高突综采工作面地质灾害超前综合探测技术

谢 亮

（湖南省地质建设工程集团有限公司，湖南 长沙 410000）

随着国民经济的快速发展，电力等行业对煤炭资源的需求呈线性增长[1-2]，煤矿开采[3]也越来越依赖机械化。高突综采工作面指的是煤矿井下机械化设备发生过瓦斯事故的矿井回采工作面。煤矿中存在大量的瓦斯气体，煤矿的高突综采工作面[4-5]会涌出大量的瓦斯气体，直接影响矿工的人身安全。煤矿下瓦斯的排放仅仅依靠风排或是抽采技术[6-7]已不能满足矿井需求，必须利用综合技术解决瓦斯问题。高突综采工作面导致的地质灾害包含煤矿塌方以及突水等，一旦发生事故会直接造成人员伤亡，为了保证人员安全，必须在发生事故前对其进行综合探测。矿山地质灾害类型较多[8]，可根据灾害与形成时间进行分类，也可以根据灾害空间以及成型原因进行分类。通过详细分析地质灾害类型得出每种灾害的最优探测方案，将所有方案综合得出可操作性最强、执行范围最广的探测技术，以此保证矿山工作质量以及工作人员安全。姚敏等[9]利用高密度电阻率法完成铁矿采空区勘察，根据低阻异常波动数据，推断地质灾害类型，有效避免人为因素的干扰，提高开采工作效率。龙秀洁等[10]通过瞬变电磁法对进行电阻率断面等值线图异常形态分析有效判定岩溶塌陷等地质灾害，可以确保开采人员的人身安全。马士趁等[11]采用槽波地震探测技术完成地质构造超前探测，可以有效分析地质断层、煤层厚度、高瓦斯带等数据，为开采煤矿作充分准备。

高突综采工作面地质灾害主要有矿体塌方、突水、瓦斯爆炸及软岩支撑破裂等，发生这些灾害最主要的缘由是构造破碎带等地质内部原因。矿山作业实质上是灾害的诱发因素，灾害发生的必然条件就是矿山的地质条件，提前明确矿山作业的地质条件有助于提高超前探测的精度，提前对可能发生灾害的地区进行处理，最大限度地避免灾害发生。

1 高突综采工作面地质灾害划分

1.1 煤矿矿体变形灾害

煤矿矿体变形灾害包括煤矿井底地面塌陷[12]、矿场边坡滑坡及岩崩[13-14]、矿坑内岩爆[15]、矿山地震等。面对矿体埋藏较深的位置进行矿山作业时，必须及时对其进行回填工作，防止采空区出现大面积坍塌。另外，在矿山岩溶洞部位，矿体的排水等作业也会造成溶洞上方出现坍塌，逐渐破坏耕地资源以及部分建筑物，严重时会出现淹井事故，这种事故危害极大，严重危害工人的人身安全。由于矿山作业幅度较大，容易诱发地震，破坏煤矿井下以及地表，随着人们对煤矿资源的需求量增大，这种地震只会逐年上涨，严重危害周围地区。

1.2 地下水导致的地质灾害

矿坑突发涌水[16]灾害产生的主要原因是对地下水的预测错误导致的，一旦出现该错误极可能穿透水断层，打通暗河，矿坑瞬间涌入大量河水，造成人员的伤亡，尤其当开采技术低下的施工队极易发生这种事故。矿坑突水相伴而生的灾害就是溃沙涌泥[17]，这种情况是泥沙随着地下水瞬间涌入矿坑，给矿坑带来毁灭性的打击。环境污染也是地质灾害的主要表现形式，矿山施工过程中会产生大量废弃物质，当这些物质未经过处理会对水资源和土地造成污染，直接影响人民身体健康。

1.3 矿体内灾害

矿体内灾害主要指的是瓦斯爆炸和火灾，因矿坑内不易通风的缺点，坑内瓦斯聚集到一定浓度会发生爆炸，对工作人员来说是毁灭性的灾害，也会直接毁坏矿山。矿山内发生火灾[18-19]最常见的就是煤矿以及含有硫磺的部分矿山，矿山发生火灾产生的不良后果极大，发生火灾的同时还会损耗矿山资源，矿山发生火灾后持续的时间过长，进而改变当地气候，造成土地不能种植庄稼和树木，不再适合人们居住。

2 高突综采工作面地质灾害勘察方法

2.1 高密度电阻率探测法

将4组电压表排列在测线上，在测试中设置阵列形式的高密度探测点，根据电流表的变化程度，获取高突综采工作面不同探测点的电阻率。以异常波动数据为基础，得出高突综采工作断面的地质灾害情况，从而提高工作效率。具体技术原理如图1所示。

图1 高密度电阻率探测法原理Fig.1 Schematic diagram of high density resistivity detection method

该方法是根据矿山地质导电性差异进行探测的方法，这种方法可轻易采集相关数据，还可同时获取深度和水平方向的电性改变情况[20]，利用相关参数可推断出灾害的埋深和范围等情况，对不易探测的地下水以及采空区的探测十分有效。

2.2 瞬变电磁法

在煤矿地面设定具有波形电流的发射线圈，通过接地线向地下传送脉冲电磁场，在传播间隙利用线圈观察地下空间的涡流场变化情况，得出地下介质引起的感应涡流场数据。根据周围空间产生的电磁场数据，完成高突综采工作面地质灾害探测。具体技术原理如图2所示。

图2 瞬变电磁法原理Fig.2 Schematic diagram of transient electromagnetic method

由于地质勘探技术主要影响因素是振动，在矿山作业过程中利用该方法，可以有效获取探测目标地质规律，迅速采集相关数据，直接指出矿山内异常区域位置，降低矿山内部分金属物质的影响。以此得出定性判断，完成矿体不同性质的作业选择。

2.3 槽波地震探测技术

煤矿中激发的波形被称之为槽波[21-22]，利用煤层进行传播及反射。煤矿的密度以及对槽波的传播速度比围岩小，所以煤层震源所激发的弹性波能量基本在煤层内传播，因此槽波可探测煤矿中不具有连续性的煤层，为综合探测技术提供地质保证。槽波地震依据矿山震源及波段接收点工作面分布的不同位置，将其分为透射法和反射法。透射法是将震源以及接收点放置在同一侧时进行的灾害探测，反射法是在灾害探测过程中将震源以及接收点设置在不同方向。2种方法的选择是根据煤层的构造，其构造较为复杂时同时使用两种探测方法，较为简单时仅使用透射法即可。技术原理如图3所示。

图3 槽波地震探测技术原理Fig.3 Schematic diagram of slot wave seismic detection technology

3 超前综合探测技术具体应用

将高密度电阻法、瞬变电磁法、槽波探测技术进行综合，形成超前综合探测技术，以此加强高突综采工作面地质灾害探测精度和效率。为了验证高突综采工作面地质灾害超前综合探测技术方法的整体有效性，选取湖南省一处私人矿场作为试验对象，对本文方法进行仿真试验。

3.1 试验环境

私人矿场地质构造特征为沉积岩、岩浆岩、变质岩发育，晚元古代以后的地层出露齐全，含煤地层为石炭系下统测水组及二叠系龙潭组和二叠系上统大隆组，这种地质体可以较好地对应地下采空区的工作面采煤、采矿或隧道作业。该矿场存在地面塌陷、地裂缝、崩塌滑坡地质灾害类型，且呈线形分布在采空区边界，破坏矿场含水层，影响地形地貌景观。本文选择矿场采空区完成探测试验。

3.2 地质灾害探测试验结果

地质灾害探测高程范围是探测的重点，可以有效遏制灾害发生。在工作面高程+200～+400 m内进行地质灾害探测试验，判断综合探测技术性能优劣，试验结果如图4、图5所示。

采用α排列采集矿场采空区电阻率数据，根据图4可知，矿场在高程范围+260～+300 m内存在局部较强电阻波动情况，平面范围+105～+140 m和+180～+210 m存在高阻。

由图5可知，矿场在高程范围+200～+240 m和+340～+360 m内存在较高的电阻率，2号和4号测点电性特征明显。

高密度电阻法、瞬变电磁法、槽波探测技术耦合形成的高探测精度地质灾害探测方法可以有效探测矿场高突综采工作面地质灾害。高密度电阻法在高程为+260～+300 m范围处存在波动变化，测得此处存在地面塌陷灾害；瞬变电磁法在高程为+200～+240 m处和+340～+360 m处存在波动变化，且在+200～+240 m处波动较为剧烈，测得此处存在地裂缝灾害，同时也有效测得+340～+360 m处存在崩塌滑坡地质灾害。针对地质灾害区域会产生较高的电阻率，可以清楚明了地呈现可能发生地质灾害的位置，相关工作人员依据探测情况及时调整工作内容和进程，从根本上遏制灾害的发生。综上所述，综合探测技术可以有效获取地质灾害信息。

图4 高密度电阻法地质灾害深度探测结果Fig.4 Depth detection results of geological hazards by high density resistance method

图5 瞬变电磁法地质灾害深度探测结果Fig.5 Depth detection results of geological hazards by transient electromagnetic method

4 结论

本文从地质灾害超前综合探测技术的角度，针对高突综采工作面开采程度，提出了一种将高密度电阻法、瞬变电磁法、槽波探测技术进行耦合的高探测精度地质灾害探测方法，以此达到地质构造超前探测的目的。

（1）在分析矿山地质灾害特性的基础上，所提出的高突综采工作面地质灾害超前综合探测技术，能够有效评估不同地质构造特征下的地质灾害，其稳定程度具有明显的深度和长度影响特性。

（2）地质灾害超前综合探测技术主要是通过磁场强度完成地质灾害研判，高密度电阻法和瞬变电磁法均能有效探测地质灾害深度，槽波探测技术可以有效探测地质灾害长度，波动明显区域为地质灾害区域。

（3）高突综采工作面地质灾害超前综合探测技术方法，可基于矿山的地质条件进行有效探测，能够加强探测精度，获取准确的探测结果，提高矿山工作安全性。