井下物探隊(duì)發(fā)展現(xiàn)狀及構(gòu)想

汪國(guó)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(duì) 232001

井下物探隊(duì)發(fā)展現(xiàn)狀及構(gòu)想

汪國(guó)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(duì) 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(duì)礦井地質(zhì)工作要求越來(lái)越高，但煤礦生產(chǎn)機(jī)械化的致命弱點(diǎn)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(shí)，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(shí)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(dòng)了煤礦安全開(kāi)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(duì)”，共設(shè)立了“坑透、直流電法、瞬變電磁、地質(zhì)雷達(dá)”共4個(gè)物探項(xiàng)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(duì)現(xiàn)狀

1.1 井下物探隊(duì)配置的儀器

1.1.1 WKT-E型無(wú)線電波坑透儀

無(wú)線電磁波坑道透視技術(shù)（簡(jiǎn)稱坑透）是煤礦回采工作面構(gòu)造探測(cè)的主要手段，該方法是利用煤巖體對(duì)電磁波吸收的物理差異性，將探測(cè)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(cè)原理示意圖

WKT-E型無(wú)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(gè)頻段，分別應(yīng)用于不同條件工作面的坑透工作。由于無(wú)線電波在介質(zhì)中傳播時(shí)具有衰減性，因此探測(cè)時(shí)工作面較寬，煤層較薄時(shí)，電磁波將無(wú)法穿透整個(gè)工作面，目前探測(cè)過(guò)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(duì)從2010年7月份正式開(kāi)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(gè)工作面的探測(cè)，由于工作面的驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，因此只能從 2010年探測(cè)的工作面來(lái)看，已回采驗(yàn)證的有8個(gè)工作面，共35個(gè)異常區(qū)，回采驗(yàn)證完全吻合的有26個(gè)，準(zhǔn)確率達(dá)74%。

目前坑透技術(shù)主用應(yīng)用于探測(cè)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(jiǎn)稱TEM）是一種時(shí)間域的電磁探測(cè)方法，利用電流脈沖激發(fā)供電形成電磁渦流場(chǎng)，通過(guò)觀察渦流場(chǎng)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(cè)原理示意圖

圖3 直流電法測(cè)深探測(cè)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(zhǎng)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(gè)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行32～2048次疊加計(jì)算，提高了信噪比，利用其定向性，可以對(duì)工作面頂板、底板、順層等方向進(jìn)行全空間探測(cè)。

截止2011年8月底，瞬變電磁法已獨(dú)立開(kāi)展57次，根據(jù)已驗(yàn)證情況來(lái)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(cè)與評(píng)價(jià)、工作面頂板（底）板富水性探測(cè)、回采工作面老空水探測(cè)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(guò)人工向地下供入穩(wěn)定電流，觀測(cè)大地電流場(chǎng)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(cè)、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(cè)原理示意圖

根據(jù)探測(cè)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(duì)稱四極測(cè)深裝置、三極測(cè)深裝置和單極超前探測(cè)裝置。

FDG-A型直流電法儀是一款用于測(cè)深的電法儀器，它利用四極測(cè)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(dòng)采集，相對(duì)于傳統(tǒng)電法勘探具有操作簡(jiǎn)單、高效快速的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集后導(dǎo)入RES2DINV軟件進(jìn)行處理，最后得出探測(cè)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(cè)深及單極超前探測(cè)的電法儀器，目前主要應(yīng)用于電法超前探測(cè)。礦井電法超前探測(cè)在全空間條件下建場(chǎng)，使用全空間電場(chǎng)理論，研究掘進(jìn)頭前方地層電性變化規(guī)律，預(yù)測(cè)前方含、導(dǎo)水構(gòu)造的分布和發(fā)育情況的電法探測(cè)新技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)采用點(diǎn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、對(duì)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(cè)，準(zhǔn)確率為71%，由于直流電法超前探測(cè)遵循球殼理論，針對(duì)全空間探測(cè)，因此目前國(guó)內(nèi)諸多物探專家對(duì)這一理論存有異議，因此我們自主設(shè)計(jì)制造了直流電法土槽實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)50余次，通過(guò)分析大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法存有諸多較難解釋的問(wèn)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(cè)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(kāi)采條件物探評(píng)價(jià)及工作面探放水孔位置選擇；工作面底板注漿效果檢測(cè)；老窯積水區(qū)探測(cè)；陷落柱及其富水性探測(cè)等。

1.1.4 KJH-D型防爆探地雷達(dá)

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR，又稱地質(zhì)雷達(dá)）探測(cè)法是近幾年在我國(guó)礦井下開(kāi)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(guò)對(duì)儀器接收的反射回波分析來(lái)區(qū)分不同的介質(zhì)和目標(biāo)體,如圖5。

圖5 雷達(dá)探測(cè)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(wú)損探測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)快速經(jīng)濟(jì)，儀器采用一體化主機(jī)設(shè)計(jì)，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(duì)應(yīng)頻率分別為100 MHz、50 MHz，1m的天線可超前探測(cè)5～30m，根據(jù)迎頭條件選擇50 MHz天線探測(cè)距離可增大至50m。資料處理軟件操作簡(jiǎn)單，測(cè)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(cè)，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(duì)其影響較大，在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)要求較高，這就需要有關(guān)單位配合施工，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累將不斷提高探測(cè)的有效性、準(zhǔn)確性。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)主要以煤巷探測(cè)為主，探測(cè)煤層中構(gòu)造帶，另外對(duì)于煤層中的金屬物體探測(cè)效果較好，如掉鉆鉆孔探測(cè)、遺留金屬物探測(cè)等。

1.2 井下物探目前存在的問(wèn)題

多種物探手段的開(kāi)展可以基本解決礦井的生產(chǎn)需要，但是整體來(lái)說(shuō)還存在這許多問(wèn)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(cè)掘進(jìn)巷道前方災(zāi)害性地質(zhì)構(gòu)造、定量預(yù)測(cè)采空區(qū)位置及其含水性、提前預(yù)測(cè)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(cè)距離短、分辨率能力不高、方法實(shí)驗(yàn)多理論研究相對(duì)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(wèn)題理論少、不同的方法還沒(méi)有形成相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范等。

1.3 目前開(kāi)展的創(chuàng)新工作

井下物探隊(duì)成立以來(lái)針對(duì)各類儀器的實(shí)際應(yīng)用工作，對(duì)物探儀器及方法進(jìn)行改良，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。

1.3.1 針對(duì)坑透工作時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)影響大的問(wèn)題，我們對(duì)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(diǎn)透射法，縮短40%的工作時(shí)間。

1.3.2 為了有效利用工作面坑透時(shí)的停電時(shí)間，我們開(kāi)展了瞬變電磁與坑透同步施工的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，找到二者相互影響的規(guī)律，開(kāi)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(jì)了直流電法土槽實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)節(jié)省了數(shù)十萬(wàn)元的外購(gòu)經(jīng)費(fèi)，并首次設(shè)計(jì)實(shí)施了直流電法超前、測(cè)深探測(cè)的多功能土槽實(shí)驗(yàn)箱，為探討研究直流電法全空間探測(cè)的可靠性提供了大量數(shù)據(jù)。

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

1.3.5 對(duì)于各儀器進(jìn)行了局部改良，如坑透接收機(jī)背帶設(shè)計(jì)、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(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用更加方便快捷。

2、井下物探隊(duì)未來(lái)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(duì)井下物探隊(duì)來(lái)說(shuō)，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(gè)方面來(lái)闡述未來(lái)發(fā)展的構(gòu)想

2.1 開(kāi)展槽波地震探測(cè)

根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)回采工作面煤層較薄、采面較寬或者煤層潮濕時(shí)，容易導(dǎo)致坑透天線發(fā)射的無(wú)線電磁波無(wú)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(cè)不清。槽波地震勘探（簡(jiǎn)寫(xiě)ISS）是地震勘探中的一個(gè)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(shí)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(cè)有穿透工作面距離大、不受水文異常影響等特點(diǎn)，目前應(yīng)用最多的是德國(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)槽波地震儀的笨重、施工不便等缺點(diǎn)，采用無(wú)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(kāi)來(lái)，我們將積極引進(jìn)作為無(wú)線電波坑道透視的補(bǔ)充，徹底解決個(gè)別坑透透不過(guò)去的回采工作面的探測(cè)問(wèn)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(cè)過(guò)程中需要迎頭平整斷面＞1.5m，但是探測(cè)距離僅有5～30m，如果需要增大探測(cè)距離至50m，則需使用2m的探測(cè)天線，迎頭斷面＞2.5m。這也是制約地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)的主要問(wèn)題所在，相對(duì)于日掘進(jìn)十幾米的煤巷來(lái)說(shuō)探測(cè)距離30m或50m就顯得太短，且2m的天線在迎頭往往伸展不開(kāi)，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(duì)于遠(yuǎn)距離地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的物探方法亦可采用井下地震波超前探測(cè)技術(shù)，該方法目前已在各礦展開(kāi)試驗(yàn)，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(yàn)證。

2.3 長(zhǎng)距離瞬變電磁

瞬變電磁探測(cè)技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中效果明顯，因此過(guò)渡場(chǎng)法（瞬變電磁）這一理論已經(jīng)得到驗(yàn)證，目前也成為礦井物探的主攻方向。井下物探隊(duì)所使用的瞬變電磁儀有效探測(cè)距離<100m，為了提高探測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)較寬的回采工作面內(nèi)水文狀況進(jìn)行探測(cè)，采用瞬變電磁長(zhǎng)距離透視技術(shù)，可以對(duì)其進(jìn)行雙巷探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的富水性探測(cè)快速化、高效化；長(zhǎng)距離瞬變電磁探測(cè)可以與電法探測(cè)效果進(jìn)行相互驗(yàn)證；在井下巷道進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)時(shí)，一臺(tái)儀器的工作時(shí)間不能保證工作一次完成，因此購(gòu)買1臺(tái)長(zhǎng)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(yǔ)

淮南礦業(yè)集團(tuán)井下物探隊(duì)屬于井下物探發(fā)展的一個(gè)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(shí)踐充分結(jié)合起來(lái)。井下物探隊(duì)成立一周年的時(shí)間里，幾種物探方法均有所發(fā)展，筆者通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)闊性地提出問(wèn)題，確立好目標(biāo)，規(guī)劃出井下物探隊(duì)的未來(lái)，為了將井下物探事業(yè)拓展開(kāi)來(lái)而不斷努力。

礦井物探未來(lái)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(lái)，分形技術(shù)、小波理論、模式識(shí)別、反演方法、預(yù)測(cè)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(jì)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(kāi)采煤炭生產(chǎn)的地質(zhì)保障體系。礦井物探技術(shù)將越來(lái)越成為煤礦現(xiàn)代安全生產(chǎn)的“CT”或“B超”，會(huì)有力地推動(dòng)煤礦安全技術(shù)、開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步。

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