煤礦井下掘進工作面超前物探技術分析

段世雄

摘 要：隨著礦井挖掘的不斷深入，煤礦開采規模也在不斷擴展，井下地質條件愈發復雜，風險隱患更為突出，急需加強對煤礦井下地質情況的探測。基于此，本文將簡要概述井下超前物探技術，探究各類井下超前物探技術的基本原理，并分析煤礦井下掘進工作面超前物探技術的實際應用情況，以期為井下掘進作業的安全提供一定保障。

關鍵詞：煤礦;掘進工作面;超前物探技術

引言：煤礦企業在開采挖掘中深度越大越容易受到水害的影響，不僅無法正常開展采礦作業，也會嚴重影響到施工人員的生命安全。為了保證煤礦井下開采工作的順利進行，需要利用物探技術監測和分析地質結構，保證煤礦井下安全。

1井下超前物探技術概述

井下物探技術的發展與煤礦產業的發展形影不離，不斷趨于成熟。井下物探技術就是地面物探技術的升級版，其需要適應煤礦地下工作環境，得到準確有效的探測數據。煤礦井下超前物探技術可以在非常近的距離內探測出煤礦井下的構造情況，提供詳細的地質構造數據，也能夠探測出掘進工作面前方存在的水體或地質體，以保證后續掘進作業的有效性。煤礦井下超前物探技術的探測范圍正在不斷擴展，對煤層厚度、構造、穩定性都能夠探測清楚，并且探測精度較高，探測誤差不高于5%，探測時間和投入資金較少，在掘進工作中無需直接接觸工作面就可進行探測工作。并且當前物探技術有多種方式，在實際情況中科學合理地選擇物探技術并將多種方法組合起來，能夠得到更為準確的數據信息。

2井下超前物探技術的基本原理

2.1瞬變電磁探測技術

瞬變電磁法是利用不接地下線源向地下發射一次脈沖磁場，并在脈沖磁場間歇期間利用接地電極觀測地下介質中引起的二次感應渦流場，從而探測介質電阻率的一種方法。在煤礦井下探測便是利用巖石電導率的差異來掌握各類介質的變化情況。其原理是在電流斷開前，之前的電流會在周圍空間形成磁場，當電流斷開后，電流磁場便會立即消失，磁場的劇烈變化就會引發二次磁場的產生，相關設備便可以利用二次場的衰減規律分析出地質體的導電性，以此確定地質體的實際情況。瞬變電磁探測技術的本質是利用二次場的衰減規律來確定地質區域的異常。

2.2直流電法探測技術

直流電法探測技術包含電阻率剖面法、電阻率測探法、充電法等是電法勘探的一大類。其工作原理是在全空間電場的理論和科學支持下，探測各類巖石不同導電性的方法，利用科學的電場理論解決和處理關于煤礦井下的一些地質問題。直流電法探測技術大多可以探索工作面前方100m范圍內的斷層、水體或是導水裂隙帶，可以確保探測區域內地質條件的準確性，而且低阻率下的響應非常迅速，能夠反映細微的低阻異常。超前探測時需使用兩個發射電極和兩個測量電極，其中一個發射電極可不斷向探測工作面延伸，通常與另一個電極距離在400m范圍內，在掘進過程中測量電極不斷探測，當檢測地質異常情況時兩個測量電極就會出現電位差變化，再根據交匯原理，便能夠得到具體的位置[1]。

2.3激發極化探測技術

激發極化效應的原理是當穩定電流加載到地層當中，在電化學的作用下形成附加電場，而瞬時電位在測量電極中不會出現飽和，而是跟隨時間推移增加的，直至達到飽和并穩定。這時切斷加載電流，瞬時點位差也會隨著時間衰減，直到為零。激發極化法與直流電法類似，都是以巖石介質作為對象，不過激發極化效應是以鉆孔中激電效應為研究對象。激發極化法的應用范圍越來越廣泛，當前主要采用的是頻率激發極化法，其優點輸出功率更低，頻率域激發極化法表征為組合多種超低頻電流波形，電極排列方式類似與直流電法，根據充電時間的長短來分析介質產生的激發極化現象。

3煤礦井下掘進工作面超前物探技術應用

3.1超前物探方案

根據煤礦井下實際情況，明確主要的應用需求和需要解決的問題，做好井下工程勘察工作，獲取切實有效的數據信息，再通過分析數據對比不同的物探技術，集合礦井實際情況，總結出適宜煤礦井下掘進工作面的超前物探技術。

在前期鉆孔施工中，煤礦鉆機之間的間距不應超過200m，還需避免傾斜角度過大，以此來保證施工的穩定性，也能夠為后續探測提供便利。超前鉆探施工時，鉆探作業采取扇形分布方式，兩個鉆孔間距應小于3m。并且在對煤礦地質構造進行探測時，需多次進行物探，降低物探技術可能存在的偏差或錯誤。超前物探方案可以選擇多種探測技術相互結合，在前期先使用瞬變電磁法進行煤礦井下的施工作業，以此保證對地質構造體的準確分析，之后在掘進前利用頻率域激發極化法探測工作面情況確保地質條件情況，避免存在裂隙、水體等問題。最后在掘進施工過程中運用直流電法進行實時監測，及時分析掘進過程中地質巖層的電導率等相關因素，確保掘進作業的安全穩定[2]。

3.2掘進工作面超前物探

為了防止探測出現浮式鉆進現象，需將鉆孔長度控制在120m之內，可以保證鉆井的質量。在完成鉆井施工后，管理人員或有關部門要對鉆井情況進行檢驗，確保鉆井結果符合施工要求。若在掘進工作面施工過程中遇到一些較為復雜或特殊的地質情況時，需對鉆探勘測技術進行調整，制定科學合理的解決方案。在過往一些掘進工作超前物探技術應用中一直存有部分問題，除了超前物探技術本身的局限性之外，例如地震波法對大范圍地質構造體的彈性波法反映良好，但是小范圍的波源反映薄弱，難以詳細區分。還有一些施工作業中存在的遺留問題，比如在礦井預警預測工作中應當遵循“有掘必探、先探后掘”的探測原則，但在實際工作中為了省時省力，掘進的要比探測的多，正確率在整個探測中權重較低，探測效率較差。運用科學合理的超前物探技術避免了過往直接鉆探法消耗的大量時間和費用，也提高了物探的準確性和可操作性，有效保證了煤礦的安全生產，降低煤礦的運行成本。

3.3工作面超前物探實際應用

在完成初期勘測后可以大致確定井下工作面100m范圍內可能存在的積水、含水或者特殊構造體等地質情況，其中這100m范圍包括掘進頭頂、底板以及掘進前方，并非單獨指掘進位置區域。在物探前應當對礦井內部情況予以勘探，包括過往的老窖或采空區，將水文地質情況和位置信息記錄在地質圖紙上。然后便可利用適宜的超前物探技術對掘進工作面進行探測，確定鉆孔孔深、傾斜角度，之后測量出電導率或極化率的整體走勢，若走勢較為平穩，沒有較大變化則表現在鉆孔孔深至掘進工作面區段沒有異常地質隱患。如果電導率或極化率出現變化則說明存在異常構造體，其中電導率增幅較小時，可以推測存在裂隙。通常情況下第一次鉆孔孔深約為50m左右，之后每次增加10～20m左右，連續探測4至5次。在超前物探工作完成后，需將探測出的數據信息結合礦山地質資料，推測出井下掘進工作面的異常體可能，并以此為根據采取相應措施進行處理[3]。

結論：通過對煤礦井下掘進工作面超前物探技術的分析，詳細探究了瞬變電磁法、直流電法和激發極化法在井下掘進工作面的應用效果，結合實際煤礦情況，選擇科學合理的方法，探查井下掘進工作面的異常構造體，為煤礦井下安全施工提供良好支撐，提高了開挖施工的穩定性和安全性，促進了煤礦企業的發展。

參考文獻：

[1]劉務全.瞬變電磁和直流電法超前物探的對比研究[J].山西冶金，2020，43（05）：44-46.

[2]吳超凡，邱占林，路拓，梁文全.綜合物探技術在大彎煤礦巷道超前地質預報中的應用[J].煤炭工程，2020，52（04）：43-47.

[3]帥美榮.多種物探技術在礦井導水構造超前探測中的實際應用簡析[J].山東工業技術，2019（12）：77.