煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)超前精細(xì)探測(cè)技術(shù)

朱南南，舒龍勇，張慧杰，陳曉軍

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

煤與瓦斯突出作為多因素多場(chǎng)耦合聯(lián)合致災(zāi)的典型煤巖動(dòng)力災(zāi)害[1-2]，其顯著制約著突出礦井和高瓦斯礦井的開采強(qiáng)度和采掘深度。隨著國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理研究的不斷深入[3-7]，2009年我國(guó)煤礦全面轉(zhuǎn)入“區(qū)域防突為主、局部防突為輔”的雙“四位一體”綜合防突措施階段，安全生產(chǎn)形勢(shì)逐年好轉(zhuǎn)，但煤與瓦斯突出事故仍時(shí)有發(fā)生，且呈現(xiàn)出突出瓦斯量小、中小型突出占比高等新的特征。煤與瓦斯突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶及煤層賦存急劇變化處[8-10]，為實(shí)現(xiàn)煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)探測(cè)，王選琳等[11]在打通一煤礦開展了鉆孔雷達(dá)的試用驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)的鉆孔雷達(dá)應(yīng)用研究出現(xiàn)較晚，1999年中國(guó)礦大學(xué)者黃家會(huì)等[12]首次使用鉆孔雷達(dá)對(duì)北京市郊區(qū)范各莊奧陶系灰?guī)r礦露頭區(qū)域開展了單孔反射測(cè)量；吉林大學(xué)的劉四新團(tuán)隊(duì)[13-14]在鉆孔雷達(dá)軟硬件及雷達(dá)信號(hào)的數(shù)據(jù)解釋方面開展了全面深入的研究；ZTR7.2 礦用鉆孔雷達(dá)[15-16]的成功研發(fā)實(shí)現(xiàn)了煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的精細(xì)探測(cè)，但鉆孔雷達(dá)在煤礦井下的探測(cè)研究仍相對(duì)較少，而在防突領(lǐng)域的研究幾乎空白；舒龍勇等[17-18]、朱南南等[19]提出了煤與瓦斯突出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體致災(zāi)機(jī)理，并開展了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)精準(zhǔn)辨識(shí)的理論方法與技術(shù)探索，初步研究了鉆孔雷達(dá)在突出防治中的應(yīng)用效果。

因此，基于煤與瓦斯突出的地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境特征，深入開展煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)超前精細(xì)探測(cè)技術(shù)研究，初步揭示鉆孔雷達(dá)精細(xì)探測(cè)的理論依據(jù)，深入研究煤巖介質(zhì)及其破壞區(qū)域的鉆孔雷達(dá)響應(yīng)特征，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，探索超前精細(xì)探測(cè)-隨鉆快速反演相結(jié)合的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)高效精準(zhǔn)預(yù)測(cè)技術(shù)體系。

1 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)超前精細(xì)探測(cè)技術(shù)

采用鉆孔雷達(dá)技術(shù)對(duì)煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯地質(zhì)異常體進(jìn)行了超前探測(cè)及精準(zhǔn)辨識(shí)。鉆孔雷達(dá)是于孔內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)工作面迎頭附近各種大型干擾源的有效規(guī)避，具有信噪比高、分辨率高且探測(cè)深度大等顯著優(yōu)勢(shì)。鉆孔雷達(dá)單孔反射探測(cè)時(shí)，將雷達(dá)的發(fā)射接收偶極天線連接固定后放置于探測(cè)鉆孔中并以緩慢的速度勻速推進(jìn)自動(dòng)掃描探測(cè)成像，它向鉆孔周圍360°空間發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)其遇到非均勻體（界面）時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生反射和折射，根據(jù)能量守恒定理，反射波能量等于入射波和折射波的能量之差，上一界面的折射波作為下一界面的入射波，因此，隨著電磁波向外的不斷傳播，受界面不斷反射和介質(zhì)的散射及吸收作用，入射波強(qiáng)度逐漸降低。鉆孔周圍地質(zhì)鉆孔雷達(dá)探測(cè)成像示意圖如圖1。

圖1 鉆孔周圍地質(zhì)鉆孔雷達(dá)探測(cè)成像示意圖Fig.1 Schematic diagram of geological borehole radar detection and imaging around boreholes

反射電磁波的強(qiáng)度受入射波強(qiáng)度和反射系數(shù)的共同作用，其反射系數(shù)是由介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)決定的。

式中：R 為反射系數(shù)；ε1、ε2為圍巖和有害地質(zhì)體的介電常數(shù)。

基于反射信號(hào)的時(shí)域剖面，根據(jù)孔壁反射波與異常體反射波的時(shí)間差△T，可算出異常體的深度。

式中：H 為異常體深度，m；V 為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，m/s。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的，則：

式中：C 為電磁波在大氣中的傳播速度，3×108m/s；ε 為相對(duì)介電常數(shù)，取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。

鉆孔雷達(dá)通過(guò)光纖將發(fā)射接收天線與主機(jī)相連并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示、處理分析成像。根據(jù)鉆孔雷達(dá)反射信號(hào)的時(shí)域剖面，并結(jié)合反射信號(hào)同相軸的畸變形態(tài)和缺失位置以及回波信號(hào)的雙程走時(shí)，分析計(jì)算出鉆孔周圍瓦斯地質(zhì)異常體的類型、規(guī)模及距離等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域的精準(zhǔn)辨識(shí)。理論和實(shí)踐表明，100 MHz 的雷達(dá)天線可以有效探測(cè)鉆孔周圍10～20 m 范圍內(nèi)的地層信號(hào)，因此，能夠滿足煤礦掘進(jìn)工作面精細(xì)探測(cè)的防突需求。

2 煤巖介質(zhì)鉆孔雷達(dá)響應(yīng)特征及差異

為研究煤巖介質(zhì)及其破壞區(qū)域的鉆孔雷達(dá)信號(hào)響應(yīng)特征，在平煤集團(tuán)首山一礦，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件選擇己15-17 煤層12020 風(fēng)巷底抽巷借助穿層預(yù)抽鉆孔開展鉆孔雷達(dá)精細(xì)探測(cè)試驗(yàn)。采用JL-RADAR（A）鉆孔雷達(dá)監(jiān)測(cè)儀分析軟件對(duì)原始探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行漂移歸零、剔除壞道、背景濾波、數(shù)字濾波、振幅歸一和自動(dòng)增益等操作，并得到的詳細(xì)探測(cè)結(jié)果。地質(zhì)鉆孔雷達(dá)探測(cè)圖如圖2。

圖2 地質(zhì)鉆孔雷達(dá)探測(cè)圖Fig.2 Detection diagrams of geological borehole radar

圖2（a）和圖2（b）為不同穿層鉆孔的精細(xì)探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，其呈現(xiàn)出相同的鉆孔雷達(dá)信號(hào)響應(yīng)特征。以圖2（b）測(cè)試結(jié)果為例，其測(cè)試深度17 m 左右，現(xiàn)場(chǎng)打鉆見(jiàn)巖情況表明，0～9 m 范圍為己15-17 煤層的底板巖層，9～14.5 m 范圍為己15-17 煤層，14.5～17 m 范圍為己15-17 煤層的頂板巖層。

圖2（b）中探測(cè)結(jié)果分為明顯的4 塊區(qū)域：0～2 m、2～9 m、9～14.5 m 和14.5～17 m。圖2（b）中沿鉆孔軸向0～2 m 巖孔范圍內(nèi)，信號(hào)反射強(qiáng)烈，圖2（c）給出的鉆孔深度1.0 m 處的波列數(shù)據(jù)表明，鉆孔附近較大范圍內(nèi)信號(hào)反射較為強(qiáng)烈，原因可能在于受巷道的采掘影響及鉆孔的施工擾動(dòng)該范圍內(nèi)的圍巖裂隙較為發(fā)育；圖2（b）中沿鉆孔軸向9～14.5 m 煤孔范圍內(nèi)，信號(hào)反射強(qiáng)度次之，對(duì)比圖2（e）給出的鉆孔深度11.8 m 處的波列數(shù)據(jù)，可以看出，鉆孔附近一定范圍內(nèi)存在較為強(qiáng)烈的反射信號(hào)，在遠(yuǎn)離鉆孔的區(qū)域存在穩(wěn)定微弱的波動(dòng)，原因可能在于受鉆孔施工和應(yīng)力集中影響，鉆孔周圍煤體孔隙裂隙發(fā)育，但破壞程度和破壞范圍均相對(duì)減小，引起局部區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)烈反射，而在遠(yuǎn)離鉆孔的原巖區(qū)域，煤體雖未受到應(yīng)力破壞但其作為多孔介質(zhì)，孔隙裂隙均有發(fā)育，引起微弱且穩(wěn)定的信號(hào)反射；圖2（b）中沿鉆孔軸向2～9 m 和14.5～17 m 巖孔范圍內(nèi)，反射信號(hào)非常微弱，對(duì)比圖2（d）和圖2（f）給出的鉆孔深度4.8 m 和15.4 m 處的波列數(shù)據(jù)，可以看出，僅鉆孔附近較小范圍內(nèi)存在較為微弱的反射信號(hào)，遠(yuǎn)離鉆孔的原巖區(qū)域幾乎無(wú)反射存在，原因可能在于受鉆孔施工和應(yīng)力集中影響，但巖體較為堅(jiān)硬，鉆孔周圍裂隙發(fā)育程度和范圍更小，引起更小區(qū)域內(nèi)更弱的信號(hào)反射，而在遠(yuǎn)離鉆孔的原巖區(qū)域，巖體未受應(yīng)力破壞且較為致密均勻，基本無(wú)反射信號(hào)。

綜上所述，在裂隙發(fā)育區(qū)，鉆孔雷達(dá)信號(hào)反射強(qiáng)烈，且裂隙越發(fā)育，信號(hào)反射越強(qiáng)；在完整的多孔介質(zhì)煤體內(nèi)存在微弱且穩(wěn)定的反射信號(hào)；在完整的致密均勻巖體內(nèi)，反射信號(hào)微弱，幾乎沒(méi)有。因此，通過(guò)反射波振幅可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖介質(zhì)及裂隙發(fā)育區(qū)的判別。

3 突出危險(xiǎn)超前精細(xì)探測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)概況及測(cè)試方案

首山一礦井田位于許昌市襄城縣紫云鎮(zhèn)西南，平頂山市北東。井田主體構(gòu)造為軸向320°的寬緩背斜（白石山背斜），地層傾角一般在8°～20°之間，斷層較發(fā)育。2006 年礦井共發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象2次，后期經(jīng)鑒定首山一礦為煤與瓦斯突出礦井，其中己15-17 煤層為突出煤層，厚度較為穩(wěn)定，在4.11～6.5 m 之間，平均5.3 m；煤層傾角較為穩(wěn)定，一般在3°～12°，平均7°。

根據(jù)己15-17 煤層的采掘部署及工程試驗(yàn)條件，選擇己15-17-12110 機(jī)巷作為試驗(yàn)考察地點(diǎn)。在己15-17-12110 機(jī)巷掘進(jìn)面迎頭，借助區(qū)域驗(yàn)證超前鉆孔，開展鉆孔雷達(dá)超前精細(xì)探測(cè)試驗(yàn)；另外，借助施工的區(qū)域驗(yàn)證鉆孔，采用煤層瓦斯含量和壓力快速測(cè)定儀（CWH200）實(shí)現(xiàn)瓦斯含量及瓦斯壓力的隨鉆檢測(cè)快速反演，同時(shí)，采用煤與瓦斯突出參數(shù)預(yù)測(cè)儀（YTC-10）測(cè)定突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)K1值和△h2。試驗(yàn)裝備及鉆孔布置圖如圖3。

圖3 試驗(yàn)裝備及鉆孔布置圖Fig.3 Test equipments and borehole layout

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)效果分析

在12110 機(jī)巷掘進(jìn)面迎頭借助區(qū)域驗(yàn)證超前鉆孔，開展鉆孔雷達(dá)超前精細(xì)探測(cè)試驗(yàn)，12110 機(jī)巷工作面鉆孔雷達(dá)探測(cè)圖如圖4。

圖4（a）為2020 年8 月8 日0 點(diǎn)班的測(cè)試數(shù)據(jù)，橫軸為鉆孔深度，38 m 左右；縱軸為探測(cè)半徑，精準(zhǔn)探測(cè)距離達(dá)到11 m。分析認(rèn)為：鉆孔徑向，信號(hào)衰減正常，無(wú)明顯異常反射信號(hào)；鉆孔軸向，反射信號(hào)同相軸連線連續(xù)且與鉆孔近似平行，無(wú)明顯異常同相軸存在；整體無(wú)明顯異常信號(hào)，因此，鉆孔周圍介質(zhì)均質(zhì)性相對(duì)較好，未見(jiàn)明顯構(gòu)造。

圖4（b）為2020 年8 月16 日8 點(diǎn)班的測(cè)試結(jié)果，探測(cè)深度60 m 左右。整體上沿鉆孔軸向，反射信號(hào)同相軸連線在35 m 以里消失，探測(cè)結(jié)果分為明顯的2 個(gè)區(qū)域：在鉆孔軸向0～35 m 范圍內(nèi)，反射信號(hào)分布正常，無(wú)地質(zhì)構(gòu)造存在。

由圖4（c）可以看出，鉆孔附近信號(hào)反射較為強(qiáng)烈，隨著距鉆孔距離的逐漸增大，反射信號(hào)表現(xiàn)出微弱且平穩(wěn)的波動(dòng)特性，其符合多孔介質(zhì)煤體信號(hào)響應(yīng)特征；而在鉆孔軸向35～60 m 范圍內(nèi)，基本無(wú)反射信號(hào)存在，說(shuō)明無(wú)地質(zhì)構(gòu)造存在，鉆孔深度59.2 m 處的波列數(shù)據(jù)表明（圖4（d）），僅鉆孔附近較小范圍內(nèi)存在微弱的信號(hào)反射，而在遠(yuǎn)處區(qū)域幾乎無(wú)反射信號(hào)存在，其符合致密完整巖體的信號(hào)反射特征。

圖4 12110 機(jī)巷工作面鉆孔雷達(dá)探測(cè)圖Fig.4 Borehole radar detection diagrams of 12110 machine roadway working face

整體上，掘進(jìn)面前方60 m 范圍內(nèi)，無(wú)異常地質(zhì)界面存在，但0～35 m 范圍和35～60 m 范圍內(nèi)分布著不同屬性的介質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域驗(yàn)證超前鉆孔施工揭露情況，鉆孔深度0～35 m 范圍為多孔介質(zhì)煤體，35～60 m 范圍內(nèi)為堅(jiān)硬致密的巖體。另外，相關(guān)研究表明[20]：煤巖介質(zhì)的劇烈變化部位往往伴隨著局部的高應(yīng)力區(qū)和低應(yīng)力區(qū)以及較大梯度的應(yīng)力分布，同時(shí)引起局部的高彈性能聚集區(qū)和高瓦斯內(nèi)能富集區(qū)。根據(jù)超前精細(xì)探測(cè)結(jié)果，推測(cè)鉆孔深度30～35 m 范圍為突出危險(xiǎn)區(qū)。

12110 機(jī)巷突出危險(xiǎn)性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如圖5。圖5 給出了區(qū)域驗(yàn)證超前鉆孔施工后煤巷掘進(jìn)的35 m 范圍內(nèi)，即2020 年8 月17 日至2020 年8 月23日，突出預(yù)測(cè)指標(biāo)瓦斯壓力p、瓦斯含量W、突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)K1值和△h2的隨鉆測(cè)試結(jié)果。

圖5 12110 機(jī)巷突出危險(xiǎn)性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of outburst risk index of 12110 machine roadway

在2020 年8 月23 日之前，煤層瓦斯含量與壓力的快速反演結(jié)果以及鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的隨鉆測(cè)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定波動(dòng)，均未超過(guò)臨界值；2020 年8 月23日，在對(duì)鉆孔雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)的30～35 m 煤體進(jìn)行日常預(yù)測(cè)時(shí)，煤層瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)雖未超過(guò)臨界值，但均有所增大，瓦斯壓力反演數(shù)據(jù)為0.87 MPa，超過(guò)臨界值0.74 MPa。因此，隨鉆檢測(cè)快速反演結(jié)果表明鉆孔雷達(dá)超前探測(cè)的30～35 m范圍為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。

瓦斯地質(zhì)異常體超前精細(xì)探測(cè)結(jié)果和煤層瓦斯參數(shù)隨鉆快速反演數(shù)據(jù)均表明掘進(jìn)面前方30～35 m范圍為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)，因此，礦方應(yīng)按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》的要求采取局部防突措施，確保采掘作業(yè)的人員安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）根據(jù)鉆孔雷達(dá)單孔探測(cè)反射信號(hào)的時(shí)域剖面，分析其反射信號(hào)同相軸的畸變形態(tài)和缺失位置以及回波信號(hào)的雙程走時(shí)，揭示出鉆孔周圍瓦斯地質(zhì)異常體的類型、規(guī)模及距離等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)的超前精細(xì)探測(cè)。

2）在裂隙發(fā)育區(qū)，鉆孔雷達(dá)信號(hào)反射強(qiáng)烈，且裂隙越發(fā)育，反射信號(hào)越強(qiáng)；在完整的多孔介質(zhì)煤體內(nèi)，存在微弱且穩(wěn)定的反射信號(hào)；而在完整的致密均勻巖體內(nèi)，反射信號(hào)非常微弱，幾乎沒(méi)有。

3）煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)超前精細(xì)探測(cè)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)面前方介質(zhì)分布的精細(xì)探測(cè)，結(jié)合煤層瓦斯參數(shù)隨鉆快速反演技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)的精準(zhǔn)辨識(shí)，為煤與瓦斯突出的高效精準(zhǔn)預(yù)測(cè)提供了技術(shù)支撐和裝備保障。