检测和监控
随着开采深度和开采强度的增加，煤层底板突水的频率也在增加。除了加强水文地质预报和井下钻探，焦作矿区还大力推广应用物探技术，先后引进了矿井直流电仪、无线电波坑探仪、瑞利波仪、音频电测深仪、加拿大GEONICS公司TEM47瞬变电磁仪、地质雷达、超低频遥感地质探测仪，应用效果显著。主要研究了矿井物探技术在防治水中的应用，介绍了超低频遥感地质探测仪的应用，它在原理上与其他物探仪器有很大的不同。
矿井物探技术主要用于矿井防治水中探测工作面顶底板含水层富、贫水区的划分；巷道顶底板、侧壁构造带和富水区；巷道掘进头前方的构造带和富水区；确定排水孔或底板注浆孔孔位；工作面内隐伏构造带、夹矸和薄煤带的位置；煤层厚度的快速检测等。各种地球物理技术的特点和应用效果总结如下。
1.直流法
地下通常采用三极测深法和对称四极测深法。根据检测目的的不同，DC工作装置有多种形式。三极测深法的工作装置是a-m-o-n-b (∞)，四极测深法的工作装置是a-m-o-n-b，M和N两种方法是测量电极，用来检测地电场电压。根据测得的电流和电压值结合器件系数，可以换算出地层的视电阻率。a和B都是供电电极，用来给岩层供电。一般来说，DC供电法的极距越长，供电电场的分布范围越宽，两侧的探测深度和辐射范围越大。通过对不同位置、不同深度的地层视电阻率值进行全方位的探测和综合分析，达到研究地层、矿体或构造的目的。
直流电法是利用煤与岩层的电导率差异，通过人工向地下供给稳定的电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩石和矿体的物性分布规律或地质构造特征。
直流电法具有方法灵活、理论成熟、抗干扰能力强、仪器简单等优点，可用于划分岩层贫、富水区，探测巷道附近构造破碎带的位置，确定易煤层底板突水区域或确定工作面开采时排水孔的位置。以下是几个检测实例。
图3-23是焦作矿区某工作面回风巷DC法探测到的富水区剖面图。直流电法探测结果表明，煤层底板切出0 ~ 100 m区段时，容易发生煤层底板突水灾害。在生产工程中，煤层底板突水发生在实际采煤65m的底板，煤层底板突水达到160m3/h..及时预测了这一情况，并在矿井中提前采取了防治水措施，使工作面得以安全开采。煤层底板在0 ~ 220 m区段切眼时，容易发生煤层底板突水灾害。通过地质资料分析，还认为该段L8灰岩可能与下伏的L2灰岩甚至O2灰岩相连，煤层底板突水水源得到充分补给。井下数据采集重复了三次，结果相同，建议该段跳过开采。焦作煤业集团公司有关领导研究直流电法探测结果后，决定重新开放220m切眼巷道，向外采煤。目前，煤矿开采已按新方案安全进行。
图3-23焦作矿区某工作面回风巷DC法探测富水区剖面图
图中深蓝色代表低阻区，可以看出低阻区距离巷道底板较远，L8灰岩含水层高度较小。直流电法探测结果表明，该工作面开采不会发生煤层底板突水灾害。煤矿开采在实际生产过程中非常顺利，证明了DC法的检测结果是正确的。
图3-24焦作矿区某工作面低阻异常中心区排水管布置图
图3-24为焦作矿区某工作面低阻异常中心区排水孔布置图。根据直流电法探测结果，在工作面低阻异常中心区域布置了4 #排水孔，钻孔涌水量为82 m3/h
2.无线电波穿透
无线电波坑透仪可以探测工作面的隐伏构造带、矸石、薄煤带等异常体，为工作面采煤设计提供依据。无线电波透视技术的原理主要是:将发射器和接收器放置在采煤工作面两个相对的巷道(运输巷和回风巷)，发射器发射的无线电波被断层、陷落柱、矸石或其他地质体等与煤层电性不同的地质体吸收，产生不同的衰减系数，从而形成接收信号的阴影区。通过交替改变发射器和接收器的位置，阴影区域可以相交，从而确定异常体的位置和大小。
图3-25显示了焦作矿区一个工作面的无线电波探坑探测结果。根据无线电波坑透探测结果，切眼巷道至回风巷43号测点与运输巷41号测点连线处圈定的区域为异常区，根据地质资料分析为薄煤带。钻探证明，确实是一条薄煤带。因此，根据无线电波坑透探测结果，改变原设计方案，在投产前，在回风巷39号点与运输巷40号点(图中红线)连线处重新开切巷。
图3-25焦作矿区某工作面无线电波探坑探测结果
图3-26显示了焦作矿区一个工作面的无线电波探坑探测结果。无线电波探坑探测结果表明，回风巷内段圈定的断层位置与工作面采煤时揭露的实际情况完全一致。
图3-26焦作矿区某工作面无线电波探坑探测结果
3.瑞利波
瑞利波技术的优点是快速、全方位、施工灵活、定位误差小。瑞雷波技术探测的原理主要是:根据不同频率的瑞雷波沿深度方向的衰减差异，通过测量不同频率成分(反射深度不同，高频反射浅，低频反射深)的瑞雷波传播速度，探测不同深度的煤层和顶底板岩石中的断层、岩溶等地质异常。
图3-27为焦作矿区某巷道瑞雷波超前探测结果。在巷道超前探测中采用迎头瑞利波技术时，发现20.78 ~ 25.28 m的前段为破碎带，实钻证明断层为20.35m，误差仅为0.43m。
图3-27焦作矿区某巷道瑞雷波超前探测结果
4.音频传输
音频电透视技术是基于CT扫描的工作原理，利用两条相对的巷道(如工作面的回风巷和运输巷)交替发射和接收，记录发射电流和接收的一次场电位差，结合工作面的几何参数计算出每个发射点对应的每个接收点的视电导率值(视电阻率值的倒数)， 并通过多次交会绘制出工作面一定深度范围内岩层视电导率值的平面等值线图，从而得知。 音频电透视技术是基于煤和岩石之间的电导率差异。通过向地下人工供给音频范围内的低频电流，观测大地电流场的分布规律，从而确定岩石和矿体的物理分布规律或地质构造特征。一般情况下，工作频率为15Hz时，探测深度约为工作面宽度的一半，工作频率越低，电场穿透深度越大。
图3-28显示了焦作矿区一个工作面的音频电透视探测结果。音频电透视探测结果显示，图中视电导率值为6的蓝线所包围的蓝色区域为煤层底板相对富水区域，应是煤层底板注浆改造的重点区域，需要密集钻孔；其他区域可以少钻；工作面回风巷116点与运输巷19点连接时，无需进行煤层底板注浆改造。事实上，在煤层底板注浆改造过程中，布置在高导异常区的钻孔平均出水量为86.3m3/h，布置在低导正常区的钻孔平均出水量为37.5m3/h，前者是后者的两倍多。在工作面回风巷116点与运输巷19点之间的连线外段钻了4个钻孔，平均涌水量为8.6m3/h，为相对贫水区。钻探证实，暴露与音频电渗透检测的结果一致。
图3-28焦作矿区某工作面音频电透视探测结果
5.瞬态电磁
瞬变电磁仪具有布设灵活、探测方向性强、对低阻区敏感、施工快速等优点。它可以探测巷道各方向或工作面内部相对富水区域的位置和形状，顶底板结构的破坏区域，确定工作面采煤时煤层底板易发生突水的位置，煤层底板注浆改造的关键区域，以及排水孔的位置。
图3-29显示了瞬变电磁技术的示意图。瞬变电磁技术的原理是利用不接地的线圈或接地的线源向地下发射脉冲磁场。当脉冲结束，发射回路中的电流突然切断时，会在地下介质中激发出感应涡流场，维持电流切断前就存在的磁场。该次级涡流场是具有多个外壳的环形圈的形式。随着时间的推移，它会从发射回路附近的介质逐渐向下向外扩展，在不同的时间到达不同的深度。二次涡流场只与地下介质的电性有关，所以用线圈或接地极观测二次场可以了解地下介质的电阻率分布，从而达到探测目标的目的。
图3-29瞬变电磁技术示意图
图3-30是焦作矿区一条巷道的瞬变电磁视电阻率图。在煤层底板L8灰岩中开拓排水巷道时，利用瞬变电磁法探测到掌子面前方33 ~ 42m处为相对低阻区，判断为相对富水区，并经钻探证实。
图3-31为焦作矿区瞬变电磁视电阻率剖面图。利用这种方法，探测巷道底板是否存在隐伏断层构造。通过在此布置排水孔，确定了该隐伏断层的富水性，涌水量为60 m3/h
图3-30焦作矿区某巷道瞬变电磁视电阻率图
图3-31瞬变电磁视电阻率剖面图
图3-32焦作矿区某巷道瞬变电磁视电阻率剖面图。在110m处探测到一条运输巷下侧(平行地层倾角)是否有一条平行于运输巷的25m的断层(该断层由原地勘报告推断)，用该方法否定了此处断层的存在(在110m处为相对高阻)，并经钻探证实。
图3-32焦作矿区某巷道瞬变电磁视电阻率剖面图
图3-33焦作矿区某工作面瞬变电磁视电阻率剖面图。此图为某工作面运输巷斜向下瞬变电磁45°探测结果。探测时，煤层底板注浆改造在0 ~ 430 m段已完成，大部分区域表现出较高的电阻，但0 ~ 100 m段的下阻值不高，认为是注浆改造效果差，需补少量孔；460 ~ 590 m段由于未进行注浆改造，为相对低阻区，是煤层底板注浆改造的关键区域。
图3-33焦作矿区某工作面运输巷道瞬变电磁视电阻率剖面图
6.地质雷达
探地雷达是地下矿山超前探测的有力工具，它利用电磁波的传播时间来确定所需探测反射体(断层、陷落柱、岩溶等地质异常)的距离。
7.超低频遥感地质探测器
在国家863计划的支持下，北京大学研究组研制了超低频遥感地质探测仪，并于2002年5月成功申请了专利。该装置在油气勘探和水文工程地质勘探领域得到了很好的应用。在煤田瓦斯领域，课题组研究成员在河南宜川暴雨山煤矿和梅铮集团公司登封金岭煤矿开展了超低频遥感地质勘查试验。探测曲线解释基本正确明显，具有推广应用价值。之后在郑州煤炭集团公司大坪矿和超化矿进行了超低频遥感地质勘查试验。目前在郑州矿区使用，即将在焦作矿区使用。
8.全面的应用审查
直流电法技术主要用于划分岩层的富水区和贫水区，探测巷道附近构造破碎带的位置，工作面采煤过程中容易发生突水的区域或确定排水孔的位置。该方法的优点是仪器简单、理论成熟、抗干扰能力强、方法灵活。缺点是采集地下数据时电极接地条件必须良好，体积效应影响解释数据时对异常区具体方位的准确判断。
无线电波掘进技术主要用于探测工作面的陷落柱形态、隐伏断层构造带位置、富水区、夹矸、薄煤带等地质异常。该仪器的优点是简单方便，对异常区域定位效果好，施工快速；缺点是单应性和不均一性现象明显，测区电缆需要断开以避免电磁干扰，资料解释中异常区的定性判断仍需结合地质资料。
瑞雷波技术主要用于探测各方向巷道附近的岩溶、岩石界面及断层带、富水区、裂隙发育区等地质异常。该仪器的优点是全方位、快速、定位误差小、结构灵活。缺点是数据解读容易“量化”但难以识别，容易造成多解。在井下工作需要多次重复探测以提高结果的可靠性，探测深度较浅，一般小于40 m。
音频电渗技术主要用于探测整个工作面含水量的横向变化和顶底板岩层的岩性。这种方法的优点是井下抗干扰能力强，仪器精度高；缺点是解释资料时不容易准确判断异常区的深度位置。
瞬变电磁技术主要用于探测巷道各方向或工作面内部顶底板相对于富水区的位置和形状，确定开采时工作面突水区域或排水孔的位置，圈定煤层底板注浆改造的重点区域。本发明有益效果是:适用于多角度、多方向检测，检测方向性强，对低阻区敏感，布置灵活，施工效率高；缺点是在井下工作要尽可能避免大的金属干扰，一些理论问题需要进一步研究。
矿井地质雷达探测技术最大的优势在于，它不仅是井下超前探测的有力工具(探测距离为30 ~ 40m)，而且具有施工场地面积小、纵横向探测、探测精度高等优点。缺点是抗干扰性差。
地球物理勘探技术经过几十年的发展，已经呈现出应用广泛、技术丰富、仪器多样的特点，但各种仪器和技术方法都有各自的适用范围和优缺点。在多年推广应用上述物探技术的实践中，焦煤集团公司深感充分了解各种物探仪器和技术的特点并有针对性地使用的重要性。
总之，在实际应用中，应尽可能采用综合物探方法，利弊互补，多种方法并用，对目标体做出正确判断，尽可能排除多解，以满足矿山生产的各种需要，使物探工作向定性、定量方向快速、准确地发展。需要指出的是，矿井物探技术的发展是焦作矿区防治水工作者几十年来积极探索的结果，与地质调查防治水中心的前辈和同事们的集体努力是分不开的。作者参与了一些实验和研究工作。
二、焦作矿区地下水位监测系统
随着矿井水平的延伸和矿区的推进，目前大量的水文观测井遭到破坏，部分观测井由于长期腐蚀已经失去观测价值，使得一些生产区域没有地下水位数据，直接影响了这些区域的安全生产。往往花费数十万元修建的水文观测井，投入使用1 ~ 2个月才被破坏。如果把水文观测井建在地面上，不仅要花很多钱，还会使地面观测井容易受到人为破坏。因此，建立地下水位监测系统已成为当务之急。
焦作煤业集团公司采取了许多有效的防治水措施，其中建立地下水位观测系统是防治水的有效措施之一。地下水位观测系统为工程技术人员及时准确地掌握地下水位变化，制定切实可行的防治水措施提供了依据。特别是煤层底板突水后，地下水位的动态变化可以为准确判断煤层底板突水水源、预测煤层底板突水变化趋势和采取相应的防治水措施提供依据。焦作矿区积极开展防治水工作，通过多种方式抗击煤层底板突水。截至目前，已连续20年未发生淹井事故，矿井涌水量也由过去的650m3/min下降到目前的280m3/min。
1.水位监控系统
(1)焦作矿区水位监测系统发展史:20世纪80年代中后期，焦作矿区开始建立地面水文观测井水位远程监测系统，但仪器电源为电池供电，电池未及时更换，导致仪器损坏。此外，野外遥测系统也容易受到损坏。不好保护。因此，该系统没有得到推广应用。
20世纪90年代，由于地面观测井急剧减少，地面建设水文观测井资金不足，为了满足安全生产的需要，在地下修建了水压水龙头，以了解地下水位的动态变化。有些矿井使用压力计进行水位观测，有些则使用自动水位记录。虽然自动水位记录仪观测地下水位比压力表先进很多，但自动水位记录仪的电源是充电电池，数据存储模块只有下井后才能传输到微机输出水位数据，使用不方便，使用寿命短。
20世纪初，随着信息技术的飞速发展和现代传感技术的成熟，采用先进的自动化监测手段是大势所趋。2001年，焦煤集团公司与煤科院抚顺分院合作，在演马庄煤矿成功建立了一套井下水位监测系统。该系统集成了计算机测控技术、计算机网络技术和远程数据通信技术，有效地实现了地下水位数据的远程采集、传输、实时集中监控和处理。该系统克服了以往水位监测系统的缺点，采用井下防爆电源作为电源，实现了井下水位的自动实时监测，具有投资少、精度高、寿命长、操作方便等优点。
(2)水位监测系统的组成及主要功能:该系统由一个主站(地面监测中心站)和n个子站(地下水压观测站)组成。
主站:由计算机、打印机、远程数据通信设备和系统应用软件(包括系统控制、数据通信和数据处理)组成，位于地面监控中心的机房内。
主站通过远程数据通信设备远程控制井下分站，实时获取井下观测点水压数据，同步监测井下观测点水压变化。系统应用软件对水压数据进行整理、编译和显示。根据需要，可以使用系统应用软件生成相关数据报表，绘制各种曲线、图表，打印输出等。，同时可以在线传输相关数据。
分站:由高精度水压传感器(或高精度压力变送器)、数据采集器、数据通讯接口、远程数据通讯装置、防爆电源、安全防护罩等组成。安装在地下水压观测点。
分站完成水压数据的采集，实现水压数据的远程传输。变电站系统是通过压力传感器反映水压变化，并转换成电压(电流)形式的模拟量的物理量。模拟量经过放大和模数转换电路处理后转换成数字信号，数字信号通过数据采集器内置的计算机系统处理并记录在存储器中，完成数据采集。同时，数据采集器内置的远程通信接口设备也在不断检测主站的信息。当检测到主站要求发送数据指令信息时，由数据采集器内置的计算机控制，将数据采集器记录的水压数据通过远程数据通信设备发送到主站。
(3)系统的主要技术指标
主站:硬件配置:英特尔P4 2.53g/256M DDR/80g/16x DVD/17英寸LCD /56 K/100 M/A3幅面激光及彩色喷墨打印机；系统运行环境:Windows 98se/Windows Me/Windows 2000/Windows XP；操作方式:全中文菜单式；观察模式:实时监控；数据记录方式:自动或手动；测量时间间隔:随意设定；临时数据:≥1000组。
变电站:防爆型:本质安全型；压力测量范围:0 ~ 10 MPa；传感器精度:0.3% f s；分辨率:2.0cm；通信距离:> > 500米；；传输速率:> > 300pbS；变电站数量:1 ~ 255(最大255)；环境温度:0 ~+40℃。
2.地下水位监测系统的使用
焦作矿区演马庄矿于2006年2月建立了地下水位监测系统，5438+0.65438。由于资金等原因，当时只设置了两个分站，即在该矿25采区下山设置了两个测压口(L8灰岩含水层)，安装了SY 151压力传感器，SY-65438。水压数据通过通信电缆传输到地面主站，然后由系统应用软件根据用户需要生成相关数据报表(如日报表、月报、年报)，并绘制各种曲线和图形(如月图、月直方图、年图、年直方图)，实时监控水位。通过近几年的应用，地下水位监测系统具有投资少、操作方便、数据准确可靠、使用寿命长等优点。，克服了过去地面观测井水位测量困难、数据不准确、观测孔易被破坏的缺点。即使井被淹，井下没有电源，系统自带电池也能正常工作一个月。2002年5月10，井下水位监测系统显示L8灰岩含水层水位下降，立即与井下联系，得知25031工作面煤层底板突水。根据井下水位监测系统显示的水位稳定下降趋势，且L8灰岩含水层水位未发现反弹现象，判断煤层底板突水点的水源为L8灰岩，煤层底板突水点涌水量不会急剧增加。 由此可见，井下水位监测系统可以了解井下水位的动态变化，为判断煤层底板突水水源和采取相应的防治水措施提供依据。
该系统于2003年底建成投入使用，井下水文孔数据直接显示在各矿的电脑上。目前，焦作煤业集团有限公司与北京龙软公司合作，将各个矿井与集团公司的网络连接起来。只要在集团公司的任意一台电脑上访问水文监测系统的网站，就可以查询到各个生产矿井下各个含水层的水位信息。目前正进入试运行阶段。
可以认为井水位监测系统是一项已经被实践证明的成熟技术。该地下水位监测系统投资少、操作方便、数据准确可靠、使用寿命长，可替代地面水文观测网。地下水位监测系统具有推广应用的前景。探测监测技术是高承压水上煤矿水害综合治理技术的重要组成部分。