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王喜宾1，赵文强2
(1.福州华虹智能科技开发有限公司.福建 福州 730913，2.窑街煤电集团天祝煤矿.甘肃兰州 733211)
摘要：随着矿井机械化采煤的不断发展及机械化程度的不断提高，对矿井地质工作的要求越来越高。但煤矿生产机械化的致命弱点之一是不能适应地质情况的变化。此外，在矿井开拓掘进过程进中，有越来越多的地质问题需要解决，尤其是煤层厚度、断层、煤层分叉等具体地质特征。天祝煤矿地质条件复杂，煤层分叉、尖灭严重，且断层多构造较复杂，给巷道布置、掘进和工作面正常回采带来较大困难。利用矿用瞬变电磁法、矿井地震波法进行超前预测预报，给矿井巷道布置提供更加科学合理的建议。(1.福州华虹智能科技开发有限公司.福建 福州 730913，2.窑街煤电集团天祝煤矿.甘肃兰州 733211)
关键词：煤层厚度;断层;煤层分叉等地质特征;瞬变电磁法;矿井地震波法;赋水区;视电阻率相关系数
煤炭是不可再生资源，如何有效、充分地利用好煤炭资源，准确及时布置合理的布置采煤工作面。掌握地质构造和煤层厚度是矿井设计和施工的前提，随着采矿技术的发展和高产高效矿井建设，采用巷探、打钻探测已不能满足生产需求，因此快速研究一种能适用于煤矿井下的物探新方法探测技术是十分必要的。准确探明地质异常体，合理分层、布置开拓巷道和回采巷道，对矿井开采和回采率提高起着决定性作用。KDZ1114-6A30型矿井地质探测仪和YCS40(A)型矿用瞬变电磁仪能够及时准确的探明巷道超前的地质构造情况，优化了采区巷道布置，取得良好的境界效益和社会效益。综合物探仪器在窑街煤电集团天祝煤矿应用取得成功，从而解决了矿井地质探测方面的一大难题。
1 工作面地质概况
窑街煤电集团天祝煤矿31101工作面是综采工作面。采用综合物探的方法对该工作面进行9次探测。工作面走向长688m，倾斜长126.7m，煤层厚度3.2～4.0m，平均3.36m，工作面标高2600～2510m。煤层倾角为12～30°，煤层结构简单。该工作面根据上部工作面情况及钻孔资料分析，总体上该工作面地质构造田间较复杂，上层煤顶板等高线沿走向变化大，工作面南部为宽缓的背斜，中部为向斜构造，工作面上部(西部)F103断层(H=12.5m，走向N62°E，倾向SE)有可能延伸到31101工作面内，对掘进和回采有较大的影响，该工作面北部为东拉沟联办小窑，有越界开采现象。根据该工作面周围的水文地质情况分析，该工作面地质水文地质条件复杂，F103正断层如延伸工作面内，则有可能造成上部采空区积水顺断层裂隙进入工作面内，另外，东拉沟联办小煤窑如有越界开采，则小煤窑采空区内有大量积水，预计该区域小窑采空区积水在100000m3以上。
2 探测原理及方法
2.1 KDZ1114-6A0型矿井地质探测仪原理
该仪器主要利用地震波勘探原理，利用震动做为地震波波源，对被探测介质进行探测，采用自激收解析法、瑞雷面波解析法、折射及反射解析法进行数据采集与解析。该仪器具有全自动、半自动、手动探测方法，即单点探测、双点探测、折射探测和反射探测。使仪器更具有广泛的实适用性，通过由人工激发的地震波，经仪器处理后，再经过震波解析软件综合分析，确定异常界面，最后根据地质资料来定性确定其探测结果。
单点探测，也称单点自激自收法，即反射波中偏移距为零的垂直反射形式。接收的反射波是震源在界面的垂点反射回来的反射波，通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射信号，来解析计算目层距离的。反射共偏移探测又称随地声纳法，是依据反射波勘探原理，在单边排列分析基础上选定最佳偏移距，采用多次覆盖观测系统进行数据采集。采用单道小步长，保持震源点和接收点距离不变，同步移动震源和接收传感器。根据反射波原理，以水平反射界面为例，则单道观测系统有相应波路图(图1和图2所示)，且它的时距曲线方程为：
V—波速;
t—地震波时间;
h—目标体界面深度，需求解;
图1 单道观测系统波路图
图2 矿井地质探测仪探测布置示意图
矿用瞬变电磁仪正是应用时间域瞬变电磁法的基本原理，结合特殊的全空间环境探测专有技术和相应的信号处理方法及探测方法而形成的。向介质体发射一个瞬变的电磁场，这种迅速衰减的电磁场在其周围的介质中感应出新的涡流场，通过接收线圈测量二次涡流场的感应电动势随时间变化的特征，通过相应的解释方法(如一维反演、视电阻率等)，就可以确定电磁性质异常体的规模、形态等，如图3和图4所示[4-6]。
图3 矿用瞬变电磁法勘探原理
图4 巷道迎头瞬变电磁法平面布置示意图
图5 巷道迎头瞬变电磁法向剖面布置示意图
3.1矿井地质探测仪处理流程
图5 矿井地质探测仪处理流程
图6 矿用瞬变电磁仪处理流程
4.1 31101工作面上顺槽迎头超前探测
采用反射共偏移的探测方法，源间距0.4m，移动步距为0.2m，道间距为0.2m，共布置测线3m，经测定，采集到如下图所示的巷道迎头超前探测地震波。
图7 31101上顺槽迎头超前探测解释结果图
4.2 4501运输巷17号和19号测点层间距探测
在4501运输巷17号测点和19号测点布置测点，采用单点探测的方法采集数据，移动步距为1m，道间距为1m，地震波综合传播波速为1000m/s。波形数据结果如下。
图8 4501运输巷17号和19号测点层间距探测
4.3 31101工作面下顺槽迎头赋水性超前探测
该次探测在31101工作面下顺槽S8测点前16m处布置测点(如图9所示)，超前探测迎头前方赋水情况，视电阻率拟断面图与对应的色标。图中不同的颜色表示不同的视电阻值，并呈从冷色调到暖色调升高的规律分布。判断探测区域顶板电阻率的分布情况。
结合本矿地质资料综合分析研究，在31101工作面下顺槽S8测点前16m处探测深度为110m，断面图上没有明显的低阻异常反映。经矿方掘进验证，实际揭露结果与物探探测结果一致。
4.4 31101工作面上顺槽迎头赋水性超前探测
结合本矿地质资料综合分析研究，在31101工作面上顺槽S010测点前27m处布置测点，探测深度为100m，断面图上在横向40m和纵向35m处，存在低阻异常反映，确定为测点在采集数据时，受现场影响所致，经矿方掘进验证，实际揭露结果与物探探测结果一致。
图9 31101工作面下巷迎头富水性超前探测
图10 31101工作面上巷迎头富水性超前探测
1) 准确程度高。通过矿方掘进揭露和打钻验证，以上探测结果准确度在78%以上，基本上能够满足煤矿巷道设计要求。
2) 经济效益高。与打钻或巷探的方法探测相比较，按照年掘进巷道800m计算，每年可节约人工费和探测费17.5万元。物探仪器探测与打钻探测相结合，探测精度可完全满足设计要求，物探并且探测时间短、劳动强度小、探测精度高、工作效益高。
3) 革新传统的钻探技术。采用物探技术能够为矿井的合理化布置，能够为矿井起到安全高效生产具有可靠性，能产生很好的经济效益。
6 结语
1) 物探技术的应用，为矿井高产高效提供安全性的保障。从目前矿井物探技术和矿井地质角度来分析，井下超前探测和超前预报地质构造问题，国内没有其他更加成熟有效的技术手段和解决方法，目前，KDZ1114-6A30型矿井地质探测仪和YCS40(A)型矿用瞬变电磁仪目前可作为煤矿井下超前探测与预报的一种较为理想的地质辅助工具，其对地质异常体分辨及异常赋水区域的超前探测具有较好的适用性。
2) 窑街煤电集团天祝煤矿采用物探仪器在31101工作面进行综合物探追踪探测，共记9次，从9次的探测实际揭露结果与物探结果对比，物探结果准确率达83%～90%。更进一步证明此仪器为地测工作提前预知、预报起到了不可或缺的佐证。
3) 建议在探测工作面前方、巷道两帮和巷道顶底板(存在的隐伏和揭露构造的位置、形态、走向、影响范围探测时，利用KDZ1114-6A30型矿井地质探测仪比较合理;在探测工作面煤顶、底板导水构造进行超前探测，对巷道前方及侧帮和工作面内含水构造和采空区赋水情况进行探测，以及导水通道的探测和注浆效果评价时，利用YCS40(A)型矿用瞬变电磁仪比较合理。
参考文献：
【1】 王振东.浅层地震波勘探应用技术【M】，北京：地质出版社，1998;
【2】 刘盛东、张平松.地下工程震波技术与应用【J】，中国煤田地质，2001(3)：59—61;
【3】 于建泓、张平松便携式智能矿井资源探测仪在东滩煤矿的应用【J】，淮南工业学院学报，2002(2);
【4】 刘天放、李志聃.矿井地球物理勘探【M】，北京：煤炭工业出版社，1993;
【5】 毕德显.电磁场理论【M】，北京：电子工业出版社，1995;
【6】 于景邨.矿井瞬变电磁法理论与应用技术研究【D】，徐州：中国矿业大学，2001;
作者简介：王喜宾(1986—)，男，甘肃通渭人，采矿助理工程师，从事煤矿物探技术工作。
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