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浅谈煤矿防治水工作中“物探先行，钻探验证”的方法在煤矿防治水工作中，为确保巷道安全掘进，应开展水害预测预报以及井下探放水工作。
为确保探放水工作的准确性、可靠性以及对后续工作的指导性，可采用“物探先行，循环钻探跟进”的综合探测方法。
一、物探原理、设备、方法（一）物探原理通常使用瞬变电磁法开展物探工作，这种方法也叫做时间域电磁法，其是依托接地线源亦或不接地回线朝着地下方向进行一次脉冲电磁场发射，在一次脉冲电磁场间歇过程中，通过接地电极亦或不接地线圈观察、检测二次涡流场的方式。
其基础流程是：在井下面或者地表依托某种波形电流构建发射线圈，继而在其周边空域形成一次磁场，且在地面下部导电岩矿体中形成能够感应的电流。
电能供给中断以后，感应电流因为热损耗而逐渐减弱。
衰减过程通常分成三个阶段，分别是早期、中期、晚期。
初始阶段的电磁场等同于频率域内的高频部分，趋肤深度有限，衰减程度显著；晚期等同于频率域中的低频内容，趋肤深度重，衰减不显著。
经过总结电源中断后每个时间段二次场伴随时间变动而呈现出的一般性特点，能够归纳出各种深度的地电特点。
图1-3 瞬变电磁法工作原理在电导率为σ、磁导率为μ0的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流I(t)，其中：（1）在断电以前，发射电流在回线周边的土地与空域中形成比较稳固的磁场。
在t与0相等时，实施断电操作，由此电流形成的磁场也立刻不在存在。
一次磁场的这种巨大改变依托地下导电介质与空气传输到回线周边的土地，且在土地中形成感应电流以让发射电流中断以前具有的磁场持续存在，确保空间磁场存续较长时间。
因为介质的热损耗，一直至把磁场能量全部耗费完截止。
因为电磁场在空气中传输的速率大幅快于导电介质中传输的速率，在一次电流中断的情况下，一次磁场的巨大变动先传输至发射回线周边地面的所有点，为此，初期产生的感应电流只存在于地表。
地表各个位置感应电流并非匀称分布，在靠近发射回线一次磁场程度最深的地表位置感应电流最为显著。
矿井井下物探管理制度为加强矿井物探管理，防止矿井水害事故发生，特制订本制度。
1、对于煤矿井下存在资料不清可疑富水区的采掘工作面；水文地质条件复杂、极复杂或存在老窑积水采空区的矿井，应进行“有掘必探、物探先行、钻探验证”的探放水工作，以提高井下探放水效果。
2、物探工作布置、参数确定、检查点数量和重复测量误差、资料处理及解释应符合国家现行有关标准的规定。
3、根据勘探区的水文地质条件、被探测地质体的地球物理特征和不同的工作目的等因素确定勘探方案。
提倡采用综合探测，完善矿井地测数据库和高精度三维地质模型，组构可视化服务体系，实现地测工作的模型化和动态管理。
4、井下物探的主要方法井下物探方法：主要有直流电法（电阻率法）、音频电穿透法、瞬变电磁法、电磁频率测深法、无线电波透视法、地质雷达法、浅层地震勘探法、瑞利波勘探法、槽波地震勘探方法等。
煤矿可根据实际情况选用，并结合钻探对资料进行验证。
5、井下物探探测技术要求井下物探超前探测距离不小于80m巷道向两帮及底板距离不小于30m必须查明探测范围内含水层、含（导）水断层、陷落柱、老窑采空区的富水性及其分布范围。
划分富水区域，提交物探成果资料的文字报告和富水区域平剖面划分图等。
6、超前距离控制进行超前探测的巷道，掘进期间必须执行允许掘进通知单制度；探测老空积水时，超前距离煤（岩）巷不小于30m探测岩层水时，超前距离煤巷不小于30m岩巷不小于20m进行物探的巷道，严格以导线点控制允许掘进距离，采掘单位施工到设计物探位置后及时通知地测科再次进行超前探测。
7、井下物探现场要求采掘区队必须做好物探期间的配合工作，巷道物探区域严禁有积水浮煤；物探时，严禁工作面综掘机、皮带等电器设备运行，应停止掘进；施工单位作业人员要注意保护物探布桩、线，严禁拿、碰、踩、压所布线、桩，采掘区队必须有一人紧盯现场积极配合物探人员物探作业。
8 、物探管理要求（1）水文地质条件复杂、极复杂及存在小煤窑采空积水区的矿井，矿地测部门根据矿井生产接续计划及时编制物探作业计划。
当代化工研究CCModern Chemical Research»Q 2021•01技术应用与研究煤矿井下掘进工作面超前物探技术分析*杨菲(山西同煤集团朔州煤电公司山西036000)摘耍：煤矿企业在矿井下进行掘进工作时，可能存在一些安全隐患，因此在进行掘进工作的施工过程中需要科学合理餉使用超前物探技术.在具体的工作过程中，超前物探技术有两种不同的探测技术，分别是直流电法和刃匝变电磁探测技术，科学妁使用此种探测技术可以准确的了解矿井前方的含水性和岩层的一些基本构造情况等.所以本文介绍了超前物探技术餉特点和重要原理，并根据具体餉井下掘进工程制定合理的施工设计方案.关键词：掘进工作面；超前物探技术；施工方案中图分类号：TD163文献标识码：AAnalysis of Advanced Geophysical Prospecting Technology in Underground TunnelingFace of Coal MineYang Fei(Shuozhou Coal and Electricity Company,Shanxi Tongmei Group,Shanxi,036000) Abstracts There may be some potential safety hazards when coal mining enterprises carry out excavation work under the mine,so it is necessary to use advanced geophysical prospecting technology scientifically and reasonably in the construction process of excavation work.In the specific working p rocess,there are two different detection technologies of a dvanced geophysical p rospecting technology,namely,direct current method and electromagnetic detection technology of e dge change.Scientific use of t his detection technology can accurately understand the water content in front of t he mine and some basic structural conditions of r ock strata.Therefore,this paper introduces the characteristics and important p rinciples of advanced geophysical p rospecting technology,and makes a reasonable construction design scheme according to the specific underground excavation engineering.Key words：heading f ace^advanced geophysical p rospecting technology construction scheme引言现如今，我国的经济正在快速发展，社会的进步和人们生活水平的提高对煤炭的需求量逐渐增加，所以我国的煤矿企业要利用先进的技术来提高煤炭的生产率和生产质量。
第三册矿井地球物理勘探39 矿井物探概述39 .1 矿井物探的意义我国能源发展战略是：坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展。
因此，煤炭作为主体能源的地位将在很长一段时间内保持下去。
而我国以地下采煤为主，开采技术条件复杂，其中地质条件是制约采掘机械化、井下作业环境和煤矿企业可持续发展的主要因素。
随着科学发展观在煤矿企业的落实，以及国民经济快速发展对能源需求的骤增，一批高产高效矿井正在建设或陆续投产，一是要求在探测的采区内在地面选择适宜的勘查手段，如：地面高分辨二维和三维地震勘探，电法对采区进行探测，为采区规划设计提供地质依据。
二是在大型重达上千吨综采设备安装前或采区开采前，在矿井下查明与控制工作面内一切地质异常体，如：小断层和小褶曲、煤层厚度变化、煤层冲刷、剥蚀、煤层分叉、合并与尖灭、陷落柱、岩浆岩侵入煤层变焦、瓦斯涌出、岩溶及老空空间分布、可能的涌水点及通道、顶底板富水情况、顶板与围岩的稳定性等等。
这些地质异常即使规模小，如果不及时超前探查，不但造成采掘系统布局不合理，资源浪费，还直接影响高产高效工作面的持续开采及矿井水害的有效防治，更甚者危及整个矿井和矿工安全。
一旦发生问题，损失巨大。
由于一个等于煤厚小断层存在，导致工作面无法正常推进，设备被迫搬迁，经济损失惊人。
例如联邦德国约有20%左右综采面都遇到没有预料到的地质破坏；前苏联有三分之一综采工作面，因地质条件变化而被迫搬迁。
另外，众多的地方小煤矿，多数开采零星的煤田边角，原勘探程度低，构造相对复杂，给矿井采区设计和采掘造成很大影响。
据不完全统计，1955年至2002年四十余年来，全国煤矿发生300m3/h以上突水达893次，淹没矿井398次，造成直接经济损失达十亿元。
例如：1984年6月，开滦范各庄煤矿2171综采工作面发生充水陷落柱透水灾害，突水高峰期11h，平均涌水量达123180m3/h，仅21h淹没年产300万吨的整个矿井，8天后又淹没了吕家坨矿。
矿井物探方法北京中矿大地地球探测工程技术有限公司1 矿井物探方法简介1.1常用矿井物探方法矿井物探常用方法主要包括：1、地震槽波；2、无线电波透视法；3、直流电法；4、瞬变电磁法；5、音频电透视法；6、全波形反演技术。
1.2 各类方法应用范围1、工作面断层、陷落柱等异常地质构造及煤层夹矸、煤岩破碎带、煤厚变化等常规物探探测：地震槽波、无线电波透视法。
2、工作面水害探测：瞬变电磁法、直流电法或音频电透视法。
3、巷道掘进迎头构造探测：地震槽波。
4、巷道掘进迎头水害探测：瞬变电磁法、直流电法。
5、工作面顶底板起伏、煤厚变化、断层、陷落柱等异常地质构造精准探测：全波形反演。
2 地震槽波勘探技术2.1 原理及探测方法煤、岩层的密度和弹性波速度差异：煤层<顶、底板围岩。
在煤层中激发的地震波大部分能量在煤层顶、底界面之间来回反射并干涉，从而形成一种特殊的地震波——槽波。
图 1 槽波勘探原理示意图图 2 透射槽波勘探法图3反射槽波勘探法图4透射+反射联合勘探法图5 槽波超前探测2.2 应用范围及特点1、工作面内：（透射槽波勘探、反射槽波勘探、透射加反射槽波勘探）（1）煤层中的构造如褶曲、断层、陷落柱等；（2）煤层赋存情况，如薄厚变化、夹矸厚度变化；（3）老窑、采空区影响范围；（4）侵入岩等非煤物质的延伸范围；（5）煤层破碎、剥蚀带分布等。
2、巷道两侧：（反射槽波勘探）（1）煤层中的构造如褶曲、断层、陷落柱等；（2）老窑、采空区影响范围。
3、巷道掘进迎头：（槽波超前探测）（1）煤层中的构造如褶曲、断层、陷落柱等；（2）老窑、采空区影响范围。
2.3 槽波观测系统设计1、覆盖要均匀尤其是透射能量层析成像，不均匀的覆盖会对结果造成误导。
2、覆盖次数要合理覆盖次数太少、信息量少、结果准确性差；覆盖次数太多导致施工工作量过大，且效果增加不明显。
3、利用尽可能多的巷道探测工作面内构造时，尽可能在可利用的巷道内都布设炮点及检波点。
2.4 透射槽波反演方法1、振幅反演（衰减系数成像）滤波、拾取振幅（几何扩散校正后）、衰减系数成像。
特点：①工作量相对较小、计算快；②反演结果精度较低。
图 5 透射槽波振幅反演成像图2、走时反演（速度成像）滤波、拾取每道的速度、速度反演成像。
特点：①反演结果精度更高；②工作量大、对原始数据质量要求较高、计算慢。
图 6 透射槽波走时反演成果图2.4 反射槽波反演方法速度叠后偏移成像主要包括滤波、速度分析、克希霍夫偏移成像。
特点：①对于较大型的与测线夹角过大的反射界面反应不明显；②对于断层断距较小的断层反应不明显；③测线两端由于覆盖次数很少，误差较大。
图7 速度叠后偏移成像图2.5 准备工作为了地震采集系统能够正常工作，环境噪声满足数据采集要求，同时选择合适的炸药量以便采集到良好的地震数据，在正式施工前，需要进行选择仪器并进行地震槽波试验工作，主要内容有：1、选择合适仪器及下井前检测；（如YTC12分布式地震槽波仪及合适频率的检波器、下井前仪器及检波器检测）；2、采集参数选取（采样时间和采样率、滤波设置等）；3、环境噪声监测；4、试验炮点数据检测（选择合适的激发能量）；2.6 施工及数据处理1、仪器运输：先将各设备运输至待探测工作面（具体位置按设计安排）；2、仪器授时：将各采集站、触发记录仪统一授时；3、设备布设：在本煤层的同侧或者另一侧的巷道侧壁布置检波器和采集站，将采集的的信号存储至内置SD卡；4、打钻放炮：在井下煤层一侧巷道侧壁钻孔中激发瞬发雷管，产生的冲击震动信号，同时触发记录仪记录雷管起爆时间；5、数据处理：利用数据处理软件对信号进行处理、分析，进行CT成像、速度成像，获得煤层中各种地质构造的分布位置、走向、大小及煤厚变化等信息。
2.7 使用仪器地震槽波勘探推荐采用北京中矿大地地球探测工程技术有限公司自主研发的分布式无缆槽波地震仪（YTC12，如下图所示）。
该设备基本原理是在勘探工作面上按照一定的道间距埋入敏感于振动信号的检波器阵列，检波器通过电缆连接于各采集站，每个采集站连接4个检波器，采集站采集检波器阵列的地震槽波数据并保存在采集站的存储器中。
图8 分布式无缆地震槽波仪（YTC12）检波器采用锚杆连接的方式进行数据采集。
分布式采集站状态正常情况下，按动采集功能按钮，开始记录数据，并存储至内部存储器。
当通过爆炸产生人工地震震动时，触发记录器通过检波器的振动自动记录震源触发时间并存储。
井下采集完毕后，将各设备运送至地面，利用主控机将采集站存储的数据记录通过网络通讯传输至主控机，然后按照触发记录仪各炮点起爆时间将原始数据切割成处理所需记录文件以便于分析处理。
该设备具有性能稳定、携带轻便等诸多特点。
其主要技术指标如下：1、系统整体使用环境：工作温度：0℃～＋50℃；相对湿度：≤98%RH（＋25℃）；大气压力：86KPa～106KPa；贮存温度：﹣40℃～＋60℃。
2、主要技术参数：表1YTC12地震槽波仪技术参数2.8 勘探实例图9 山西某矿工作面回采验证异常与槽波探测成果对比3 无线电波透视技术2.1 原理电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，它们对电磁波能量吸收不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，当波前进方向遇到断裂构造所出现的界面时，电磁波将在界面上产生反射和折射作用，也造成能量的损耗。
因此，在矿井下，电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常。
研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释。
2.2 观测系统设计井下无线电波透视法一般在两巷道间进行。
如在回风巷布置发射点，向煤层中发射某一频率的电磁波，在运输巷安置接收机观测电磁场场强信号。
电磁波在煤层传播中遇到介质电性变化时，电磁波被吸收或屏蔽，接收信号显著减弱或收不到有效信号，形成所谓的透视异常。
发射点和接收点可布置在回风巷、运输巷等易于通行和干扰小的地段。
图 5 无线电波透视观测系统示意图2.3 勘探实例图 6 陕西某矿无线电波透视实测场强图3 直流电法勘探技术3.1 原理根据岩石和煤层电性质差异来研究地质体赋存状况的一种地球物理勘探方法。
通过特定仪器观测、分析人工电场的分布特征，以达到探测地质体的目的。
3.2 应用方向1、巷道底板含水层、溶洞、断裂破碎带等富水构造探测；2、煤层顶板岩层局部富水区；3、巷道掘进前方导水、含水构造；4、老窑、采空区边界及富水性探测；5、工作面内隐伏含水构造；6、陷落柱边界范围探测。
3.3 勘探实例图7 山西某矿工作面底板富水性探测4 瞬变电磁勘探技术4.1 原理瞬变电磁法或称时间域电磁法（简称TEM），利用不接地回线（线圈）向被测地质体发射脉冲式电场作为场源（一次场），以激励被测地质体产生二次场，在发射脉冲的间隙利用接收回线（线圈）接收二次场随时间变化的响应。
从接收的二次场数据中分析出地质体异常导电体的位置，从而达到解决地质问题的目的。
图8 瞬变电磁勘探原理示意图4.2 应用方向1、巷道底板含水层、溶洞、断裂破碎带等富水构造探测；2、煤层顶板岩层局部富水区；3、掘进前方导水、含水构造；4、老窑、采空区边界及富水性探查；5、工作面内隐伏含水构造；6、陷落柱边界范围探测。
4.3 勘探实例图9 掘进工作面瞬变电磁超前探测山西某矿主采煤层顶板上部50-80m 之间存在一层砂岩含水层，赋水性较强。
为了在工作面回采前能够有效钻探到主要赋水区段进行疏放水，采用YCS2500瞬变电磁仪对工作面进行探测，红色线内为赋水异常区，经打钻验证基本准确。
（a ）顺层切片（b ）顶板上70米切片图10 山西某矿顶板富水性探测（瞬变电磁法）4.4 瞬变电磁勘探与直流电法勘探对比表2瞬变电磁勘探与直流电法勘探对比5音频电透视勘探技术5.1 原理音频电穿透技术是利用电场在空间中传播时，其电流强度随岩层电阻率的大小而有规律变化的特性，进而计算出空间各点视电导率的相对关系，作出反映探测区域富水性强弱的视电导率等值线图，为防治水提供可靠的依据。
当供电线路中供以一定强度的电流以后，这个电流从A电极流出，通过大地回到B电极，形成了一个供电回路。
电流从A电极流出其电流线分布将会受到A电极周围介质导电能力差异的影响。
测量电极M、N就在发射极A的附近，电场分布的变化就会影响到M、N电极的电位变化，所以只要测量M、N电极之间的电位差值的变化，就可以了解工作面周围岩石导电能力的变化情况。
5.2 观测系统工作面顺槽1顺槽2A :供电点; M :接收点A A A A M M M M图11 音频电透视观测系统示意图5.3 应用方向1、采煤工作面顶、底板含水层、溶洞、断裂破碎带、等富水异常体探测；2、老窑采空区边界及富水性探测；3、工作面内隐伏含水构造；4、陷落柱边界范围探测。
5.4 勘探实例图12 山西某矿工作面底板128Hz 探测视电导率等值线平面图6全波形反演技术全波形反演技术早期主要应用于石油领域。
北京中矿大地地球探测工程技术有限公司研发了应用于煤矿的矿井地震全波形反演技术，为透明地质保障提供了技术支撑。
6.1 原理地震全波形反演(FWI)是一种高精度、高分辨率的地下介质物性参数反演方法。
由于FWI 利用了地震记录中全部的运动学和动力学信息，因而具有精细反演复杂地质构造的能力，能够精细反映三维地质构造，适合于对煤层进行透明三维地质成像。
6.2 全波形反演数据处理流程图13 全波形反演数据处理流程图6.3 基于全波形反演构建精准三维地质建模实例图14 某矿112204工作面三维地质模型示例图。
