瓦斯-水地质异常体物探连续多方法跟踪探测

薛维成

摘 要：我国煤矿为了充分利用多种物探手段对未开掘区域的瓦斯和水共存的现象进行超前预测，解决矿井有此类现象的威胁，起到提前卸压瓦斯及疏放水的作用。对于导水瓦斯的构造状况进行了解，释放瓦斯压力后的掘进巷道涌水涌瓦斯的概率及危害程度达到一个可控的状态。

关键词：沙曲一号煤矿;超前探测;数据处理;研究分析;物探手段

1 探测依据

（1）《矿井瞬变电磁超前勘验技术方法》（NB/T 10126-2018）;（2）《工程物探规范》（DB45/T 983-2014）;（3）《矿井地震勘探仪》（MT/T 470-1996）;（4）矿井的设计、地勘、水文地质资料以及现场实际情况。

2 超前探测内容、目的及要求

2.1 探测的内容

矿井超前探测主要探测掘进前方一定范围内有无不良地质体：如断层破碎带、采空区水、岩溶或溶蚀构造带、煤岩分界面等。

2.2 探测的目的

通过及时探测进一步查明地表勘探中难以查明的重大不良地质问题，结合迎头掘进实际，及时提出钻探及掘进方案建议，尽量避免或减少由于技术等原因所造成的煤矿事故以及由此所造成的不必要的人力、物力、财力浪费，保证煤矿开掘安全。

2.3 探测的要求

矿井超前探测以掘进头地质岩性为基础，采用多种物探手段相结合的综合超前探测方法，用宏观探测指导微观探测、长距离探测指导中短距离探测、用微观探测验证宏观探测、中短距离探测验证长距离探测的工作思路，开展矿井的超前探测工作。具体要求如下：地震波法每100m一次，搭接不小于10m，每次有效探测90m;瞬变电磁探测每100m一次，搭接不小于10m，每次有效探测90m;地质雷达探测每30m一次，搭接不小于5m，每次有效探测25m。

3 探测原理

3.1 矿井地震波法探测原理及方法

3.2 矿井瞬变电磁探测原理及方法

本次用瞬变电磁其探测的机理是：发射回路上利用一个电流脉冲方波，在反射回来后沿下降的瞬间，再产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的效应下，物体即产生涡流，现象大小取决于物体的导电程度，在一次场没有后，涡流不会瞬间没有，即将出现一个衰退过程。在这一过程中，电磁能量在导电介质中传播而使用，高频部分大部分集中在地表附近，主要分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到远处，直至范围扩大。

3.3 矿井地质雷达探测原理及方法

本次利用地质雷达一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接受来自探测前方介质界面的反射波。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线（Tx）组成。探地雷达技术实质上是一种确定地下介质分布的定向高频电磁波反射定位技术。当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走时t，由上式求得目标体的深度H，即：H=v2t2-x22。式中x值即收发距，在剖面测量中是固定的;v值可用宽角法直接测量，也可以根据近似计算公式：v≈cεr，c为光速，εr为地下介质的相对介电常数。探测原理见图。

对不同雷达，一般200MHz以下频率可用于超前探测。

4 现场探测及数据处理

现场探测工作于2020年07月15日和2020年07月17日分布在六采区1号底抽巷和四采区底抽联络巷展开。现场进行了地震波、瞬变电磁及地质雷达三种方法的探测。

4.1 地震波法

4.1.1 现场探测方案

2020年07月17日地矿井震波探测工作在四采区底抽联络巷当日迎头里程503m处开展。按地震波法超前探测系统要求，实测时观测系统布置2个接收孔（C1孔深1.5m右帮、C2孔深1.8m右帮底部）和24个炮孔（右帮），每个炮孔炸药用量为50g，采用电雷管逐个引爆。

炮孔从掘进头向后，在巷道右帮布置，第一个炮眼距迎头退后6.14m，孔深1.5m，其他23个炮眼以同样孔深，间距1.5m向后依次布置。

4.1.2 数据处理

数据处理以检波点C1和C2中心点为零点，定义X方向为隧洞走向方向，Y方向为垂直隧洞水平面方向，Z方向为水平垂直隧洞走向方向。依此建立坐标系确定炮点。

5 综合分析成果与建议

5.1 综合分析成果

经对六采区1号底抽巷和四采区底抽联络巷迎头进行地球物理探测，对前方构造异常及含水异常进行分析总结，形成以下综合成果：

在探测前方13～27m段（即里程148～162m）雷达回波信号能量整体较强，可见连续同相轴明显，且局部存在错段，低频信号明显，信号整体表现为推断为基岩裂隙水发育，围岩相对破碎，节理裂隙发育。

前方里程148～165m范围内基岩裂隙水发育，表现为：淋雨～股状出水。

四采区底抽联络巷503m迎头地震波法

（1）里程527～547m区段纵横波均存在明显的强阻抗异常，且速度变化剧烈，推测该区段围岩条件破碎、裂隙发育;（2）里程567～总587m区段纵波存在明显强阻抗异常，纵横波波速变化较大，推测该区段围岩完整性较差、非均质性强，存在富水可能。

瞬变电磁法

（1）仰角40°在探测前方及左侧，距离迎头距离约65～100m（即里程568～603m）范围内存在连续低阻异常;

（2）仰角20°在探测前方及右侧，距离迎头距离约60～90m（即里程563～593m）范围内存在连续低阻异常;

（3）探测前方0°探测前方及右侧，距离迎头距离60～100m（即里程563～603m）范围内存在较大范围的连续低阻异常;

（4）俯角40°在探测前方，距离迎头距离约50～100m（即里程553～603m）范围内两处低阻异常。

地质雷达法

在探测前方14～21m段（即里程517～524m）雷达回波信号能量整体较强，可见连续同相轴明显，且局部存在错段，信号整体表现为推断为围岩破碎或岩性变化，局部基岩裂隙水较发育，节理裂隙发育。

（1）前方里程517～547m范围内围岩破碎或岩性编号，基岩裂隙水发育，表现为：淋雨～股状出水;（2）前方里程567～587m范围内基岩裂隙水发育，表现为：淋水～股状出水。

5.2 建议

（1）由于物探手段存在多解性，对异常区域，应加强迎头地質调查及超前水文地质钻孔工作，并建议相关生产部门及时采取相应措施，按照《煤矿防治水规定》及时对异常区域施工验证钻孔。

（2）掘进过程中对出现的地质异常及时记录，现场地质技术人员应及时关注开掘验证情况，以便对成果资料进一步分析与修正。

（3）由于含水裂隙的存在，易造成开掘后局部瓦斯富集，注意掘进过程中的供风、排水。

（4）对后期掘进段落应加强多种物探手段综合探测，形成多物性成果，提高探测的准确性。

6 结语

总的来说，充分利用多种物探手段对未开掘区域的瓦斯和水共存的现象进行超前预测，解决矿井有此类现象的威胁，起到提前卸压瓦斯及疏放水的作用。对于导水瓦斯的构造状况进行了解，释放瓦斯压力后的掘进巷道涌水涌瓦斯的概率以及危害程度达到一个可控的状态。本文主要是针对山西华晋焦煤有限公司沙曲一号煤矿进行了研究和分析，希望能够促进未来矿井的不断发展，能够利用多种物探探测手段以及数据处理结果进行对未知巷道区域进行超前预测及矿井的安全开采。

参考文献：

[1]史向军.把亲情文化融入安全管理[N].山西日报，2020-09-01（011）.

[2]黄淮彩.煤矿安全监控系统融合升级的设计及智能化建设展望[J].能源与环境，2020（04）：117-118.

[3]杨涛.煤矿安全供电方式及机电设备的管理与维护措施[J].现代工业经济和信息化，2020，10（08）：114-115.

作者简介：薛维成（1986— ），男，汉族，山西大同人，本科，中级工程师，队长，研究方向：地质水文。