煤矿井下综合物探超前探测技术与应用

煤矿井下综合物探超前探测技术与应用

摘要：对我国煤矿井下推广使用的地球物理探测技术进行了回顾，着重介绍了瑞利波和直流电法两种超前探测技术的新进展；结合七台河、平顶山等煤矿的应用实例，分析了煤矿井下超前地质预测的潜力，提出了煤矿井下超前探测技术的发展方向。

关键词：矿井；超前探测；瑞利波；直流电法

由于矿井开采地质条件不清，引起水害和瓦斯灾害等，常常给煤炭企业带来不可估量的经济损失和人员伤亡。煤矿井下地球物理超前探测技术借助井下的井巷及钻孔，在全空间条件下观测特定的地球物理场，结合钻探、巷探和矿井地质资料综合分析，对目标地质体进行超前预测，可为煤矿安全高效开采提供地质信息支持。

1煤矿井下超前探测技术综述

随着电子技术、信息技术、计算技术和网络技术的发展与进步，自20世纪90年代以来，综合物探手段能够为建井设计、采场布置、工作面准备和回采过程等提供逐级深入的超前地质预测信息支持，使得开采水文地质条件探査和预测的效率大幅度提高，成为煤矿井下超前探测的主要技术手段。目前，煤矿井下超前探测技术已形成了多种探测手段相结合的立体探测技术体系。矿井物探主要有弹性波构造探测和电磁法探测两大类技术。

1.1井下弹性波探测方法技术

弹性波探测技术以弹性波理论为基础，对矿井地质构造的超前探测具有针对性强和探测精度高的特点，主要有瑞利波、巷道地震超前预测技术(TSP)等。

瑞利波探测技术借助煤矿井下煤层与围岩的波阻抗差异来识别分层界面和断层位置，并用于巷道掘进工作面前方80爪范围内小构造的超前探测，如断层、裂隙带、煤层变薄等。

TSP探测技术采用反射地震勘探技术原理，通过对井巷波场分析，按照一维波动理论近似解释，可以较好地探测工作面前方断层的位置。该技术受煤层顶、底板及侧邦异常影响较大，现场条件要求较高。1.2井下电磁法探测技术

矿井电磁法探测技术以煤岩体的电性差异为基础，特别适用于含水异常体的探测，主要包括地质雷达、直流电法、音频电穿透、瞬变电磁探测技术等。

矿井地质

雷达在均质高阻体中探测掘进前方地质异常体和含水体方面取得了一定的效果，但在煤矿中由于煤系电阻率较低，层位多，使得高频电磁波衰减快，探测距离较短。

矿井直流电法以煤岩层的电性差异为基础，根据探测掘进工作面前方120爪范围内的岩石电阻率相对变化，解释探测区域内的导含水断层、大型破碎带、陷落柱、老空区等，也可探测巷道顶、底板隔水层厚度、检验注浆效果等。音频电穿透技术测量低频电场透过回采工作面的电阻率变化可探测工作面顶底板的导含水构造，圈定工作面内部隐伏的含水体位置和范围，为工作面水文地质预测预报提供依据，同时通过对采掘工作面薄弱区段隔水层厚度和完整性的探测，可指导探放水钻孔位置设计和检测注浆堵水效果等。

利用矿井直流电法进行巷道底板测深，并用音频电穿透法测量，得到回采工作面底板不同深度电阻率等值线图，可以分析工作面下方含水异常构造的展布规律，进而可以进行类三维立体探测(图1〕。

井下瞬变电磁法观测的是二次场即纯异常场对低阻体反应敏感，近年来在煤矿采区水文物探、积水老窑、采空区、奥灰水的探查方面应用较多，可以图1某煤矿底板水垂直导升探测成果图

提供深部地层富水区域以及断层、陷落柱的垂向连通关系。

以上地球物理探测技术的发展，使得现代矿井开采基本能够做到作业按计划、效率达设计、安全有保障，再结合钻探和矿井地质分析，已经初步形成了矿井开采地质保障体系的雏形。

2瑞利波超前探测技术

瑞利波探测技术是日本在公路工程地质条件探查应用中发展成熟的。1987年我国从日本引进该技术与装备后，将其稳态作业方式转变为瞬态作业方式，并于1992年移植到煤矿井下。目前，该技术主要用于石门厚度探测以及煤矿井下全方位探测既可以用于掘进头前方，也可以用于巷道侧邦、煤层顶、底板等超前探测距离提高到80爪。

瑞利波探测技术属于弹性波类的面波勘探方法，瑞利波质点的振动轨迹为沿介质表面传播的逆时针运动的椭圆。在多层介质中传播时，传播速度随频率的变化而变化，具有频散现象，并且瑞利波的传播速度与介质的物理力学特性密切相关。因此，利用瑞利波的椭圆极化特性和频散特性，由震源产生一个宽频带的地震波，以脉冲信号的形式向外传播，通过两组接收传感器采集信号，再利用频谱分析技术，把各个频率的瑞利波分离出来，得到两组信号在不同频率下传播产生的相位差，求出相应的相速度，进而绘制出该测点的频散曲线，实现下组煤深度与厚度探测、石门揭煤安全厚度探测、前方构造探测以及巷道底板隔水层厚度探测等。

2010—2011年在七台河进行了瑞利波超远距离煤层及构造探测，以新强矿五采区54层左三片侧邦探测为例，分别在2010年11月3日、11月16日和2011年1月18日进行了探测。

资料处理过程中，对处理软件进行了改进，增加了速度变化曲线，一致性有了很大提高，更有利于排除虚假异常，使探测结果更直观、准确。图 2 是新强矿五采区54层左三片侧邦探测新旧软件处理结果对比图。从图23中可以看出，一致性较差，图26用改进后的软件处理后一致性较好都在18爪处存在异常，而且由于速度曲线的加入，可以判断 18爪前的小异常由于速度变化不明显，所以认为异常不明显，可以忽略。

其次进行了震源对比试验，为提取有效信息，减少多解性提供了初步尝试。如图3所示，共布置4个测点，每次探测地点相同，井下数据采集后经计算机处理解释，并根据实际揭露情况进行了验证。

图2原软件处理结果（a）和改进后软件处理结果（b）

从锤击探测结果图33和图3的看，4个测点的速度曲线反映出3个异常层位分别位于5爪、20〜30 爪、50〜60爪；炮震结果图3显示有两个异常层位分别位于20〜30爪、50〜60爪。从两种探测手段结合两次复测结果来看，20〜30 ^和50〜60爪两个异常层位为主要异常。

图3探测速度曲线图

a、b—插击探测结果；c、d—炮震探测结果

经验证，54层左三片上邦分别在1、2、3、4 号测点掘进4条探巷在掘进过程中都发现了断层。从实际揭露断层图4来看，工作面内部20〜30爪存在一走向断层，从瑞利波探测结果来看，5爪处没有异常，通过对比也已经排除；20〜30爪异常层位京尤是这条走向断层引起的；50〜60爪异常层位是由对面空巷引起的。初步试验可以认为炮震和锤击反应的异常位置基本一致，两者可以互相印证，而且炮震资料深层反应的异常更丰富，探测距离较远。可见，改变震源是一种减少误报率的有效方法。3直流电法超前探测技术

矿井直流电法属全空间电法勘探。它以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建场，使用全空间电场理论，开展矿井水文地质条件探测。

直流电法超前探测技术，预测前方导含水构造的分布和发育情况，主要采用三点源法。该法同时在堵头后方布设3个供电点，利用在巷道后方不同供电电源所产生的电位差，经过视电阻率计算，得出不同极距的视电阻率异常。这些异常经过各种处理，在消除巷道影响、后方异常影响、侧方异常影响后，通过空间交汇，可以对前方含水异常进行准确定位。

图5是邢台某矿超前大距离探测的应用实例。超前探测到掘进头前方118爪范围内存在3处视电阻率低阻异常，分别位于人1前方58爪、77爪和 106〜112爪。3处低阻异常中以3号低阻异常区的幅值和范围相对较大，富水性较强；1号和2号低阻异常幅值和范围相对较小。揭露验证地质情况：1 号异常区为小裂隙发育并滴水；2号异常区为导水断层；3号异常区为底板鼓起，并且沿缝隙向上涌水。