地球物理勘探技術在煤炭勘探領域中的應用

陳 萌 萌

(山西省煤炭地質水文勘查研究院，山西 太原 030006)

地球物理勘探技術在煤炭勘探領域中的應用

陳 萌 萌

(山西省煤炭地質水文勘查研究院，山西 太原 030006)

針對當前煤田地球物理勘探的技術、方法、特點等進行了詳細的闡述，并對多波多分量地震勘探、礦井高密度直流電法、礦井瞬變電磁法及地質雷達多種技術和方法進行了說明，以更好的預測預報致災地質因素。

煤炭開采，深部礦井，致災地質，地球物理勘探

0 引言

如今，我國在煤炭開采方面的機械化率已經達到70%以上，隨著礦井煤炭的開采其延伸的程度會不斷加深，而其中多種因素如地質構造、瓦斯層、礦井水等所產生的安全風險也會隨之加大，傳統的地質勘探方法無法應對井下復雜的地質狀況，因而必須要在勘探技術方面有所突破。地球物理勘探技術在煤炭領域中的應用是煤炭勘探技術一種創新。通過地球物理勘探技術能夠使對煤炭礦藏的勘探更加精準，并且能夠對井下的地質構造、瓦斯層、礦井水的情況更加清晰的呈現出來，從而為煤炭開采提供更加全面的數據，對促進煤炭勘探技術的發展具有非常重要的意義。煤田地質勘探工作中，通常所采用的策略是物探先行，而后應用物探和鉆探相結合的方式來對煤田狀況有更加清晰的認識。對于煤田而言，在物探方面主要涵蓋兩個部分，一是地面物探，其中所采用的方法主要有三種，分別為三維地震勘探、鉆井測井以及電法勘探；二是礦井物探，通常所采用的方法有礦井地震勘探、瞬變電磁法、無線電坑法和直流電法勘探等。其中，礦井地震勘探又包括瑞雷波勘探技術和槽波勘探技術。

1 地面地震勘探

20世紀80年代，我國在煤田勘探技術方面獲得突破，在技術方面引入1 000 m深鉆以及高分辨數字地震勘探技術，極大的促進了我國煤炭技術的革新。隨后，物探工作者通過不懈的努力，又在AVO反演技術、三維三分量地震勘探技術等領域中取得成果，使我國在煤炭勘探技術方面逐漸形成了高分辨率三維地震勘探為主的地質構造探測體系。不過，這些技術相較于發達國家仍然存在差距，多數勘探技術都局限于對煤田的淺層勘探，而對深層勘探則仍然不夠精準，勘探的深度通常不超過800 m，埋深也多在600 m以內，對煤炭深層勘測仍然處于較低的水平，導致這種情況發生的原因在于深部地震數據的缺失，并且在深部地震的精度方面也存在薄弱環節，因而這些技術亟待進一步對其進行完善和改進。

2 礦井地震勘探

由于煤礦在實施井下作業的過程中，其內部環境非常復雜，工作條件非常惡劣，采用井下地震波勘探技術在理論上與地面三維地震勘探技術所存在的區別比較明顯，只能采用井巷的有限空間，并結合波場的分布狀況及其特點，才能夠更好的實施礦井地震勘探工作。

1)井巷二維地震勘探。

井巷二維測線主要置于巷道的底板下面，以及巷道的兩側，在地震數據的采集和處理等方面與地面二維地震勘探技術相類似。在具體進行操作的過程中，必須要根據頂底板聲波屬性來進行科學的計算，而后對檢波距與偏移距進行選定，并按照測線的數據來放置炮點與檢波點，進行有序的調整和排列，通過觀測系統內來實現對地震數據的采集。

2)震波超前探測。

如今，國內外地震超前預報技術中，通常所采用的是繁盛地震法，并且這種方法在隧道工程中的應用較為廣泛。我國國內在超前預報技術方面的方法也較多，有水平剖面法、負視速度法等。國外在震波超前探測技術方面相對更加完善，并且很多技術都已經在全球范圍內進行推廣，比如瑞士的TSP203技術、美國的TRT，TSP技術等，這些地震偏移成像技術都是利用了地震波運動學以及動力學等方面的知識原理，能夠對各種復雜的地質結構實施更加準確的地質預報。由于在煤礦勘探中，井下條件復雜多變，能夠進行觀測的空間受到極大的限制，因而必須要在有限的空間來完成勘探工作，在巷道的內部需要盡量多安置激發和接收點，從而能夠使相關的數據信息更加全面而豐富，提高煤炭勘探偵測的效果，從而更加全面的為煤礦開采提供便利條件。

3)瑞利波勘探。

瑞利波在激發界面周圍進行傳播的面波，其工作方法是發出瑞利面波的信號，并對反饋回來的信號進行采集，同時對已經采集獲得的資料進行處理，從而通過頻率面波來獲得相應的速度VR與波長λA，并根據離散分布曲線獲得巖層的土質分析，使巖層分布結構以及土層分析等相關數據呈現出來。為了能夠更好的實施上述工作，在激發采集的方式上存在兩種類型，一是瞬態法，二是穩態法。如今，在礦井作業的過程中通常所采用的都是瞬態瑞雷波法。通過瑞雷波勘探技術，能夠對地下30 m以內的巖層構造以及地質分布情況完成更好的成像，并且能夠有效彌補反射波勘探表層分辨能力弱的缺陷。

4)槽波勘探。

槽波地震勘探技術的原理是通過煤層中來進行激發和傳播的導波，能夠對煤層的連續性進行更加科學的勘探。槽波地震勘探的測距較大，并且精度非常高，同時擁有良好的抗電干擾能力。國內外學者在槽波探測技術方面以及旁側構造探測技術方面都取得了很多成績。此外，在CT成像技術、數值模擬技術等方面也取得了階段性的進展。

3 地質雷達

地質雷達勘探主要是通過電性參數的差異性來進行勘探的一項技術，由于地下介質的介電常數、電阻率等電性參數有所不同，采用高頻電磁脈沖波的反射，來對目標區域的地質情況進行勘探，從而能將地下巖層、水體、空洞等不均勻介質的分布情況清晰地呈現出來。20世紀90年代至今，礦井地質雷達已經相繼在我國開灤、大同、平頂山等大型煤礦實施勘探作業，對近距離的巖體結構形態進行勘測分析更加直觀，獲得了良好的效果。

4 高密度電阻率法

電阻率法主要是基于巖土介質的導電性所形成的一項勘探技術，通過對地中穩定電流場的分布規律進行分析，從而能夠更加準確的將一些地質問題呈現出來。高密度電阻率法是以電阻率法為核心所形成的，相較于常規電阻率法所具有的優勢在于其測點的密度更大，在極距和裝置形式方面相對更多，同時還能夠根據相關參數的比值來對異常信息進行判定。比較常見的比值參數主要有兩種，一是采用溫納三電位電極系的α,β,γ裝置進行測量后，對測量結果進行組合所形成的；二是采用聯合三級裝置來進行測量，而后對測量結果進行組合所形成的。這兩種比值參數能夠將各種異常特征更加直觀的呈現出來，同時通過這些比值參數，還能夠對各種異常狀況進行更好的判斷，具有一定的抑制干擾能力，對分解復合異常也能夠有所體現，這些也是常規電阻率法所無法實現的。

5 礦井瞬變電磁技術

礦井瞬變電磁法屬于時間域電磁法，這種探測技術同時也是非接觸式探測技術中的一種，其探測原理首次用電磁波來對空間斷面的大小進行探測，第二次勘測使信號強度增加，也就是提高電磁波發射功率，使瞬變電磁法的強度增加，加大對順層以及垂直勘探的深度。不過，由于受到全空間磁場效應以及巷道內空間分布的影響，對瞬變電磁法形成極大的制約，因而需要通過數值模擬才能夠對二維、三維地質異常體所形成的響應特征更加清晰地呈現出來，因而對于瞬變電磁技術的研究仍然有待進一步深化。

6 無線電波透視技術

無線電波透視法也被叫做坑透法，指的是向地下地質體發射高頻無線電波，由于受到地質介質的影響，無線電波的強度逐漸衰減，通過這種方式來對地質異常體的位置和形態進行勘探的方法。無線電波透視技術主要是在運輸巷和回風巷之間實施的，在巷道中設置接收體，對穿透地面的電磁波信號進行接收，如果電磁波在穿透地下介質的過程中，尤其是水構造時，在接收點處所接收到的信號衰弱顯著。在采用多發射點以及多接收點的情況下，能夠較好的對地下地質異常體的位置以及形態有更加清晰的認識。坑透法在當前我國礦井中的使用比較普遍，在操作上也更為簡單，對地下地質結構如斷層、含水裂隙、陷落柱、煤層變薄區等的探測效果非常顯著。

7 結語

隨著科學技術的發展，每天地球物理勘探技術所取得的成果非常顯著，對地下地質的勘探精度更高，依托于我國強大的經濟實力，無論是勘探技術還是勘探人員的素質都得到了大幅的提升，這些使勘探技術中的科技含量有所增加。如今，我國各大煤礦都在結合自身的實際情況來選擇更加合適的物探方法，對地下地質進行勘探也更加精準，采用地震勘探手段能夠對勘測區域內的地質結構、構造發育狀況、頂底板巖性、煤層厚度等進行更加全面的定位并成像，而采用磁法勘探技術則能夠對煤層火燒區邊界進行精準的勘測。盡管我國物探技術在不斷發展，并且已經進入相對成熟的階段，然而與發達國家的物探技術相比仍然存在較大差距，在未來仍然需要進行較高的投入，通過技術創新來不斷嘗試新的方法，并使之形成完整的技術體系，從而使地球物理勘探技術能夠更趨成熟，為煤田勘探和其他領域的地質勘探提供更加全面的服務，并以此創造出更多的經濟效益。

[1] 中國煤田地質總局.煤礦采取三維地震勘探經驗交流會論文集[M].徐州:中國礦業大學出版社,2001.

[2] 武喜軍.煤礦采區三維地震勘探技術[J].物探與化探,2004(19)：21-23.

[3] 李翼蜀.煤田的地球物理勘探技術應用和實踐[J].煤炭技術,2012(21)：95-96.

Application of geophysical prospecting technology in coal mine field survey

Chen Mengmeng

(ShanxiCoalMineGeologyHydrologySurveyAcademy,Taiyuan030006,China)

The paper describes currant geophysical prospecting technology, methods and features, and illustrates multi-wave multicomponent seismic survey, high density mine resistivity method, mine transient electromagnetic method and geological radar and other methods, with a view to better predict hazardous geological factors.

coal mining, deep mine, hazardous geology, geophysical prospecting

1009-6825(2015)28-0086-03

2015-07-26

陳萌萌(1984- )，男，助理工程師

P631

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