煤矿井下掘进工作面超前物探技术分析

段世雄

摘 要：随着矿井挖掘的不断深入，煤矿开采规模也在不断扩展，井下地质条件愈发复杂，风险隐患更为突出，急需加强对煤矿井下地质情况的探测。基于此，本文将简要概述井下超前物探技术，探究各类井下超前物探技术的基本原理，并分析煤矿井下掘进工作面超前物探技术的实际应用情况，以期为井下掘进作业的安全提供一定保障。

关键词：煤矿;掘进工作面;超前物探技术

引言：煤矿企业在開采挖掘中深度越大越容易受到水害的影响，不仅无法正常开展采矿作业，也会严重影响到施工人员的生命安全。为了保证煤矿井下开采工作的顺利进行，需要利用物探技术监测和分析地质结构，保证煤矿井下安全。

1井下超前物探技术概述

井下物探技术的发展与煤矿产业的发展形影不离，不断趋于成熟。井下物探技术就是地面物探技术的升级版，其需要适应煤矿地下工作环境，得到准确有效的探测数据。煤矿井下超前物探技术可以在非常近的距离内探测出煤矿井下的构造情况，提供详细的地质构造数据，也能够探测出掘进工作面前方存在的水体或地质体，以保证后续掘进作业的有效性。煤矿井下超前物探技术的探测范围正在不断扩展，对煤层厚度、构造、稳定性都能够探测清楚，并且探测精度较高，探测误差不高于5%，探测时间和投入资金较少，在掘进工作中无需直接接触工作面就可进行探测工作。并且当前物探技术有多种方式，在实际情况中科学合理地选择物探技术并将多种方法组合起来，能够得到更为准确的数据信息。

2井下超前物探技术的基本原理

2.1瞬变电磁探测技术

瞬变电磁法是利用不接地下线源向地下发射一次脉冲磁场，并在脉冲磁场间歇期间利用接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。在煤矿井下探测便是利用岩石电导率的差异来掌握各类介质的变化情况。其原理是在电流断开前，之前的电流会在周围空间形成磁场，当电流断开后，电流磁场便会立即消失，磁场的剧烈变化就会引发二次磁场的产生，相关设备便可以利用二次场的衰减规律分析出地质体的导电性，以此确定地质体的实际情况。瞬变电磁探测技术的本质是利用二次场的衰减规律来确定地质区域的异常。

2.2直流电法探测技术

直流电法探测技术包含电阻率剖面法、电阻率测探法、充电法等是电法勘探的一大类。其工作原理是在全空间电场的理论和科学支持下，探测各类岩石不同导电性的方法，利用科学的电场理论解决和处理关于煤矿井下的一些地质问题。直流电法探测技术大多可以探索工作面前方100m范围内的断层、水体或是导水裂隙带，可以确保探测区域内地质条件的准确性，而且低阻率下的响应非常迅速，能够反映细微的低阻异常。超前探测时需使用两个发射电极和两个测量电极，其中一个发射电极可不断向探测工作面延伸，通常与另一个电极距离在400m范围内，在掘进过程中测量电极不断探测，当检测地质异常情况时两个测量电极就会出现电位差变化，再根据交汇原理，便能够得到具体的位置[1]。

2.3激发极化探测技术

激发极化效应的原理是当稳定电流加载到地层当中，在电化学的作用下形成附加电场，而瞬时电位在测量电极中不会出现饱和，而是跟随时间推移增加的，直至达到饱和并稳定。这时切断加载电流，瞬时点位差也会随着时间衰减，直到为零。激发极化法与直流电法类似，都是以岩石介质作为对象，不过激发极化效应是以钻孔中激电效应为研究对象。激发极化法的应用范围越来越广泛，当前主要采用的是频率激发极化法，其优点输出功率更低，频率域激发极化法表征为组合多种超低频电流波形，电极排列方式类似与直流电法，根据充电时间的长短来分析介质产生的激发极化现象。

3煤矿井下掘进工作面超前物探技术应用

3.1超前物探方案

根据煤矿井下实际情况，明确主要的应用需求和需要解决的问题，做好井下工程勘察工作，获取切实有效的数据信息，再通过分析数据对比不同的物探技术，集合矿井实际情况，总结出适宜煤矿井下掘进工作面的超前物探技术。

在前期钻孔施工中，煤矿钻机之间的间距不应超过200m，还需避免倾斜角度过大，以此来保证施工的稳定性，也能够为后续探测提供便利。超前钻探施工时，钻探作业采取扇形分布方式，两个钻孔间距应小于3m。并且在对煤矿地质构造进行探测时，需多次进行物探，降低物探技术可能存在的偏差或错误。超前物探方案可以选择多种探测技术相互结合，在前期先使用瞬变电磁法进行煤矿井下的施工作业，以此保证对地质构造体的准确分析，之后在掘进前利用频率域激发极化法探测工作面情况确保地质条件情况，避免存在裂隙、水体等问题。最后在掘进施工过程中运用直流电法进行实时监测，及时分析掘进过程中地质岩层的电导率等相关因素，确保掘进作业的安全稳定[2]。

3.2掘进工作面超前物探

为了防止探测出现浮式钻进现象，需将钻孔长度控制在120m之内，可以保证钻井的质量。在完成钻井施工后，管理人员或有关部门要对钻井情况进行检验，确保钻井结果符合施工要求。若在掘进工作面施工过程中遇到一些较为复杂或特殊的地质情况时，需对钻探勘测技术进行调整，制定科学合理的解决方案。在过往一些掘进工作超前物探技术应用中一直存有部分问题，除了超前物探技术本身的局限性之外，例如地震波法对大范围地质构造体的弹性波法反映良好，但是小范围的波源反映薄弱，难以详细区分。还有一些施工作业中存在的遗留问题，比如在矿井预警预测工作中应当遵循“有掘必探、先探后掘”的探测原则，但在实际工作中为了省时省力，掘进的要比探测的多，正确率在整个探测中权重较低，探测效率较差。运用科学合理的超前物探技术避免了过往直接钻探法消耗的大量时间和费用，也提高了物探的准确性和可操作性，有效保证了煤矿的安全生产，降低煤矿的运行成本。

3.3工作面超前物探实际应用

在完成初期勘测后可以大致确定井下工作面100m范围内可能存在的积水、含水或者特殊构造体等地质情况，其中这100m范围包括掘进头顶、底板以及掘进前方，并非单独指掘进位置区域。在物探前应当对矿井内部情况予以勘探，包括过往的老窖或采空区，将水文地质情况和位置信息记录在地质图纸上。然后便可利用适宜的超前物探技术对掘进工作面进行探测，确定钻孔孔深、倾斜角度，之后测量出电导率或极化率的整体走势，若走势较为平稳，没有较大变化则表现在钻孔孔深至掘进工作面区段没有异常地质隐患。如果电导率或极化率出现变化则说明存在异常构造体，其中电导率增幅较小时，可以推测存在裂隙。通常情况下第一次钻孔孔深约为50m左右，之后每次增加10～20m左右，连续探测4至5次。在超前物探工作完成后，需将探测出的数据信息结合矿山地质资料，推测出井下掘进工作面的异常体可能，并以此为根据采取相应措施进行处理[3]。

结论：通过对煤矿井下掘进工作面超前物探技术的分析，详细探究了瞬变电磁法、直流电法和激发极化法在井下掘进工作面的应用效果，结合实际煤矿情况，选择科学合理的方法，探查井下掘进工作面的异常构造体，为煤矿井下安全施工提供良好支撑，提高了开挖施工的稳定性和安全性，促进了煤矿企业的发展。

参考文献：

[1]刘务全.瞬变电磁和直流电法超前物探的对比研究[J].山西冶金，2020，43（05）：44-46.

[2]吴超凡，邱占林，路拓，梁文全.综合物探技术在大弯煤矿巷道超前地质预报中的应用[J].煤炭工程，2020，52（04）：43-47.

[3]帅美荣.多种物探技术在矿井导水构造超前探测中的实际应用简析[J].山东工业技术，2019（12）：77.