井下物探队发展现状及构想

汪国胜 曹兆飞

安徽省淮南矿业集团地质勘探工程处井下物探队 232001

井下物探队发展现状及构想

汪国胜 曹兆飞

安徽省淮南矿业集团地质勘探工程处井下物探队 232001

随着矿井机械化采煤的发展，特别是综合机械化的普及，对矿井地质工作要求越来越高，但煤矿生产机械化的致命弱点是不能适应地质情况的变化。当采（掘）工作面内出现断层、煤层变薄或者存在水文隐患时，传统的地质方法已显示出极大的局限性，如小构造、小断层、未知老巷、异常含水带、陷落柱等较复杂的地质条件，即使是最先进的地面勘探技术，也难于可靠的查明，因此井下地球物理勘探技术（俗称井下物探），受到普遍的重视。实践证明井下物探是地面勘探技术的重要补充，是矿井地质工作的重要手段，煤矿井下物探的应用与发展，极大的推动了煤矿安全开采技术的进步。秉承“技术建矿、技术先进、技术创新”的理念，淮南矿业集团地质勘探工程处2010年4月份组建“井下物探队”，共设立了“坑透、直流电法、瞬变电磁、地质雷达”共4个物探项目。

地质工作；构造；含水带；陷落柱；井下物探

1、井下物探队现状

1.1 井下物探队配置的仪器

1.1.1 WKT-E型无线电波坑透仪

无线电磁波坑道透视技术（简称坑透）是煤矿回采工作面构造探测的主要手段，该方法是利用煤岩体对电磁波吸收的物理差异性，将探测异常段在回采工作面中圈出，称为异常区，是目前较为成熟的物探方法之一，如图1。

图1 坑透探测原理示意图

WKT-E型无线电波坑透仪是一款本质安全型矿用仪器，该仪器设有0.3MHz、0.5MHz、1.5MHz三个频段，分别应用于不同条件工作面的坑透工作。由于无线电波在介质中传播时具有衰减性，因此探测时工作面较宽，煤层较薄时，电磁波将无法穿透整个工作面，目前探测过的工作面最大面宽260m，最薄煤厚0.9m,均取得成果。

井下物探队从2010年7月份正式开始全面接手集团公司内部各生产矿的坑透工作，截止2011年8月底已完成46个工作面的探测，由于工作面的验证周期较长，因此只能从 2010年探测的工作面来看，已回采验证的有8个工作面，共35个异常区，回采验证完全吻合的有26个，准确率达74%。

目前坑透技术主用应用于探测地质构造破坏软分层带、直径10m以上的陷落柱、断距大于三分之一煤厚的断层、顶板垮塌或富集水的采空区、煤层厚度及产状变化带、夹矸厚度变化带、火成岩侵入体等。

1.1.2 YCS40(A)型瞬变电磁仪

瞬变电磁技术是（简称TEM）是一种时间域的电磁探测方法，利用电流脉冲激发供电形成电磁涡流场，通过观察涡流场的变化反演出煤岩体的富水性，为矿井防治水工作提供物探依据，如图2。

图2 瞬变电磁探测原理示意图

图3 直流电法测深探测原理示意图

YCS40(A)型瞬变电磁仪是一款矿用本安型产品。该仪器采用多匝式小线框，边长2m，发射接收回线重叠，便于发射接收同步进行，仪器设有4个频率，分别为8. 3Hz、25Hz、75Hz，125Hz。瞬变电磁法数据处理软件能对现场采集数据进行32～2048次叠加计算，提高了信噪比，利用其定向性，可以对工作面顶板、底板、顺层等方向进行全空间探测。

截止2011年8月底，瞬变电磁法已独立开展57次，根据已验证情况来看准确率达到75%。瞬变电磁目前主要用于掘进巷道前方富水性超前探测与评价、工作面顶板（底）板富水性探测、回采工作面老空水探测等工作。

1.1.3 YD32(A)型、FDG-A型直流电法仪

直流电法勘探是以煤、岩层的导电性差异为基础，通过人工向地下供入稳定电流，观测大地电流场视电阻率值分布规律，从而确定岩、矿体物性（如贫、富水区域）的分布规律或地质构造的特征，目前该方法被广泛的应用于煤矿井下水文探测、导水构造调查等方面(如图3、图4)。

图4 直流电法超前探测原理示意图

根据探测目的不同，直流电法装置工作形式有多种，井下通常使用的有对称四极测深装置、三极测深装置和单极超前探测装置。

FDG-A型直流电法仪是一款用于测深的电法仪器，它利用四极测深原理，一次性布置64根电极，采用工控微机技术，一次性数据自动采集，相对于传统电法勘探具有操作简单、高效快速的特点。数据采集后导入RES2DINV软件进行处理，最后得出探测地段的视电阻率值反演剖面，反演图形直观、可靠、通俗易懂。

YD32(A)型直流电法仪是用于三极测深及单极超前探测的电法仪器，目前主要应用于电法超前探测。矿井电法超前探测在全空间条件下建场，使用全空间电场理论，研究掘进头前方地层电性变化规律，预测前方含、导水构造的分布和发育情况的电法探测新技术，在现场采用点电源三极装置进行数据采集工作。超前距离100m，布设好32根电极后即可进行一次性数据采集，数据处理使用专用的解释软件直接成图，亦可用surfer软件对数据进行校正、对反演图形进行编辑。

截止2011年8月底，直流电法共进行19次井下探测，准确率为71%，由于直流电法超前探测遵循球壳理论，针对全空间探测，因此目前国内诸多物探专家对这一理论存有异议，因此我们自主设计制造了直流电法土槽实验设备，开展实验50余次，通过分析大量的实验结果发现该方法存有诸多较难解释的问题，因此仍需要继续思考、研究，目前在井下使用效果尚可。

直流电法主要用于探测矿井突（导）水通道、巷道底板有效隔水层厚度、含水层厚度及其富水性分布规律；工作面带压开采条件物探评价及工作面探放水孔位置选择；工作面底板注浆效果检测；老窑积水区探测；陷落柱及其富水性探测等。

1.1.4 KJH-D型防爆探地雷达

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR，又称地质雷达）探测法是近几年在我国矿井下开展的物探新技术，其原理是发射定向脉冲式高频电磁波，依靠目标体和周围介质之间的电性参数差异，造成高频电磁波发生反射回波，通过对仪器接收的反射回波分析来区分不同的介质和目标体,如图5。

图5 雷达探测原理示意图

KJH-D型防爆探地雷达是一种用于确定地下介质分布的光谱（1MHz～1GHz）电磁技术，该技术采用无损探测，现场探测快速经济，仪器采用一体化主机设计，分离式天线，操作方便，工作方法多样。该仪器配有1m和2m的两款天线，对应频率分别为100 MHz、50 MHz，1m的天线可超前探测5～30m，根据迎头条件选择50 MHz天线探测距离可增大至50m。资料处理软件操作简单，测量结果彩色显示，直观准确易于解释。

截止2011年8月底，地质雷达共进行3 5次井下探测，准确率为62%。该方法由于发射高频脉冲式电磁波，因此巷道金属物体、迎头平整度对其影响较大，在现场探测要求较高，这就需要有关单位配合施工，随着经验的积累将不断提高探测的有效性、准确性。地质雷达探测主要以煤巷探测为主，探测煤层中构造带，另外对于煤层中的金属物体探测效果较好，如掉钻钻孔探测、遗留金属物探测等。

1.2 井下物探目前存在的问题

多种物探手段的开展可以基本解决矿井的生产需要，但是整体来说还存在这许多问题，有待进一步研究提高，如确定较宽、较薄工作面内局部煤层缺失带分布规律、定量超前预测掘进巷道前方灾害性地质构造、定量预测采空区位置及其含水性、提前预测煤与瓦斯突出灾害性地质构造的空间位置，另外物探仪器普遍具有探测距离短、分辨率能力不高、方法实验多理论研究相对较少、资料解释定性的多定量解释的少、理想化理论多具体问题理论少、不同的方法还没有形成相应的技术规范等。

1.3 目前开展的创新工作

井下物探队成立以来针对各类仪器的实际应用工作，对物探仪器及方法进行改良，以满足现场的实际需求。

1.3.1 针对坑透工作时间长，对生产影响大的问题，我们对坑透方法进行创新性改进，采用双巷并行交替式定点透射法，缩短40%的工作时间。

1.3.2 为了有效利用工作面坑透时的停电时间，我们开展了瞬变电磁与坑透同步施工的相关实验，找到二者相互影响的规律，开展坑透与瞬变电磁同步施工法。

1.3.3 充分利用废旧器材，创新性的自主设计了直流电法土槽实验，整个实验节省了数十万元的外购经费，并首次设计实施了直流电法超前、测深探测的多功能土槽实验箱，为探讨研究直流电法全空间探测的可靠性提供了大量数据。

1.3.4 针对地质雷达探测距离短的问题，首次在顾北等矿使用接发收频率为50MHz的长天线，将探测距离增加到50m。

1.3.5 对于各仪器进行了局部改良，如坑透接收机背带设计、瞬变电磁线圈角度控制器、直流电法接线头改良、自制雷达天线间距控制板等，使得实际生产应用更加方便快捷。

2、井下物探队未来构想

物探的理论基础正在不断更新，由声波到弹性波、由单相介质到多相介质、由各向同性到各向异性、由均质层到非均质层等新的研究方向逐渐受到重视，随着理论基础的更新，物探仪器与方法也在更新换代，因此对井下物探队来说，需要不断发展壮大才能满足煤矿生产的需要。从以下几个方面来阐述未来发展的构想

2.1 开展槽波地震探测

根据实际工作经验，总结经验，发现回采工作面煤层较薄、采面较宽或者煤层潮湿时，容易导致坑透天线发射的无线电磁波无法穿透工作面，仪器不能正常采集数据，回采工作面内构造探测不清。槽波地震勘探（简写ISS）是地震勘探中的一个新的分支，槽波是由煤层中激发的地震波在煤层中传播时被煤层顶底板反射并相互干涉而形成的一种特殊的弹性波，利用槽波在煤层中传播速度的差异性，划分出工作面的构造异常区域。

槽波地震探测有穿透工作面距离大、不受水文异常影响等特点，目前应用最多的是德国生产的Summit Ⅱ Ex型防爆槽波地震仪，但是其设备多（大量的检波器、连接线），操作复杂(在煤层中放炮)，需要大量的人力物力，施工不便。我国现有一些科研院所正在研制槽波地震勘探仪器，改进了德国产槽波地震仪的笨重、施工不便等缺点，采用无线传输等新技术，一旦研制成功可以将槽波地震工作在煤矿中推广开来，我们将积极引进作为无线电波坑道透视的补充，彻底解决个别坑透透不过去的回采工作面的探测问题。

2.2 地质超前探

目前煤矿井下普通生产巷道迎头断面＜4m，新鲜断面则在2m左右，地质雷达在施工地质超前探测过程中需要迎头平整断面＞1.5m，但是探测距离仅有5～30m，如果需要增大探测距离至50m，则需使用2m的探测天线，迎头断面＞2.5m。这也是制约地质雷达超前探测的主要问题所在，相对于日掘进十几米的煤巷来说探测距离30m或50m就显得太短，且2m的天线在迎头往往伸展不开，采集数据不理想。

目前各科研单位正在研究大距离地质雷达超前探，对于远距离地质构造探测的物探方法亦可采用井下地震波超前探测技术，该方法目前已在各矿展开试验，且部分科研单位已研制出相应的设备，但其应用效果还有待验证。

2.3 长距离瞬变电磁

瞬变电磁探测技术在生产应用中效果明显，因此过渡场法（瞬变电磁）这一理论已经得到验证，目前也成为矿井物探的主攻方向。井下物探队所使用的瞬变电磁仪有效探测距离<100m，为了提高探测的准确性，对较宽的回采工作面内水文状况进行探测，采用瞬变电磁长距离透视技术，可以对其进行双巷探测，可以实现对工作面的富水性探测快速化、高效化；长距离瞬变电磁探测可以与电法探测效果进行相互验证；在井下巷道进行长时间探测时，一台仪器的工作时间不能保证工作一次完成，因此购买1台长距离（探距＞150m）瞬变电磁仪，可以极大提高井下物探工作的有效性。

3、结语

淮南矿业集团井下物探队属于井下物探发展的一个新模式，那就是将物探工作专业化、标准化、精细化，并与地质、生产实践充分结合起来。井下物探队成立一周年的时间里，几种物探方法均有所发展，笔者通过总结经验，开阔性地提出问题，确立好目标，规划出井下物探队的未来，为了将井下物探事业拓展开来而不断努力。

矿井物探未来的发展将取决于引入新理论、新方法和广泛应用高新技术（近年来，分形技术、小波理论、模式识别、反演方法、预测理论等许多方面有了新的发展，为矿井物探技术发展提供了新思路、新方法、新模式），强化与其他学科（如：矿井地质、水文地质、计算机、数学地球物理方法、地理信息系统等）的交叉和渗透。今后还需突出研究与煤矿有关的、支撑物探技术的物探基础理论、方法和高产、高效、安全开采煤炭生产的地质保障体系。矿井物探技术将越来越成为煤矿现代安全生产的“CT”或“B超”，会有力地推动煤矿安全技术、开采技术的进步。

[1]吴有信,王琦.煤矿井下采区地震勘探技术现状与思考[J].煤炭科学技术,2010年01期

[2]王典.地震勘探几种数字新技术及其应用[D].吉林大学,2006年

[3]韩芳.基于DSP的电法勘探的分布式数据采集系统[D].安徽理工大学,2006年

[4]白登海,何兆海,卢建，等.地下全空间瞬变电磁法及在煤矿水害预测中的应用[A].见：第六届中国国际地球电磁学术讨论会论文集,2003,283～284

[5]王惠濂.探地雷达专辑[J].地球科学, 1993.18（3）:27～28

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.035