井下综合超前探测技术的原理及应用

邓涛

摘 要：随着煤矿开采环境的不断变化，采取超前探测的方式，全面掌握煤矿井下整体的地质情况非常关键。但从当前采取的超前探测技术来看，各种技术在使用过程中均存在一定的不足，而采取综合超前探测的方式，可较好地提升探测效果。本文从井下综合超前探测技术原理入手，探讨了井下综合超前探测技术的具体应用。

关键词：煤矿;综合超前探测技术;瞬变电磁法勘探技术;槽波地震勘探;无线电波坑道透视法

中图分类号：TD163;P631.325 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0069-03

Abstract： With the continuous change of coal mining environment， it is very important to take the way of advanced detection and fully grasp the overall geological situation of coal mine. However， from the current advanced detection technology， there are some deficiencies in the use of various technologies， and the comprehensive advanced detection method can better improve the detection effect. Starting with the analysis of the principle of underground comprehensive advance detection technology， this paper discusses the specific application of underground comprehensive advance detection technology.

Keywords： coal mine;integrated advanced detection technology;transient electromagnetic exploration technology;trough wave seismic exploration;radio wave tunnel perspective method

現阶段，我国煤矿开采已经进入深部开采阶段，井下的断层、地下水等给煤矿正常开采带来了较大影响，严重威胁井下工作人员的生命财产安全。为此，需要采取预测探放措施，以提前探测出井下各种类型的灾害，及时采取防治措施。从煤矿开采实践来看，通过应用超前探测技术，可取得较好的探测效果。

1 井下综合超前探测技术原理

1.1 瞬变电磁法勘探技术原理

瞬变电磁法主要是一种利用电磁感应原理对地下矿产进行全面勘察的方法，属于时间域电磁感应法。瞬变电磁法利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线或接地导线源向地下发射一次场，在一次场间歇期，测量由地下介质产生感应二次场随时间的变化[1]。图1为瞬变电磁法工作原理示意图。

1.2 槽波地震勘探

槽波是在煤层中激发、接收、顺煤层传播的导波。槽波地震勘探是在人工激发地震波后，通过检测只在煤层中传播的地震波（槽波）的变化来探测煤层中的小型地质构造和变化的地震勘探方法，即同层地震法。槽波透射法数据处理流程如图2所示。

1.3 无线电波坑道透视法

无线电波坑道透视法是指在钻孔或坑道中，利用无线电波在岩、矿媒质传播过程中观测到的一些现象来探测地下目标物的一种方法。由于电磁波在煤层中传播时，不同电阻率的介质对电磁波的吸收不同，电阻率小的介质，对无线电波吸收强，接收到的无线电波强度就小，与理论场强相比较，会形成“阴影区”。根据“阴影区”的情况，就可以判断出地质异常体的存在[2]。

2 井下综合超前探测技术的具体应用

赵家寨煤矿某工作面设计长度为500 m，倾斜长度为140 m，煤层厚度在5 m左右，距离奥灰顶界面70 m左右。从地质勘察情况来看，工作面整体的地质构造较为简单，地质情况较为普通，无论是掘进还是回采过程中，均未发现地质构造中存在相对较大的褶皱或者断层。在工作面开采之前，技术人员采用无线电波坑道透视法、瞬变电磁法及槽波地震法三种物探技术对煤层底板情况进行勘察，以全面掌握地质构造的整体情况。将出现的地质异常区、重叠区作为有可能发生奥灰水突水的风险区域，结合工作面情况，提前采取措施进行预警与预防。技术人员在运输巷中放炮，设置炮眼的距离为10 m，检波器之间的距离设置为20 m，见图3。对于槽波波速等于或者超过2 300 m/s的高速区域，说明煤层出现了变薄的情况，地应力则较为集中，是煤矿开采过程中风险相对较高的区域[3]。

无线电波坑道透视结果表明，勘探区域出现了三处异常区域，见图4。从巷道揭露情况来看，在异常区域内，煤层出现了变薄的现象，底板向上凸起。该种情况出现的原因可能是出现了顺层剪切破坏，导致整个底板隔水性受到了较大影响[4]。

本次也使用了瞬变电磁法对整个地质情况进行勘察，勘察点之间的距离设置为10 m，共设置6个勘察点，勘探结果见图5。从图5可看出，其中有1处较为明显的低阻异常区，异常区的宽度在20 m左右，位于煤层底板40 m之下。这表明该处奥灰岩体有较强的富水性，在该区域容易发生突水风险[5]。

分析这三种方法的勘探结果：若均出现异常，则表明突水概率较大，应采取针对性措施做好防治工作;若仅有一种方法显示存在异常，则需要对该异常的可靠性进行分析。通过对比可知，瞬变电磁异常区域有突水风险，在工作面开采过程中，需要采取针对性措施进行防治。在采取综合物探技术后，本次共施工4个钻孔对异常区域进行验证，钻孔深度在50 m左右。随着钻进深度不断加大，水压也明显提升，已经从最初的1 MPa提升到1.3 MPa，涌水量也在持续提升，从最初的2～3 m3/h升到15～18 m3/h。从钻孔揭露情况和水质地质观测结果可知，异常区域中出现奥灰水的概率明显上升，可见具有较大的突水风险。技术人员采取了注浆改造的方式，向其中注入大量水泥。

在工作面推进过程中，在距离异常区域较近的位置，技术人员再次使用瞬变电磁方法进行勘探。勘探结果表明，异常情况并没有消除，这表明本次遇到的情况较为严峻，异常区也出现了进一步扩大的情况。为此，立即进行停产处理，不久后在煤壁侧发生了奥灰水突水，突水量每小时超过150 m3。

赵家寨煤矿本次将这三种物探方法结合起来，对整个煤层底板含水情况、地质构造、工作面煤层变化等情况进行了全面分析，对这三种方法探测到的异常区域进行了重点防护。

3 结语

随着煤矿开采深度的不断增加，面临的地质环境越来越复杂，传统的探测技术在很多方面表现出较大的局限性，而通过采取综合超前探测技术，可使各个探测技术实现互补，从而更好地提升超前探测的效果与质量。

参考文献：

[1]金鑫.矿井综合探测技术在赵庄二号井中的实际应用[J].自动化应用，2018（11）：54-56.

[2]袁德铸.矿井综合物探技术在隐伏含水构造超前探测中的应用[J].矿业安全与环保，2016（4）：68-71.

[3]程久龙，李飞，彭苏萍，等.矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望[J].煤炭学报，2014（8）：1742-1750.

[4]许召稳，张海军，李永春.综合探测结合井下超前探水在煤层掘进中的应用[J].陕西煤炭，2013（2）：69-72.

[5]郝治国，贾树林，文群林.综合物探方法在采空区及其富水性探测中的应用[J].物探与化探，2012（增刊1）：102-106.