楊 超

（晉能控股煤業(yè)集團地測勘探有限公司，山西 大同 037000）

隨著我國煤炭資源的長期開發(fā)，礦井生產(chǎn)條件趨于復(fù)雜?，F(xiàn)代礦井在巷道掘進過程中，對于老空水、上覆近距離采空區(qū)積水、底板灰?guī)r承壓水、陷落柱及各類發(fā)育范圍較小的隱伏導(dǎo)水構(gòu)造存在預(yù)報困難問題，往往給煤礦的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重隱患。現(xiàn)行探測井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的方法主要以三維地震法為主，但對微小構(gòu)造探測研究效果一般，對多層歷史采空區(qū)的煤礦使用效果還待繼續(xù)研究。掘進巷道防治水超前探測的物探手段主要以井下瞬變電磁法，三點源直流電法，三極、四極直流電測深法，瑞利波法地震勘探，反射波法地震勘探等淺層地震勘探技術(shù)為主。然而，受制于井下全空間特性、施工人員素質(zhì)、現(xiàn)場復(fù)雜的電磁、微震動環(huán)境影響，探測效果體積效應(yīng)和多解性明顯，嚴(yán)重制約了解釋精度。因此通過長期對數(shù)座礦井開展的直流、瞬變法、巷道淺層地震勘探等超前探技術(shù)展開研究和驗證工作，并分析多個成功和失敗案例，在一定程度上明確這些技術(shù)在使用和解釋方面的局限性，以期提高超前物探技術(shù)在礦井防治水應(yīng)用中的解釋精度，從而更好地總結(jié)與指導(dǎo)下一步物探工程的開展。

本文以晉能控股煤業(yè)集團云岡礦、北辛窯礦、南陽坡礦、李陽礦、永定莊礦多個超前物探工程為背景，從中篩選出幾個典型成功與失敗案例，探討超前物探技術(shù)在探測小窯破壞區(qū)、臨近小窯巷道、掘進巷道前方隱伏小構(gòu)造、現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境等實際環(huán)境時的具體應(yīng)用，總結(jié)一定的實踐規(guī)律，以提高超前物探技術(shù)在煤炭礦井防治水中的解釋精度。

1 工程實例分析

1.1 電法超前探在某些條件下的構(gòu)造探測

1.1.1 項目環(huán)境簡述和施工布置

北辛窯煤礦某采區(qū)輔運巷沿煤層掘進，煤層頂板上方存在一層穩(wěn)定砂巖含水層，為探明砂巖富水性，使用瞬變電磁、直流電兩種方法開展超前探工程，本次勘探范圍為輔運巷1 070 m 處掘進迎頭前方區(qū)域，探測區(qū)域為掘進迎頭前方100 m 范圍。

1.1.2 探測成果及驗證情況

推斷掘進迎頭前方存在兩處低阻異常（圖1），A異常位于迎頭前方60～100 m、橫向-20～0 m 范圍內(nèi)，B 異常位于迎頭前方25～50 m、橫向10～40 m 范圍內(nèi)。兩異常均在頂板方向有所反應(yīng)，推斷裂隙發(fā)育且低阻介質(zhì)充填。后經(jīng)鉆探驗證該區(qū)域，頂板方向砂巖含水層出水，合計峰值水量約12 m3/h。

圖1 瞬變電磁超前物探成果圖

1.2 淺層地震勘探技術(shù)的構(gòu)造探測

1.2.1 環(huán)境解釋和施工布置

為了避免巷道掘進中直接揭露地質(zhì)構(gòu)造，李陽礦在某膠帶運輸順槽迎頭位置，使用淺層地震勘探技術(shù)對其構(gòu)造進行超前探測，并對迎頭前方地質(zhì)分布進行分析。

本掘進煤層平均厚度5.09 m，煤層頂板頂板為砂質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖上部為一層厚6.1 m 的粉砂巖。底板為砂質(zhì)泥巖，厚1 m，沿底板掘進。膠帶運輸順槽走向長1 073 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)地面三維勘探報告分析可知，該礦有可能存在地質(zhì)構(gòu)造影響。

1.2.2 探測成果和驗證情況

巷道掘進工作面迎頭前方探測距離約27 m，存在一處異常區(qū)（圖2），地質(zhì)異常范圍較為明顯，推測為煤層破碎帶或斷層等構(gòu)造造成煤層硬度發(fā)生改變而導(dǎo)致的異常反應(yīng)。綜合地面三維地震勘探和多個鉆孔驗證，該異常揭露為一處陷落柱。

圖2 淺層地震勘探超前探成果及驗證圖

1.3 電法超前探在某些條件下對預(yù)計充水小窯巷道、采空區(qū)的探測

1.3.1 項目環(huán)境簡述和施工布置

云崗礦井田內(nèi)和周邊存在煤礦30 余座，某巷所在的410 盤區(qū)西部礦界附近存在7 座小煤窯，預(yù)計在資源整合之前，本區(qū)域遭到周邊小窯不同程度的破壞，根據(jù)地質(zhì)報告、資料追溯、地面調(diào)查、小窯巡查資料分析，預(yù)計巷道南部和西部存在小窯破壞區(qū)。

針對此情況，開展井下瞬變超前物探，在布置3條測線的基礎(chǔ)上，對同層正前方的瞬變電磁超前探測采取多次疊加數(shù)據(jù)采集、處理及綜合解釋，數(shù)據(jù)處理完成后對6 條實測剖面進行公共異常區(qū)疊加解釋，縮小異常區(qū)邊界范圍，從而在某種程度上降低瞬變電磁體積效應(yīng)，從而降低成果解釋的多解性。

1.3.2 探測成果及驗證情況

在巷道掘進期間共采集數(shù)據(jù)130 余次，以探測巷道3 號測點處物探成果和3 號測點10 m 處同層瞬變電磁超前探為例，在3 號測點處，對正前方進行瞬變超前物探，6 次成果異常區(qū)存在公共部分（圖3）。集中在公共異常區(qū)域處設(shè)計超前鉆孔進行驗證，在“有掘必探”設(shè)計的基礎(chǔ)上，加密施工2 個鉆孔，將其全部探通，發(fā)現(xiàn)有少量積水及氣體。

圖3 超前物探異常區(qū)疊加圖

在明確物探異常區(qū)之后，開展了大量的加密工作，對于電法的多解性采用加密探測，探測成果圖的質(zhì)量得到一定的提高，但達到一定密度之后，多次探測成果圖的對比變化不是很大。

1.4 電法超前探在某些條件下對小窯空巷、采空區(qū)的探測

1.4.1 項目環(huán)境簡述和施工布置

南陽坡礦某工作面平均煤厚11 m 左右，頭巷設(shè)計長度1 000 m，現(xiàn)工作面已圈出。頭巷掘進至320 m時遇見同層小窯空巷，空巷寬度3.18 m，礦方已對空巷進行實測，因此可作為已知空巷，進而開展了本次直流電法探測試驗。本次試驗采用西安博深YTD400（A）全方位探測電法儀，對已知空巷開展三點源超前探，并與四極測深方法進行比較。

對稱四極測深裝置布置1 條測線：測線AO 探測長度為100 m，從8 m、12 m 至28 m 共完成60 個物理點的布置，點距為4 m，。采用三點源法模擬掘進前方存在空巷情況，于迎頭處后撤14 m 布置發(fā)射電極A1、A2、A3，接收電極M、N，點距4 m，無窮遠(yuǎn)處布置B 極，按三點源法超前探開始跑極，共收集物理點108 個。

1.4.2 探測成果及驗證情況

四極測深全區(qū)視電阻率值平均為958.58 Ω·m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為886.36 Ω·m，劃分高阻異常區(qū)背景值為1 254 Ω·m，共解釋三處高阻異常區(qū)（見下頁圖4），1號異常區(qū)位于橫坐標(biāo)8～20 m、縱坐標(biāo)（垂向測深）20～28 m 的范圍，視電阻率值在1 217～2 904 Ω·m，分析為同層小窯巷道引起的高阻電性反映；2 號異常區(qū)位于橫坐標(biāo)32～52 m、縱坐標(biāo)（垂向測深）15～28 m的范圍，視電阻率值在1 156～3 781 Ω·m，分析為同層小窯巷道引起的高阻電性反映；3 號異常區(qū)位于橫坐標(biāo)72～84 m、縱坐標(biāo)（垂向測深）20～28 m 的范圍視電阻率值在1 070～2 323 Ω·m，分析為同層小窯巷道引起的高阻電性反映。

圖4 四極測深和三極超前探成果對比圖

全區(qū)視電阻率值平均為505.3 Ω·m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為169 Ω·m。劃分高阻異常區(qū)背景值為：（505.3（平均值）+169（標(biāo)準(zhǔn)偏差））/3=560 Ω·m，從三極超前探測成果圖分析，探測范圍未發(fā)現(xiàn)明顯高阻異常區(qū)。依據(jù)頭巷已知鉆探資料揭露顯示，在勘探區(qū)50 m 處揭露同層小窯巷道，寬度為3.5 m，與2700 巷以26°相交。結(jié)合物探探測成果圖綜合分析，四極測深所得1號、2 號、3 號高阻異常區(qū)形態(tài)與實際小窯巷道延伸情況接近。三點源法超前探對該異常反應(yīng)不明顯。

2 結(jié)果分析

由北辛窯、李陽煤礦的工程實踐可知，受體積效應(yīng)和多解性的影響，超前物探通常會出現(xiàn)多個物探異常區(qū)，不能簡單的將所有物探異常區(qū)視為水患，任何物探手段都不是孤立的，都是與地質(zhì)條件緊密結(jié)合的，因此需結(jié)合測井、鉆探等資料不斷修正施工布置方法，且需在異常區(qū)劃分閾值等重點參數(shù)，以此提高超前物探的解釋精度。

由云岡礦的工程實踐可知，對于超前物探異常區(qū)采取同一方向加密探測，不同方向互相驗證的方法，可以提高物探異常區(qū)解釋的準(zhǔn)確性。但是達到一定程度之后，解釋度不能夠繼續(xù)增加。在實際使用過程中，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)資料和物探成果進行有重點的復(fù)測，避免無意義的重復(fù)疊加造成工作量增加。

由南陽坡的工程實踐可知，對于小窯采空區(qū)，采用直流電法四極測深探測采空區(qū)有一定效果，橫向分辨率高，垂向上電性變化明顯，但在解釋小窯巷道的邊界范圍和形態(tài)上，無法實現(xiàn)定量解釋，與實際揭露情況有一定的誤差。在該條件下采用直流電法三極超前探測采空區(qū)效果不好，對小窯空巷無明顯反應(yīng)。各種物探方法都有其適用范圍與局限性，在施工選擇中不能簡單地生搬硬套，針對不同的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件需要結(jié)合實際情況來選用合適的方法。

3 結(jié)論

通過對幾種超前物探技術(shù)在煤炭礦井防治水中的應(yīng)用進行研究，結(jié)果表明：通過加密施工頻次和采樣數(shù)據(jù)，可以顯著提升探測的準(zhǔn)確性，但是邊際效應(yīng)明顯；對于小窯采空區(qū)，采用直流電法四極測深探測采空區(qū)有一定效果，橫向分辨率高，垂向上電性變化明顯；超前物探現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，解釋成果受人員水平、現(xiàn)場環(huán)境影響較大。

每種物探方法都有其適用范圍與局限性，超前物探技術(shù)在煤炭礦井防治水中的實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合具體工程選擇合適的物探方法。不同的方法可能對同一個探測目標(biāo)會得出不同的結(jié)論，因此需要采用資料分析、加密探測等方法，提高綜合判斷結(jié)論的可靠性。此外，各項地質(zhì)參數(shù)的收集工作直接關(guān)系到解釋精度，結(jié)合實際資料不斷修正施工流程與解釋方法，對于指導(dǎo)物探工程實際應(yīng)用，提高探測準(zhǔn)確性有著重要的作用。