矿井回采工作面隐蔽灾害综合物探技术研究

牟 义，徐 慧，窦文武，樊林林，李梓毓，李江华，焦 阳

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.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；3.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 物探工程分公司，山西 晋城 048006)



矿井回采工作面隐蔽灾害综合物探技术研究

牟 义1,2,3，徐 慧1,2,3，窦文武3，樊林林3，李梓毓3，李江华1,2,3，焦 阳3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.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；3.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司 物探工程分公司，山西 晋城 048006)

采用槽波地震法、无线电波透视法、瞬变电磁法、音频电透视法来查明晋煤矿区采煤工作面区域隐蔽灾害情况，提前采取防治措施以保证安全回采。探测结果表明：槽波地震法、无线电波透视法均可探测工作面内部断层、陷落柱和煤厚变化带等隐蔽地质体；槽波地震法可实现盘区以及超宽工作面探测，并可探测瓦斯富集区、应力集中区，对陷落柱反映敏感，探测精度高；无线电波透视法对断层等构造反映灵敏，可以探测中小断距断层，实现精确定位；瞬变电磁法、音频电透视法可探测工作面区域富水情况，瞬变电磁法探测范围广，可实现煤层周边区域全空间360°范围探测；音频电透视法可探测煤层内部富水情况，也可用于探测复杂采动的复采工作面，对空巷、房柱式采空区探测效果极佳。针对采煤工作面的地质条件，合理选用上述一种或几种物探方法，可实现工作面隐蔽构造的精细探测，为工作面安全回采提供保障。

隐蔽灾害；综合物探；槽波地震法；无线电波透视法；瞬变电磁法；音频电透视法

隐蔽灾害是煤矿灾害事故的主要根源，严重威胁矿井安全生产。近几年，晋煤矿区已经发生多起透水事故或未遂水害事故，例如：2010年6月3日，郊南煤矿发生一起水害事故，事故直接经济损失约979.9233万元；2013年10月19日，朝阳煤业副斜井在穿9号煤过程中发生重大未遂水害事故，右帮支护锚杆时发生渗水，之后大量出水；2015年2月13日，东沟煤业发生一起突水事故，经济损失巨大。因此，提前对隐蔽灾害进行探测和防治，探明灾害的位置、范围及通道，有计划、有步骤、有针对性地做好回采工作面灾害防治工作，是确保矿井安全生产的重要手段[1-3]。

采用槽波地震勘探法、瞬变电磁法、无线电波透视法、音频电透视法等物探方法对晋煤集团所有煤矿进行大规模、长周期、复杂地质采矿条件下的隐蔽致灾地质因素全覆盖探测是国内首例。本文介绍了上述物探方法的基本原理，分析了井下工作面现场施工方案和适用范围，并结合探测实例研究总结了各探测技术的应用效果，为今后工作面隐蔽灾害探测提供一定的借鉴经验[4-5]。

1 矿区概况

晋煤集团现有12座主力生产矿井和44座资源整合矿井，设计生产能力70.85Mt/a。煤系地层为二叠系下统山西组(P1s)和石炭系上统太原组(C3t)，其中主要可采煤层为3号、9号、15号煤层。各井田内小断层较发育，并发育有密度不一的陷落柱。目前影响矿井安全生产的水源主要有老空积水、砂岩裂隙水、构造水、封闭不良钻孔水、煤层下伏的奥陶系岩溶水、大气降水、地表河水等。尤其整合煤矿水文条件更复杂，主要是由于整合前小煤矿采空区多、水文地质情况不清、水害隐患严重，老空积水和砂岩裂隙水时刻威胁着矿井的安全生产，这些隐蔽灾害的探测刻不容缓。

2 回采工作面物探技术

2.1 槽波地震法

槽波地震法是利用在煤层中激发和传播的导波探查煤层不连续性的一种地球物理方法[6]。由于煤的密度和弹性传播速度明显低于顶、底板，所以在煤层内激发的弹性波大部分能量不能向煤层外部传播，总是在两个界面(煤层的顶板和底板)之间反射、混响和叠加，从而形成一种特殊的弹性地震波[7]，如图1所示。

图1 槽波形成示意

透射法测量是槽波勘探最基本的测量方法，其震源与检波器布置在不同的巷道内，在一条巷道内激发，在另一条巷道中接收通过煤层的透射槽波[8-9]。根据透射槽波的有无或强弱来判断震源与接收排列间射线覆盖的扇形区内煤层的连续性。

2.2 无线电波透视法

无线电波透视法简称为“坑透法”，是指电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，因而对电磁波能量的吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当电磁波前进方向遇到断裂构造界面时，将在界面上产生反射和折射作用，造成能量损耗的一种电磁波透视方法[10]。井下电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其他构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成透视异常，据此对地质异常进行推断和解释[11]。

井下探测方法一般为定点法，在两巷道间进行，发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上，接收机在相邻巷道一定范围内逐点沿巷道观测场强值，又称定点交会法。一般发射点距50m，接收点距10m，每一发射点，接收机可相应观测11～21个点，如图2所示。

图2 无线电波透视法探测示意

2.3 瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法的基本原理是电磁感应定律。井下瞬变电磁法探测是在巷道内设置一个闭合线圈，在电流断开之前，发射电流在回线周围空间中建立起一个稳定的磁场；断电后，该电流产生的磁场也立即消失，磁场的变化便会激发出感应电流以维持之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热损耗，磁场能量将逐渐减弱直到消耗完毕为止[12]。通过测量断电后各个时间段的感应场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

由于井下空间所限，通常采用多匝线圈组成的小线框作为发射线框和接收线框，点距可以根据勘探任务要求变化。测量时，线框的法线方向为探测方向，可对巷道和工作面进行全方位探测(图3)，根据电阻率分布情况推断顶板或底板岩层的富水性[13-14]。

图3 瞬变电磁法探测方向示意

2.4 音频电透视法

矿井音频电透视技术是基于地下各种岩石间的电性差异对人工电场的分布形态产生影响，利用仪器在井下观测人工场源的分布规律来解决水文地质问题的技术方法。由于低阻体对电流的“吸收”作用，在巷道对应接收的位置将会产生电流密度降低，视电导率随之增加的现象[15]。该方法以点电源全空间电场分布理论为基础，根据探测获得的数据，以计算出工作面内顶底板一定深度范围内的视电导率值为参数进行成图、分析与解释的一种物探方法。

井下音频电透视使用单极(供电)偶极(接收)装置工作，即在一侧巷道按照等距布置电极(供电电极A)供电，另一个发射电极(供电电极B)布置在相对无穷远处，在工作面另一侧巷道对应于某个供电点，采用一对电极(接收电极M，N)沿巷道接收[16]。采用该装置施工时，其连线垂直巷道走向，如图4所示。

图4 无线电波透视法探测方向示意

3 工程应用研究

3.1 槽波地震法

山西省晋煤集团某矿井5308大采高工作面走向长2742.5m，回采3号煤层，厚度为6.07m。工作面主要受一宽缓背斜控制，轴部距设计切眼以南1300m左右，局部煤厚变化较大。由于工作面内陷落柱的存在，对回采影响较大。根据三维地震勘探资料，该工作面内有3个陷落柱： WDX47，KDX45，KDX39。其中陷落柱KDX39位于切眼以南277m(长轴119m，短轴80m)。为进一步探明工作面内陷落柱的分布情况，以减少对生产的影响，采用槽波地震法对工作面进行了勘探。本次槽波地震勘探采用透射法，在该工作面53081巷布置29个检波点，检波点道间距为20m，各检波点均为两分量检波器接收。53083巷布置31个炮点，炮点间距为20m。

图5为工作面内较典型的槽波记录道频散曲线和单炮速度分析结果。通过对整个工作面内各典型槽波记录频散曲线进行综合分析，结果表明整个工区槽波频散特征显著，群速度曲线相对较完整连续，槽波埃里相频率主要集中在80Hz左右；槽波的埃里相速度约为850m/s。在对各炮点获得的槽波数据进行频散分析后，便可获得选定频率下槽波速度，再对其进行层析成像便可获得波速CT成像结果，该结果能够反映煤层厚度变化、断层和陷落柱等，是透射法槽波勘探进行地质解释的主要依据。

图5 典型槽波记录道频散曲线和单炮速度分析结果

图6为槽波速度层析成像成果，图中深色代表高速区，浅色为低速区。根据速度分析结果综合分析完整的煤层的波速约为850m/s，深色实线区域内为速度高于煤层速度，定义为异常区，共发现6处相对高速异常区。结合地质资料，推断异常1和2为压力增高带或煤层夹矸；异常3为陷落柱；异常4和5为断层；异常6为背斜破碎带或瓦斯富集区。

该工作面区域经过多种手段进行勘探，均发现异常3，推断为陷落柱，但勘探陷落柱大小差别较大，其中三维地震勘探推断陷落柱长轴118m，短轴79.2m，无线电波透视法推断陷落柱长轴120m，短轴80m，槽波地震法推断陷落柱长轴84m，短轴60m，而通过实际揭露陷落柱长轴98m，短轴52m。综上多种勘探手段可以看出，槽波地震勘探法探测陷落柱的精度最接近实际。

图6 5308工作面槽波速度CT成像成果

3.2 无线电波透视法

晋煤集团某矿井4318工作面位于3号煤层三盘区，东高西低，走向长940m，由43181巷和43183巷圈定而成，倾斜长192m，开采3号煤层，厚度平均5.70m，含泥岩、炭质泥岩夹矸0～3层，结构简单-较简单，全区可采。

该煤层位于山西组下部，上距K8砂岩平均38.86m，下距K7砂岩平均8.97m。顶板主要是泥岩、砂质泥岩、次为粉砂岩，局部为中、细粒砂岩或粉砂岩，底板为黑色泥岩、砂质泥岩，深灰色粉砂岩。

图7为无线电波透视法工作面场强分布图。图中有3段总体场强值较低：40～140m区段集中在16～40dB之间；450～550m区段在2～35dB之间；600～670m区段在20～45dB之间，表明3段煤岩层相对穿透性较差，对无线电波的吸收性较强，分别对应图7中3处场强异常区：异常1、异常2和异常3；图7其他区段总体场强值较高，在40～60dB之间，说明该段煤层对无线电波的吸收系数值较小，无线电波透视能力较强，为正常煤岩层无线电波场强的典型值。图7中深色调区越深表明其场强值越低，即该段煤层无线电波穿透能力低，为潜在的构造异常区。工作面场强分布图中各段情况反映结果与实测场强曲线结果基本一致，主要有3个探测异常区，各个异常区位置及推断结果见表1所示。

图7 无线电波透视法两巷实测场强分布

异常异常特征说明1北翼专用回风巷向切眼50～150m左右范围，推测为断层和陷落柱构造影响2北翼专用回风巷向切眼450～550m左右范围，推测为断层和陷落柱构造影响3北翼专用回风巷向切眼600～670m左右范围，推测为陷落柱或构造破碎带

3.3 瞬变电磁法

晋煤集团某矿井XV3307工作面走向长度800m，回采15号煤，煤厚平均2.27m，上距9号煤层29m左右，距3号煤层94m左右，下距K1砂岩4m左右。工作面顶板为K2石灰岩，时有炭质泥岩或泥岩伪顶，底板为泥岩、铝土泥岩，有时为炭质泥岩或粉、细粒砂岩。为查明工作面上方采空区积水和含水层富水情况，采用瞬变电磁法对其进行探测。在工作面每条巷道布置7条测线(顺层0°、顶板15°、顶板30°、顶板45°、顶板60°、顶板75°和顶板90°)，每条测线长800m，探测方向如图8所示。

图9为XV3307工作面顺层成果叠加。根据图9探测成果，结合XV3307工作面掘进过程中实际揭露的地质情况及现场具体施工环境，综合分析如下：XV3307工作面顺层大致分为4个低阻异常区，从左往右依次称为低阻异常1、低阻异常2、低阻异常3、低阻异常4，且异常区域范围依次增大。在距切眼180～230m范围内XV3210巷顶板有不同程度的淋水，推测距切眼180～250m内富水性较大。XV3213巷内低阻异常2和低阻异常3范围内金属物较多，分析低阻异常2及低阻异常3为地电干扰引起，可靠性较低。低阻异常4中距切眼720～730m处有淋水现象，分析认为650～750m处富水性较大。综合各方向探测结果，认为距切眼方向180～250m，650～750m范围内顶板富水性较强，结合地质资料及现场施工环境分析，推测其为上层采空区积水或裂隙水。

图8 XV3307工作面瞬变电磁法探测角度示意

图9 XV3307工作面顺层成果

3.4 音频电透视法

山西临汾某整合矿3号煤层位于山西组中下部，地层倾角一般小于15°，煤层厚度0.85～1.50m，平均厚度1.10m，结构简单，不含夹矸，顶板以泥岩、细粒砂岩为主，底板泥岩、粉砂岩为主，赋煤区内全区可采，属稳定煤层。在2，3号煤层开采过程中，已发现4条断层；在3号煤的开采中，已发现5个陷落柱，短轴长度8～27m，长轴长度17～50.4m。13120回采工作面位于3号煤层，回风巷长230m，运输巷长230m，工作面开口处宽度为130m，切眼长120m，13120工作面周长为710m。为了充分了解和掌握13120回采工作面内部及顶底板区域的富水区分布情况，采用音频电透视法对13120工作面进行了探测。

本次探测是在一条巷道内某点发射，在另一条巷道对应点一定范围内接收，测网密度供电点极距50m、接收点极距10m。在每个发射点对应的另一巷道扇形对称区间进行观测，确保测区内各单元有3次以上发射-接收射线覆盖，然后交换供电与接收的巷道，如图10(a)所示。

图10 13120工作面测点布置图与探测成果

图10(b)为13120工作面内部区域音频电透视法探测成果图，反映了整个13120工作面区域内部、顶底板空间电阻率融合到同一个层位的平面分布特征，间接反映出整个工作面空间融合到同一层位的岩层含水情况。因井下巷道中金属支架和轨道的影响，电阻率值将形成一定的扰动，但这种扰动影响在大部分测段具有统一性，可作为系统偏差来考虑，不影响通过电阻率值的相对变化的大小进行地层富水性解释。根据探测结果，结合矿井地质资料进行综合分析，推断结果见表2。

表2 13120工作面内部区域音频电透视法探测异常分布情况

4 结 论

通过在晋城矿区应用槽波地震法、无线电波透视法、瞬变电磁法、音频电透视法等工作面区域隐蔽灾害探测手段，实现了晋煤集团采煤工作面回采前的集团规模化物探全覆盖工作，取得了较可靠的探测结果，并获取了大量的生产研究经验， 得出如下结论：

(1)槽波地震法、无线电波透视法均可探测工作面内部断层、陷落柱和厚度变化带等隐蔽地质体。槽波地震法作为一种新技术，一般用炸药做震源，激发能量强，探测深度可达煤厚300倍，可实现盘区以及超宽工作面探测。其在探测瓦斯富集区、应力集中区和陷落柱精度等方面弥补了常规物探手段的不足；无线电波透视法对断层等构造反映灵敏，可以探测中小断距断层，实现精确定位，是目前最成熟的工作面构造探测技术。

(2)瞬变电磁法、音频电透视法可探测工作面区域富水情况。瞬变电磁法探测范围广，不仅能探测煤层内部富水情况，还能探测煤层顶板、底板一定范围的富水情况，实现无盲区富水情况探测；音频电透视法可探测煤层内部富水情况，也可用于探测复杂采动的复采工作面探测，对空巷、房柱式采空区探测效果极佳。

(3)针对采煤工作面地质采矿条件，合理选用槽波地震法、无线电波透视法、瞬变电磁法、音频电透视法中一种或几种方法，可实现工作面隐蔽构造的精细探测，为工作面安全回采提供保障。

[1]刘天放，潘冬明，李德春，等.槽波地震勘探[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[2]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.

[3]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.

[4]杨华忠，邱德生，陈兴海，等.矿井工作面地质异常综合探测技术应用[J].中国煤炭地质，2013，25(3)：63-67.

[5]牟 义，杨新亮，李宏杰，等.采煤工作面水害电法精细探测技术[J].中国矿业，2014，23(3)：88-92.

[6]杨思通，程久龙.煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测数值模拟[J].地球物理学报，2012，55(2)：655-662.

[7]王 伟，高 星，李松营，等.槽波层析成像方法在煤田勘探中的应用——以河南义马矿区为例[J].地球物理学报，2012，55(3)：1054-1062.

[8]刘天放，程久龙，潘冬明，等.槽波的吸收衰减[J].煤炭学报，1983，18(5)：83-86.

[9]张 宁，韩洪德，刘晓晨，等.地震波CT技术在煤矿采空区探测中的应用[J].河北工程大学学报(自然科学版)，2008，25(3)：95-97.

[10]吴荣新，张平松，刘盛东，等.矿井工作面无线电波透视“一发双收”探测与应用[J].煤炭学报，2010，35(S1)：170-174.

[11]吴荣新，刘盛东，肖玉林，等.工作面无线电波透视实测场强成像分析及应用[J].岩土力学，2010，31(S1)：435-440.

[12]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.

[13]于景邨，刘振庆，廖俊杰，等.全空间瞬变电磁法在煤矿防治水中的应用[J].煤炭科学技术，2011，39( 9)：110-113.

[14]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.

[15]牟 义.矿井工作面突水地质异常体电阻率响应特征实验研究[D].山东，山东科技大学地质学院，2009.

[16]张 军，王 勇，秦鸿刚，等.矿井音频电透视在矿井工作面探测中的应用[J].工程地球物理学报，2013，10(4)：551-554.

[责任编辑：施红霞]

Complex Geophysical Prospecting of Hide Disaster of Mining Working Face in Mine

MU Yi1，2，3，XU Hui1，2，3，DOU Wen-wu3，FAN Lin-lin3，LI Zi-yu3，LI Jiang-hua1，2，3，JIAO Yang3

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory，Beijing 100013，China； 3.Geophysical Prospecting Branch Company，Shanxi Jin Coal Corporation Technique Research Institute Co.，Ltd.，Jincheng 048006，China)

Hide disasters of mining working face of Jin coal mine district were detected by channel wave seismic method，radio wave penetration method，transient electromagnetic method，audio-frequency electrical penetration，and safety mining could be ensured by some ahead control measures.The results of exploration showed that some hide geological body like fault in working face，collapse column and coal seam thickness variation zone could be detected by all channel wave seismic method and radio wave penetration method，panel and extra width working face exploration could be realized by channel wave seismic method，and methane concentration area and stress concentration area could be detected also，it is sensitive for collapse column and exploration precision high.Radio wave penetration method is sensitive for some structures like fault，some small and middle separation fault could be detected precision；water rich situation of working face could be detected by transient electromagnetic method and audio-frequency electrical penetration，transient electromagnetic method could explored all 360° region，audio-frequency electrical penetration not only detected water rich situation，but also explored complex working face with complex mining，it had an excellent effects for abandon roadway and goaf of room and pillar.To the geological situation of coal mining working face，exquisite exploration could be realized by one or some detective method，and provide safeguard for working face safety mining.

hide disaster；complex geophysical prospecting；channel wave seismic method；radio wave penetration method；transient electromagnetic method；audio-frequency electrical penetration

2016-06-14

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.007

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)；煤炭科学技术研究院基础研究基金项目(2014JC07)

牟 义(1983-)，男，山东日照人，硕士，助理研究员，从事地球物理方法技术研究与应用工作。

牟 义，徐 慧，窦文武，等.矿井回采工作面隐蔽灾害综合物探技术研究[J].煤矿开采，2016，21(6)：22-27.

TD166

A

1006-6225(2016)06-0022-06