煤礦井下巷道“兩探結(jié)合”技術(shù)與裝備技術(shù)研究

李利青 LI Li-qing

（山西小回溝煤業(yè)有限公司，太原 030000）

0 引言

截至2021年12月，我國目前生產(chǎn)的煤礦有4700多座，其中井工礦占絕大多數(shù)。每年回采工作面近5000多個，掘進(jìn)工作面進(jìn)尺長度15000km，其中掘進(jìn)工作面是安全生產(chǎn)事故的高發(fā)區(qū)域，掘進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)對煤礦實(shí)現(xiàn)井下安全至關(guān)重要。

目前掘進(jìn)迎頭的地質(zhì)探查手段精度不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，同時探查技術(shù)的裝備智能化程度偏低，在很大程度上制約了礦井智能化的推進(jìn)，是嚴(yán)重制約著巷道安全、快速掘進(jìn)的深層原因之一。

井下巷道超前探測主要目的有：①探查掘進(jìn)前方可能的隱蔽致災(zāi)因素，例如采空區(qū)、陷落柱、斷層和含富水情況等；②探查掘進(jìn)前方煤層的賦存情況，例如煤層起伏和厚度變化。在探查上述目的中，傳統(tǒng)的直流瞬變超前、瑞雷波、地質(zhì)雷達(dá)和槽波等較為成熟的技術(shù)已經(jīng)被最新的《煤礦防治水細(xì)則》所推薦。

在多年的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)上，筆者提出了煤礦巷道安全快速掘進(jìn)下的兩探結(jié)合技術(shù)，該技術(shù)通過定向鉆探+孔中物探的綜合方式，克服了鉆探物探分離的不足，實(shí)現(xiàn)了兩探結(jié)合、快速探掘的工作方式，同時極大提高了物探的準(zhǔn)確性和探測精度，為巷道安全、快速掘進(jìn)提供可靠的技術(shù)支撐和地質(zhì)保證。

1 兩探結(jié)合技術(shù)

目前，煤礦井下巷道掘進(jìn)多采用每100m一次物探+鉆探探測，每次探測后允許掘進(jìn)70m，預(yù)留30m作為超前距，如此循環(huán)往復(fù)掘進(jìn)。該種作業(yè)方法需要單獨(dú)留出時間給鉆探和物探施工，掘進(jìn)和探測存在時間空間上的矛盾，不能并行施工。因此這種作業(yè)方式僅適合在煤礦巷道掘進(jìn)速度要求不高的礦井，傳統(tǒng)方式不再能夠適應(yīng)快速掘進(jìn)的新需求。

針對上述情況，筆者提出了煤礦巷道安全快速掘進(jìn)下的兩探結(jié)合技術(shù)，該技術(shù)通過定向鉆探+孔中物探的綜合方式，實(shí)現(xiàn)了鉆探物探一體化，解決了掘進(jìn)和探測并行的問題，極大地提高了煤礦井下巷道快速掘進(jìn)的效率要求和探測成果的精度要求。

兩探結(jié)合技術(shù)是通過在井下巷道掘進(jìn)后方設(shè)置定向鉆場，避開與掘進(jìn)空間上和時間上的矛盾，采用定向鉆探技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的超前鉆探，在定向鉆孔中使用新型物探技術(shù)裝備，探查鉆孔周邊一定范圍的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況和含富水異常區(qū)的分布情況，掩護(hù)巷道掘進(jìn)，以達(dá)到超前探測的目的。

傳統(tǒng)的短掘短探鉆孔盲區(qū)范圍大、有段探測距離短、偏移距離不可控，難以有效探測前方地質(zhì)問題。而兩探結(jié)合在探測距離和探測半徑上都能有效解決上述問題。

傳統(tǒng)的短掘短探一般每70m一次鉆探+物探超前探測，每次施工時間在1.5d。按照1000m掘進(jìn)巷道計算，短掘短探需要占用21d左右。而采用兩探結(jié)合技術(shù)后，可在不占用掘進(jìn)巷道的空間和時間上，為巷道快速掘進(jìn)爭取相當(dāng)可觀的時間成本。

兩探結(jié)合技術(shù)不僅可以應(yīng)用于巷道掘進(jìn)的超前探測，還可以用于大水礦井的疏放水孔和高瓦斯礦井的瓦斯抽放孔等工程。

2 兩探結(jié)合中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 定向鉆探技術(shù)

近年來，煤礦井下的定向鉆探技術(shù)已日趨成熟并獲得了廣泛的應(yīng)用，在水害防治、瓦斯抽采和沖擊地壓等災(zāi)害防治方面發(fā)揮了不可替代的作用。同時，煤礦井下定向鉆探裝備也已很成熟，在一些地區(qū)取得了3353m的順煤層定向鉆探世界最長紀(jì)錄。

定向鉆探一般可以施工500m以上的長鉆孔，為物探技術(shù)提供可操作的空間，同時利用頂?shù)装宓姆种Э祝梢詫γ簩雍穸群托?gòu)造的發(fā)育進(jìn)行有效的控制，最后結(jié)合多種探測成果資料，對掘進(jìn)前方的地質(zhì)情況有高精度、高可靠性的預(yù)測。

2.2 鉆孔地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)

煤礦井下傳統(tǒng)的地質(zhì)雷達(dá)分辨率可達(dá)到米級以內(nèi)，探查深度可達(dá)30-50m范圍之間，但因裝備尺寸相對較大，不能放入鉆孔內(nèi)施工，只能在巷道內(nèi)施工，但在巷道施工時又易受周圍金屬體的影響。

鉆孔地質(zhì)雷達(dá)是將原有裝備的發(fā)射和接收天線通過小型化做到可以進(jìn)入鉆孔中，向鉆孔周圍發(fā)射雷達(dá)波，雷達(dá)波在地層傳播的過程中發(fā)生反射，利用接收天線接收反射信息，并對信號進(jìn)行分析處理，可以達(dá)到對地質(zhì)異常界面的探查和識別。這種類型的地質(zhì)雷達(dá)具有分辨高、抗干擾性強(qiáng)和探查速度快等特點(diǎn)，應(yīng)用于鉆孔中又可以很好地彌補(bǔ)“一孔之見”的劣勢，是實(shí)現(xiàn)兩探結(jié)合不可缺少的有效方法。（圖2）

2.3 鉆孔瞬變電磁探測技術(shù)

傳統(tǒng)的瞬變電磁采用在巷道內(nèi)發(fā)射和接收的工作模式，鉆孔瞬變電磁是將發(fā)射接收裝置放置于鉆孔中，采用動源動接收的方式采集三分量的二次場數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的富水異常區(qū)的超前探測。

鉆孔瞬變電磁裝備是將收發(fā)線圈置于鉆孔中，受限于狹小的鉆孔空間，在一定程度上造成發(fā)射功率受限，接收線圈的磁通量偏低，同時收發(fā)線圈無法通過旋轉(zhuǎn)去探查全空間信號，因此選擇孔內(nèi)三分量接收，以實(shí)現(xiàn)全空間異常的探查和方位定向。

該裝備包括孔口同步和三分量探管組成，通過鉆機(jī)推送入孔中進(jìn)行信號采集，裝置連續(xù)工作時間可達(dá)8個小時以上，最小信號可達(dá)1uV，能夠完成500m以上的鉆孔探測要求。測量數(shù)據(jù)通過反演技術(shù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)異常的定位和三維成像，可對地質(zhì)異常進(jìn)行精確控制，為巷道快速掘進(jìn)提供地質(zhì)依據(jù)和技術(shù)保障。（圖3）

2.4 鉆孔直流電阻率探測技術(shù)

該技術(shù)與傳統(tǒng)的直流電阻率法一致，針對定向鉆孔全空間的介質(zhì)環(huán)境，建立全空間地質(zhì)模型，采用三維模型研究地質(zhì)異常的響應(yīng)規(guī)律。相對于巷道內(nèi)施工的直流電法，鉆孔中的施工需要特定的安裝輔助設(shè)備完成裝置的推送。

定向鉆孔施工退鉆后，將懸掛裝置在水壓的推動下送至孔底，并帶動孔中電極均勻平鋪于鉆孔中，隨后退出推送鉆桿。電極平鋪于鉆孔中后，即可開展數(shù)據(jù)采集工作，當(dāng)僅有1個可用鉆孔時，可進(jìn)行單孔獨(dú)立探測，當(dāng)有2個相鄰鉆孔時，在獨(dú)立測量的同時，還可進(jìn)行孔間的透視測量。

在僅有1個鉆孔進(jìn)行獨(dú)立探測時，孔中布置N個電極，從孔口向孔底依次編號，當(dāng)每個電極依次供電時，其他N-1個電極均測量電位差，最終形成單孔的原始數(shù)據(jù)記錄。在有2個相鄰鉆孔進(jìn)行透視探測時，鉆孔1的1號電極發(fā)射，鉆孔2中1號電極附近100m范圍內(nèi)電極觀測電位差信號，隨著發(fā)射電極向孔底移動，完成對應(yīng)各電極的數(shù)據(jù)采集工作。

3 兩探結(jié)合應(yīng)用實(shí)例

山西某礦井主采2、3號煤層，其中2號煤層平均厚度2.3m，3號煤層平均厚度1.8m。由于該礦地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，在大巷掘進(jìn)過程中揭露了多條斷層和陷落柱，因前期地質(zhì)探查程度不足，嚴(yán)重影響了全礦的工程進(jìn)度。因此在后續(xù)掘進(jìn)前，采用了兩探結(jié)合技術(shù)，超前對掘進(jìn)前方的構(gòu)造發(fā)育、煤層起伏和富水性進(jìn)行探查，指導(dǎo)巷道布置。

設(shè)計在工作面運(yùn)輸巷超前施工定向鉆孔，定向鉆孔布置在2、3號煤層之間，定向鉆主孔鉆探深度480m，同時施工6個分支孔用于探查煤層起伏情況，退鉆后使用鉆孔地質(zhì)雷達(dá)探查鉆孔周圍的煤巖界面變化情況，使用鉆孔瞬變電磁和鉆孔直流電阻率法探查鉆孔周圍的富水異常分布情況。（圖5）

兩探結(jié)合探測結(jié)果推斷巷道掘進(jìn)前方可能存在4個陷落柱和3條斷層，并向東部發(fā)生了較大偏擺。目前該巷道已完成掘進(jìn)，實(shí)際共揭露了4個陷落柱和5條斷層，與兩探結(jié)合探測成果高度一致，因此該技術(shù)顯著提高了超前地質(zhì)探查的精度和準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

巷道掘進(jìn)前的超前地質(zhì)探查程度是影響巷道快速掘進(jìn)的重要因素之一。常規(guī)的短掘短探技術(shù)存在諸多問題，與巷道掘進(jìn)工序存在空間和時間上的沖突，無法滿足巷道快速掘進(jìn)的技術(shù)需要。兩探結(jié)合是定向鉆探+孔中物探相結(jié)合的巷道掘進(jìn)超前探測新技術(shù)，與傳統(tǒng)方式相比具有諸多優(yōu)勢，可以邊掘邊探，實(shí)現(xiàn)長距離、高效率和高精度的超前地質(zhì)探查，滿足巷道快速掘進(jìn)的技術(shù)需求，同時具有廣泛推廣的適用性。

煤礦井下巷道的安全高效掘進(jìn)是煤礦未來智能化發(fā)展的方向。隨著各學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，兩探結(jié)合技術(shù)應(yīng)會開展隨鉆進(jìn)過程中多種物探參數(shù)采集測量，同步反饋指導(dǎo)鉆進(jìn)過程，更好地為巷道掘進(jìn)的地質(zhì)透明化提供更加精準(zhǔn)的地質(zhì)保障。