煤矿井下掘进工作面超前物探技术分析_马伯华.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月进入2 1世纪以来，煤炭工业蓬勃发展。尽管近年来煤炭消费量有所下降，但到2 0 2 5年煤炭能源占比仍将保持在5 5%以上。总之，煤炭将继续成为支撑国民经济持续快速发展的基础。然而，中国的煤层埋藏较深，地壳应力较高，坡度变化较大，探测难度大，给煤矿的开采掘进带来很多困难。煤炭行业作为传统的高风险行业，安全隐患依然严重，事故频发，容易引起地下巷道突水，地表塌陷，道路、建筑物以及其他基础设施的沉降等多种问题。因此，如何消除复杂的采矿环境条件、安全高效的采矿实践与绿色采矿之间的矛盾是中国产业结构转型升级发展战略的需求。为避免人员伤亡和财产损失，超前物探技术受到煤矿企业的重视，针对地下的超前探测主要有煤层底板突水的评估、顶板砂岩中富水区的监测、采空区划定以及现场监测顶底板岩石的稳定性等。超前物探技术的发展对煤矿安全有效地开采具有重大的意义。1井下物探技术的特点科技的发展使矿井的物探技术更新速度非常快，利用物探技术可以非常准确地监测出煤矿井下复杂的地质情况，从而使得煤矿掘进工作安全进行。煤矿井下的物探技术主要有以下特点：a)准确度比较高。在开采中使用最先进的机械设备，通常情况下，需要将误差控制在5%以内。b)探测的范围在扩大，能够探测到煤层中的各种岩石、煤层厚度以及断层、稳定性等。c)投入的成本较低且安全。物探技术的发展，不仅可以节约时间和资金，还可以减少安全隐患。d)物探技术的种类多。探测技术并不是单一的，可以用不同的物探技术解决地质问题。2井下超前物探技术基本原理超前物探技术是通过结合钻井和地球物理勘探方法预测煤层中的潜在危险区，通常，这些区域位于采煤工作面前面或采煤前的煤层中。常用的超前物探技术有地震波探测技术、瞬变电磁探测技术和直流电法探测技术1。这三种技术因施工方便、对有限地下空间的适应性强而得到广泛的应用。2.1地震波探测技术地震波探测属于反射地震波勘探范畴，由震源激发的地震波在向下或向前传播时遇到波阻抗差异界面，比如岩石破碎带、断层等，一部分信号通过折射进入介收稿日期：2022-09-07作者简介：马伯华，1984年生，男，河北保定人，工程师，主要从事地球物理勘探工作。煤矿井下掘进工作面超前物探技术分析马伯华（山西省煤炭地质水文勘查研究院有限公司，山西 太原0 3 0 0 0 6）摘要：煤矿井下掘进的过程中会存在一些潜在的安全隐患。为了保证开采的顺利进行，需要合理科学地采用超前物探技术，了解掘进前方的地质分布情况。具体介绍了三种超前物探技术，分别是地震波探测技术、瞬变电磁探测技术和直流电法探测技术。这三种超前物探技术可以互相补充，互相结合，准确地判断矿井前方岩石的具体分布情况以及含水量。同时，施工中也需要结合超前钻探技术，根据具体的施工面制定施工方案。关键词：煤矿；掘进工作面；超前物探技术；超前钻探中图分类号：T D 1 5文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 1 5 8-0 3Advanced Geophysical Prospecting Technology for Driving Face of Underground Coal MinesMA Bohua(Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrology Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,Shanxi,China)Abstract:In the process of underground coal mine excavation,there will be some potential safety hazards.In order to ensure thesmooth mining,it is necessary to reasonably and scientifically adopt advanced geophysical prospecting technology to understandthe geological distribution in front of the excavation.This paper introduced three advanced geophysical prospecting technologies,namely seismic wave detection technology,transient electromagnetic detection technology and direct current method detectiontechnology.These three advanced geophysical exploration technologies can complement and combine with each other to accuratelyjudge the specific distribution of rocks and water content in front of the mine.At the same time,it is also necessary to develop aconstruction plan according to the specific construction face in combination with the advanced drilling technology.Key words:coal mine;driving face;advanced geophysical prospecting technology;advanced drilling（总第2 1 0期）技术研究1 5 8 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0192 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月质中，另一部分信号被反射，当信号反射以后会被地震检波器接收，而反射波的强度、传播时间等都与反射界面的性质和位置等有关2-3，可以利用反射波的特征判断煤矿掘进工作面前方的采空区、岩石破碎带以及断层等分布情况。2.2瞬变电磁探测技术多通道瞬变电磁法（M u lti-T ra n s ie n tE le c tro m a g n e ticM e th o d，M T E M）为煤矿井下具有瓦斯、煤尘爆炸性危险环境中探测含水层和导水层地质小构造而设计的勘探方法，巷道掘进时，用来勘探工作面巷道的具体情况，做好巷道掘进前的预测工作，确保巷道快速、安全掘进，有效遏制煤矿重特大事故的发生。M T E M 也称为“时域电磁感应法”或“过渡过程法”，根据的是岩石不同的导电特性，它的工作原理是采用不接地回线或接地线源两种方式向探测目标物发射电流，将电流脉冲波形发射到地下（简称“一次场”），激发物体产生涡流，一次场消失后，导电体中的这个涡流也不会随着一次磁场的消失而立即消失，而是有一个过渡过程；随后将产生一个向地下传播的衰变感应电磁场（二次场），通过在接收线圈或者接地电极上观测到的二次场得到随时间的变化和剖面曲线特征。由于地下介质的结构、含水率、规模等因素不同，二次感应电磁场的衰减特性不同，通过计算程序可以得到电阻率反演伪剖面图，进而判断地下介质的性质和空间分布格局。场源变化规律与地下岩石的电导率密切相关，地下介质电导率越高，衰减速度越慢，感应电位幅值越大，反之亦然3-5。研究表明，根据二次磁场衰减率的一般规律可以很好地监测目标情况。该方法的勘探距离可达1 0 0m 以上，对含水构造非常敏感，在监测地层中的含水量方面具有方向性、灵活且对水敏感，但由于设备关闭时间的原因，在勘探区浅部（轴线0 1 0m）存在盲区5。瞬变电磁法测量原理图如图1所示。TEM.瞬变电磁法。图 1 瞬变电磁法测量原理示意图2.3直流电法探测技术煤矿直流电法通过单极-偶极电阻率法进行超前探测，属于一种全空间的勘探技术，通过研究掘进头前方的地质变化规律，推测前方围岩构造及含水情况。该技术基于全空间条件下岩石的电性差异，利用全空间电场理论对煤矿相关地质问题进行处理和解释。工作面超前勘探的直流方法包括直流三电极法、直流聚焦法和直流诱导极化法。基于观测系统的差异，中国学者提出采用直流三电极探测方法。图2所示为三极超前探点电源电位及电力线分布图。图2中，A和B均为发射电极，M 和N 均为测量电极，A 极到B极的距离为3 0 0 5 0 0m，由于B极对巷道测量电极处电场分布的影响可以忽略不计，测量电极处的电场分布可以看作以A 极为中心的点源的电场分布4，6。电场之所以呈全空间分布，是因为供电电极位于巷道内。图 2 三极超前探点电源电位及电力线分布图图3为三极超前交汇探测示意图，其中，A1，A2和A3为在工作面中设置的三个不同供电电极，测量电极M，N 测出的信号分别随，和处体积的变化而变化，若掘进工作面有地质异常体，电极M，N 处测出的电位差就会有变化，并根据三极超前探测技术来确定特殊地质状况的具体位置6。图 3 三极超前交汇探测示意图3煤矿井下掘进的施工方案根据煤矿具体地质构造和水文分布情况，必须结合先进的探测技术，才能使正常施工完全符合煤矿巷道施工方案。其中，先进的钻探技术和物探技术可以有效保障施工的安全和质量。3.1超前钻探方案在煤矿中使用新型的全液压钻机，此类型设备具有钻孔效率高、辅助工作时间短及钻机利用率高等优势，因此，在煤矿中使用的范围比较广泛。在探测的TEM 管观测测线涡流导体一次场；二次场无穷远 BMNA含水异常BN3M3N1A1A2A3N2M2M1马伯华：煤矿井下掘进工作面超前物探技术分析1 5 9 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月过程中，钻机间距不能超过2 0 0m，在硬度比较大的岩石间进行钻探是比较困难的，当煤矿井下的倾斜角度比较大时，会使施工的难度增加。同时，在外围、警示区域等进行钻探时，必须用定向管理的方法确保施工人员的安全。利用超前钻探技术进行钻探施工时，采用扇形分布方式，两个煤柱间距离不能超过3 0m，两个钻孔间距离不能超过3m1-2，7。3.2回采工作面超前探测在对巷道进行施工的过程中，可以确定施工的位置处于回采工作面，首先可以利用无线电波探测技术了解特殊地质范围，再通过瞬变电磁探测技术进行探测，最后运用钻探技术对特殊地质区域进行施工，通过以上技术可以确定特殊地质区域的实际情况。对钻孔进行监测时，每一组钻孔之间需要相隔1 0m，并且每组钻孔数要在3个以上（包含3个），与此同时，监测的位置需要设置在距离特殊地质区域5 0m 处。施工作业中要采用双车道钻进技术，以确保在同一个工作面中钻孔之间的距离在1 0m 内8，当完成物探和钻探的工作后，需要检验并总结施工经验。3.3掘进工作面超前探测对工作面的前半部分进行钻探施工时，使用的超前探测方法是直流电法。在作业过程中需要将所有的孔长度设置在1 0 0 1 2 0m 范围内，这样既可以避免出现浮式钻井的情况，又可以保证钻井的质量9。当钻井施工完成以后，相关质检部门需要检验其钻井效果，以确保钻探施工的结果可以达到预期的标准。但是如果在施工作业中发现有特殊地质段的存在，需要采用加密方案和措施进行探测和勘察，最后制定合理科学的解决方案，以确保煤矿开采顺利且安全地进行。另外，在钻探施工完成以后，随时监测掘进工作面的抗水能力。3.4实际应用中应该注意的问题矿井直流电法在勘探区浅部分辨率高，对水敏感度高。但是，如果地电异常在随机方向上叠加，并且巷道不导电，则产生的地电场将是不均匀且复杂的。地电异常很难定位，因为其他方向的低电阻率异常可能被误认为在掘进工作面的前面。瞬变电磁探测技术虽具有方向性且对水敏感，但在巷道中钢轨、螺栓、电气设备等强干扰下，提取有效信号并不容易。此外，M T E M 放大了低电阻率异常的体积，导致监测点偏离实际位置。使用单一的物探方法总是有一定的局限性，综合利用几种超前探测技术可以从不同