煤矿水害探测与物探应用
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[摘 要]煤矿防治水是一项复杂的系统工程，当前的矿井水文地质勘探工作已打破以探测、钻探和探放水试验为主体的单一格局，而代之以钻探、物探、化探的综合探测手段。充分利用科技力量，主动治水、装备先行。
中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）42-0128-01
一、选题的背景及研究意义
我国是世界上煤矿水文地质条件最为复杂的国家之一。煤矿水害是仅次于瓦斯灾害的第二大煤矿灾害。在我省，经煤炭资源兼并重组后，由于原先开采技术落后，以及开采资料的缺失，使矿井防治水难度大大增加。煤矿防治水是一项复杂的系统工作，断层、褶曲、隐伏导水裂隙带、陷落柱等地质异常已使矿井水文地质条件评价十分困难，采掘活动及其伴生的矿压作用使该问题更加复杂。矿井突水问题普遍具有空间规模小，时空变化大等特点，仅靠一种或几种传统地质手段已无法达到预期勘探的目的。以先进的地质理论为指导，采用现代化的勘探技术手段，采取井上、井下相结合的立体勘查模式，从“宏观”到“微观”，从区域到矿区再到采区、工作面，不断深化探查工作，是防止煤矿水害发生的必由之路。
《煤矿防治水规定》指出，防治水要坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的原则和防、堵、疏、排、截等综合治理措施。预测预报、有疑必探的前提是注重科技、发挥仪器的作用。煤矿防治水的前期工作是查明水害类型、探明水害影响区域和程度，有的放矢进行水害治理，消除水害隐患，确保安全生产。水害探查是一项非常复杂的工作，通常是根据水文钻孔资料进行矿区水文地质条件分析，地表水文地质踏勘，井下勘查和超前钻探探放水，这些工作对技术人员要求都较高。钻探探水本身就具有一定的危险性，探测距离较短，钻孔终孔位置可能偏离靶心，多孔探测可以有效解决这个问题，但施工时间长，容易造成接续困难。
解决上述问题的有效办法是利用井下物探技术，与钻探探放水的技术组合，物探先行、钻探验证，化探跟进。在取得多次验证资料后，依据实际情况逐步减少钻探工作的盲目性，对制定探放水设计起到重要的指导作用，在保证矿井安全的基础上提高生产效率。
二、煤矿井下水害分析
我国幅员辽阔，煤田地质条件相对复杂，多数主采矿区浅部资源开采殆尽，许多矿井向深部发展，很多矿井不同程度受到深部承压水的威胁。由于早期深部水文地质条件探查程度不足，地面补充水文地质勘探面临埋深大，上部采空影响等因素使勘探精度下降，因此在地面补充勘探的同时开展井下探测就是很好的补救措施。前些年部分地区无序开采造成关停、废弃老窑巷道、采空区积水，以及古窖积水使得矿井周边情况极其复杂，因此深部承压水和老空区积水是目前我国煤矿防治水工作的重点。
三、煤矿井下水害探测方法技术
煤矿水体由于常年埋藏于地下，普遍矿化程度较高，导电性能良好，相对围岩和煤层而言是良好的导电体，因此通过细分区域的电阻率测量可以探测出含水区域，经过多年的研究实践，目前电阻率法是探测含水体的最有效手段。从电性上分析不同地层的电性分布规律为：煤层电阻率值相对较高，砂岩次之，粘土岩类最低。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固定的变化规律，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。
四、几种实用的探测方法和设备
1、YDZ（A）直流电法仪
井下电法技术在井下全空间条件下建场，采用全空间数据处理和解释方法，可探测巷道周围的断层破碎带、隐伏含水构造、潜在突水点、确定隔水层厚度、探测掘进巷道前方的隐伏含水构造以及解决井下与采煤直接相关的其他地质问题。
2、YD256-03矿用浇封型兼本安型高密度电法仪
YD256-03矿用浇封型兼本安型高密度电法仪是井下电法勘探仪器，也可用于地面进行电法勘探工作。
YD256-03矿用浇封型兼本安型高密度电法仪以煤层或岩体为介质，根据岩石电阻率成像探测识别技术对矿井含水构造进行三极高分辨电发探测。它利用现有的巷道工作，可探查掘进工作面前方100米内的含水导水异常区域，包括老窖、断层、破碎带、陷落柱、裂隙、溶洞等含水构造。
3、YCS150矿用本安型瞬变电磁仪
YCS150矿井瞬变电磁法是以地壳中岩石的导电性与导磁性为主要物质基础，根据电磁感应原理，利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉动磁场，在一次脉动磁场的间隙期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，并研究该磁场的空间与时间分布规律，来寻找地下矿产资源或解决其他地质问题的一种时间域电磁法。
YCS150矿用本安型瞬变电磁仪主要应用于：
①地面探测含水层、断层含水性、地层结构和隔落粒；
②井下探测采区内部和以及掘进头前方的富水性及构造；
③探测良导性矿体埋深和产状，探测蕴矿构造；
④探测老窖及其含水性。
4、YT120（A）音频电穿仪
YT120（A）音频电穿仪是新型电法探测仪器，适用于：
①探测采煤工作面内及其掘进前方、巷道周围的含水导水构造等水文地质情况。可对煤层顶底板的导含水构造进行超前探测，确定含水体的空间位置，包括平面位置和深度范围。在巷道与巷道间进行电穿透视探测，取得工作面内顶底板的水文地质数据，按导电率的差异成像，以此判断工作面底板（30米-100米）范围内的含水地质构造。
②用于水坝坝基、江河堤岸等方面的勘探。可对坝基或大坝内隐伏的空洞、导水裂隙的分布范围进行探测。
③用于铁路、公路等交通领域的工程项目设计前的地质勘探。对公路、铁路的选址设计进行线路勘察，对隧道的掘进提供超前勘探资料。
5、YTR（D）瑞利波探测仪
瑞利波探测法是近年来兴起的一种地质勘探方法，其探测原理主要是利用瑞利波的两个特性即：波在分层介质中传播时的频散特性和波的传播速度与介质物理力学特性的密切相关性，而应用于煤矿井下地质小构造探测。
YTR（D）瑞利波探测仪就是利用瞬态瑞利波技术对地质构造进行勘探的一种新型物探仪器。它实测动态范围可达120dB，并简化了系统设计，确保了各信号道的相位一致性，提高了探测精度和深度。
6、KJ117矿井水文实时监测系统
系统主要包括：监测中心站、数据通信网络、井下水压采集分站、远程通信适配器、高精度压力变送器、井下防爆电源等。
通过基于现场工业控制总线CAN总线或者局域网，通信网络与井下各分站进行数据交换，实时获取井下水压、流量数据，地面分站经GSM网络传回测量数据，经系统处理后在监测信息中心站的主机屏幕上显示各测点水压、水位和流量值。
该系统可以安装煤矿水情水害预警系统，根据相应的物理量数据，依据矿井水文地质专业理论进行相关分析和辅助决策，为用户提供相应的决策依据。
五、结束语
随着科技的发展和进步，物探设备也在不断更新和升级，而从事物探相关工作的技术人员的能力和素质是物探技术能否广泛应用到实践中的关键。现阶段，煤矿水文地质专业人员特别是物探方面的专业技术人才的缺乏严重影响了物探技术的推广和应用，使煤矿防治水工作不能与先进的科学技术相结合，限制了煤矿防治水水平的提高。解决这一桎梏的对策是加大投入，建立完善的教育培训机制，全面开展安全技术培训，创优发展环境，大力引进和培养专业技术人才，推动技术创新，使物探技术充分应用到煤矿水害防治工作中去，将科技成果转化为安全效益和社会效益。
参考文献
[1] 《煤矿防治水规定》.
[2] 赵全福，中国煤矿防治水技术经验汇编。北京：煤炭工业出版社，1998.