汪國勝 曹兆飛

安徽省淮南礦業(yè)集團(tuán)地質(zhì)勘探工程處井下物探隊 232001

井下物探隊發(fā)展現(xiàn)狀及構(gòu)想

汪國勝 曹兆飛

安徽省淮南礦業(yè)集團(tuán)地質(zhì)勘探工程處井下物探隊 232001

隨著礦井機(jī)械化采煤的發(fā)展，特別是綜合機(jī)械化的普及，對礦井地質(zhì)工作要求越來越高，但煤礦生產(chǎn)機(jī)械化的致命弱點是不能適應(yīng)地質(zhì)情況的變化。當(dāng)采（掘）工作面內(nèi)出現(xiàn)斷層、煤層變薄或者存在水文隱患時，傳統(tǒng)的地質(zhì)方法已顯示出極大的局限性，如小構(gòu)造、小斷層、未知老巷、異常含水帶、陷落柱等較復(fù)雜的地質(zhì)條件，即使是最先進(jìn)的地面勘探技術(shù)，也難于可靠的查明，因此井下地球物理勘探技術(shù)（俗稱井下物探），受到普遍的重視。實踐證明井下物探是地面勘探技術(shù)的重要補(bǔ)充，是礦井地質(zhì)工作的重要手段，煤礦井下物探的應(yīng)用與發(fā)展，極大的推動了煤礦安全開采技術(shù)的進(jìn)步。秉承“技術(shù)建礦、技術(shù)先進(jìn)、技術(shù)創(chuàng)新”的理念，淮南礦業(yè)集團(tuán)地質(zhì)勘探工程處2010年4月份組建“井下物探隊”，共設(shè)立了“坑透、直流電法、瞬變電磁、地質(zhì)雷達(dá)”共4個物探項目。

地質(zhì)工作；構(gòu)造；含水帶；陷落柱；井下物探

1、井下物探隊現(xiàn)狀

1.1 井下物探隊配置的儀器

1.1.1 WKT-E型無線電波坑透儀

無線電磁波坑道透視技術(shù)（簡稱坑透）是煤礦回采工作面構(gòu)造探測的主要手段，該方法是利用煤巖體對電磁波吸收的物理差異性，將探測異常段在回采工作面中圈出，稱為異常區(qū)，是目前較為成熟的物探方法之一，如圖1。

圖1 坑透探測原理示意圖

WKT-E型無線電波坑透儀是一款本質(zhì)安全型礦用儀器，該儀器設(shè)有0.3MHz、0.5MHz、1.5MHz三個頻段，分別應(yīng)用于不同條件工作面的坑透工作。由于無線電波在介質(zhì)中傳播時具有衰減性，因此探測時工作面較寬，煤層較薄時，電磁波將無法穿透整個工作面，目前探測過的工作面最大面寬260m，最薄煤厚0.9m,均取得成果。

井下物探隊從2010年7月份正式開始全面接手集團(tuán)公司內(nèi)部各生產(chǎn)礦的坑透工作，截止2011年8月底已完成46個工作面的探測，由于工作面的驗證周期較長，因此只能從 2010年探測的工作面來看，已回采驗證的有8個工作面，共35個異常區(qū)，回采驗證完全吻合的有26個，準(zhǔn)確率達(dá)74%。

目前坑透技術(shù)主用應(yīng)用于探測地質(zhì)構(gòu)造破壞軟分層帶、直徑10m以上的陷落柱、斷距大于三分之一煤厚的斷層、頂板垮塌或富集水的采空區(qū)、煤層厚度及產(chǎn)狀變化帶、夾矸厚度變化帶、火成巖侵入體等。

1.1.2 YCS40(A)型瞬變電磁儀

瞬變電磁技術(shù)是（簡稱TEM）是一種時間域的電磁探測方法，利用電流脈沖激發(fā)供電形成電磁渦流場，通過觀察渦流場的變化反演出煤巖體的富水性，為礦井防治水工作提供物探依據(jù)，如圖2。

圖2 瞬變電磁探測原理示意圖

圖3 直流電法測深探測原理示意圖

YCS40(A)型瞬變電磁儀是一款礦用本安型產(chǎn)品。該儀器采用多匝式小線框，邊長2m，發(fā)射接收回線重疊，便于發(fā)射接收同步進(jìn)行，儀器設(shè)有4個頻率，分別為8. 3Hz、25Hz、75Hz，125Hz。瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理軟件能對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行32～2048次疊加計算，提高了信噪比，利用其定向性，可以對工作面頂板、底板、順層等方向進(jìn)行全空間探測。

截止2011年8月底，瞬變電磁法已獨立開展57次，根據(jù)已驗證情況來看準(zhǔn)確率達(dá)到75%。瞬變電磁目前主要用于掘進(jìn)巷道前方富水性超前探測與評價、工作面頂板（底）板富水性探測、回采工作面老空水探測等工作。

1.1.3 YD32(A)型、FDG-A型直流電法儀

直流電法勘探是以煤、巖層的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過人工向地下供入穩(wěn)定電流，觀測大地電流場視電阻率值分布規(guī)律，從而確定巖、礦體物性（如貧、富水區(qū)域）的分布規(guī)律或地質(zhì)構(gòu)造的特征，目前該方法被廣泛的應(yīng)用于煤礦井下水文探測、導(dǎo)水構(gòu)造調(diào)查等方面(如圖3、圖4)。

圖4 直流電法超前探測原理示意圖

根據(jù)探測目的不同，直流電法裝置工作形式有多種，井下通常使用的有對稱四極測深裝置、三極測深裝置和單極超前探測裝置。

FDG-A型直流電法儀是一款用于測深的電法儀器，它利用四極測深原理，一次性布置64根電極，采用工控微機(jī)技術(shù)，一次性數(shù)據(jù)自動采集，相對于傳統(tǒng)電法勘探具有操作簡單、高效快速的特點。數(shù)據(jù)采集后導(dǎo)入RES2DINV軟件進(jìn)行處理，最后得出探測地段的視電阻率值反演剖面，反演圖形直觀、可靠、通俗易懂。

YD32(A)型直流電法儀是用于三極測深及單極超前探測的電法儀器，目前主要應(yīng)用于電法超前探測。礦井電法超前探測在全空間條件下建場，使用全空間電場理論，研究掘進(jìn)頭前方地層電性變化規(guī)律，預(yù)測前方含、導(dǎo)水構(gòu)造的分布和發(fā)育情況的電法探測新技術(shù)，在現(xiàn)場采用點電源三極裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。超前距離100m，布設(shè)好32根電極后即可進(jìn)行一次性數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理使用專用的解釋軟件直接成圖，亦可用surfer軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、對反演圖形進(jìn)行編輯。

截止2011年8月底，直流電法共進(jìn)行19次井下探測，準(zhǔn)確率為71%，由于直流電法超前探測遵循球殼理論，針對全空間探測，因此目前國內(nèi)諸多物探專家對這一理論存有異議，因此我們自主設(shè)計制造了直流電法土槽實驗設(shè)備，開展實驗50余次，通過分析大量的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法存有諸多較難解釋的問題，因此仍需要繼續(xù)思考、研究，目前在井下使用效果尚可。

直流電法主要用于探測礦井突（導(dǎo)）水通道、巷道底板有效隔水層厚度、含水層厚度及其富水性分布規(guī)律；工作面帶壓開采條件物探評價及工作面探放水孔位置選擇；工作面底板注漿效果檢測；老窯積水區(qū)探測；陷落柱及其富水性探測等。

1.1.4 KJH-D型防爆探地雷達(dá)

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR，又稱地質(zhì)雷達(dá)）探測法是近幾年在我國礦井下開展的物探新技術(shù)，其原理是發(fā)射定向脈沖式高頻電磁波，依靠目標(biāo)體和周圍介質(zhì)之間的電性參數(shù)差異，造成高頻電磁波發(fā)生反射回波，通過對儀器接收的反射回波分析來區(qū)分不同的介質(zhì)和目標(biāo)體,如圖5。

圖5 雷達(dá)探測原理示意圖

KJH-D型防爆探地雷達(dá)是一種用于確定地下介質(zhì)分布的光譜（1MHz～1GHz）電磁技術(shù)，該技術(shù)采用無損探測，現(xiàn)場探測快速經(jīng)濟(jì)，儀器采用一體化主機(jī)設(shè)計，分離式天線，操作方便，工作方法多樣。該儀器配有1m和2m的兩款天線，對應(yīng)頻率分別為100 MHz、50 MHz，1m的天線可超前探測5～30m，根據(jù)迎頭條件選擇50 MHz天線探測距離可增大至50m。資料處理軟件操作簡單，測量結(jié)果彩色顯示，直觀準(zhǔn)確易于解釋。

截止2011年8月底，地質(zhì)雷達(dá)共進(jìn)行3 5次井下探測，準(zhǔn)確率為62%。該方法由于發(fā)射高頻脈沖式電磁波，因此巷道金屬物體、迎頭平整度對其影響較大，在現(xiàn)場探測要求較高，這就需要有關(guān)單位配合施工，隨著經(jīng)驗的積累將不斷提高探測的有效性、準(zhǔn)確性。地質(zhì)雷達(dá)探測主要以煤巷探測為主，探測煤層中構(gòu)造帶，另外對于煤層中的金屬物體探測效果較好，如掉鉆鉆孔探測、遺留金屬物探測等。

1.2 井下物探目前存在的問題

多種物探手段的開展可以基本解決礦井的生產(chǎn)需要，但是整體來說還存在這許多問題，有待進(jìn)一步研究提高，如確定較寬、較薄工作面內(nèi)局部煤層缺失帶分布規(guī)律、定量超前預(yù)測掘進(jìn)巷道前方災(zāi)害性地質(zhì)構(gòu)造、定量預(yù)測采空區(qū)位置及其含水性、提前預(yù)測煤與瓦斯突出災(zāi)害性地質(zhì)構(gòu)造的空間位置，另外物探儀器普遍具有探測距離短、分辨率能力不高、方法實驗多理論研究相對較少、資料解釋定性的多定量解釋的少、理想化理論多具體問題理論少、不同的方法還沒有形成相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范等。

1.3 目前開展的創(chuàng)新工作

井下物探隊成立以來針對各類儀器的實際應(yīng)用工作，對物探儀器及方法進(jìn)行改良，以滿足現(xiàn)場的實際需求。

1.3.1 針對坑透工作時間長，對生產(chǎn)影響大的問題，我們對坑透方法進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)，采用雙巷并行交替式定點透射法，縮短40%的工作時間。

1.3.2 為了有效利用工作面坑透時的停電時間，我們開展了瞬變電磁與坑透同步施工的相關(guān)實驗，找到二者相互影響的規(guī)律，開展坑透與瞬變電磁同步施工法。

1.3.3 充分利用廢舊器材，創(chuàng)新性的自主設(shè)計了直流電法土槽實驗，整個實驗節(jié)省了數(shù)十萬元的外購經(jīng)費，并首次設(shè)計實施了直流電法超前、測深探測的多功能土槽實驗箱，為探討研究直流電法全空間探測的可靠性提供了大量數(shù)據(jù)。

1.3.4 針對地質(zhì)雷達(dá)探測距離短的問題，首次在顧北等礦使用接發(fā)收頻率為50MHz的長天線，將探測距離增加到50m。

1.3.5 對于各儀器進(jìn)行了局部改良，如坑透接收機(jī)背帶設(shè)計、瞬變電磁線圈角度控制器、直流電法接線頭改良、自制雷達(dá)天線間距控制板等，使得實際生產(chǎn)應(yīng)用更加方便快捷。

2、井下物探隊未來構(gòu)想

物探的理論基礎(chǔ)正在不斷更新，由聲波到彈性波、由單相介質(zhì)到多相介質(zhì)、由各向同性到各向異性、由均質(zhì)層到非均質(zhì)層等新的研究方向逐漸受到重視，隨著理論基礎(chǔ)的更新，物探儀器與方法也在更新?lián)Q代，因此對井下物探隊來說，需要不斷發(fā)展壯大才能滿足煤礦生產(chǎn)的需要。從以下幾個方面來闡述未來發(fā)展的構(gòu)想

2.1 開展槽波地震探測

根據(jù)實際工作經(jīng)驗，總結(jié)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)回采工作面煤層較薄、采面較寬或者煤層潮濕時，容易導(dǎo)致坑透天線發(fā)射的無線電磁波無法穿透工作面，儀器不能正常采集數(shù)據(jù)，回采工作面內(nèi)構(gòu)造探測不清。槽波地震勘探（簡寫ISS）是地震勘探中的一個新的分支，槽波是由煤層中激發(fā)的地震波在煤層中傳播時被煤層頂?shù)装宸瓷洳⑾嗷ジ缮娑纬傻囊环N特殊的彈性波，利用槽波在煤層中傳播速度的差異性，劃分出工作面的構(gòu)造異常區(qū)域。

槽波地震探測有穿透工作面距離大、不受水文異常影響等特點，目前應(yīng)用最多的是德國生產(chǎn)的Summit Ⅱ Ex型防爆槽波地震儀，但是其設(shè)備多（大量的檢波器、連接線），操作復(fù)雜(在煤層中放炮)，需要大量的人力物力，施工不便。我國現(xiàn)有一些科研院所正在研制槽波地震勘探儀器，改進(jìn)了德國產(chǎn)槽波地震儀的笨重、施工不便等缺點，采用無線傳輸?shù)刃录夹g(shù)，一旦研制成功可以將槽波地震工作在煤礦中推廣開來，我們將積極引進(jìn)作為無線電波坑道透視的補(bǔ)充，徹底解決個別坑透透不過去的回采工作面的探測問題。

2.2 地質(zhì)超前探

目前煤礦井下普通生產(chǎn)巷道迎頭斷面＜4m，新鮮斷面則在2m左右，地質(zhì)雷達(dá)在施工地質(zhì)超前探測過程中需要迎頭平整斷面＞1.5m，但是探測距離僅有5～30m，如果需要增大探測距離至50m，則需使用2m的探測天線，迎頭斷面＞2.5m。這也是制約地質(zhì)雷達(dá)超前探測的主要問題所在，相對于日掘進(jìn)十幾米的煤巷來說探測距離30m或50m就顯得太短，且2m的天線在迎頭往往伸展不開，采集數(shù)據(jù)不理想。

目前各科研單位正在研究大距離地質(zhì)雷達(dá)超前探，對于遠(yuǎn)距離地質(zhì)構(gòu)造探測的物探方法亦可采用井下地震波超前探測技術(shù)，該方法目前已在各礦展開試驗，且部分科研單位已研制出相應(yīng)的設(shè)備，但其應(yīng)用效果還有待驗證。

2.3 長距離瞬變電磁

瞬變電磁探測技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中效果明顯，因此過渡場法（瞬變電磁）這一理論已經(jīng)得到驗證，目前也成為礦井物探的主攻方向。井下物探隊所使用的瞬變電磁儀有效探測距離<100m，為了提高探測的準(zhǔn)確性，對較寬的回采工作面內(nèi)水文狀況進(jìn)行探測，采用瞬變電磁長距離透視技術(shù)，可以對其進(jìn)行雙巷探測，可以實現(xiàn)對工作面的富水性探測快速化、高效化；長距離瞬變電磁探測可以與電法探測效果進(jìn)行相互驗證；在井下巷道進(jìn)行長時間探測時，一臺儀器的工作時間不能保證工作一次完成，因此購買1臺長距離（探距＞150m）瞬變電磁儀，可以極大提高井下物探工作的有效性。

3、結(jié)語

淮南礦業(yè)集團(tuán)井下物探隊屬于井下物探發(fā)展的一個新模式，那就是將物探工作專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化，并與地質(zhì)、生產(chǎn)實踐充分結(jié)合起來。井下物探隊成立一周年的時間里，幾種物探方法均有所發(fā)展，筆者通過總結(jié)經(jīng)驗，開闊性地提出問題，確立好目標(biāo)，規(guī)劃出井下物探隊的未來，為了將井下物探事業(yè)拓展開來而不斷努力。

礦井物探未來的發(fā)展將取決于引入新理論、新方法和廣泛應(yīng)用高新技術(shù)（近年來，分形技術(shù)、小波理論、模式識別、反演方法、預(yù)測理論等許多方面有了新的發(fā)展，為礦井物探技術(shù)發(fā)展提供了新思路、新方法、新模式），強(qiáng)化與其他學(xué)科（如：礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)、計算機(jī)、數(shù)學(xué)地球物理方法、地理信息系統(tǒng)等）的交叉和滲透。今后還需突出研究與煤礦有關(guān)的、支撐物探技術(shù)的物探基礎(chǔ)理論、方法和高產(chǎn)、高效、安全開采煤炭生產(chǎn)的地質(zhì)保障體系。礦井物探技術(shù)將越來越成為煤礦現(xiàn)代安全生產(chǎn)的“CT”或“B超”，會有力地推動煤礦安全技術(shù)、開采技術(shù)的進(jìn)步。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.035