煤矿井下综合物探超前探测技术与应用

第40卷 第4期 煤田地质与勘探

Vol. 40 No.4 2012年8月

COAL GEOLOGY & EXPLORA TION

Aug. 2012

收稿日期: 2011-04-18

基金项目:国家“十一五”科技支撑计划课题(2006BAB01B11); 科研院所技术开发研究专项资金项目(2003EG122116) 作者简介:李 萍(1971—), 女, 山东曹县人, 硕士, 高级工程师, 从事地球物理勘探研究.

文章编号: 1001-1986(2012)04-0075-04

煤矿井下综合物探超前探测技术与应用

李 萍

(中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710077)

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

中图分类号：P631 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2012.04.018

Technology and application of in-advance geophysical detection in coal mines

LI Ping

(Xi ′an Research Institute , China Coal Technology and Engineering Group Corp , Xi ′an 710077, China )

Abstract: The paper introduces underground geophysical detection technology applied in coal mines, focusing on the improvement of in-advance geophysical detection techniques such as Rayleigh wave and direct current methods. In combination with the application in Qitaihe, Pingdingshan and other mines, the potential of in-advance geologi-cal prediction in underground mines was analyzed and the development orientation of in-advance underground geophysical detection technology was put forward.

Key words: coal mine; ahead detection; geological; Rayleigh wave; direct current method

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查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 m 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 m 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

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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的电阻率等值线图，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)。

图1 某煤矿底板水垂直导升探测成果图Fig. 1 Result of detection of vertical conductivity in the

floor of a mine

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 m。

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2a中可以看出，一致性较差，图2b用改进后的软件处理后一致性较好，都在18 m 处存在异常，而且由于速度曲线的加入，可以判断18 m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

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图2 原软件处理结果(a)和改进后软件处理结果(b)

Fig. 2 Result from processing with original software (a) and improved software(b)