀地质中探测前方异常含水体和煤岩层上取得一定成效，但井下煤岩层多为低电阻率地质且地质层多，导致高频电磁波快速衰减，井下探测距离具有一定局限性。

探测器根据井下探测作业区域120 m范围内的地质层电极相对差异，不但能信号反馈探测作业前方的空洞带、煤岩导含水断层、下陷柱等，同时也能对矿道顶隔水板厚度、矿道注浆质量等进行探测。

电穿透声波探测技术通过低频电磁场穿透回采作业区域电极相对差异，能够检测作业矿道顶隔水板的导含水指标，能探测定位作业范围内的潜在含水体方位和深度，提供科学探测数据给作业区域水文地质预报人员，另外探测井下煤岩层作业范围内的较弱地质隔水层完整度与厚度，有助于对放水钻孔设置和注浆堵水效果等的引导探测。

利用直流电法对煤矿井下进行矿道底板深度探测，同时使用音频电穿透法检测数据绘制回采作业区域底板不同地质厚度的电阻率等值线图，有效获取井下作业开采下方含水异常区域的地质水文状况信息，可进一步对作业面做三维立体探测。

井下瞬变电磁法主要探测的是纯异常场，对于低阻体较为敏感，多应用于煤矿井下探测积水老窑、地质水文、奥灰水、空洞带等方面，为井下采矿区深处煤岩含水层和含水断层、下陷柱的纵向连通关系提供检测信息。

2.2 瑞利波超前探测技术

来自于日本的瑞利波探测技术是从道路工程勘探应用中逐渐发展起来。20世纪80年代末引入我国，通过改良相关设备和探测技术，结合矿井作业特点转变稳态探测作业模式为瞬态探测作业模式，并于20世纪90年代初成功运用到煤炭开采项目。现阶段瑞利波超前探测技术在井下煤炭开采中主要应用在对石门厚度的超前测量，同时可有效全面探测矿井下方范围，不仅能够探测掘进头前方区域，同时还能够对井下矿道顶、井下煤矿道侧邦、矿道底板进行探测，可实现井下超前80 m探测。瑞利波探测技术属于弹性波类探测方法的一种，瑞利波是沿传播介质表面形成逆时针椭圆形运动传播。由于瑞利波传播速度与传播地质的物理结构息息相关，于不均质表面传播时瑞利波传播速度受地质影响随之发生变化从而出现频散现象。根据瑞利波的散频和椭圆极化特征，设计两组接收探测器同时采集宽频带地震波脉冲波信号，运用弹性波频谱技术分离出不同频率的瑞利波，并根据不同传播频率下的两组信号相位差计算出相应的电磁波相位传播速度，进一步绘制出该震源的频散曲线，分析频散效应特征，完成对煤矿井深度与厚度、巷道顶隔水板厚度、井下掘进前方地质水文、石门揭煤安全厚度等的探测。

2.3 直流电法超前探测技术

矿井直流电法超前探测技术是一种矿井下全空间电法勘探技术。对矿井进行全方位建场，结合井下地质层的物理学特征，根据全空间电场理论对煤矿井下地质水文特性进行科学地超前探测。该技术使用直流电三点源法测量掘进前方地层的导含水分布状况，设置3个供电点于测试目标位周围，通过计算井下巷道周围3个不同电源的电位差，从而得到视电阻率，分析视电阻率低阻异常区的幅度和范围，对于不同的低阻异常视电阻率数据进各种调节处理，如：排除巷道异常因素、掘进前异常因素、巷道后方异常因素，运用全空间电场交汇能够实现准确定位掘进前方含水异常区域。

3 煤矿井下综合物探超前探测技术应用分析

3.1 探测工程实例

以某顺槽超前探测为例，该作业区为带压开采区域，主要受侏罗系灰岩地质的影响作业范围内地质水文环境比较复杂。由于煤矿井掘进巷道位于承压水范围内，井下掘进过程中，由于其处于煤矿平移正断层等附近时会受到井下采掘因素的影响松动出现作业区域内异常涌水等突发情况。按照当地水文地质显示，矿道掘进至西回以北450 m时出现涌水量明显增大，渗透水点以巷道隔板缝隙、锚索孔为主，正常透水量20 m3/h～30 m3/h，最大40 m3/h，20 d～30 d疏干。为确保矿井下煤炭开采作业的安全性，减少井下渗水事故发生率和降低灾害程度，采用井下高密度电法和瞬变电磁法对开采作业区域进行联合超前探测。由于受到矿巷周围环境及迎头处掘进机运动等因素影响，本次测量结果会受到较大影响。通过对比高密度电法探测结果和瞬变电磁水平方向探测结果，显示井下掘进前方25 m左右范围内地质层视电阻率相对较低，且在36 m迎头区域煤岩层承压水相对较高，煤矿井下现场作业过程中应采取防范措施。

3.2 探测成果验证

为避免发生煤矿井下水患灾害，在进行实际掘进作业前对本轮探测定位的异常范围进行深入地质考证。分析比较开采现场勘探和实际掘进状况，本轮探测异常为积水区，积水区与采空区相连通，导致探巷内有大量积水积存。在贯通矿井前为保障贯通安全，对该探巷进行排水和密闭，实际掘进现场与物探数据基本一致：1号低阻率异常范围的幅值相对较大，富水性较强，2号和3号低阻率异常幅值和范围相对较小。地质考证结果：1号探测区域为小裂隙发育并滴水，2号探测区域含导水断层，3号探测区域为巷道隔水板鼓起。

4 结语

煤矿开采时对于巷道前端的地质探测工作是后期顺利开展工作基础，这也是员工人身安全以及工作效率的重要保证。故此，笔者认为，目前煤矿井下综合物探超前探测技术的开发以及推广应用是煤矿行业必须要重点关注的问题。因为只有通过行业内同仁的共同努力，超前探测技术的使用才会越来越规范和完善，我国的煤矿事业也才能得到健康长足的发展。