煤矿井下巷道“两探结合”技术与装备技术研究

李利青 LI Li-qing

（山西小回沟煤业有限公司，太原 030000）

0 引言

截至2021年12月，我国目前生产的煤矿有4700多座，其中井工矿占绝大多数。每年回采工作面近5000多个，掘进工作面进尺长度15000km，其中掘进工作面是安全生产事故的高发区域，掘进工作面的安全生产对煤矿实现井下安全至关重要。

目前掘进迎头的地质探查手段精度不能满足实际生产需要，同时探查技术的装备智能化程度偏低，在很大程度上制约了矿井智能化的推进，是严重制约着巷道安全、快速掘进的深层原因之一。

井下巷道超前探测主要目的有：①探查掘进前方可能的隐蔽致灾因素，例如采空区、陷落柱、断层和含富水情况等；②探查掘进前方煤层的赋存情况，例如煤层起伏和厚度变化。在探查上述目的中，传统的直流瞬变超前、瑞雷波、地质雷达和槽波等较为成熟的技术已经被最新的《煤矿防治水细则》所推荐。

在多年的研究和应用基础上，笔者提出了煤矿巷道安全快速掘进下的两探结合技术，该技术通过定向钻探+孔中物探的综合方式，克服了钻探物探分离的不足，实现了两探结合、快速探掘的工作方式，同时极大提高了物探的准确性和探测精度，为巷道安全、快速掘进提供可靠的技术支撑和地质保证。

1 两探结合技术

目前，煤矿井下巷道掘进多采用每100m一次物探+钻探探测，每次探测后允许掘进70m，预留30m作为超前距，如此循环往复掘进。该种作业方法需要单独留出时间给钻探和物探施工，掘进和探测存在时间空间上的矛盾，不能并行施工。因此这种作业方式仅适合在煤矿巷道掘进速度要求不高的矿井，传统方式不再能够适应快速掘进的新需求。

针对上述情况，笔者提出了煤矿巷道安全快速掘进下的两探结合技术，该技术通过定向钻探+孔中物探的综合方式，实现了钻探物探一体化，解决了掘进和探测并行的问题，极大地提高了煤矿井下巷道快速掘进的效率要求和探测成果的精度要求。

两探结合技术是通过在井下巷道掘进后方设置定向钻场，避开与掘进空间上和时间上的矛盾，采用定向钻探技术实现远距离的超前钻探，在定向钻孔中使用新型物探技术装备，探查钻孔周边一定范围的地质构造发育情况和含富水异常区的分布情况，掩护巷道掘进，以达到超前探测的目的。

传统的短掘短探钻孔盲区范围大、有段探测距离短、偏移距离不可控，难以有效探测前方地质问题。而两探结合在探测距离和探测半径上都能有效解决上述问题。

传统的短掘短探一般每70m一次钻探+物探超前探测，每次施工时间在1.5d。按照1000m掘进巷道计算，短掘短探需要占用21d左右。而采用两探结合技术后，可在不占用掘进巷道的空间和时间上，为巷道快速掘进争取相当可观的时间成本。

两探结合技术不仅可以应用于巷道掘进的超前探测，还可以用于大水矿井的疏放水孔和高瓦斯矿井的瓦斯抽放孔等工程。

2 两探结合中的关键技术

2.1 定向钻探技术

近年来，煤矿井下的定向钻探技术已日趋成熟并获得了广泛的应用，在水害防治、瓦斯抽采和冲击地压等灾害防治方面发挥了不可替代的作用。同时，煤矿井下定向钻探装备也已很成熟，在一些地区取得了3353m的顺煤层定向钻探世界最长纪录。

定向钻探一般可以施工500m以上的长钻孔，为物探技术提供可操作的空间，同时利用顶底板的分支孔，可以对煤层厚度和小构造的发育进行有效的控制，最后结合多种探测成果资料，对掘进前方的地质情况有高精度、高可靠性的预测。

2.2 钻孔地质雷达探测技术

煤矿井下传统的地质雷达分辨率可达到米级以内，探查深度可达30-50m范围之间，但因装备尺寸相对较大，不能放入钻孔内施工，只能在巷道内施工，但在巷道施工时又易受周围金属体的影响。

钻孔地质雷达是将原有装备的发射和接收天线通过小型化做到可以进入钻孔中，向钻孔周围发射雷达波，雷达波在地层传播的过程中发生反射，利用接收天线接收反射信息，并对信号进行分析处理，可以达到对地质异常界面的探查和识别。这种类型的地质雷达具有分辨高、抗干扰性强和探查速度快等特点，应用于钻孔中又可以很好地弥补“一孔之见”的劣势，是实现两探结合不可缺少的有效方法。（图2）

2.3 钻孔瞬变电磁探测技术

传统的瞬变电磁采用在巷道内发射和接收的工作模式，钻孔瞬变电磁是将发射接收装置放置于钻孔中，采用动源动接收的方式采集三分量的二次场数据，从而实现钻孔周围一定范围内的富水异常区的超前探测。

钻孔瞬变电磁装备是将收发线圈置于钻孔中，受限于狭小的钻孔空间，在一定程度上造成发射功率受限，接收线圈的磁通量偏低，同时收发线圈无法通过旋转去探查全空间信号，因此选择孔内三分量接收，以实现全空间异常的探查和方位定向。

该装备包括孔口同步和三分量探管组成，通过钻机推送入孔中进行信号采集，装置连续工作时间可达8个小时以上，最小信号可达1uV，能够完成500m以上的钻孔探测要求。测量数据通过反演技术实现地质异常的定位和三维成像，可对地质异常进行精确控制，为巷道快速掘进提供地质依据和技术保障。（图3）

2.4 钻孔直流电阻率探测技术

该技术与传统的直流电阻率法一致，针对定向钻孔全空间的介质环境，建立全空间地质模型，采用三维模型研究地质异常的响应规律。相对于巷道内施工的直流电法，钻孔中的施工需要特定的安装辅助设备完成装置的推送。

定向钻孔施工退钻后，将悬挂装置在水压的推动下送至孔底，并带动孔中电极均匀平铺于钻孔中，随后退出推送钻杆。电极平铺于钻孔中后，即可开展数据采集工作，当仅有1个可用钻孔时，可进行单孔独立探测，当有2个相邻钻孔时，在独立测量的同时，还可进行孔间的透视测量。

在仅有1个钻孔进行独立探测时，孔中布置N个电极，从孔口向孔底依次编号，当每个电极依次供电时，其他N-1个电极均测量电位差，最终形成单孔的原始数据记录。在有2个相邻钻孔进行透视探测时，钻孔1的1号电极发射，钻孔2中1号电极附近100m范围内电极观测电位差信号，随着发射电极向孔底移动，完成对应各电极的数据采集工作。

3 两探结合应用实例

山西某矿井主采2、3号煤层，其中2号煤层平均厚度2.3m，3号煤层平均厚度1.8m。由于该矿地质构造发育，在大巷掘进过程中揭露了多条断层和陷落柱，因前期地质探查程度不足，严重影响了全矿的工程进度。因此在后续掘进前，采用了两探结合技术，超前对掘进前方的构造发育、煤层起伏和富水性进行探查，指导巷道布置。

设计在工作面运输巷超前施工定向钻孔，定向钻孔布置在2、3号煤层之间，定向钻主孔钻探深度480m，同时施工6个分支孔用于探查煤层起伏情况，退钻后使用钻孔地质雷达探查钻孔周围的煤岩界面变化情况，使用钻孔瞬变电磁和钻孔直流电阻率法探查钻孔周围的富水异常分布情况。（图5）

两探结合探测结果推断巷道掘进前方可能存在4个陷落柱和3条断层，并向东部发生了较大偏摆。目前该巷道已完成掘进，实际共揭露了4个陷落柱和5条断层，与两探结合探测成果高度一致，因此该技术显著提高了超前地质探查的精度和准确度。

4 结论

巷道掘进前的超前地质探查程度是影响巷道快速掘进的重要因素之一。常规的短掘短探技术存在诸多问题，与巷道掘进工序存在空间和时间上的冲突，无法满足巷道快速掘进的技术需要。两探结合是定向钻探+孔中物探相结合的巷道掘进超前探测新技术，与传统方式相比具有诸多优势，可以边掘边探，实现长距离、高效率和高精度的超前地质探查，满足巷道快速掘进的技术需求，同时具有广泛推广的适用性。

煤矿井下巷道的安全高效掘进是煤矿未来智能化发展的方向。随着各学科技术的发展，两探结合技术应会开展随钻进过程中多种物探参数采集测量，同步反馈指导钻进过程，更好地为巷道掘进的地质透明化提供更加精准的地质保障。