矿井独头巷道掘进超前探测技术现状.pdf

第3 4 卷 第8 期 煤 炭科 学技 术 2 0 0 6 年8 月 矿井独头巷道掘进超前探测技术现状 田 劫，韩 光，吴钰晶，吴淼 中国矿业大学 北京机 电与信息工程学院 ，北京1 0 0 0 8 3 摘 要介绍 了几种适合独头巷道的超前探测技术，详述 了其勘探原理 、工作方法、国内仪器现状 及特点等，对煤矿井下掘进超前探测技术的合理选择具有一定借鉴意义。 关键词 矿井物探；掘进超前探测；矿井直流 电法 ；地质雷达 ；地震勘探 中图分类号 T D 1 6 3 文献标志码 B 文章编号 0 2 5 32 3 3 6 2 0 0 6 0 8 0 0 1 7 0 4 S t a t u s o f p i l o t pr o bi n g t e c hno l o g y f o r b l i n e d h e a d i ng T I A N J i e ，H A N G u a n g ，wU Y u - j i n g ，wU Mi a o S c h o o l o fMe c h a n ic a l E l e c t r o n ic a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o fMi n i n g a nd T e c h n o l o g y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i na 1 概 述 如何有效探测掘进前方隐伏地质构造是煤炭生 产中急需解决的问题。传统的钻探方法成本高 、费 时费力 ，有时 由于 隔水层破坏 ，直接 引发突水事 故。目前较为科学的做法是 以先进的地质理论为指 导 ，采用现代化勘探技术手段 ，采取井上 、井下相 结合的立体勘查模式 ，从宏观到微观不断细化探查 工作 ，是妥善解决煤矿地质问题的必 由之路 。本文 针对矿井独头巷道掘进超前探测的特点，详细阐述 几种适用的物探技术原理 、工作方法及其仪器 ，这 对煤矿井下掘进超前探测技术 的选取具 有指 导作 用 ，对保障煤矿高产高效安全生产具有较大意义 。 2 独头巷道超前探测技术综述 2 ． 1 矿 井直流 电法 我国矿井电法的研究始于 1 9 5 8年， 目前国内 用于巷道顶底板构造和水文地质条件探查的矿井电 法技术发展较快 ，在专用设备研制上也取得重大进 展。而矿井电法超前探测技术是在三极 电测探法基 础上发展起来 的，此方法勘探快速 、简便 ，对水体 敏感 ，探测距离可达 6 0 m以上 ，目前 已有大量应 用实例 。 电测探法利用球 对称原理 图 1 。在均质介 质中 ，用测量极距 MN对任意一点 0进行探测时 ， 实际上是探测 以 点 为球心 ，A O为半径 ，厚度为 MN的球壳体积的介质电阻率。即在 MO N处探测 ， 等 同于探测对称供电点前方的 MO N处的结构体 的 电性变化 ，若 点前方 0处有 异常地 质构造，电 流线将产生畸变 ，从而达到超前探测 目的。 Mo N A MoN 图 1 探测原理剖面示意 鉴于井下的特性 ，如果采用均匀半空间电阻率 计算公式计算 ，所测得的电阻率不是某一特定介质 的真实电阻率 ，而是电场作用范围内各煤层 、地质 体相互影响的综合结果，称其为视电阻率。矿井直 流 电法勘探的物理实质就是通过测量 、分析全空间 视 电阻率的相对变化来推断介质电性变化情况。 进行矿井独头巷道掘进超前探测时，从准确度 着手 ，提出了三点三极超前探测方法。该方法 由 3 个三极探测装置组成 。一般在巷道掘进头后方底板 上 以一定间距布置 3个供电电极 ，另一供电电极布 置在无穷远处。测量电极 M N以一定间距 向巷道后 方移动 ，对于每个测点 ，分别测量 3对电极所对应 的视电阻率值。三点三极探测技术可以利用同一组 MN测量的三组视 电阻率值进行校正 ，消除 干扰 ， 提高解释准确度。 煤炭科学研究总院西安分院于 1 9 9 2年在 D Z一 1 7 维普资讯 第3 4 卷 第 8 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年8 月 1 型防爆数字直流电法仪基础上推出 D Z一 2型 现 改为 Y D Z A型 ，是 目前国内较有影响的防爆 型直流电法仪 。该 电法仪是为煤矿井下探测含水 、 导水地质构造而设计制造的。实际应用中，发现此 仪器对含水构造敏感 ，探距较大 ；在掘进机后方距 掘进面较远处施工，比较安全；仪器价格相对便 宜 ，有较多应用实例 ，但没有成熟的理论基础 ；受 体积效应 的影响 ，相对而言干扰因素较多；工作量 大 ，施工时对巷道长度有一定的要求 。 2 ． 2矿井地质雷达 探地雷 达 G r o u n d P e n e t r a t i n g R a d a r 是一种 利用超宽带电磁波脉冲或无载波脉冲进行地下浅层 目标无损探测 的方法 ，而加上防爆技术将探地雷达 应用到煤矿井下，进行三维全空间探测的称之为矿 井地质雷达。 地质雷达勘探原理是 由发射天线发射高频宽带 电磁波脉冲 ，电磁波在介质中传播时，其路径 、电 磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形 态的变化而改变。当电磁波遇到地质异常体时发生 反射 ，由接 收天线接收。根据接 收波的旅行时 间 亦称双程走时 、幅度与波形 资料 ，便 可推断介 质的结 构。根据地质雷达方程 可知，发射功率越 大，探测距 离越大 ；天线增 益越大 ，探测距 离越 大；而工作频率越高 ，勘探距离越小 。对于已知雷 达系统 ，勘探距离主要由电场衰减系数有关 ，即与 岩层介质电性特性有关。 目前双天线地质雷达测量方式主要有两种 剖 面法和宽角法。在独头巷道掘进超前探测中使用较 多的为剖面法，即发射天线和接收天线以固定间距 沿测线同步移动 ，每移动一次即获得一个记录，进 而转化成雷达图像。根据雷达图像异常的形态 、特 征及电磁波的衰减情况对测试范围内的地质情况做 出判断。一般来说反射波越强则前方地质情况与掘 进 面的差异就越大，根据掘进面的地质情况就可对 前方的地质情况做出推断。 目前国内矿井防爆地质雷达主要是煤炭科学研 究总院重庆分院研制的 K D L系列雷达 现已更改 为 F r L型 。根据在淮南某煤矿的使用情况 ，发现 其施工简便 、工作量相对较少 ，可实时显示勘探结 果 双程走时波形 ，主要受金属体或大型机械的 干扰。但仪器价格昂贵 ，勘探距离只有 2 0～ 3 0 m， 屏蔽天线体积较大 ，通信光缆容易遭到破坏 ，采用 进 口软件 ，增加了操作的难度。 1 8 2 ． 3 瑞雷波勘探技术 瑞雷波勘探是地震勘探 中的一个分支 ，由于各 种岩、矿层及地质体的密度和弹性参数不同，致使 不同频率瑞雷波的传播速度有明显差别，通过测量 各频率瑞雷波的传播 速度可 以表示不 同深度的岩、 矿层及其中的构造 、洞穴等地质情况。 瑞雷波法应用前提是基于煤层和顶 、底板岩层 以及其他地质异常体的密度和弹性常量等物理参数 的不 同而导致瑞 雷波传播 速度 的差别。特别是 岩 溶 、裂隙和空洞 等 ，因其不具 备瑞雷波 的传播条 件 ，当瑞雷波传播到这些位置时会突然消失 ，因而 可以比较容易地识别这些地质异常。瑞雷波勘探基 本原理示意如图 2所示。 图 2 瑞雷波勘探原理示意 E为振动源，产生不 同频率．厂的振动 ，其中也 包括沿岩石与空气界面传播的瑞 雷波 。A和 B是检 波器 A B的间距为 r ，用以接收从 E传播来的瑞 雷波 ，并将其转变为电信号。例如，t 。 时瑞雷波到 达 A，t 2 时到达 B t 2 一t 。 A t 。地震仪将 自检波 器传送来的电信号进行记录 ，运算器根据 给定的 A 和 B两道检波器距离 r和实测 的时间差 △ z ，通 过 运算得出瑞雷波的平均速度 r ／ A t ，由式 1 计算出相应的勘探深度 根据瑞雷波频散特性 ，测得平均 速度 与深 度 的关 系曲线 ，就达 到了测量的 目的。因为 是与介质的特性密切相关 的，测得 与深度 的 关系，就可找到 与不 同深度岩层特性之间的关 系 。 进行矿井独头巷道掘进超前探测时 ，用两个加 速度检波器作为瑞雷波的接收装置，第三个检波器 用作触发指示 ，以启动微机控制 的采集系统工作 。 施工时使用快干水泥、瓷片、双面胶带等将检波器 固定到掘进面上 ，使之很好地耦合。接收地震波用 的两个检波器应对称布置在探测 目标体两边 ，他们 之间的距离受探测对象 、工作场所及激发条件的限 制而有所不 同，但通常要选在 0 ． 5～2 m，这个安 维普资讯 第 3 4 卷 第8 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年8 月 装距离直接用于瑞雷波传播速度的计算，因此一定 要测量准确 。震源和触发信号用的检波器应设在加 速度检波器的一侧 ，并排列在一条直线上。 防爆瑞雷波仪器主要是由煤炭科学总院西安分 院生产的 MR D一2型防爆瑞雷波 勘探仪 ，此种 仪 器施工面积小 ，适于煤矿井下独头巷道探测施工 ， 不受井下各种交流电的干扰 ，探测精度高 ，勘探深 度误差一般在 5 ％以内。但其理论研究不够深入 ， 对复杂多变地质现象资料解释经验不足。 2 ． 4多波多分量地震勘探 多波多分量地震勘探技术 是一种综合利用 纵 波 、横波 、转换波等多种地震波进行地质勘探的有 效方法，是地震学界近 1 0余年来最为重要的研究 成果。同通常采用的单一纵波勘探相比，多波多分 量地震勘探所能提供的地震属性信息将有成倍的增 加 ，并能衍生 出各种组合参数 。利用这些参数估算 地层岩性 、孔 隙度 、裂隙 、含气性等可靠性更高。 其工作原理是利用智 能三分量 数字检波器接收 纵 波 、横波 、转换波的反射波对地质构造进行分析。 在成像能力上虽然转换波的纵 向分辨率以及信噪比 都不如纵波 ，但转换波 的横向分辨率却高于纵波 。 另外 ，转换波在高速岩体 中成像 能力 明显高于纵 波 。 1 T S P工作法。煤矿井下掘进超前勘探时 ， 可以仿照隧道地震超前预报技术 T S P T u n n e l S e i s mi c P r e d i c t i o n a h e a d 的施工方式 ，即在掘进面后 方边墙上一定范围内布置一排爆破点 ，依次进行微 弱爆破 ，所激发的地震波在隧道周围岩体 内传播 ， 遇到断层或岩层变化时，产生反射波 ，由检波器接 收。此种方法对于大断层 、裂隙效果较好 ，考虑到 煤矿井下实际情况 ，可用铜锤代替炸药，能够达到 4 0～ 6 0 i n勘探距离。 2 网格工作法。该 方法把三分量 检波器置 于掘进面上 ，6个检波器在预先划分好 的网格 正 方形网格 、网形 网格等 上移动 ，采集 反射波信 号。在实际应用中将两种工作方法结合 ，会取得较 好的效果。 中国矿业大学 北京 研制的 E MS一 2型工程 多波地震仪能全数字化信号传输 ，抗干扰能力强； 在井下可实时显示勘探波形 ，勘探深度较大 ；测量 方式灵活，可以根据现场条件布置检波器。但工程 实例较少 ，需要布置 6个检波器，工作量较大，激 振力不容易控制。 3 矿井掘进超前探测仪器综合比较 几种矿井掘进超前探测仪器综合对 比见表 1 。 表 1 矿井掘进超前探测仪器综合 比较 项 目D Z一 2防爆直流电法仪 F T L防爆地质雷达仪 MR D一 2防爆瑞雷波勘探仪 E M S一 2多波多分量地震勘探仪 4 结 语 目前煤矿井下探测大多是地面物探技术加防爆 技术 ，针对井下的应用条件研究还不够深入 ，方法 试验多 ，理论研究少 ，对不同的方法还没有形成相 应的技术规范 。利用现有仪器进行井下独头巷道掘 进前方超前勘探 ，只能确定前方异常区位置 ，无法 确定异常类型 ，而且准确率还不能达到令人满意程 度 ，建议结合矿井实际情况 ，选多种搭配互补的有 效方法 ，取得事半功倍的效果。 参考文献 [ 1 ] 刘青雯． 井下电法超前探测方法及其应用 [ J ] ． 煤田地质与 勘探 ，2 0 01 5 ． [ 2 ] 王桂梁， 龙荣生，徐凤银，等．矿井构造预测 [ M ] ． 北京 煤炭工业出版社 ，1 9 9 3 ． [ 3 ] 李竞生 ．华北型煤田水害防治技术进展 [ J ] ．煤炭学报 ， 1 9 9 7 增刊 ． [ 4 ] 岳建华，刘树才．矿井直流电法勘探 [ M] ．徐州中国矿 1 9 维普资讯 第3 4 卷 第8 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 6 年8 月 寺河矿瓦斯治理与利用技术 王 平 虎 晋城无烟煤矿业集团有限责任公 司 寺河矿 ，山西 晋城0 4 8 2 0 5 摘 要总结 了寺河矿井瓦斯综合治理的主要技术，从技术与经济方面分析 了地面瓦斯抽放的可行 性，指出地面瓦斯抽放是解决寺河矿瓦斯问题的根本途径。 关键词 瓦斯治理；地面瓦斯抽放；安全生产 中图分类号 T D 7 1 2 文献标志码 B 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 6 0 8 0 0 2 0 0 3 Ga s c o n t r o l a n d a pp l i c a t i o n t e c h no l o g y i n S i h e M i n e W ANG Pi n g h u S i h e Mi n e ， J i neh e n g A n t h r a c i t e C o a l Mi n i n g G r o u p C o r p o r a t io n L t d ． ， J i neh e n g 04 8 2 0 5， C h i n a 1 概 况 寺河矿井是一座设计总规模 1 1 0 0万 t ／ a的大 型高瓦斯矿井 ，矿井井 田位于沁水煤 田东南边缘 ， 是国家 “ 九五”重点建设项 目。井 田含煤地层 为 上石炭统太原群及下二叠统山西组。矿井开采 3号 煤平均厚度 6 ． 4 2 m，埋藏深度变化范 围 2 5 0～6 0 0 m，井 田内地质构造简单 ，煤层倾角 2～1 0 。 ，储量 丰富 ，所产无烟煤煤质优 良。 寺河矿瓦斯储量 2 5 0 ． 0 2亿 m ，瓦斯含量东区 平均 7 ． 6 7 m ／ t，西 区 1 6 ． 6 m ／ t ，煤层瓦斯压力 0 ． 2 9～2 ． 1 2 MP a ，煤 层 透 气 性 系 数 0 ． 0 2 3 9～ 4 ． 4 5 2 9 m ／ MP a d ，煤层 由东 向西方 向埋藏 深度逐渐增大。井 田范围内区域地质条件复杂 ，有 软煤带及大的断层等。3号煤层顶、底板岩石的渗 透率低 ，致使煤层 中的瓦斯难以向外逸散 ，而得以 保存富集于煤层 中。矿 井瓦斯 气体 中甲烷成分 占 9 6 ％以上。矿井煤层无 自然发火倾 向，煤尘无爆炸 性 ，矿井西翼煤层打钻测定煤屑的 K ． 值最高达 2 ． 2 m L ／ g m i n ，不排除有煤与瓦斯突 出危险倾 向。 2 瓦斯综合治理技术 2 ． 1 瓦斯抽放系统 建设了地面瓦斯抽放站 ，配有 4台水环式真空 泵 ，依靠分布在井下数十公里的钻孔 ，采用负压抽 放方式 ，将煤体及采空区的瓦斯 源源不断地 抽出。 钻孔施工以 MK一6 、MK一5 S钻机施工为主 ，钻孔 直径以大直径 7 5 ，9 4及 1 5 3 mm为主。为增加 抽 放效果，2 0 0 2年在 井下又增 建 了井 下接 力泵站 ， 大幅提高了瓦斯抽放量。经过井下瓦斯抽放站接力 加压 ，进入 1万 m 瓦斯气柜储存稳压后 ，分供给 发 电、矿井尾煤处理、燃气锅炉房和职工生活用气 需要。自2 0 0 0年 5月 1 1日投运以来 ，连续实现安 全稳定运行，为寺河矿 的安 全生产作 出了重要 贡 献 。 2 ． 2 巷道掘进抽放 寺河矿为高瓦斯矿井，新暴露煤体百米巷道瓦 斯涌 出量 0 ． 3～0 ． 6 m ／ mi n 。如遇 瓦斯 涌 出异 常， 百米巷道瓦斯涌出可达 1 0～1 5 m ／ m i n 。工作面走 向 3 0 0 0～ 4 0 0 0 m巷道掘进仅靠通风根本无法解决 业大学出版社 ，2 0 0 0 ． [ 5] 程久龙 ，王玉和 ，于 师建 ，等 ．巷道掘 进 中电阻率法 超前 探测原理与应用 [ J ] 、煤 田地质与勘探，2 0 0 0 4 ． 6] 储绍 良 ．矿井 物探应用 第一版 [ M] ．北京 煤 炭工业 出版社 ，1 9 9 5 ． 7 ] 李大心 ． 探地雷达方法与应用 [ M] 、北京地质出版社， 1 9 9 4、 8 ] 杨德义，彭苏萍．多分量地震勘探技术的现状及进展 [ J ] ． 中国煤 田地质 ，2 0 0 3 1 ． 2 0 [ 9] 齐 传 生 ．T S P 2 0 2隧 道 地震 波 超 前地 质 预报 系统 的应 用 [ J ] ．世界隧道 ，1 9 9 9 1 ． 作者简介 田 劫 1 9 8 2一 ，女 ，山西 太原 人 ，硕 士研 究 生 ，主要 从 事矿 井 物 探研 究 工作 。T e l 1 3 5 1 0 2 5 3 9 1 6 ，Em a i l t i a n j c u mt b ． e d u ． c a 收稿 日期 2 0 0 6 0 51 6 ；责任编 辑李军涛 维普资讯