几种超前物探技术在煤炭矿井防治水中的应用

杨 超

（晋能控股煤业集团地测勘探有限公司，山西 大同 037000）

随着我国煤炭资源的长期开发，矿井生产条件趋于复杂。现代矿井在巷道掘进过程中，对于老空水、上覆近距离采空区积水、底板灰岩承压水、陷落柱及各类发育范围较小的隐伏导水构造存在预报困难问题，往往给煤矿的安全生产带来严重隐患。现行探测井田范围内地质构造的方法主要以三维地震法为主，但对微小构造探测研究效果一般，对多层历史采空区的煤矿使用效果还待继续研究。掘进巷道防治水超前探测的物探手段主要以井下瞬变电磁法，三点源直流电法，三极、四极直流电测深法，瑞利波法地震勘探，反射波法地震勘探等浅层地震勘探技术为主。然而，受制于井下全空间特性、施工人员素质、现场复杂的电磁、微震动环境影响，探测效果体积效应和多解性明显，严重制约了解释精度。因此通过长期对数座矿井开展的直流、瞬变法、巷道浅层地震勘探等超前探技术展开研究和验证工作，并分析多个成功和失败案例，在一定程度上明确这些技术在使用和解释方面的局限性，以期提高超前物探技术在矿井防治水应用中的解释精度，从而更好地总结与指导下一步物探工程的开展。

本文以晋能控股煤业集团云冈矿、北辛窑矿、南阳坡矿、李阳矿、永定庄矿多个超前物探工程为背景，从中筛选出几个典型成功与失败案例，探讨超前物探技术在探测小窑破坏区、临近小窑巷道、掘进巷道前方隐伏小构造、现场复杂环境等实际环境时的具体应用，总结一定的实践规律，以提高超前物探技术在煤炭矿井防治水中的解释精度。

1 工程实例分析

1.1 电法超前探在某些条件下的构造探测

1.1.1 项目环境简述和施工布置

北辛窑煤矿某采区辅运巷沿煤层掘进，煤层顶板上方存在一层稳定砂岩含水层，为探明砂岩富水性，使用瞬变电磁、直流电两种方法开展超前探工程，本次勘探范围为辅运巷1 070 m 处掘进迎头前方区域，探测区域为掘进迎头前方100 m 范围。

1.1.2 探测成果及验证情况

推断掘进迎头前方存在两处低阻异常（图1），A异常位于迎头前方60～100 m、横向-20～0 m 范围内，B 异常位于迎头前方25～50 m、横向10～40 m 范围内。两异常均在顶板方向有所反应，推断裂隙发育且低阻介质充填。后经钻探验证该区域，顶板方向砂岩含水层出水，合计峰值水量约12 m3/h。

图1 瞬变电磁超前物探成果图

1.2 浅层地震勘探技术的构造探测

1.2.1 环境解释和施工布置

为了避免巷道掘进中直接揭露地质构造，李阳矿在某胶带运输顺槽迎头位置，使用浅层地震勘探技术对其构造进行超前探测，并对迎头前方地质分布进行分析。

本掘进煤层平均厚度5.09 m，煤层顶板顶板为砂质泥岩，砂质泥岩上部为一层厚6.1 m 的粉砂岩。底板为砂质泥岩，厚1 m，沿底板掘进。胶带运输顺槽走向长1 073 m，煤层结构简单，根据地面三维勘探报告分析可知，该矿有可能存在地质构造影响。

1.2.2 探测成果和验证情况

巷道掘进工作面迎头前方探测距离约27 m，存在一处异常区（图2），地质异常范围较为明显，推测为煤层破碎带或断层等构造造成煤层硬度发生改变而导致的异常反应。综合地面三维地震勘探和多个钻孔验证，该异常揭露为一处陷落柱。

图2 浅层地震勘探超前探成果及验证图

1.3 电法超前探在某些条件下对预计充水小窑巷道、采空区的探测

1.3.1 项目环境简述和施工布置

云岗矿井田内和周边存在煤矿30 余座，某巷所在的410 盘区西部矿界附近存在7 座小煤窑，预计在资源整合之前，本区域遭到周边小窑不同程度的破坏，根据地质报告、资料追溯、地面调查、小窑巡查资料分析，预计巷道南部和西部存在小窑破坏区。

针对此情况，开展井下瞬变超前物探，在布置3条测线的基础上，对同层正前方的瞬变电磁超前探测采取多次叠加数据采集、处理及综合解释，数据处理完成后对6 条实测剖面进行公共异常区叠加解释，缩小异常区边界范围，从而在某种程度上降低瞬变电磁体积效应，从而降低成果解释的多解性。

1.3.2 探测成果及验证情况

在巷道掘进期间共采集数据130 余次，以探测巷道3 号测点处物探成果和3 号测点10 m 处同层瞬变电磁超前探为例，在3 号测点处，对正前方进行瞬变超前物探，6 次成果异常区存在公共部分（图3）。集中在公共异常区域处设计超前钻孔进行验证，在“有掘必探”设计的基础上，加密施工2 个钻孔，将其全部探通，发现有少量积水及气体。

图3 超前物探异常区叠加图

在明确物探异常区之后，开展了大量的加密工作，对于电法的多解性采用加密探测，探测成果图的质量得到一定的提高，但达到一定密度之后，多次探测成果图的对比变化不是很大。

1.4 电法超前探在某些条件下对小窑空巷、采空区的探测

1.4.1 项目环境简述和施工布置

南阳坡矿某工作面平均煤厚11 m 左右，头巷设计长度1 000 m，现工作面已圈出。头巷掘进至320 m时遇见同层小窑空巷，空巷宽度3.18 m，矿方已对空巷进行实测，因此可作为已知空巷，进而开展了本次直流电法探测试验。本次试验采用西安博深YTD400（A）全方位探测电法仪，对已知空巷开展三点源超前探，并与四极测深方法进行比较。

对称四极测深装置布置1 条测线：测线AO 探测长度为100 m，从8 m、12 m 至28 m 共完成60 个物理点的布置，点距为4 m，。采用三点源法模拟掘进前方存在空巷情况，于迎头处后撤14 m 布置发射电极A1、A2、A3，接收电极M、N，点距4 m，无穷远处布置B 极，按三点源法超前探开始跑极，共收集物理点108 个。

1.4.2 探测成果及验证情况

四极测深全区视电阻率值平均为958.58 Ω·m，标准偏差为886.36 Ω·m，划分高阻异常区背景值为1 254 Ω·m，共解释三处高阻异常区（见下页图4），1号异常区位于横坐标8～20 m、纵坐标（垂向测深）20～28 m 的范围，视电阻率值在1 217～2 904 Ω·m，分析为同层小窑巷道引起的高阻电性反映；2 号异常区位于横坐标32～52 m、纵坐标（垂向测深）15～28 m的范围，视电阻率值在1 156～3 781 Ω·m，分析为同层小窑巷道引起的高阻电性反映；3 号异常区位于横坐标72～84 m、纵坐标（垂向测深）20～28 m 的范围视电阻率值在1 070～2 323 Ω·m，分析为同层小窑巷道引起的高阻电性反映。

图4 四极测深和三极超前探成果对比图

全区视电阻率值平均为505.3 Ω·m，标准偏差为169 Ω·m。划分高阻异常区背景值为：（505.3（平均值）+169（标准偏差））/3=560 Ω·m，从三极超前探测成果图分析，探测范围未发现明显高阻异常区。依据头巷已知钻探资料揭露显示，在勘探区50 m 处揭露同层小窑巷道，宽度为3.5 m，与2700 巷以26°相交。结合物探探测成果图综合分析，四极测深所得1号、2 号、3 号高阻异常区形态与实际小窑巷道延伸情况接近。三点源法超前探对该异常反应不明显。

2 结果分析

由北辛窑、李阳煤矿的工程实践可知，受体积效应和多解性的影响，超前物探通常会出现多个物探异常区，不能简单的将所有物探异常区视为水患，任何物探手段都不是孤立的，都是与地质条件紧密结合的，因此需结合测井、钻探等资料不断修正施工布置方法，且需在异常区划分阈值等重点参数，以此提高超前物探的解释精度。

由云冈矿的工程实践可知，对于超前物探异常区采取同一方向加密探测，不同方向互相验证的方法，可以提高物探异常区解释的准确性。但是达到一定程度之后，解释度不能够继续增加。在实际使用过程中，应结合地质资料和物探成果进行有重点的复测，避免无意义的重复叠加造成工作量增加。

由南阳坡的工程实践可知，对于小窑采空区，采用直流电法四极测深探测采空区有一定效果，横向分辨率高，垂向上电性变化明显，但在解释小窑巷道的边界范围和形态上，无法实现定量解释，与实际揭露情况有一定的误差。在该条件下采用直流电法三极超前探测采空区效果不好，对小窑空巷无明显反应。各种物探方法都有其适用范围与局限性，在施工选择中不能简单地生搬硬套，针对不同的地质和水文地质条件需要结合实际情况来选用合适的方法。

3 结论

通过对几种超前物探技术在煤炭矿井防治水中的应用进行研究，结果表明：通过加密施工频次和采样数据，可以显著提升探测的准确性，但是边际效应明显；对于小窑采空区，采用直流电法四极测深探测采空区有一定效果，横向分辨率高，垂向上电性变化明显；超前物探现场环境复杂，解释成果受人员水平、现场环境影响较大。

每种物探方法都有其适用范围与局限性，超前物探技术在煤炭矿井防治水中的实际应用中，应结合具体工程选择合适的物探方法。不同的方法可能对同一个探测目标会得出不同的结论，因此需要采用资料分析、加密探测等方法，提高综合判断结论的可靠性。此外，各项地质参数的收集工作直接关系到解释精度，结合实际资料不断修正施工流程与解释方法，对于指导物探工程实际应用，提高探测准确性有着重要的作用。