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晋东南办事处：孙志强
1 工程概况
2014年3月19日福州华虹智能科技股份有限公司驻晋东南办事处，配合晋煤集团物探分公司进行综合物探工作，采用YCS512矿用本安型探水仪及KDZ1114-6B30矿井巷道地质探测仪对晋煤集团天安公司宏祥煤业集中轨道巷进行超前探测，为矿方的安全掘进提供技术保障。
施工地点南部为15煤集中回风巷和回风立井，西部为井底车场，东部、北部均为未开采实体煤柱。距地表的深度约为240m，地质构造相对复杂。本巷道最终于15煤集中回风巷贯通。15#煤层情况如表1。
表1 煤层顶底板情况一览表
本次物探位置为15#煤集中轨道巷470m处，综掘机距离迎头7m，迎头有浮煤，现场底板有少量积水。本次瞬变电磁法和MSP法施工完全按照设计进行施工。本次瞬变电磁法和MSP法探测有效距离100m（470m～570m），前10m（470m～480m）为探测盲区，预计巷道掘进至540m时进行下次物探工作。
本次物探工作主要完成的地质任务有：
（1）探测迎头前方、前方顶板富水情况；
（2）探查迎头前方的断层、陷落柱及其他地质异常体的发育情况，并评价其富水性。
图1 物探位置图2 仪器简介及原理
2.1 YCS512矿用本安型探水仪
YCS512矿用本安型探水仪系福州华虹智能科技股份有限公司于2013年下半年研发上市的新一代探测煤矿水害物探装备，其为福州华虹智能科技股份有限公司在2008年推出国内第一款矿用瞬变电磁仪YCS40(A)以及2012年二代矿用本安型瞬变电磁YCS256基础上研发出的第三代产品。YCS512矿用本安型探水仪，依据时间域全空间瞬变电磁场的基本原理，通过发射线圈向地质体发射瞬变一次场，通过接收线圈测量迅速衰减的电场在其周围的介质中感应出新的涡流场（二次场）随时间的变化特征，分析感应场所覆盖的地质体按电性特征的空间分布规律，并进行信号处理、干扰校正、算法反演、时深转换及成图处理，进而得到地质异常体的分布、规模、形态等信息。YCS512矿用本安型探水仪相对传统瞬变电磁仪具有如下特点：
（1）极小盲区：通过改进关断方式、采用中心回线装置、采用全区视电阻率算法、信号拟合处理等关键技术，可达到5m左右的极小盲区效果；
（2）背景噪声调查：可实时测试探测现场的背景噪声，并对电磁噪声的主频、主频峰值进行分析，进而起到可对原始信号质量的优劣进行预判的作用；
（3）全区视电阻率算法：晚期算法在早中期与实际视电阻率相差较大，晚期基本一致；而全区算法获取的电阻率在全程更接近“真”值。
（4）现场解析：仪器具有现场成视电阻率等值线图功能；
（5）抗干扰能力强、分辨率高。
根据YCS512矿用本安型探水仪的以上技术特点，其应用范畴主要包含如下几方面：
（1）探查采区主要导水地质构造及岩溶、裂隙发育带、陷落柱的位置，并对其富水性进行评价；
（2）探查采煤工作面顶、底板岩层或掘进巷道前方隐伏富含水体的位置；
（3）探查老窑采空区，圈定富水异常区范围；
（4）防治水工程质量评价等等。
图2 YCS512矿用本安型探水仪系统组成图2.2 KDZ1114-6B30矿井巷道探测仪
矿井巷道震波超前探测系统(MSP-Mine Seismic Prediction)是由福州华虹智能科技股份有限公司、安徽惠洲地下灾害研究设计院、安徽理工大学共同研制推出的一套适合矿井条件的巷道超前预测预技术。MSP系统以本安型KDZ1114-6B30巷道地质探测仪为中心，仪器采用先进电子技术与嵌入式操作系统，保证了地震数据的高保证获取，同时配备有专业的MSP2.0数据处理平台，该软件提供了丰富的的地震数据管理、显示与核心处理功能。
矿井震波超前探测，是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，结合巷道的特点，设计研制的沿巷道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。震波是由特定位置进行锤击产生的，锤击点一般是沿巷道左(右)帮平行底板成直线排列，这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震断面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时，将产生反射波。
图3 KDZ1114-6B30矿井巷道地质探测仪系统组成图3 施工布置
3.1 瞬变电磁法
本次矿井瞬变电磁法超前探测方向2个(如图4)，即与巷道顶板呈30°夹角向前方顶板探测、顺层方向向前方探测。每个探测方向布置角度9个如图3（a），分别是左侧帮135 º、120 º 、105 º、正前方90º、 90°、90°、右侧帮45º、60º、75º，2个探测方向共布置18个探测角度。
（a）平面示意图
（b）剖面示意图
图4 瞬变电磁法探测角度示意图3.2 MSP法超前探测设计
本次MSP法超前探测采用锤击震源，测线布置在巷道左帮，三分量检波器2个，即C1、C2，采用锤击震源，激发点19个，共激发接收19×2×3=114道波形，有效探测距离为70m。现场施工时，偏移距采用1m，道间距2m，激发点间距1m。具体空间坐标及方位关系如图5所示，处理过程中坐标以C2为零点。
图5 MSP波法探测布置示意图3 数据质量评价
3.1矿井瞬变电磁法
15#煤集中轨道巷470m处瞬变电磁法实际完成测线2条，坐标点55个，检测点3个，总物理点21个。检测点占总物理点的14.2%，满足《煤炭电法勘探规范》中不低于3%的要求。（见表2）。
表2 瞬变电磁法勘探完成工程量及质量评价统计表
完成质量情况：完成甲级点15个，甲级率82.5%；乙级点3个，乙级率17.5%，废品0个，废品率0。
3.2 MSP法
15#煤集中轨道巷470m处MSP法共布置三分量接收点2个，激发点19个，实际完成物理点19个，依据《煤炭煤层气地震勘探规范》及本区设计对数据质量进行了初评，如表3所示，甲级记录点16个，甲级率84.2 %，乙级记录点3个，乙级率15.8%，无废品记录点，合格率100%。
表3 MSP法完成工程量及质量评价统计表
4 成果资料分析说明
4.1 瞬变电磁法
图6、图7为矿井瞬变电磁法超前探测视电阻率等值线拟断面图，图6为顶板30 º探测结果，图7为顺层探测结果。其中横坐标0点位置对应掘进头位置，纵坐标轴为掘进头前方或顶底板沿探测方向的距离，横坐标轴负坐标方向对应掘进头位置左侧帮，正坐标方向对应掘进头位置右侧帮；图中不同色标表示不同的视电阻率值，从冷色调到暖色调表示视电阻率值不断升高，即从蓝色到红色表示视电阻率不断升高。
从图6顶板30 º探测结果中可以看出，在探测深度25m～60m范围之内出现相对低阻异常，结合地质资料分析，推断可能为局部裂隙发育相对富水所致。
图6 15#煤集中轨道巷470m处顶板30°超前探测视电阻率拟断面图
从图7顺层探测结果中可以看出，在探测深度20m～55m范围之内出现相对低阻异常，结合地质资料分析，推断可能为局部裂隙发育相对富水所致。
图7 15#煤集中轨道巷470m处顺层超前探测视电阻率拟断面图
4.2 MSP法处理结果
图8为15#煤集中轨道巷470m处MSP法超前探测反射界面提取剖面图，横向表示探测前方距离，红蓝弧线表示反射波能量。如图8所示，在有效探测深度100m范围之内，共有2个反射界面，分别命名为R1和R2，R1位于迎头前方20m左右位置，R2位于迎头前方56m左右位置，结合地质资料分析，推断该处可能为局部裂隙发育导致的破碎带所致，且与瞬变电磁探测的异常位置大致吻合。
图8 15#煤集中轨道巷470m处MSP法反射界面提取剖面图5 结论及建议
5.1 结论
本次瞬变电磁法探测结果显示，在迎头前方20～55m范围内，视电阻率值相对偏低，为相对低阻异常区；MSP法探测结果显示，在迎头前方存在两组反射异常界面，分别为迎头前方20m左右、56m左右位置。结合两种物探方法探测结果综合分析，可如下结论：
（1）异常区一：迎头前方20m左右位置，推断其可能为迎头前方裂隙发育，较破碎，推断可能具有一定的富水性；
（2）异常区二：迎头前方56m左右位置，推断其可能为迎头前方裂隙或小构造发育，推断其可能富含水。
5.2 存在问题及建议
本次探测综掘机距离迎头7m，迎头浮煤较厚，以后采集过程中，尽量清理施工区域浮煤，将掘进机退至迎头后方10m以外。
建议矿方根据物探异常区域进行打钻验证，防止水害发生，密切关注正前方20m左右及56m左右处情况，可能存在破碎带导水的情况，建议掘进过程中加强支护和瓦斯管理，并及时反馈信息，完善物探资料的地质解释。
作者简介：
孙志强，男，黑龙江科技学院资源勘查工程专业，现为福州华虹智能科技股份有限公司驻晋东南办事处主任工程师。
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