矿井全方位探测仪在煤矿安全生产中的应用

TD400（A）矿井全方位探测仪在煤矿安全生产中的应用
符洪1 ，党孟军1  ，刘东旭 2
1郑州一维光电科技有限公司，郑州
          2郑州大学物理工程学院，郑州

摘 要 矿井安全生产问题一直是煤炭行业所面临的一个最为严峻的问题，而隐蔽致灾地质因素是造成煤矿安全事故频发的主要原因。查明井下隐蔽致在地质因素是煤矿嗜待解决的一大难题。传统的钻探等勘探方法已经难以满足新形势下的安全生产要求，而YTD400（A）矿井全方位探测仪的问世与应用，为煤矿解决这一难题提供了一个新的思路与方法。
本文介绍了YTD400（A）矿井全方位探测仪的工作原理、适用范围、技术特点，对比分析了YTD400（A）矿井全方位探测仪与其他电法类仪器的优点，并通过其在多个煤矿的应用的实例介绍，说明该仪器在探测煤矿井下隐蔽致灾地质因素方面效果显著，适宜推广。

关键词：隐蔽致灾地质因素，YTD400（A）矿井全方位探测仪，断层，陷落柱，采空积水区，底板加固

引言
煤矿作为高危行业，安全事故频见报端。近年来，国家加强了煤矿生产监管，煤矿安全生产问题有所改善。但随着矿井向深部延伸，所面临的地质问题越来越复杂，而采煤所造成的二次灾害也日益凸显，矿井安全生产问题依然是煤矿行业所面临的一个最为严峻的问题。为了减小损失，避免事故发生，继国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局联合出版的《煤矿防治水规定》提出防治水工作应当坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的原则，严格遵循 “物探先行、钻探验证、化探跟进”的综合探测程序，山西省安全监察局率先提出提出“有掘必探”的强制性规定之后，新的《煤矿地质工作规定》又提出“查明影响煤矿安全生产的各种隐蔽致灾地质因素”的要求。然而受井下环境条件限制，传统的勘探方法已经难以满足新形势下安全生产要求。近年来快速发展的各种矿井物探设备的应用则展现出了独特的优势，其中比较突出的当数YTD400（A）矿井全方位探测仪。
YTD400（A）矿井全方位探测仪是郑州一维光电科技有限公司和郑州大学联合研发的一款先进实用矿井物探设备；该仪器采用本安电路，集超前探、电测深、电透视于一体，可进行巷道迎头超前探测、巷道顶底板及侧帮测深、工作面顶底板电透视等全方位探测；并且采用先进选频和低能耗CPU处理等技术，可有效压制工频干扰，保证数据的可靠性；数据处理解析软件采用了CT技术，图形直观，分析方便，易于掌握。经过在贵州、新疆、山西、陕西、青海、河南等省多个煤矿的实践应用，探测准确，效果明显，为煤矿查明了存在的隐蔽致灾地质因素，保证了安全生产。
本文根据笔者近几年的实践经验，总结YTD400（A）矿井全方位探测仪在煤矿物探方面的应用成果和经验，与煤矿工程师一起交流。
1 YTD400（A）矿井全方位探测仪工作原理
1.1、该探测仪属全空间电法勘探，它以煤、岩层的导电性差异为基础，与地面电法不同，在全空间条件下建场，在地下巷道中进行电法测量工作，地下电流通过布置在巷道内的供电电极在巷道周围岩层中建立起全空间稳定电场，该稳定电场特征取决于巷道周围岩石的电性特征及其赋存状态，测量该电场的变化规律，使用全空间电场理论处理和解释，就可找到巷道周围岩石中引起电场变化的水文、地质构造等规律，从而确定岩、矿体物性（如贫、富水区域）的分布规律或地质构造（如断层、裂隙发育区）的特征。
    1．2、由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，其导电性特征在纵向上有固定变化规律，从电性上分析煤系地层视电阻率大小一般规律为：灰岩>煤层>砂岩>泥岩，而在横向上相对比较均一。当存在构造破碎带时，如果构造不含水，则其导电性较差，局部电阻率值增高；如果构造含水，由于其导电性好，相当于存在局部低电阻率值地质体。综上所述，当断层、裂隙和陷落柱等地质构造发育时，无论其含水与否，都将打破地层电性在纵向和横向上的变化规律。这种变化规律的存在，为以岩石导电性差异为物理基础的矿井全方位探测仪探测提供了良好的地质条件。
2 YTD400（A）矿井全方位探测仪功能介绍
2.1、巷道掘进头超前探测
探测巷道掘进头前方（或前侧方）100米范围内的断层、陷落柱、含水裂隙等局部异常地质体的位置及赋水性强弱。减少钻探工作量，提高巷道掘进效率，避免发生突水事故，确保巷道掘进安全。
 
超前勘探原理示意图
2.2、巷道顶、底板及侧帮探测
利用电测深技术，探测巷道顶板上（100米范围内）、底板下（100米范围内）及巷道两边侧帮100米范围内的含水异常地质体的位置及赋水性强弱。
 
电测深原理示意图
2.3、工作面顶底板探测
利用电透视法探查工作面顶板上（100米）、底板下（100米）范围内含水异常地质体或矿化体的平面位置、垂向高（深）度等空间特性。
 
电透视原理示意图
3 YTD400（A）矿井全方位探测仪技术特点
3.1、多功能集成
能够实现井下水文物探中的超前探测、电测深及电透视等主要探测技术内容，实现了井下空间全方位探测。
3.2、多频点工作
3.2.1采用多频发射、等频接收的工作方式，实现多层段数据采集，便于地质体异常的整体空间分析与解释。
3.2.2 频率间隔为5Hz、 15Hz、 120Hz、 400Hz，频率设置既远离工频干扰源，又避开井下强干扰背景，提高了微弱信号的识别和处理能力。
3.3、互发互收，收发一体
实现收、发一体，一机多能，可灵活组合使用。既减轻劳动强度，又能提高工作效率。
4 YTD400（A）矿井全方位探测仪与电法类仪器比较优点
4.1、采用低频交流电作为输出电源，功率大，信号强，分辨率高；
4.2、多频率自由选择，可有效压制工频干扰，保证采集数据的可靠性，保证探测精度；
4.3、不存在探测盲区，探测距离由跑极决定，跑极越远探测距离越大；
    4.4、超前探测时观测系统布置在迎头后方14米以外，施工时可正常掘进，不影响生产；
    4.5、电流是通过电极供入地下，再通过电极测量不同位置的电压，与巷道中的金属未产生电力传导关系，抗扰能力强，探测精度高；
    4．6、电法探测的理论基础是地质体存在电性差异，因此无论是含水构造还是无水构造都能客观地反映出来，适用范围广。
5 YTD400（A）矿井全方位探测仪实用案例分析
5.1、迎头断层位置探测
国投昔阳某煤矿15114轨道运输巷超前探测成果图
上图为国投昔阳某煤矿15114轨道运输巷超前探测成果图，本次探测长度为50米，在探测范围内共存在三个低阻异常区，第一个低阻异常区位于迎头前方3米范围内，由于探测时迎头还在施工，疑为受钻机打钻影响；第二个低阻异常区位于迎头前方12至15米，异常幅度大，但范围较小，因巷道是穿层掘进，推测其为岩性变化所致；第三个低阻异常区位于迎头前方28至30米，推测为F5断层位置，其异常幅度较弱，可能具有一定的赋水性，但富水性不强。
经矿方验证，在第二个低阻异常区位置揭露一条落差5米的隐伏正断层，第三个异常区为F5断层位置，探测结果与实际相符。
5.2、陷落柱范围探测
 国投昔阳某煤矿15114皮带运输顺槽超前探测成果图
上图为国投昔阳某煤矿15114皮带运输顺槽超前探测成果图，根据探测目和任务，本次探测控制距离为32米，根据视电阻率等值线图，预计迎头前方15米范围内为陷落柱，其中前11米泥质充填较多，呈低阻反应，根据目前已揭露情况，富水性较弱，12至15米呈高阻反应，推测为陷落柱边缘，多为岩块，空隙较多。
经验证，矿方在迎头前方18米处顺利通过陷落柱，探测结果准确。
5.3、工作面断层延展范围探测
陕煤集团某煤矿14510工作面探测成果图
上图为陕煤集团某煤矿14510工作面探测成果图，在探测范围内共存在两个低阻异常区，分别命名为YC1、YC2，YC1位于探测起点至探测起点后200m（即机尾外229m至机尾外429m），深度52至104m；YC2位于探测起点后240m至260m（即机尾外469米至机尾外489m），深度71至104m；YC1异常范围较大，且靠近运输巷一侧低阻较为明显，推测切眼揭露断层有可能拐向运输巷一侧延伸，对工作面回采影响较大；YC2在探测区域内范围较小，异常不明显，推测该异常为轨道巷揭露断层延伸至此尖灭。
根据探测结果，分析断层在工作面内延展范围较大，若继续按原来的回采方案进行回采，成本较高，难度较大。为降低成本，矿方决定重新开掘切巷，分段回采。

5.4、巷道侧帮采空积水区探测
 
陕煤集团某煤矿4-2101运输大巷侧帮采空区探测成果图
上图为陕煤集团某煤矿4-2101运输大巷侧帮采空区探测成果图，探测范围内红色虚线圈定区域为主要积水区，积水范围横向距离在15m-60m和95m-100m，深度在55m-78m，该区域低阻异常较为明显，强度较强，推测积水较为集中，含水量较大；紫色虚线圈定区域为受积水影响区域，影响范围横向距离在15m-100m，深度在40m-84m，积水影响区范围较大，但相对于主要积水区异常强度较弱，推测其整体水量较大，但不集中，较为分散。
经对比，该探测结果与矿方掌握资料较为吻合，为排除隐患，矿方组织人员在物探异常区进行打钻抽排，水量达到120m3/h，共排除积水1180 m3，避免了水害的发生，确保了矿井的安全生产
5.5、工作面底板注浆加固效果探测
郑煤集团桧树亭煤矿11081工作面下付巷底板探测成果图
上图为郑煤集团桧树亭煤矿11081工作面下付巷底板探测成果图，据图分析，在30m～60m范围内视电阻率相对较低，根据底板岩层层位及水文地质条件推测具有一定的富水性，其中在深度43m～63m范围（图中红色虚线圈定区域）低阻较为明显，且该深度范围存在多层灰岩，推测其富水性较强，但由于埋深较深，如果底板完整性较好、受扰动较小的话应该不会对工作面的正常回采造成威胁；图中紫色虚线圈定区域低阻强度较弱，埋深较浅，施工现场并未发现涌水现象，推测该区域富水性较弱，但从图上分析其与深部的强富水区具有一定的连通性。
根据探测结果，矿方于低阻区42米处施工一检验孔，该钻孔方位朝向低阻区中央，倾角-48°。钻孔施工至25米（垂深19米）时开始出现渗水，水量2m3/h。当钻孔施工至52米（垂深39米）时，水量由7 m3/h逐渐增大至14 m3/h。钻孔施工至71米（垂深53米）时，水量稳定在14 m3/h。
6结论
通过郑州一维光电科技有限公司YTD400（A）矿井全方位探测仪在多个煤矿的工业性探测应用，证明该仪器
（1）具有较强的实用性和抗干扰性，探测成果精确可靠；
（2）探测成果图形直观，分析方便，简单易学；
（3）能为井下不良地质因素预报和防治措施的制定提供可靠依据，从而确保煤矿安全生产，适宜在各煤矿进行推广应用。

作者：符洪（1989-），工程师，安徽理工大学
党孟军（1965-），高级工程师，中国矿业大学毕业