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礦井全方位探測儀在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用
TD400（A）礦井全方位探測儀在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用
符洪1 ，黨孟軍1 ，劉東旭 2
1鄭州一維光電科技有限公司，鄭州
2鄭州大學物理工程學院，鄭州
摘 要 礦井安全生產(chǎn)問題一直是煤炭行業(yè)所面臨的一個最為嚴峻的問題，而隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素是造成煤礦安全事故頻發(fā)的主要原因。查明井下隱蔽致在地質(zhì)因素是煤礦嗜待解決的一大難題。傳統(tǒng)的鉆探等勘探方法已經(jīng)難以滿足新形勢下的安全生產(chǎn)要求，而YTD400（A）礦井全方位探測儀的問世與應(yīng)用，為煤礦解決這一難題提供了一個新的思路與方法。
本文介紹了YTD400（A）礦井全方位探測儀的工作原理、適用范圍、技術(shù)特點，對比分析了YTD400（A）礦井全方位探測儀與其他電法類儀器的優(yōu)點，并通過其在多個煤礦的應(yīng)用的實例介紹，說明該儀器在探測煤礦井下隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素方面效果顯著，適宜推廣。
關(guān)鍵詞：隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，YTD400（A）礦井全方位探測儀，斷層，陷落柱，采空積水區(qū)，底板加固
引言
煤礦作為高危行業(yè)，安全事故頻見報端。近年來，國家加強了煤礦生產(chǎn)監(jiān)管，煤礦安全生產(chǎn)問題有所改善。但隨著礦井向深部延伸，所面臨的地質(zhì)問題越來越復(fù)雜，而采煤所造成的二次災(zāi)害也日益凸顯，礦井安全生產(chǎn)問題依然是煤礦行業(yè)所面臨的一個最為嚴峻的問題。為了減小損失，避免事故發(fā)生，繼國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家煤礦安全監(jiān)察局聯(lián)合出版的《煤礦防治水規(guī)定》提出防治水工作應(yīng)當堅持“預(yù)測預(yù)報，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原則，嚴格遵循 “物探先行、鉆探驗證、化探跟進”的綜合探測程序，山西省安全監(jiān)察局率先提出提出“有掘必探”的強制性規(guī)定之后，新的《煤礦地質(zhì)工作規(guī)定》又提出“查明影響煤礦安全生產(chǎn)的各種隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素”的要求。然而受井下環(huán)境條件限制，傳統(tǒng)的勘探方法已經(jīng)難以滿足新形勢下安全生產(chǎn)要求。近年來快速發(fā)展的各種礦井物探設(shè)備的應(yīng)用則展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，其中比較突出的當數(shù)YTD400（A）礦井全方位探測儀。
YTD400（A）礦井全方位探測儀是鄭州一維光電科技有限公司和鄭州大學聯(lián)合研發(fā)的一款先進實用礦井物探設(shè)備；該儀器采用本安電路，集超前探、電測深、電透視于一體，可進行巷道迎頭超前探測、巷道頂?shù)装寮皞?cè)幫測深、工作面頂?shù)装咫娡敢暤热轿惶綔y；并且采用先進選頻和低能耗CPU處理等技術(shù)，可有效壓制工頻干擾，保證數(shù)據(jù)的可靠性；數(shù)據(jù)處理解析軟件采用了CT技術(shù)，圖形直觀，分析方便，易于掌握。經(jīng)過在貴州、新疆、山西、陜西、青海、河南等省多個煤礦的實踐應(yīng)用，探測準確，效果明顯，為煤礦查明了存在的隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素，保證了安全生產(chǎn)。
本文根據(jù)筆者近幾年的實踐經(jīng)驗，總結(jié)YTD400（A）礦井全方位探測儀在煤礦物探方面的應(yīng)用成果和經(jīng)驗，與煤礦工程師一起交流。
1 YTD400（A）礦井全方位探測儀工作原理
1.1、該探測儀屬全空間電法勘探，它以煤、巖層的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，與地面電法不同，在全空間條件下建場，在地下巷道中進行電法測量工作，地下電流通過布置在巷道內(nèi)的供電電極在巷道周圍巖層中建立起全空間穩(wěn)定電場，該穩(wěn)定電場特征取決于巷道周圍巖石的電性特征及其賦存狀態(tài)，測量該電場的變化規(guī)律，使用全空間電場理論處理和解釋，就可找到巷道周圍巖石中引起電場變化的水文、地質(zhì)構(gòu)造等規(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（如斷層、裂隙發(fā)育區(qū)）的特征。
1．2、由于煤系地層的沉積序列比較清晰，在原生地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上有固定變化規(guī)律，從電性上分析煤系地層視電阻率大小一般規(guī)律為：灰?guī)r>煤層>砂巖>泥巖，而在橫向上相對比較均一。當存在構(gòu)造破碎帶時，如果構(gòu)造不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高；如果構(gòu)造含水，由于其導(dǎo)電性好，相當于存在局部低電阻率值地質(zhì)體。綜上所述，當斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時，無論其含水與否，都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。這種變化規(guī)律的存在，為以巖石導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)的礦井全方位探測儀探測提供了良好的地質(zhì)條件。
2 YTD400（A）礦井全方位探測儀功能介紹
2.1、巷道掘進頭超前探測
探測巷道掘進頭前方（或前側(cè)方）100米范圍內(nèi)的斷層、陷落柱、含水裂隙等局部異常地質(zhì)體的位置及賦水性強弱。減少鉆探工作量，提高巷道掘進效率，避免發(fā)生突水事故，確保巷道掘進安全。
超前勘探原理示意圖
2.2、巷道頂、底板及側(cè)幫探測
利用電測深技術(shù)，探測巷道頂板上（100米范圍內(nèi)）、底板下（100米范圍內(nèi)）及巷道兩邊側(cè)幫100米范圍內(nèi)的含水異常地質(zhì)體的位置及賦水性強弱。
電測深原理示意圖
2.3、工作面頂?shù)装逄綔y
利用電透視法探查工作面頂板上（100米）、底板下（100米）范圍內(nèi)含水異常地質(zhì)體或礦化體的平面位置、垂向高（深）度等空間特性。
電透視原理示意圖
3 YTD400（A）礦井全方位探測儀技術(shù)特點
3.1、多功能集成
能夠?qū)崿F(xiàn)井下水文物探中的超前探測、電測深及電透視等主要探測技術(shù)內(nèi)容，實現(xiàn)了井下空間全方位探測。
3.2、多頻點工作
3.2.1采用多頻發(fā)射、等頻接收的工作方式，實現(xiàn)多層段數(shù)據(jù)采集，便于地質(zhì)體異常的整體空間分析與解釋。
3.2.2 頻率間隔為5Hz、 15Hz、 120Hz、 400Hz，頻率設(shè)置既遠離工頻干擾源，又避開井下強干擾背景，提高了微弱信號的識別和處理能力。
3.3、互發(fā)互收，收發(fā)一體
實現(xiàn)收、發(fā)一體，一機多能，可靈活組合使用。既減輕勞動強度，又能提高工作效率。
4 YTD400（A）礦井全方位探測儀與電法類儀器比較優(yōu)點
4.1、采用低頻交流電作為輸出電源，功率大，信號強，分辨率高；
4.2、多頻率自由選擇，可有效壓制工頻干擾，保證采集數(shù)據(jù)的可靠性，保證探測精度；
4.3、不存在探測盲區(qū)，探測距離由跑極決定，跑極越遠探測距離越大；
4.4、超前探測時觀測系統(tǒng)布置在迎頭后方14米以外，施工時可正常掘進，不影響生產(chǎn)；
4.5、電流是通過電極供入地下，再通過電極測量不同位置的電壓，與巷道中的金屬未產(chǎn)生電力傳導(dǎo)關(guān)系，抗擾能力強，探測精度高；
4．6、電法探測的理論基礎(chǔ)是地質(zhì)體存在電性差異，因此無論是含水構(gòu)造還是無水構(gòu)造都能客觀地反映出來，適用范圍廣。
5 YTD400（A）礦井全方位探測儀實用案例分析
5.1、迎頭斷層位置探測
國投昔陽某煤礦15114軌道運輸巷超前探測成果圖
上圖為國投昔陽某煤礦15114軌道運輸巷超前探測成果圖，本次探測長度為50米，在探測范圍內(nèi)共存在三個低阻異常區(qū)，第一個低阻異常區(qū)位于迎頭前方3米范圍內(nèi)，由于探測時迎頭還在施工，疑為受鉆機打鉆影響；第二個低阻異常區(qū)位于迎頭前方12至15米，異常幅度大，但范圍較小，因巷道是穿層掘進，推測其為巖性變化所致；第三個低阻異常區(qū)位于迎頭前方28至30米，推測為F5斷層位置，其異常幅度較弱，可能具有一定的賦水性，但富水性不強。
經(jīng)礦方驗證，在第二個低阻異常區(qū)位置揭露一條落差5米的隱伏正斷層，第三個異常區(qū)為F5斷層位置，探測結(jié)果與實際相符。
5.2、陷落柱范圍探測
國投昔陽某煤礦15114皮帶運輸順槽超前探測成果圖
上圖為國投昔陽某煤礦15114皮帶運輸順槽超前探測成果圖，根據(jù)探測目和任務(wù)，本次探測控制距離為32米，根據(jù)視電阻率等值線圖，預(yù)計迎頭前方15米范圍內(nèi)為陷落柱，其中前11米泥質(zhì)充填較多，呈低阻反應(yīng)，根據(jù)目前已揭露情況，富水性較弱，12至15米呈高阻反應(yīng)，推測為陷落柱邊緣，多為巖塊，空隙較多。
經(jīng)驗證，礦方在迎頭前方18米處順利通過陷落柱，探測結(jié)果準確。
5.3、工作面斷層延展范圍探測
陜煤集團某煤礦14510工作面探測成果圖
上圖為陜煤集團某煤礦14510工作面探測成果圖，在探測范圍內(nèi)共存在兩個低阻異常區(qū)，分別命名為YC1、YC2，YC1位于探測起點至探測起點后200m（即機尾外229m至機尾外429m），深度52至104m；YC2位于探測起點后240m至260m（即機尾外469米至機尾外489m），深度71至104m；YC1異常范圍較大，且靠近運輸巷一側(cè)低阻較為明顯，推測切眼揭露斷層有可能拐向運輸巷一側(cè)延伸，對工作面回采影響較大；YC2在探測區(qū)域內(nèi)范圍較小，異常不明顯，推測該異常為軌道巷揭露斷層延伸至此尖滅。
根據(jù)探測結(jié)果，分析斷層在工作面內(nèi)延展范圍較大，若繼續(xù)按原來的回采方案進行回采，成本較高，難度較大。為降低成本，礦方?jīng)Q定重新開掘切巷，分段回采。
5.4、巷道側(cè)幫采空積水區(qū)探測
陜煤集團某煤礦4-2101運輸大巷側(cè)幫采空區(qū)探測成果圖
上圖為陜煤集團某煤礦4-2101運輸大巷側(cè)幫采空區(qū)探測成果圖，探測范圍內(nèi)紅色虛線圈定區(qū)域為主要積水區(qū)，積水范圍橫向距離在15m-60m和95m-100m，深度在55m-78m，該區(qū)域低阻異常較為明顯，強度較強，推測積水較為集中，含水量較大；紫色虛線圈定區(qū)域為受積水影響區(qū)域，影響范圍橫向距離在15m-100m，深度在40m-84m，積水影響區(qū)范圍較大，但相對于主要積水區(qū)異常強度較弱，推測其整體水量較大，但不集中，較為分散。
經(jīng)對比，該探測結(jié)果與礦方掌握資料較為吻合，為排除隱患，礦方組織人員在物探異常區(qū)進行打鉆抽排，水量達到120m3/h，共排除積水1180 m3，避免了水害的發(fā)生，確保了礦井的安全生產(chǎn)
5.5、工作面底板注漿加固效果探測
鄭煤集團檜樹亭煤礦11081工作面下付巷底板探測成果圖
上圖為鄭煤集團檜樹亭煤礦11081工作面下付巷底板探測成果圖，據(jù)圖分析，在30m～60m范圍內(nèi)視電阻率相對較低，根據(jù)底板巖層層位及水文地質(zhì)條件推測具有一定的富水性，其中在深度43m～63m范圍（圖中紅色虛線圈定區(qū)域）低阻較為明顯，且該深度范圍存在多層灰?guī)r，推測其富水性較強，但由于埋深較深，如果底板完整性較好、受擾動較小的話應(yīng)該不會對工作面的正�；夭稍斐赏{；圖中紫色虛線圈定區(qū)域低阻強度較弱，埋深較淺，施工現(xiàn)場并未發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象，推測該區(qū)域富水性較弱，但從圖上分析其與深部的強富水區(qū)具有一定的連通性。
根據(jù)探測結(jié)果，礦方于低阻區(qū)42米處施工一檢驗孔，該鉆孔方位朝向低阻區(qū)中央，傾角-48°。鉆孔施工至25米（垂深19米）時開始出現(xiàn)滲水，水量2m3/h。當鉆孔施工至52米（垂深39米）時，水量由7 m3/h逐漸增大至14 m3/h。鉆孔施工至71米（垂深53米）時，水量穩(wěn)定在14 m3/h。
6結(jié)論
通過鄭州一維光電科技有限公司YTD400（A）礦井全方位探測儀在多個煤礦的工業(yè)性探測應(yīng)用，證明該儀器
（1）具有較強的實用性和抗干擾性，探測成果精確可靠；
（2）探測成果圖形直觀，分析方便，簡單易學；
（3）能為井下不良地質(zhì)因素預(yù)報和防治措施的制定提供可靠依據(jù)，從而確保煤礦安全生產(chǎn)，適宜在各煤礦進行推廣應(yīng)用。
作者：符洪（1989-），工程師，安徽理工大學
黨孟軍（1965-），高級工程師，中國礦業(yè)大學畢業(yè)