煤矿井下综合物探超前探测技术与应用

1、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

2、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

3、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。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

4、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

5、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)。图1某煤矿底板水垂直导升探测成果图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

6、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

7、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5

8、4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。图2原软件处理结果（a）和改进后软件处理结果（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、5060 爪；炮震结果图3显示有两个异常层位 分别位于2030爪、5060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

9、位为主要 异常。图3探测速度曲线图a、b一插击探测结果；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2030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；2030爪异常层位京尤是 这条走向断层引起的；5060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

10、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106112爪。3处低阻 异常中以3号低阻

11、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。4井下综合探测技术应用井下瑞利波和直流电法是矿井超前探 测普遍采用的重要勘探方法，在防治水、预 测掘进面前方地质构造、预防瓦斯突出等方 面发挥着越来越大的作用。为了提高探测的 精度，可以采用多种方法联合探测，互相验 证，减少多解性。庇山矿二-11091工作面是该矿首个综采工 作面，其切眼以外（东60100爪有一落差 1535爪的正断层54,先期地面勘探确定 断层走向118，倾向208，断层控制较为

12、可 靠。根据该断层参数及其错断层位，分析其 应为导水断层。为保证该工作面安全回采， 利用中煤科工集团西安研究院的7 丁尺瑞 利波探测仪和032八）高分辨电法仪进行超 前探测力求查明巧4断层距离切眼的确切距 离及其导水性。限于庇山矿二-11091工作面地质条件， 现场煤壁完整性极差，因此在二-11091工作 面切眼内第5个导线点附近仅布置一个瑞 利波探测点。经瑞利波数据资料处理后，得 到庇山矿瑞利波探测成果图（图6。根据已 知地质资料，巧4断层距瑞利波探测点的距 离约为80爪，而图6中存在两个相对较明 显且稳定的波峰，其中一个波峰位于曲线65 75爪处，该波峰对应位置可能就是巧4 断层距离切眼的

13、真实距离；另一个波峰位于 曲线对应2030爪处，根据已有地质资料 推测，该异常是岩性分界面。图6庇山矿瑞利波探测结果图50 50 Q UQ I - -4.- 4S-.经资料解释得出，在测点往前60爪处 煤岩体内，有一个高阻异常反映，因此推测 该高阻异常可能是对断层的反映，且该断层 裂隙带含水性弱。综合分析瑞利波和井下高 分辨电法探测资料，获得综合物探成果图7图7综合物探成果图结合瑞利波超前探测65 75爪处和 高分辨电法超前探测 60爪处存在对断 层的反应，推断F54断层距二-11091工 作面切眼的最近距离为60爪，F54断层 在切眼附近的走向为108.6。(原有资料 断层走向118。)，但

14、大体位置基本一 致。高分辨电法探测结果表明，巧4断层在切眼附近段含水性弱，与原资料提 供的该断层为含、导水断层结论不一致。庇山矿根据物探资料，对巧 4断层的位置和导 水性作了重新评价，并实 施了打钻验证。回采中，采面综出水量一直稳定在10m3/h左右，没有出现水 量增大现象。验证结果表明，依据瑞利 波探测和高分辨电法综合物探成果，不 但节省了钻探工程费，提前了采面回采 开工日期，而且也保证了该采面的安全， 产生了明显的经济效益。5结语井下物探方法由二维向三维发展， 实现三维立体探测，这将对提高地质解 释精度、精确定位具有十分重要的意义。井下物探技术正在向综合性、多方 法、多参数联合方向发展。如果与现有 地理信息系统技术有机的结合起来，建 立多元集成信息系统，必将为煤炭资源 高产、高效、安全开采提供地质保障和 技术支持。随着电子技术的飞速发展，应用虚 拟仪器和人工智能技术，开发研制多功 能、高精度、轻便智能型仪器，也将是 今后的发展方向。参考文献【1】董书宁，靳德武，冯宏.煤矿防治水实用技术及装备几煤炭科学技术，2008 36(3： 8-11.【2】张泓，夏宇靖，张群，等.深层煤矿床开采地质条件及其综合探测一现状与问题I煤田地质与勘探，2009 37(1: 1-11.【3】贾建称，陈健，柴宏有等.矿井构造研究现状与发展趋势几煤炭科学技术