钻孔超前探水技术在井下掘进巷道中的应用研究

郝卫青

（朔州煤电应急防控中心 ，山西 朔州 037000）

我国煤炭主要以井下开采为主，且赋存条件较为复杂，导致了煤矿开采效率不高，安全事故频发。井下开采存在着熔岩空洞、熔岩管道、断层、褶皱等复杂的地质条件，即使发生小规模的地质异变，往往能够引起较大的安全事故。针对这些地质异变情况，如果前期不能做出科学合理的探测预报，就会直接影响后续开采以及水害防止等工作，甚至对煤矿安全高生产造成重大影响[1]。针对上述问题，本文对钻孔超前探水技术在掘进巷道中的应用进行了研究。

1 煤矿地质及开采概况

1.1 地表特征

针对矿区形成的采空区，为了防止在矿井掘进过程中发生突水和涌水等灾害进行预防，需要对采空区的积水量和积水范围进行详实的了解。该工作矿区地质结构较为复杂，加之采空区和浅埋煤层的不规范开采，地面形成了大量开裂现象。地表工程施工、自然沟壑以及原始资料的缺失，对常规的电法手段探测手段造成很大困难。

由于孔内物探法对地形的适应性更强，可以对隐患区进行更好的探测，因此选用YZT6钻孔超前探水物探仪对采空区积水进行探查[2]。

1.2 采空区的分布特征

由于矿区内原有的小煤矿煤层露头周围存有大量老硐，且矿井基础设施陈旧，支护简陋，开采巷道长度较短，大部分在100～300 m范围内，且垂直深度较浅。由于开采中采用房柱式开采，致使采空区在分布较为凌乱，且采空区大部分充水。采空区孤立、充水的地质特征，是选用钻孔超前物探仪另一个重要原因[3]。

1.3 地层地质条件

该矿区的煤系地层电学性质特征表见表1[4]。

2 电法探测理论基础

2.1 电阻率法理论分析

由于不同地质之间存在不同的电性差异，这种差异就会造成人工稳定电流场的电场出现不同规律的分布，电阻率法正是基于地质电性差异来研究地质问题[5]。

表1 煤系地层电学性质特征表

图1 探测原理图

图1 所示为探测原理图，假设四周均匀且各向同性的半空间岩体的电阻率为ρ1,掌子面为P，其前方为一球体状的地下隐患，球体内介质电阻率为ρ2。当球内介质为空气时，ρ2＞ρ1；介质为水或者泥沙时ρ2＜ρ1。

以球中心的电位为零电位，则沿着电流场方向从球外侧到球中心任意一点的电位可表达为下式：

式中：U为任意点的电位，V；ρ1为为半空间岩体的电阻率；ρ2为球体内介质电阻率；r0为掌子面前方为球体状的地下隐患半径，m；r为球体中心到观测点间的距离，m；j0为均匀电流场的电流密度，A/m2。

电场强度E的表达式为：

电场强度异常百分比的表达式为：

在电法勘探中，地下空间任何点的电场强度E与视电阻率ρs间的关系式为：

从上式可以看出，任一点的电场强度E可以通过视电阻率来进行描述，同样，电场强度的异常变化率也可通过视电阻率异常变化率进行体现[6]。

假如球状异常体内介质为水，即储水隐患，异常球体半径为5m，探测电流密度为0.1m A/m2，围岩电阻率为1000Ω·m，探测距离从距球心100m处开始，不断靠近球体。可以计算出电场强度，具体如图2所示，可以看出随着距离不断接近球体中心，电场强度不断增大，越靠近球体中心处，电场强度增长越快[7]。

图2 低阻体

2.2 煤矿钻孔超前探水技术原理

钻孔超前探水技术主要是在煤矿巷道沿着掘进方向进行钻孔，将测量探头缓慢深入孔底，对钻孔周围以及孔底30m范围内进行探测预报，从而实现钻孔全方位超前探水功能。选用的探测仪器可以通过电导率法和激发极化法同步进行，通过对采集的探测数据进行处理和分析，最终对富水体等有害地质进行有效的探测预报。该方法多频点同时发射，等频点同时接收的特点，具有很强的抗干扰能力，同时对微弱信号较为敏感，是一种较好的巷道超前探水方法。

3 钻孔超前物探技术探测应用与效果

3.1 钻孔参数的选择

图3 钻孔布置图

试验中选用YZT6钻孔超前探水仪对工作面2206回风顺槽进行探测，有效探测距离为100m，孔径为60mm；点距为1m。根据前期探测资料显示，2206回风顺槽上部约45m没有发现水患现象。但是因为回风顺槽存上部在积水，有必要对上部空区进行探放水工作，明确积水范围和积水量。钻场位置设置在回风巷掘进头处，4个探水孔中，1#-3#为试验孔，4#为验证孔。1#孔沿着掘进面方向，倾角为0°，深度为60m；2#孔与1#孔夹角15°，深度为70m；3#孔与1#孔夹角30°，深度为70m；4#孔与1#孔夹角45°，深度为71m。具体位置如图3所示。

3.2 勘探效果分析

本试验采用YZT6专用钻孔超前探水设备，主要用视电导率和视极化率两个参数作为探水效果评价数据。图4所示为1#孔试验探测数据图，从图可以看出，1#孔在倾角0°方向，沿着掘进方向49m内，视电导率和视极化率曲线整体变化趋势较为平稳，没有出现突变较大的峰值，说明在1#孔周围40m左右范围内，沿着掘进方向49m段没有出现异常的地质隐患。

图4 1#孔探测数据图

图5 所示为2#试验探测数据图，从图可以看出，在钻孔倾角15°方向，0～60 m深度范围内，视电导率和视极化率曲线整体变化趋势较为平稳，没有出现突变较大的峰值，说明在2#孔轴心半径40m左右范围内，沿着掘进方向60m段没有出现异常的地质隐患。但是当掘进深度至63m左右时，视极化率出现剧烈变化，同时视电导率也明显增大，说明此段存在地质隐患，推测周边存在裂隙导致的低租异常隐患。

图5 2#孔探测数据图

图6 所示为3#孔试验探测数据图，从图可以看出，视极化率在孔深45m、59m处出现两次明显峰值。在45m处，视极化率变化的同时，视电导率也出现较小的同步变化，推辞在45m处存在一定量的裂隙水；在59m处视极化率发生较大变化，但同时视电导率数据平稳且数值较低，推测在孔深59m处可能存在含水体，建议在该位置进行进一步的探水钻孔措施。

图6 3#孔探测数据图

4 结 语

本文分析了电法探测的探测原理，并对矿井的2206回风槽应用YZT6钻孔超前探测仪进行了实际探测。采用视极化率和视电导率两个参数进行隐患评估。探测数据结果表明，掘进方向存在3处异常点，具体为2#孔63m处，3#孔45m和59m处。分析后推测，在中心半径40m范围内，2#孔63m和3#孔45m处存在裂隙导致的低租异常体，3#孔59m处存在采空区或者冒落区引起的含水体可能性较大。