物探技术在矿井水防治中的应用

物探技术在矿井水防治中的应用

时有能

富源县能源局综合执法大队  云南  曲靖  655000

    摘要：煤矿作为我国能源结构中的关键组成部分，在能源供给和经济发展中占据着重要地位。当前，由于煤炭资源开采深度增加，煤矿水文地质条件发生了较大变化，矿井水害问题成为了制约煤矿高效生产的主要因素之一。为此，要加强煤矿水害防治力度，加大对物探技术的应用与研究力度，明确掌握直流电法探测技术、瞬变电磁探测技术、瑞利波探测技术的应用原理、优缺点，结合实际情况，科学选用有效的、可行的物探手段，制定合理的探测方案，确保矿井水防治效果。据此，本文首先分析了矿井水防治中常用的几种物探技术，之后对各类技术的具体应用进行了简要研究。

    关键词：物探技术；矿井水防治；地质灾害

    在煤矿工程中，施工作业极易受到井下地下水的影响，降低生产安全性，增加开采事故产生几率，不利于促进煤矿事业稳定、顺利发展，因此，要加强对矿井水防治工作的重视程度。经过调查研究发现，矿井水主要由井下岩层与含水层的间隙水所形成，由于未能及时防治和处理，导致地下水不断积累，经由矿压影响，便会冲破隔水层，大量涌出产生透水事故。另外，针对长久开采的煤矿，会因采空区较多而致使积水问题频发；针对煤矿挖掘而言，场地地质结构、含水层和隔水层压力变化异常等均会造成突水现象。

    1.物探技术

    1.1直流电法探测技术

    直流电法探测技术的主要目标对象为地壳内部的岩石、矿石，以检测物质电学性质、分析电学特性差异为根本，根据各类型电磁场的时间、空间分布规律，明确掌握地质结构，确定有用矿产分布区域。相比于其他物探技术，直流电法探测技术具有设备设施多样、场源丰富、研究参数充足等特点。将这一技术应用在矿井水防治项目中，可支持在井下开展勘探作业，具体而言，能够在井下巷道岩层区域搭建完整的、立体化的稳定人工电场，通过采集检测数据，分析电场变化规律，计算该区域视电阻率，进而制作出视电阻率曲线、剖面图表，帮助相关工作人员全面掌握矿井下监测区域的导水与含水结构。

    1.2瞬变电磁探测技术

    瞬变电磁探测技术是在电法勘探技术的基础上分支产生的新型物探方法，属于无损高分辨探测工艺，借助电导率数据图像，可明确地下隐藏的金属物质，了解地下实际情况。在具体实践过程中，瞬变电磁探测技术的核心物质基础为地壳矿石的导电性、导磁性差异，以电磁感应为理论依据，通过不接地回线、接地线顺利向地下传输一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场产生间隙阶段，采用线圈、接地电极检测二次涡流情况，把握相应空间、时间变化规律，可对低阻物体进行精准探测，常应用于煤矿含水层、富水性区域、积水层勘察任务。

    1.3瑞利波探测技术

    所谓瑞利波探测技术，即是根据人工地震波收集的地下资讯深入研究、解析相应的地层结构，具体来说，主要包括两种方法：面波变频探测法和面波频谱分析法。针对前者又称作稳态法，应用原理为：以其中一段波长对应的瑞利波相速度代表该段1/2波长的地层平均剪切波速度，之后，合理调节激振器运作频率即可获得多种波长对应的瑞利波数据，在这一前提下，一旦曲线变化异常，即表明异常深度位置处存在岩性界面。针对后者，又叫瞬态法，应用原理为：以震源带宽脉冲为依据，利用震源周围布设的多种接受感应装置，使用瑞利波仪精准采集信号，采用傅里叶变换、频谱分析方法，计算瑞利波传播形成的相位差、传播时间与传播速度，通常情况下，可支持对煤矿采空区、巷道井下进行全面探测。

    2.物探技术在矿井水防治中的具体应用

    2.1数据采集

   2.1.1直流电法探测技术的数据采集

    使用直流电法探测技术在矿井水防治中开展数据采集工作，以电源三级设备为重要作业工具，以供电电极为核心基础，合理调整测量电极M与电极N，直流电法超前探测操作如图1所示。直流电法超前探测过程中，应预先在距离井下掘进头500m位置处设定无穷远电极，之后在掘进头邻近位置依次布设供电电极A1、A2、A3，控制各电极之间间距保持在4m左右，随后按照指示方向合理移动测量电极M和N，进而精准测量供电电极A1、A2、A3所形成的视电阻率数据。

图 1 直流电法超前探测施工装置示意

   2.1.2瞬变电磁探测技术的数据采集

    瞬变电磁探测技术利用脉冲磁场作用原理，结合井下巷道内部具体情况，合理设置发射线框，在井下岩层中形成了脉冲式一次电磁场，并通过接收探头实时获知地下涡流构成的二次电磁场运动变化情况，进而可根据二次电磁场空间、时间分布规律，深入了解地质状况，同时，考虑到井下掘进工作空间较为狭窄，应以扇形探测形式为主开展作业，调整天线法线与巷道底板角度，利用发散型发射点探测井下围岩的实际变化趋势。

   2.1.3瑞利波探测技术的数据采集

    依据相关实验分析，瑞利波探测技术通常依靠瞬态法勘探手段完成数据采集工作，具体实践过程为：首先，将瞬态冲击振动作为放炮点震源，形成与规定频率标准相一致的瑞利波。其次，合理叠加不同振幅、频率的瑞利波进行传播，在与震源间隔一定距离的测线区域，通过纵观测系统，确保感应仪器与震源维持在同一水平线上，设定标准道间距Δx，布设相应的单分量加速度传感器，依据Δx值与瑞利波频谱低频成分数量的正比例变化关系，对井下较深区域进行有效探测。

    2.2数据处理与解释

   2.2.1直流电法探测技术的数据处理与解释

    在数据处理与解释环节，应用直流电法探测技术开展工作的主要流程为：对收集的各类数据资料进行整合、归类和评判，提取出真实度、准确度、还原度较高的数据，科学使用测量手段进一步处理、分析数据，制作出直观、清晰的绘图数据图表和报告文件，根据形成的探测成果图，评估作业区域地质异常情况、性质。例如，针对某地区煤矿直流电法探测图表、视电阻率变化直线图，明确掌握了探测位置的相对富水区、弱富水区、不富水区、过渡区以及地质异常点位。

    2.2.2瞬变电磁探测技术的数据处理与解释

    在科学应用瞬变电磁探测技术进行数据处理、解析时，主要通过编辑软件、解释软件、白化软件，按照既定程序，规范、有序对数据资料、图像文件进行集中处理，制作成对应的扇形平面图。在具体实践中，该探测技术可对井下巷道掘进20～100m位置的水文地质数据进行分析处理，详细了解巷道掘进前端顶部、底部、顺层方向周围的视电阻率变化异常情况。

    2.2.3瑞利波探测技术的数据处理与解释

    一般而言，瑞利波探测技术会设置连续测点对数据资料进行采集整理，使用成图软件将精选资料绘制成测线瑞利波剖面图，在这一基础上，展开评价、预估和推断，进一步获得地质剖面图。例如，在某地区煤矿二水平辅运大巷－21盘区联巷的瑞利波探测作业中，依据结果图表可知在掘进前方存在两处异常区域，一处区域异常范围较小，强度较弱，另一处较远区域的异常范围较大，强度较高，从而为后续防治水工作提供了直观数据。

    结语：想要确保煤矿企业正常、顺利开展生产工作，有效提高生产效率、质量，就要结合矿井情况，针对矿井水害产生根源，制定相应的防治措施，引进先进、新型的防治手段方法，为该项工作提供技术保障。因此，要深入了解物探技术，通过灵活、熟练使用探测仪器，全面采集煤矿水文地质资料，综合分析煤矿开采过程中可能发生的水害隐患，为后续工作提供科学依据，从而良好预防和避免矿井水害事故发生，为煤矿开采事业创造更大经济效益。

参考文献：

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[3]杨虎.综合物探技术在煤矿矿井防治水中的应用[J].内蒙古煤炭经济,2021,(18):126-127.