煤矿隐蔽灾害井下精细探测技术方法与优化

张 彬

（1.中国矿业大学（北京），北京100083；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013）



煤矿隐蔽灾害井下精细探测技术方法与优化

张 彬1，2，3

（1.中国矿业大学（北京），北京100083；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013）

为了预测煤矿掘进工作面和采煤工作面附近区域的含水体、采空区或构造等地质异常体，采用瞬变电磁法、直流电法、瑞利波法、反射波法、音频电透视法和无线电波法等6种井下探测技术，通过井下数据采集、处理和反演计算，形成可视化图件，来解释矿井含水体、采空区及构造等地质异常体的范围和位置特征，建立了一套适合煤矿采掘过程中井下物探动态监测水害的技术方法。结果表明：对于掘进工作面，采用瞬变电磁法或直流电法可以较好地超前跟踪探测前方各类含水体；采用瑞利波法或反射波法可以较好地超前跟踪探测前方边界明显的构造、采空区等地质异常体；对于采煤工作面，采用瞬变电磁法或音频电透视法可以较好地探测采煤工作面区域各类含水体；采用无线电波透视法可以较好地探测采煤工作面区域构造等地质异常体；对于已掘巷道，采用瞬变电磁法或矿井直流电法可以较好地探测巷道区域各类含水体；采用瑞利波法或反射波法可以较好地探测巷道区域边界明显的构造、采空区等地质异常体。

隐蔽灾害；精细探测；瞬变电磁法；直流电法；瑞利波法；反射波法；音频电透视法；无线电波透视法

近几年，适合煤矿隐蔽灾害井下精细探测的物探技术越来越受到重视，它们不但继承了地面物探技术的先进性，并且能适用于井下各种环境，可以在工作面掘进、开采前和开采过程中实时地预报地质异常体可能发生的时间和地点，可以最大限度地减少灾害损失，确保矿井安全［1-2］。目前，常用的物探技术主要是瞬变电磁法、直流电法、音频电透视法、瑞利波法、反射波法和无线电波透视法，这6种技术几乎可以实现井下工作面顶底板、巷道顶底板、巷道侧帮和掘进头前方各类含水体、构造、采空区的全方位无死角探测。

1　矿井探测方法与技术

瞬变电磁法、直流电法、音频电透视法、瑞利波法、反射波法和无线电波透视法等物探技术用途各不一样，勘探原理也不一样。瞬变电磁法、直流电法、音频电透视法、无线电波透视法这4种方法属于电法勘探，主要是根据煤层、岩层、含水体、采空区以及各类地质构造之间的导电性、电化学活动性、介电性等电学性质的差异，在矿井中借助专门的仪器设备观测和研究地球物理场的变化及分布规律，来查明岩层富水性、采空区等地质构造的一种地球物理勘探方法，进而达到解决煤矿安全隐患问题的目的［3-15］；瑞利波法和反射波法是近年发展起来的浅层地震勘探新方法，在激发接收和识别方面比较复杂，确定波速对岩石力学参数有重要作用，波的传播的运动学、动力学特征包含着地下介质的特性的丰富信息［11］。

各种物探方法均有优缺点，瞬变电磁法装置轻便，施工效率高，探测范围较大，对采空区、构造及裂隙含水体探测有明显优势，但抗干扰能力较弱，受铁器和电力干扰等影响明显，体积效应明显；矿井震波法（反射波法，瑞利波法）在采空区及地质构造探测应用较广，但不能探测采空区及构造是否有积水，受锤击震源能量限制，探测深度有限；直流电法抗干扰能力较强，但探测范围较小，探测深度亦有限；无线电波透视法传播距离远，探测距离大，构造反映明显，但抗干扰能力弱；音频电透视法抗干扰能力强，探测含水体明显，但探测距离较近。为减少单一的物探手段的多解性，提高探测结果的准确性，超前探测常采用2种或2种以上方法相结合的综合物探进行。

1.1掘进工作面超前探测

在掘进工作面采用瞬变电磁法、瑞利波法、反射波法或直流电法等方法中的2种或2种以上矿井物探方法进行连续超前探测，为掘进工作面提供物探成果资料。超前探测距离应大于100m，安全距离为30m，巷道每掘进70m时，即应进行探测工作，循环依次进行。探测目标以探测掘进头含水异常体、地质构造、采空区等。根据巷道类型、掘进尺寸、电力干扰、铁器干扰、水力干扰、底板坚硬情况，划分出了不同物探方法及其组合，如表1所示。

表1　超前探测条件及方法优化

各类矿井超前探测方法都有其特殊的适用条件及局限性。瞬变电磁法对巷道类型及掘进位置适应性较强，可以在平巷、斜巷、立井等多种类型巷道或井筒中施工，不受巷道或井筒倾角限制，也可以在巷道开口处、巷道掘进过程中、巷道拐角处、采煤工作面形成后等多个位置施工，抗干扰能力较弱，如果存在井下变电站或高压线路等大型电力设施、综掘机或棚架支护等大型铁器、大面积底板积水、淋水等富水地带，瞬变电磁法抗干扰能力较弱，采集的数据质量较差，信号屏蔽较严重。矿井瞬变电磁法由于是感应类电法，采用不接地回线进行探测，所以对底板条件适应性较强。

直流电法由于一般采用三极超前探测方法，需要在迎头后方人工跑极或一次布置所有电极，需要在迎头正后方具备一定距离的巷道，因此对巷道类型及掘进进尺要求较多，可以在平巷、斜巷等多种类型巷道或井筒中施工，但无法在立井中施工，也可以在巷道掘进到一定尺寸后施工，但不能在巷道开口处和拐角处施工，由于采用接触类电法，对电力、铁器等抗干扰能力较强，但接触类电法由于采用接地电极探测，因此对底板要求严格，大面积底板积水、淋水等富水地带会造成传导电流短路，坚硬、大量浮煤底板造成接地电阻增大，这些因素均对测量数据造成严重干扰。

反射波法和瑞利波法均属于矿井震波法，对电法要求的各类条件均能适应，不受巷道类型、掘进进尺影响，不受电力、铁器、水力、底板等干扰条件影响，但矿井在生产过程中放炮、机械振动、各类噪声等均会造成矿井震波法采集信号失真，另外，两种方法施工均布置在迎头断面，断面岩层松软或较为破碎，均对锤击或能量激发造成影响。

1.2回采工作面区域探测

当工作面通风系统形成后，采用瞬变电磁法、无线电波法或矿井音频电透视等方法中的2种或2种以上物探方法对回采工作面区域进行探测。探测目标为探测回采工作面区域含水异常体、地质构造等。回采工作面区域探测条件及方法优化见表2。

表2　回采工作面区域探测条件及方法优化

各类矿井采煤工作面探测方法也都有其特殊的适用条件及局限性。瞬变电磁法适用性及局限性如超前探测所示。音频电透视法和无线电波透视法同属于电磁法，都采用定点扇形偏移法施工布置，都不受施工空间限制，都只能探测煤层内部异常体；矿井音频电透视法探测含水体明显，对电力、铁器等抗干扰能力较强，但由于是传导类电磁法，传播距离有限，探测深度较近，并且采用接地电极探测，因此对底板要求严格，大面积底板积水、淋水等富水地带会造成传导电流短路，坚硬、大量浮煤底板造成接地电阻增大，这些因素均对测量数据造成失真；无线电波法探测构造明显，对积水抗干扰能力较强，对底板适应能力较强，但由于是感应类电磁法采用不接地回线，抗电力、铁器、水体干扰能力较弱，如果存在井下变电站或高压线路等大型电力设施、综掘机或棚架支护等大型铁器、大面积底板积水、淋水等富水地带，采集的数据质量较差，信号屏蔽较严重。

2　掘进工作面超前探测实例

2.1瞬变电磁法

山西晋煤集团某矿在3煤西回风大巷1478m处掘进头正前方打钻20m左右出水，水质浑浊，水压大约1MPa，水量7.2～6.4m3/h，锚杆有淋水现象，在该巷掘进头位置进行了超前探测，探测结果发现前方顶板方向有明显低阻异常1（图1），并向底板延伸，低阻程度减弱，推断含水体主要为砂岩含水体通过断层形成的构造水，后与水质化验结果基本吻合；在晋煤集团某矿15煤155207巷2号点向前64.5m处超前探测结果中正前方发现明显高阻异常体1（图2），通过掘进揭露前方高阻异常为不含水陷落柱，后方高阻异常为不含水断层；在晋煤集团某矿15煤2101巷1220m处超前探测在顺层正前方及左前方约60m外发现大片低阻异常1（图3），经验证在2101巷1286m揭露大量采空区积水，与探测结果相符；在晋煤集团某矿9 煤94311切眼巷102m处左侧帮进行超前物探，在顺层探测方向左前方约35m之外发现明显低阻异常1（图4），推断为采空区积水或构造水，与地面物探成果基本吻合，经打钻验证为陷落柱。

图1　顶板45°方向超前探测视电阻率拟断面

2.2直流电法

图2　顺层0°方向超前探测视电阻率拟断面

图3　顺层0°方向超前探测视电阻率拟断面

图4 顺层0°方向超前探测视电阻率拟断面

图5为山西西山煤电某矿20109工作面运输巷超前探采集数据反演后得到的电阻率剖面解释成果，其中横坐标468m处为运输巷掘进头位置。迎头前方探测区域内出现2处低阻异常区和1处高阻异常。低阻异常区段分别位于482～486m和527～539m附近；高阻异常区段位于507～517m附近。根据巷道已揭露的地质情况和岩性变化推断，低阻异常1异常范围较小，异常较弱；低阻异常2异常范围较大，异常较强。推断二者可能为掘进工作面前方局部富水或含水体引起，也可能为断层破碎带或低阻岩层段引起；高阻异常1可能为坚硬弱导水岩体或高阻岩体引起。后揭露验证，低阻异常1和低阻异常2区域出现了巷道顶板淋水现象，高阻异常1区域顶板较为破碎，不含水。

2.3反射波法

图5 三极直流电法超前探测成果

图6为山西晋煤集团某矿3煤13092巷503m 处MSP法超前探测结果，横坐标表示探测前方距离，纵坐标为迎头两帮探测距离，图中曲线代表振幅强弱。在有效探测深度60m范围之内，共有2个反射界面分别距离掘进头30～35m和55～60m处，结合地质资料分析，这2处可能为地质异常体，后掘进到35m处揭露陷落柱DX27。

图6 MSP法正前方超前探测结果

图7为山西晋煤集团某矿北轨道巷南267m处震波单点法超前探测结果图。

图7 震波单点法超前探测成果

图7中左侧为波剖面图（纵坐标为时间），右侧为对应异常图（纵坐标为距离），右边为频谱曲线图（纵坐标为频率）。由图7可知，在有效探测深度60m范围之内，距离掘进头正前方9m和15m左右处附近发现2处异常区，结合地质资料分析得知，推断该处可能存在地质异常区，经掘进验证为破碎带。

图8　瑞利波法超前探测成果

2.4瑞利波法

图8为山西晋煤集团某矿回风系统措施巷314m处瑞利波法正前方超前探测成果，横向为同一测点不同组的探测成果，纵向为探测深度，图中波形曲线波峰越大表示遇到的分界面越明显。在图8中，有效探测深度60m范围之内，20～35m范围内发现波速异常区，推断为构造异常区，后揭露验证为岩层破碎带。

3　回采工作面区域探测实例

3.1瞬变电磁法

以宁夏神华宁煤集团某煤矿1121综采工作面顶板探测为例，探测工作面顶板砂富水情况，图9 为1121工作面顶板粗砂岩顺层视电阻率切片。粗砂岩含水层整体上呈相对低电阻率异常特征，从电阻率特征来看，粗砂岩含水层普遍含水，富水程度中等，富水性不均匀，局部富水性较强，含水性中等到强的异常区范围约占70%。特别是1～7号强和较强富水区异常区主要分布在大羊其向斜的一翼，易发生水力联系，突水的可能性较大；8～17号强和较强富水区异常区主要分布在马家滩背斜的轴部，面积较大，电阻率值相对较高，存在突水的可能性。

图9　顺层视电阻率切片

图10 视电阻率立体切片

图10为内蒙鄂尔多斯市某矿1136工作面上方不同层位矿井瞬变电磁法探测电阻率切片图组合成的立体图，其投影边界都与1136工作面重合。在图10中综合6个平面的电阻率分布特征以及1136工作面地质构造情况，将6个平面图的不同电阻率区域投影到1136工作面上。综合图10的6个平面切片可以推断出:1136综采工作面上方3号断层分界线西部区域含水性中等到强的异常区范围约占60%，也即含水层普遍含水，富水性不均匀。C区上方主要分布在断层的西部，面积较大，异常范围较大，砂岩水富水范围较大，局部较强，易发生水力联系，存在突水的可能性，应引起重视；B区富水范围及程度仅次于C区，但上方60m范围之外存在着强或较强砂岩富水补给区，与B区砂岩水可能产生水力联系，应引起重视；推断A区存在砂岩含水层，也应引起注意；D区和E区推断为含水较少的高阻岩体，也不排除为含水较少的2煤采空区，应打钻验证；F区推断为正常岩层。

3.2音频电透视法

图11为山西晋煤集团某矿3煤4314工作面800～1700m音频电透视探测成果，在工作面内部共发现4个明显异常区:1号、2号、3号、4号。1号异常区:位于43141巷10号横川往东15m段，43141巷往南30m范围内，该异常可能受43141巷内该处抽放队600型履带式钻机及其钻具影响。2号异常区:位于43141巷8号横川往东10m段，43141巷往南30m范围内，该异常可能受裂隙水或构造水影响。3号异常区:位于43141巷8号横川往东40～60m段，43141巷往南50m范围内，该异常可能受裂隙水或构造水影响。4号异常区:位于43143巷143/13往西10～25m段，43143巷往北100m范围内。该异常可能受43143巷内该处顶板疏放水、低洼处积水及水仓影响。

图11　4314工作面800～1700m音频电透视法探测成果

3.3无线电波透视法

图12为山西晋煤集团某矿3煤4314工作面坑透探测成果图，在工作面内部共有4个异常区:1号、2号、3号、4号。结合地面三维地震资料和实际揭露情况综合分析，1号异常区域:43143巷150m附近，推断为SF127断层延伸至4314工作面所引起；2号异常区域:43143巷480m附近，范围较大，推断为DX99和煤层裂隙发育区或煤层破碎区所引起；3号异常区域:43143巷880m附近，范围较大，推断为SF137，SX61和煤层裂隙发育区或煤层破碎区所引起；4号异常区域:43143巷1040m附近，范围较小，推断为 SF140延伸至4314工作面所致。

图12　4314工作面无线电波透视法探测成果

4　已掘巷道区域探测实例

4.1瞬变电磁法测深

以山西晋煤集团某煤矿3煤2305巷探测为例，探测2305巷外侧帮采空区及积水情况。图13为3 煤2305巷侧帮顺层0°方向矿井瞬变电磁法探测视电阻率等值线拟断面。从电阻率特征来看，在距2305巷开口146～310m区域深56～120m处明显较其他区域电阻率偏低（低阻异常1），结合地质资料分析，推断低阻异常1可能为3煤采空区积水，并且富水性较强，后经打钻验证为原小煤窑采空区，且打钻出水量较大。

4.2直流电法测深

图13　2305巷0～310m顺层0°方向探测结果

以西山煤电集团某煤矿2301工作面运输巷顶板及侧帮方向探测为例，探测井下运输巷顶板及侧帮方向岩层富水性及采空区富水情况。图14为 2301工作面顶板及侧帮78m以内视电阻率异常趋势剖面。该图反映的是煤层顶板15m以内采空区、侧帮25m以外推断采空区含富水情况。从图中可以看出运输巷顶板泥砂岩15m以内出现较弱低阻异常区域，初步推断为2号煤采空区部分较弱积水，由于2号煤层回采以后，顶板破坏形成导水裂缝带，部分裂隙水渗入采空区所致，隔水层相对薄弱区段主要位于运输巷的420～460m处，形成顶板淋水；从剖面图上看，侧帮25m以外推断采空区异常不明显，分析侧帮采空区含水性较弱。

图14　三极电测深剖面

4.3瑞利波法测深

以山西西山煤电集团某煤矿2301工作面运输巷侧帮探测为例，探测侧帮方向相邻煤矿老空区边界距离2301工作面运输巷煤柱宽度，结果见图15。

从图15可知，从测点25的侧帮深度33m左右位置到测点56的侧帮深度约28m左右位置，有一条异常反应区域。测点25到测点56之间的距离为132m，它们之间的测点的探测结果比较相近，在30m附近均有异常反应。推断相邻煤矿老空区边界距2301工作面运输巷距离约为30m的煤柱。

5　结论与建议

图15　瑞利波法深度剖面

实践证明，选择合理的探测方法对于煤矿隐蔽灾害探测异常重要。结合在多个矿区煤矿的探测经验，为了在工作面掘进、开采前和开采过程中实时预报隐蔽灾害可能发生的时间和地点，采用瞬变电磁法、直流电法、音频电透视法、反射波法、瑞利波法、无线电波透视法6种方法进行综合探测。对于探测方法的选择和优化提出以下建议:

（1）对于未掘进巷道，采用瞬变电磁法或直流电法进行超前富水性探测，采用瑞利波法或反射波法进行超前地质构造等探测。

（2）对于掘进工作面，采用瞬变电磁法或直流电法可以较好地超前跟踪探测各类含水体，采用瑞利波法或反射波法可以较好地超前跟踪探测边界明显的构造、采空区等地质异常体。

（3）对于已掘巷道侧帮，采用瞬变电磁法或直流电法可以较好地探测巷道区域各类含水体，采用瑞利波法或反射波法可以较好地探测巷道区域边界明显的构造、采空区等地质异常体。

（4）对于采煤工作面，采用瞬变电磁法或音频电透视法可以较好地探测采煤工作面区域各类含水体，采用无线电波透视法可以较好地探测采煤工作面区域构造等地质异常体。

（5）在巷道掘进前、掘进过程以及回采工作面形成后，采用2种或2种以上综合探测手段，探测含水体、断层、陷落柱、采空区等隐蔽灾害，相互验证，提高探测精度，实现煤矿井下精细探测，保证煤矿安全开采。

［1］刘树才，岳建华，刘志新.煤矿水文物探技术与应用［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2006.

［2］于景邨.矿井瞬变电磁法勘探［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2007.

［3］牛之琏.脉冲瞬变电磁法及应用［M］.长沙:中南工业大学出版社，1986.

［4］张 彬，牟 义，张俊英，等.瞬变电磁法在导水裂隙带高度探测中的研究应用［J］.煤炭工程，2011，1（3）: 44-46.

［5］牟 义，丰 莉，姜国庆.基于矿井电法的矿井水害超前探测技术研究［J］.煤炭工程，2007，45（5）:109-111.

［6］李术才，李树忱，张庆松，等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（2）: 217-225.

［7］张典荣.新型直流电法仪在超前探测中的应用［J］.西安科技大学学报，2012，32（3）:398-402.

［8］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，2000，28（4）:60-62.

［9］孙 亮.瞬变电磁对含水层的超前探测效果分析［J］.山东大学学报（工学版），2009，39（4）:50-52.

［10］宁书年，李育芳，史付生.巷道超前探测的理论探讨与应用尝试［J］.地下水，2002，24（1）:43-44.

［11］赵文曙，邵佩林，刘海东，等.基于矿井地震波法的地质超前预报技术研究应用［J］.中国矿业，2012，21（S1）: 465-469.

［12］刘志新，岳建华，刘仰光.扇形探测技术在超前探测中的应用研究［J］.中国矿业大学学报，2007，36（6）:822-868.

［13］郭 纯，刘白宙，白登海.地下全空间瞬变电磁技术在煤矿巷道掘进头的连续跟踪超前探测［J］.地震地质，2006，28（3）:456-462.

［14］李云波，吴燕清.新型矿井多波多分量地震反射波观测系统的设计［J］.物探与化探，2012，36（1）:99-102.

［15］牟 义.矿井超前精细探测技术方法与应用［J］.煤矿安全，2012，43（11）:88-91.

［16］孙庆先，牟 义，杨新亮.红柳煤矿大采高综采覆岩 “两带”高度的综合探测［J］.煤炭学报，2013，38（2）: 283-286.

［责任编辑：施红霞］

Exquisite Detection Method and Optimization of Mine Implicit Disaster

ZHANG Bin1，2，3
（1.China University of Mining&Technology（Beijing），Beijing 100083，China；2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining&Clean Utilization（China Coal Research Institute），Beijing 100013，China）

In order to predict some geological anomalous body around driving working face and mining working face of coal mine，which include water body，goaf and structure，the following six technologies transient electromagnetic method；DC resistivity method；Rayleigh wave method；reflected wave method；audio-frequency electrical penetration；radio wave penetration method were applied，according data collection，dispose and back calculation，then visualization image would formed，then the scope and position ofgeological anomalous body could be explained，so a suit technology of geophysical prospecting dynamic monitoring that fit for underground water disaster.The results showed that all kinds of water body ahead of driving working face could be detected precision by transient electromagnetic method and DC resistivity method，some geological anomalous that boundary obviously in working face could be detected by Rayleigh wave method and reflected wave method；all kinds of water body in mining working face could be detected by transient electromagnetic method and audio-frequency electrical penetration，some geological anomalous body in mining working face could be detected by radio wave penetration method，but to the forming roadway，transient electromagnetic method and DC resistivity method were used to all kin ds water body detection.Some geological anomalous body like structure and goaf that roadway border obviously could be detected by Rayleigh wave method and reflected wave method.

implicit disaster；exquisite detection；transient electromagnetic method；DC resistivity method；Rayleigh wave method；reflected wave method；audio-frequency electrical penetration；radio wave penetration method

TD166

A

1006-6225（2016）04-0026-07

2016-01-12

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.007

国家自然科学基金（51404139）；中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目（2014QN013）

张 彬（1973-），男，山东新泰人，硕士，副研究员，主要从事煤矿开采及安全技术研究工作。

［引用格式］张 彬.煤矿隐蔽灾害井下精细探测技术方法与优化［J］.煤矿开采，2016，21（4）：26-32.