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user: 2. 井下物探技术及应用 恒源煤电集团公司任楼煤矿物探工程中心成立于2012年8月，其前身是成立于1998年的任楼煤矿物探组。该中心拥有瞬变电磁仪、无线电波透视仪、直流电法仪、便携式地质探测仪、地质雷达等矿井物探设备。 2.1. PROTEM47型瞬变电磁仪 矿井瞬变电磁法是一类非接触式探测技术，属于时间域电磁法。它利用不接地回线向采掘空间周围的煤岩体中发射一次场，通过在发射间歇测量煤岩体中电性不均匀体感应产生的二次场随时间的变化，来达到查明各种目标体的目的 [ 6 ] 。 PROTEM47型瞬变电磁仪由加拿大GEONICS公司研制，采用全空间多匝方形小回线源，发射、接收线圈采用中心分离方式，减少了收发互感，其超前探测工作原理如图1所示 [ 7 ] 。仪器设有7个频率，分别为237.5 Hz、62.5 Hz、25 Hz、6.25 Hz、2.5 Hz、0.625 Hz、0.25 Hz。瞬变电磁法数据处理软件为TEMINT软件，该软件可以在半空间与全空间切换，数据处理结果对异常体具有较好的识别能力，通过增加竖直测线，对纵向剖面内电性的分布特征进行有效控制，进一步提高了异常体的空间判定能力。利用该仪器的定向性，可以对工作面顶板、底板、顺层等方向进行全空间探测。 从2010年初至2014年12月底，瞬变电磁法已在任楼煤矿以及周边矿井开展工程地质探测300余次，现场应用表明其准确率达到70%以上。该方法目前主要用于掘进巷道前方的含(导)水小构造，小断层裂隙等潜在突水构造体，回采工作面周围老空水及面内顶(底板)陷落柱探测等工作。如任楼煤矿原II51轨道大巷掘进至G33点前32 m位置(如图2所示)，在巷道迎头右侧布置锚杆时，从锚杆孔内涌出水量达到20 m 3 /h，为了探明含水构造的发育情况，用该仪器对迎头位置进行超前探测，并对迎头后250 m范围内的两帮和底板进行探测，做出了构造发育情况以及赋水性情况的预测预报。为了预防导水通道扩大而造成灾害，及时对该巷道进行了封堵，从而避免了透水事故的发生。后经施工钻孔的工程验证探测，得出赋水异常区在巷道的上帮，与瞬变电磁探测的异常具有很好的吻合性 [ 8 ] 。 2.2. WKT-E-E(J)型无线电波透视仪 无线电波透视法(简称坑透法)是在顺煤层的两巷道或两钻孔中进行的，根据电磁波在煤层中的传播特性而研制的一种收、发电磁波的仪器和资料处理系统 [ 9 ] 。如果发射源发射的电磁波穿越煤层途径中，存在断层、陷落柱、富含水带、顶板垮塌和富集水的采空区、冲刷、煤层产状变化带、煤层厚度变化和煤层破坏软分层带等地质异常体时，接收到的电磁波能量就会明显减弱，这就会形成透视阴影或异常区，其透视曲线交绘法解释示意图如图3所示。目前，无线电波透视法主要应用于探测回采工作面及钻孔之间的地质小构造，如煤层中断裂构造的界面，构造引起的煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水带、陷落柱、顶板塌陷或富积水的采空区、煤层厚度及产状变化带、夹矸厚度变化带、火成岩入侵体等。 WKT-E-E(J)型无线电波坑透仪是一款本安型矿用仪器，该仪器设有0.3 MHz、0.5 MHz、1.5 MHz三个频段，分别应用于不同地质条件下工作面的坑透工作。由于吸收系数与电磁波频率和煤层的电阻率等电性参数有直接关系，即在同一均匀煤层中，频率越高吸收系数就越大，电磁波穿透煤层距离就近；煤层电阻率越低，吸收系数也越。因此，探测时工作面较宽、煤层较薄时，电磁波将无法穿透整个工作面。目前探测过的工作面最大宽度为240 m，煤厚最薄为0.8 m，均取得较好的探测结果。自2010年初至2014年12月底，恒源煤电集团公司已完成38个工作面的探测，已回采验证30个工作面，共98个异常区，回采验证完全吻合的有79个，准确率达80%以上。 2.3. YT120(A)和YDZ(A)型直流电法仪 矿井直流电法就是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律来达到解决地质问题的目的 [ 10 ] 。由于煤系地层的沉积序列比较清晰，在原生地层状态下，地下各种岩(矿)石之间存在导电差异，影响着人工电场的分布形态，其导电性特征在纵向上有固定的变化规律，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异常体，其单级–偶级法测量原理如图4所示。因此，当煤层顶底板岩层内断层、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直流电法探测提供了良好的地质条件。 图1. 瞬变电磁超前探测原理示意图 图2. II51轨道大巷瞬变电磁超前探及侧帮探测图 YT120(A)型音频电透视仪(简称电透)是一款用于测深的电法仪器，它利用四极测深原理，把供电电极A (或AB)和测量电极MN分别布置在采煤工作面两相邻巷道中，采用直流供电，通过测量MN间的电位差，研究两巷道间工作面内及围岩中的电场分布规律，用于探测工作面内部及其顶底板岩层内的含水、导水构造异常。根据测得的数据计算出视电阻率，通过地电成像方法计算研究工作面煤层内部的电性变化规律，进一步推断工作面煤层内是否存在地质构造。根据采煤工作面的地质构造性质与电性反映的对应关系，进行物探–地质解释，评价其地质构造结构。一般情况下煤层缺失带呈低阻反映，断层(含水)裂隙发育带呈(明显)低阻反映。 YDZ (A)型直流电法仪是用于三极测深及单极超前探测的电法仪器，目前主要应用于电法超前探测。矿井电法超前探测在全空间条件下建场，使用全空间电场理论，研究掘进头前方地层电性变化规律，预测前方含、导水构造的分布和发育情况的电法探测新技术，在现场采用点电源三极装置进行数据采集工作。资料解释方法主要是对物探处理的图件进行地质分析，其一是从参数的变化幅度确定物性参数异常划分原则，从相邻点间的异常位移确定异常体的空间位置；其次是结合有关地质资料对物性异常进行综 图3. 无线电波透视曲线交绘法解释示意图 图4. 单极–偶极法测量原理示意 合分析，确定物性异常的原因，分析是地层岩性的变化，还是局部地质体(如含水构造)的存在。 自2010年初至2014年12月底，恒源煤电集团公司的直流电法共进行37次井下探测，准确率70%以上。目前，直流电法技术主要应用于岩层裂隙性、富水程度、含水层连通性，突(导)水通道、巷道底板有效隔水层厚度、含水层厚度及其富水性分布规律，工作面带压开采条件物探评价及工作面探放水孔位置选择、工作面底板注浆效果检测、老窑积水区探测、陷落柱及其富水性探测等。对于采煤工作面顶底板内部的导水构造及含水层的富水性探测，均取得了良好的地质效果，为采煤工作面注浆改造及防治水工作提供了依据。 2.4. KJH-D型防爆探地雷达 地质雷达法通常是一种利用高频至特高频波段(及空气中电磁波波长10 m波段至分米波段)电磁波的反射实现无损探测的方法 [ 11 ] 。在系统主机的控制下，发射机通过天线向围岩内定向发射电磁波(雷达波)。垂直于岩层表面向围岩内传播的电磁波，当遇到有电性差异(主要是介电常数、电导率)的界面或地质异常体时即发生反射，反射波被天线接收进入接收机，并传到主机，主机对从不同深度返回的各个反射波进行放大、采样、滤波、数字迭加等一系列处理，可在显示器上形成一种类似于地震反射时间剖面的地质雷达连续探测彩色剖面，进而可以分析岩性差异或地质异常体的存在。 KJH-D型防爆探地雷达仪器配有1 m和2 m两款天线，对应频率分别为100 MHz、50 MHz，1 m的天线可超前探测5~30 m，根据迎头条件选择50 MHz天线，探测距离可增大至50 m。数据处理时，首先根据扫射回波的形态、反射强度及其变化在连续剖面上判别目标性质，再根据回波的时间和速度确定目标深度，然后将这些信息绘成剖面成果图，其探测原理如图5所示。 KJH-D型防爆探地雷达仪器于2014年引进，截止2014年12月底，地质雷达共进行6次井下探测，准确率70%以上。该方法由于发射高频脉冲式电磁波，巷道内的金属物体、迎头断面平整度对其影响较大。因此，对于现场探测的环境要求较高。