浅谈巷道掘进超前探测技术的应用.pdf

收稿日期２０１８－０７－１０作者简介张军（１９９０），男，山西轩岗人，２０１３年毕业于中北大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，现从事煤矿安全相关工作。浅谈巷道掘进超前探测技术的应用张军（大同煤矿集团安全监管五人小组管理部，山西原平０３４１００）摘要矿井水害是制约煤矿安全高效生产的主要地质灾害之一，对其进行预测和预防有着非常重要的意义。分析了瞬变电磁法、直流电法的技术手段和应用特点，以同煤集团下属某矿井为例，以瞬变电磁法、直流电法同时进行探查作业，并对２种方法得出的数据进行分析。实证结果表明，这２种方法都可以有效判断煤矿井下富水区域位置，数据重合位置相对富水性区域几率较大，为掘进工作提供指导。在应用时，可以利用两者结合的综合物探技术，既提高探测的精度，又通过互相验证提高了探测可靠性。关键词矿井水害；物探；瞬变电磁法；直流电法；富水区中图分类号ＴＤ２６３．２文献标志码Ｂ文章编号１６７１－７４９Ｘ（２０１９）０３－０１７２－０３ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｄｖａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｒｏａｄｗａｙｄｒｉｖｉｎｇＺＨＡＮＧＪｕｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＳａｆｅｔｙＳｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ，ＤａｔｏｎｇＣｏａｌＭｉｎｅＧｒｏｕｐ，Ｙｕａｎｐｉｎｇ０３４１００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＭｉｎｅｗａｔｅｒｈａｚａｒｄｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｈａｚａｒｄｓｔｈａｔｒｅｓｔｒｉｃｔｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｍｉｎｅ．Ｉｔｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｐｒｅｄｉｃｔａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｍｉｎｅｗａｔｅｒｈａｚａｒｄ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅａｎｓａｎｄａｐｐｌｉｃａ  ｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．ＴａｋｉｎｇａｍｉｎｅｏｆＤａｔｏｎｇＣｏａｌＧｒｏｕｐａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｗｏｒｋｓｉｍｕｌｔａ  ｎｅｏｕｓｌｙ，ａｎｄｔｈｅｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｊｕｄｇｅｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒ  ｒｉｃｈａｒｅａｉｎｃｏａｌｍｉｎｅ，ａｎｄｔｈｅｄａｔａｏｖｅｒｌａｐｐｏｓｉｔｉｏｎｉｓｍｏｒｅｌｉｋｅｌｙｔｏｂｅｒｅｌａｔｉｖｅｔｏｗａｔｅｒ  ｒｉｃｈａｒ  ｅａ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎｗｏｒｋ．Ｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｔｈｒｏｕｇｈｍｕｔｕａｌｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍｉｎｅｗａｔｅｒｈａｚａｒｄ；ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄ；ｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｗａｔｅｒ  ｒｉｃｈａｒｅａ０引言矿井水害是煤矿最为需要预防的井下地质灾害之一，严重制约煤矿正常安全生产秩序［１］。我国大部分煤矿仍以井工开采为主，并且开采规模和深度日益加大，作业环境也日益复杂，井下发生突水、淹井、透水事故发生几率更加频繁，同时危害也十分严重，仅２０１７年为例，全国共有４起造成人事死亡的井下透水事故，分别为湖北省襄阳市保康县某磷矿、河南省三门峡市峡州某铝矿、山西省太原市清徐县某煤矿及甘肃省白银市平川区某煤矿，死亡人数１８人。如何通过矿井突水预测和预报技术有效对井下作业提供指导对煤矿安全生产具有十分重要的意义。因此，为避免井下突水、透水事故的发生，地球物理工作者根据井下地质水文情况针对井下作业环境及时、有效、精确的做出地球物理预测、预报技术。２７１张军浅谈巷道掘进超前探测技术的应用２０１９年这就对相关工作人员在矿井地质水文理论、水害预测技术以及水害防治与控制技术等方面的研究十分迫切，十分具有经济与社会价值。１突水形成矿井突水事故发生受矿井地质环境和采动变化影响，通常水源为煤层中下覆层承压水或者已采工作面采空区积水，隔水层、防水煤柱破坏后，导水通道形成后水源进入工作面造成涌水量增加进而发展成为水害，进入方式受隔水层破坏形式影响，发生形式分为突发、缓发和滞发３类。井下突水的形成通常与矿井地质环境和水文情况有关，如地质构造、矿压、水压、含水层隔水层厚度。大同煤田地区的煤系底层基底基本为太原组灰岩或奥陶系灰岩，该类环境内含水层的特点为富水性强、水压大、隔水层薄，同时区域内易发育有陷落柱。通常情况下灰岩水通过裂隙带和岩溶陷落柱作为通道自煤层底板涌入矿井。矿井突水、透水事故发生造成生命和财产损失十分严重，同时一旦发生影响范围大并且不易控制，严重影响矿井的正常生产秩序，即使恢复生产也会埋下许多不易察觉的生产隐患。目前主要的井下突水预测技术为矿井瞬变电磁法和矿井直流电阻率成像技术［２  ４］。２物探方法简介２．１瞬变电磁法瞬变电磁法通过不接地回线或接地线源形成电磁脉冲，将电磁脉冲导入地下形成脉冲磁场，脉冲冲磁场衰减周期内存在二次涡流场，可通过线圈或接地线源进行观测［５  ６］。电磁脉冲的形成是通过不接地回线或接地线源等发射线圈形成波状电流，发射后就会在介质空间内构成磁场，而地下的导电岩矿体会在自身产生感应电流，脉冲停止后，岩体中的感应电流开始伴随热损耗进行衰减，根据衰减特征将衰减阶段划分为早期、中期和晚期。可通过测量出的磁场内岩体感应电流衰减规律判断不同深度的地电特征。如在井下工作面进行超前探测，工作面内需要设置电磁发射线框和接收装置，发射线框向不同岩层传播电磁信号形成涡流场，断电后形成二次场内的感应电位由接收装置观测，通过感应电位变化状况判断被测岩层内电性变化情况。瞬变电磁法在进行超前探测过程中，测量范围约为１００ｍ，受一次场和关断时间影响会在中浅部出现约２０ｍ的探测盲区，为此根据探测结果掘进推进距离每次不宜超过８０ｍ。在实际施工过程中为了保证施工作业与物探作业协调一致，根据瞬变电磁法探测结果进行的作业会预留３０ｍ的安全作业距离，即巷道掘进或井下探水钻孔作业通常施工探明岩体的７０ｍ距离。电磁探测法探测过程测点一般位于巷道迎头，为了探测结果更加全面，测量需要对迎头不同角度进行数据测试。作业时发射及接收天线自巷道迎头左侧开始，并且两天线法线与左侧面垂直，测试角度自３０向９０旋转，每转１５进行一次测试，转向至垂直于巷道迎头面时并按照迎头断面宽度设置２～３个测点；随后自巷道右侧进行测试，测试过程由天线法线与侧面垂直角度开始，由９０旋转至３０进行测试，每转１５进行一次测试。瞬变电磁勘探的目的是探测掘进巷道迎头方面及底板６０ｍ范围内的水文地质情况，在对底板进行的探测应适当进行加密探测。同时由于瞬变电磁法特有体积效应，能对相对被探测方向３０内的锥形面内低阻信息进行收集。为了得到掘进头前方岩体的实测剖面结构，需要测试过程中通过移动发射、接收线圈进行多处测试，通过调整各个发射点的天线法线与巷道底板间夹角改变测量位置，通常包含巷道迎头前方顶板３０、水平、底部３０、６０这４个方向。２．２直流电法直流电法通过单极－偶极电阻率法进行超前探测，将被测空间假设为一均匀介质，空间有供电电极Ａ及与其相隔无穷远处的供电电极Ｂ，两者最终在空间形成球型的等电位面，检测２个不同被测电极Ｍ、Ｎ之间的电位差，该差值为岩体的综合电性响应［７  ８］。被测空间的异常体由于与周围环境介质不同，导电性能不同，异常体规模较大并且测量位置得当，测量过程中异常体与周围介质边界就会形成明显电位差异，通过检测设备及相关计算能够发现明显的电位边界异常。不过直流电法受到自身方法和作业空间环境影响，也具有一定的局限性。各岩、煤巷道及采空区为不导电空间，导致使用矿井电阻率法测量的全空间稳恒电流场分布规律复杂，矿井电阻率法处理和解析数据过程中需要通过考虑井巷分布空间结构和电流场空间分布趋势，从３７１第３期张军浅谈巷道掘进超前探测技术的应用而数据不易处理。该方法进行数据采集过程受到作业空间影响，作业过程中只能进行巷道单一方向进行，尤其进行巷道超前探测时局限性更为明显，无法将数据构成三维数据体。该方法缺点在于操作工作量大，相对效率低下，作业过程会影响作业范围内的正常生产活动。３应用实例以同煤集团下属某矿井为例，以瞬变电磁法、直流电法同时进行探查作业，并对２种方法得出的数据进行分析。在某矿井北翼皮带巷在巷道掘进过程中，以北翼４点＋６５ｍ为基点对该巷道迎头正前方及顶、底板处地质情况进行探测。根据相关探测原则，探测过程自巷道正中心对巷道迎头进行各个角度的探测，探测自迎头左侧１３５自垂直迎头方向，再从垂直迎头方向转向迎头右侧４５位置，并且各测点在测试过程中分别沿顶板与水平３０、水平顺层方向、底板与水平３０夹角３个方向各自测量数据，进行到巷道迎头正中心位置时，测量角度可增至＋４５和－４５位置，最终根据数据绘制纵剖面。瞬变电磁法进行探测于迎头顺层位置发现大约６０～８４ｍ处出现视电阻率偏低，顶板３０处探测结果显示迎头约６２～８５ｍ处视电阻率偏低。使用“ 三点源法” 进行该巷道的直流电法探测，供电极设置在距离巷道迎头后１４ｍ处，３个供电极Ａ１、Ａ２、Ａ３应间隔布置，每４ｍ设置一个电极。测试电极Ｍ、Ｎ电极设置在巷道后方并以４ｍ为间隔进行移动测量，无穷远电极Ｂ应与巷道迎头位置相距３００ｍ以上。根据“ 三点源法” 测试结果显示巷道迎头前方６４～７８ｍ视电阻率偏低。图１综合物探结果与实际钻探结果对比图图１为综合物探结果与实际钻探结果对比图。由瞬变电磁法和直流电法测量显示结果，汇总数据得出大约距离巷道迎头６０～８４ｍ的顺层及顶板位置为相对富水异常区，数据重合位置相对富水性区域几率较大，结合该矿区域内的水文地质资料可以推断２＃煤层顶板Ｋ２砂岩存在裂缝富水。北翼皮带巷北翼４点＋６５ｍ实际掘进到６２～７６ｍＫ２岩层位置开始出现涌水现象，涌水量约为２０ｍ３／ｈ，与综合物探后数据预测位置基本一致。４结语通过结合瞬变电磁法和直流电法进行综合物探，对矿井井下作业进行超前预测，为井下水害防治工作提供了有力的技术支持。通过对比实际掘进与探测结果可以发现，探测结果精度较高，投入少、效率高，更加有效的预测矿井水文地质状况。同时可以通过钻探验证预测结果，最大程度降低矿井水害发生几率，确保矿井正常的安全生产秩序。参考文献［１］杜凯． “ 十二五” 期间我国煤矿事故起因统计分析［Ｊ］．内蒙古煤炭经济，２０１８，３６（２）１００  １０１．［２］李波．探究工程地质勘探中常用的工程物探技术［Ｊ］．哈尔滨师范大学自然科学学报，２０１７，３３（１）１１１  １１３．［３］刘志新，岳建华，刘仰光．矿井物探技术在突水预测中的应用［Ｊ］．工程地球物理学报，２００７，４（１）９  １４．［４］姜志海．巷道掘进工作面瞬变电磁超前探测机理与技术研究［Ｄ］．徐州中国矿业大学，２００８．［５］岳建华，刘树才．矿井直流电法勘探［Ｍ］．徐州中国矿业大学出版社，２０００．［６］杨豪，李皎，李瑞．钻探技术在煤矿防治水工作中的应用［Ｊ］．技术与市场，２０１８，２５（９）１３２  １３２，１３４．［７］赵俊．矿井老空与积水区物探新技术研究分析［Ｊ］．资源信息与工程，２０１８，３３（３）８６  ８７．［８］郭恒，王鹏，张振勇．综合物探技术在煤矿地质水文勘探中的应用［Ｊ］．煤矿开采，２０１８，２３（２）１８  ２１，６４．４７１陕西煤炭２０１９年

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