煤矿防治水害物探技术浅谈

石红民

摘要：渭北煤田开采历史悠久，为我国国民经济建设做出了巨大贡献。近年来随着浅层煤炭资源的逐渐枯竭，澄合矿区布局逐渐中深部和井田边界延伸，开采深度不断增加，开采条件愈加复杂，受煤层底板强富水薄层太灰和奥灰岩溶含水层及其隐伏垂向导水通道影响，矿井突水可能性增加，给矿井安全生产和水害防治水工作带来大挑战。

关键词:智能开采  透明地质  三维地质建模  地面瞬变电磁 槽波地震勘探（槽波透射法、槽波反射发）

1.当前水害形势

因水害造成矿井停产，甚至淹井事故时有发生，严重时危及矿山职工生命。澄合矿区属水文地质类型“复杂”型矿井，底板K2灰岩和奥灰含水层水害对矿井采掘工作造成较大威胁，为彻底消除底板水害威胁，提高底板水害治理效果，杜绝底板水害，有力推动了矿井安全高效可持续发展，煤矿防治水害物探技术有待深挖。

2.智能开采对防治水的要求

井下排水系统系统智能化，主要设备（主排水泵）能够实现根据水仓液位自动启/停；可以错时、避峰填谷运行，实现节能降耗；供水泵可根据管道供水用量实现恒压变频调速供水。切换实现一键式操作；实现水泵集中监控；实现“有人巡检、无人值守”。机房设图像监视；在线监测液位、水泵、管道压力等运行参数，相关数据可以储存、查询。

煤炭资源开发过程中，地质条件的精细探查是基础环节；查明和重构煤炭开采透明化地质条件，是精准开采的基础保证。

透明地质只能代表过去，不能反映现在，更不能及时反馈，匹配与智能开采的地质工作只能是地质条件即时探测与决策指引，是四维空间的概念，应特别强调时间。

我国地质条件的透明化研究发展过程可以概括为三个阶段。第一阶段，主要是基于钻孔数据的三维地质建模研究，该阶段发展时间较长，以地层、构造等地质信息的三维地质建模来实现煤矿地质条件的透明化。第二阶段，主要是基于地球物理探测数据的三维可视化研究，该阶段主要为提高地球物理探测结果的解释精度，对探测数据进行三维可视化处理，实现煤炭采掘地质条件的透明化。第三阶段，为基于多源数据的综合地质建模研究，该阶段主要进行高精度、透明化采掘工作面的构建和动态更新，满足煤炭智能精准开采的地质条件需求。

采用从地面探测到井下探测、由地质预测到采掘反馈、由静态探测到动态探测的技术路线，综合运用物探、钻探、采掘工程等多种地质数据，构建了不同勘探、采掘阶段的三维地质模型，由远及近，由粗到细，以期将工作面三维地质模型的精度从“十米级”、“米级”提升到“亚米级”。这三个阶段的发展独立且相辅相成，各阶段之间没有界限，相互穿插，共同向高精度、透明化目标迈进。

3.水文地质探查的主要手段

水文地质探查的主要手段：物探+钻探。物探先行，提供靶区；钻探验证，综合治理。防治水工作的关键点：含水层的位置与富水特征；构造的位置、产状及含水/导水特征。(就是要回答水源具体位置、导水通道来自哪里、所含水量大小）。

技术措施的有效性、有针对性取决于有效的条件探查。矿井水文地质异常体探测技术可分以下几方面：

（1）区域水文地质异常体探查：可采用地面瞬变电磁法、核磁共振法、激发极化、三维地震；

（2）巷道附近（侧帮与顶底板）水文异常体探查：可采用矿井高分辨电法测探、瞬变电磁法；

（3）可采用掘进迎头前方水文地质异常体探查：可采用井下电法超前探测、瞬变电磁法探测、瑞利波、反射地震、地质雷达；

（4）工作面顶底板水位地质异常体探查：可采用音频电透、瞬变电磁法、矿井直流、层测深。瞬变电磁法也称时间域电磁法（Time-DomainElectromagneticMethods），简称TEM，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法，瞬变电磁的基本原理就是电磁感应定律。衰减的过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。使用方法原理如图1所

（5）较大老空水防治，地面物探可以采用地震勘探方法探查老空范围，采用直流电磁法、可控源音频大地电磁测探法探查老空积水情况；井下物探可以采用槽波地震勘探、瑞利波勘探、无线电波透视法（坑透）探测老空边界，采用瞬变电磁法、直流电法、音频穿透法探测老空积水情况。

槽波地震勘探是一种可以在煤层中激发和传播的导波，包含有槽波透射方法和槽波反射法。它是探查煤层不连续性的一种地球物理方法，也是地震勘探的一个分支。大小断层、煤层尖灭、变薄、陷落柱、采空区、空废弃巷道、含水层等类型的地质异常都能通过探测分析出来。具有探测距离大、抗干扰能力强、地质异常探测精度高、波形数据易于识别、最终成果直观的突出优点，尤其在探测准确率和距离上在煤矿是很有优势。

槽波透射法是槽波地震法中最基本可靠也是最常用的一种方法，采用有效波是从震源透过煤层传至接收点的直达曹波信号。如图2所示，爆炸点与槽波接收点布置在所需探测工作面不同巷道内，根据槽波有、无，强、弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常。

槽波反射法是根据反射槽波信号，简单地说就是槽波可在煤层中传输，如遇不连续煤层，其传播速度和密度就会收到阻抗而发生变化。识别出这些反射槽波信号，可以直接判断出所测工作面中煤层变化情况，存在不连续的具体位置。如图3所示，槽波反射法可以在一条煤巷中向周边范围内两侧进行小构造探测，该方法在采矿方面的价值特别大，犹如透视眼，直接探测出来异常地质构造位置，是槽波地震探测技术的重要部分。

槽波CT层析成像技术就是我们日常体检的CT，该技术用于一种断层扫描技术，是根据物体横断面一系列投影数据多层成像再通过数据处理而获得物体横断面的图像。可谓是由数据到图像重建的高科技技术。根据不同的研究目的与需要，可以结合被测物体的具体情况，通过人工制造认为的地震，或以来自然界地震来捕获不同条件下介质的分层与构造图像。

应当采用多种物探方法进行综合勘探，可以采用地震与电法相结合的勘探技术方法查明构造及其富水性。采煤工作面应当选择两种以上方法，相互验证，效果更佳，安全性更高。针对陕煤澄合矿区实际情况，多发生底板水涌出现象和局部构造，结合各矿先前钻孔勘察报告，先采用瞬变电磁勘测巷道周围富水区和构造异常情况；再针对性的布设钻场，采用钻机超前探测；最后根据实际钻探探测结果进行验证，由各矿地质科进行地质写实绘图真实情况，为以后矿改、扩建提供最详实的地质预报。

煤矿必须落实防治水的主体责任，推进防治水工作由过程向源头预防、局部治理向区域治理、井下治理向井上下结合治理、措施防范向工程治理、治水为主向治保结合的转变，构建理念先进、基础扎实、勘探清楚、科学攻关、综合治理、效果评价、应急处置的防治水工作体系。

作者简介： 石红民（1975年-），男，汉族，建设工程管理专科学历，2005年-2010年，在徐州中煤五公司二处工作；2010年-2014年，在天宇公司矿建项目部，先后在百良、西卓、山阳项目部担任测量员，技术员及技术主管；2015-2018在华宇公司矿建项目部山阳担任测量员及技术负责、董矿项目部兼任技术主管，2018年至今就职于陕西澄合华宇工程有限公司生产技术部(地质)。

参考文献：

【1】党江磊.西卓煤矿区域水害治理关键技术应用实践.澄合科技第一期（总第4期），2023年7月.63.

【2】祁宁，沈楷宇，李星.瞬变电磁法与沉降监测探查煤矿沉降盆地的应用.陕西煤炭2022年6月.3期.第41卷.总第206期.65-66.

【3】翁海龙，浅析槽波地震探测煤矿综采面的应用，陕西煤炭2021年10月.5期.第40卷.总第201期.184-185.