井下綜合超前探測技術(shù)的原理及應(yīng)用

鄧濤

摘 要：隨著煤礦開采環(huán)境的不斷變化，采取超前探測的方式，全面掌握煤礦井下整體的地質(zhì)情況非常關(guān)鍵。但從當(dāng)前采取的超前探測技術(shù)來看，各種技術(shù)在使用過程中均存在一定的不足，而采取綜合超前探測的方式，可較好地提升探測效果。本文從井下綜合超前探測技術(shù)原理入手，探討了井下綜合超前探測技術(shù)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤礦;綜合超前探測技術(shù);瞬變電磁法勘探技術(shù);槽波地震勘探;無線電波坑道透視法

中圖分類號：TD163;P631.325 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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(xiàn)階段，我國煤礦開采已經(jīng)進(jìn)入深部開采階段，井下的斷層、地下水等給煤礦正常開采帶來了較大影響，嚴(yán)重威脅井下工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，需要采取預(yù)測探放措施，以提前探測出井下各種類型的災(zāi)害，及時(shí)采取防治措施。從煤礦開采實(shí)踐來看，通過應(yīng)用超前探測技術(shù)，可取得較好的探測效果。

1 井下綜合超前探測技術(shù)原理

1.1 瞬變電磁法勘探技術(shù)原理

瞬變電磁法主要是一種利用電磁感應(yīng)原理對地下礦產(chǎn)進(jìn)行全面勘察的方法，屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法。瞬變電磁法利用階躍波形電磁脈沖激發(fā)，利用不接地回線或接地導(dǎo)線源向地下發(fā)射一次場，在一次場間歇期，測量由地下介質(zhì)產(chǎn)生感應(yīng)二次場隨時(shí)間的變化[1]。圖1為瞬變電磁法工作原理示意圖。

1.2 槽波地震勘探

槽波是在煤層中激發(fā)、接收、順煤層傳播的導(dǎo)波。槽波地震勘探是在人工激發(fā)地震波后，通過檢測只在煤層中傳播的地震波（槽波）的變化來探測煤層中的小型地質(zhì)構(gòu)造和變化的地震勘探方法，即同層地震法。槽波透射法數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

1.3 無線電波坑道透視法

無線電波坑道透視法是指在鉆孔或坑道中，利用無線電波在巖、礦媒質(zhì)傳播過程中觀測到的一些現(xiàn)象來探測地下目標(biāo)物的一種方法。由于電磁波在煤層中傳播時(shí)，不同電阻率的介質(zhì)對電磁波的吸收不同，電阻率小的介質(zhì)，對無線電波吸收強(qiáng)，接收到的無線電波強(qiáng)度就小，與理論場強(qiáng)相比較，會形成“陰影區(qū)”。根據(jù)“陰影區(qū)”的情況，就可以判斷出地質(zhì)異常體的存在[2]。

2 井下綜合超前探測技術(shù)的具體應(yīng)用

趙家寨煤礦某工作面設(shè)計(jì)長度為500 m，傾斜長度為140 m，煤層厚度在5 m左右，距離奧灰頂界面70 m左右。從地質(zhì)勘察情況來看，工作面整體的地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，地質(zhì)情況較為普通，無論是掘進(jìn)還是回采過程中，均未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造中存在相對較大的褶皺或者斷層。在工作面開采之前，技術(shù)人員采用無線電波坑道透視法、瞬變電磁法及槽波地震法三種物探技術(shù)對煤層底板情況進(jìn)行勘察，以全面掌握地質(zhì)構(gòu)造的整體情況。將出現(xiàn)的地質(zhì)異常區(qū)、重疊區(qū)作為有可能發(fā)生奧灰水突水的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，結(jié)合工作面情況，提前采取措施進(jìn)行預(yù)警與預(yù)防。技術(shù)人員在運(yùn)輸巷中放炮，設(shè)置炮眼的距離為10 m，檢波器之間的距離設(shè)置為20 m，見圖3。對于槽波波速等于或者超過2 300 m/s的高速區(qū)域，說明煤層出現(xiàn)了變薄的情況，地應(yīng)力則較為集中，是煤礦開采過程中風(fēng)險(xiǎn)相對較高的區(qū)域[3]。

無線電波坑道透視結(jié)果表明，勘探區(qū)域出現(xiàn)了三處異常區(qū)域，見圖4。從巷道揭露情況來看，在異常區(qū)域內(nèi)，煤層出現(xiàn)了變薄的現(xiàn)象，底板向上凸起。該種情況出現(xiàn)的原因可能是出現(xiàn)了順層剪切破壞，導(dǎo)致整個(gè)底板隔水性受到了較大影響[4]。

本次也使用了瞬變電磁法對整個(gè)地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，勘察點(diǎn)之間的距離設(shè)置為10 m，共設(shè)置6個(gè)勘察點(diǎn)，勘探結(jié)果見圖5。從圖5可看出，其中有1處較為明顯的低阻異常區(qū)，異常區(qū)的寬度在20 m左右，位于煤層底板40 m之下。這表明該處奧灰?guī)r體有較強(qiáng)的富水性，在該區(qū)域容易發(fā)生突水風(fēng)險(xiǎn)[5]。

分析這三種方法的勘探結(jié)果：若均出現(xiàn)異常，則表明突水概率較大，應(yīng)采取針對性措施做好防治工作;若僅有一種方法顯示存在異常，則需要對該異常的可靠性進(jìn)行分析。通過對比可知，瞬變電磁異常區(qū)域有突水風(fēng)險(xiǎn)，在工作面開采過程中，需要采取針對性措施進(jìn)行防治。在采取綜合物探技術(shù)后，本次共施工4個(gè)鉆孔對異常區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證，鉆孔深度在50 m左右。隨著鉆進(jìn)深度不斷加大，水壓也明顯提升，已經(jīng)從最初的1 MPa提升到1.3 MPa，涌水量也在持續(xù)提升，從最初的2～3 m3/h升到15～18 m3/h。從鉆孔揭露情況和水質(zhì)地質(zhì)觀測結(jié)果可知，異常區(qū)域中出現(xiàn)奧灰水的概率明顯上升，可見具有較大的突水風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)人員采取了注漿改造的方式，向其中注入大量水泥。

在工作面推進(jìn)過程中，在距離異常區(qū)域較近的位置，技術(shù)人員再次使用瞬變電磁方法進(jìn)行勘探?？碧浇Y(jié)果表明，異常情況并沒有消除，這表明本次遇到的情況較為嚴(yán)峻，異常區(qū)也出現(xiàn)了進(jìn)一步擴(kuò)大的情況。為此，立即進(jìn)行停產(chǎn)處理，不久后在煤壁側(cè)發(fā)生了奧灰水突水，突水量每小時(shí)超過150 m3。

趙家寨煤礦本次將這三種物探方法結(jié)合起來，對整個(gè)煤層底板含水情況、地質(zhì)構(gòu)造、工作面煤層變化等情況進(jìn)行了全面分析，對這三種方法探測到的異常區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)防護(hù)。

3 結(jié)語

隨著煤礦開采深度的不斷增加，面臨的地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的探測技術(shù)在很多方面表現(xiàn)出較大的局限性，而通過采取綜合超前探測技術(shù)，可使各個(gè)探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，從而更好地提升超前探測的效果與質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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[4]許召穩(wěn)，張海軍，李永春.綜合探測結(jié)合井下超前探水在煤層掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].陜西煤炭，2013（2）：69-72.

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