地震勘探技術(shù)在礦井突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

胡忠平 劉曉莎

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)〈北京〉地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，中國(guó) 北京 100083）

0 概述

我國(guó)煤炭資源十分豐富，已探明儲(chǔ)量占到世界的1/3，可采量和出口量均位居世界第二位，產(chǎn)量更是位居世界第一。豐富的煤炭資源的開(kāi)采利用為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，解決了數(shù)千萬(wàn)人的就業(yè)問(wèn)題。但是，自建國(guó)以來(lái)，尤其是改革開(kāi)放后的三十多年里，隨著經(jīng)濟(jì)、科技的進(jìn)步，人民生活水平的提高，對(duì)煤炭資源的索取也在逐年加大，而我國(guó)又人口眾多，環(huán)境承載著巨大的壓力，與此同時(shí)，我國(guó)的煤炭安全問(wèn)題尤其是煤炭水害問(wèn)題變得十分嚴(yán)重。

我國(guó)的煤炭資源主要集中在華北地區(qū)的石炭-二疊系煤田，這里的煤炭?jī)?chǔ)量占到全國(guó)儲(chǔ)量的70%，產(chǎn)量也能占到65%，但該地區(qū)的淺部上組煤經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)采后已基本開(kāi)采完畢，現(xiàn)在主要開(kāi)采深部下組煤。隨著開(kāi)采深度的加大，面臨的地質(zhì)條件就越復(fù)雜，水害發(fā)生的頻率就越高，給生產(chǎn)、安全、經(jīng)濟(jì)、管理等方面造成了嚴(yán)重的影響。

1 礦床充水條件分析

在自然條件下，煤層一般是不含水的，煤礦發(fā)生突水，必須具備一定的條件，這就是要有充足的充水水源、導(dǎo)通水源與煤層的涌水通道和一定的水壓。

1.1 充水水源

礦床充水水源包括自然的大氣降水、地表水、地下水及人為的老窯水等，將大氣降水作為主要充水水源的礦井，突水具有明顯的季節(jié)性和周期性特征，而地表水、地下水作為主要充水水源的礦井突水時(shí)，突水水量比較穩(wěn)定，老窯水是指礦床體開(kāi)采結(jié)束后，封存于采礦空間的地下水，屬于酸性的強(qiáng)腐蝕水，能破壞礦山設(shè)備，且這種水突水特點(diǎn)是短時(shí)間內(nèi)大盆涌入礦井，具有很大危害性，而且比較隱蔽，不好排查，遇到以這種水為充水水源，則開(kāi)采成本就要提高。

1.2 涌水通道

涌水通道是溝通水源與煤層的橋梁，主要包括點(diǎn)狀的巖溶陷落柱通道、線(xiàn)狀的斷層線(xiàn)以及窄條狀的隱伏露頭通道等。涌水通道是礦床充水的最主要的因素，也是最難以確定的要素，發(fā)生礦床涌水事件的大部分都是由于未探明導(dǎo)水通道導(dǎo)致的。

1.3 水壓

充水水源必須要有一定的水壓才能通過(guò)涌水通道進(jìn)入煤層。

2 煤層突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀

為有效解決礦井水害問(wèn)題，對(duì)煤層突水危險(xiǎn)性進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，不同學(xué)者從不同角度出發(fā)，提出了一些行之有效的方法和理論，其中脆弱性指數(shù)法、突水系數(shù)法、Bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別法等均在現(xiàn)實(shí)中取得了有效的應(yīng)用[1]，對(duì)煤礦的安全開(kāi)采起到了很好的指導(dǎo)作用。這些方法關(guān)鍵都在于將采集到的突水因素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分類(lèi)，進(jìn)而判斷是否會(huì)發(fā)生突水。為準(zhǔn)確獲礦井突水因素?cái)?shù)據(jù)，主要物探方法有鉆井勘探、電法勘探以及地震勘探。其中鉆井勘探能直接獲取一手的詳細(xì)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，但價(jià)格高昂，且在井田范圍內(nèi)分布密度低，無(wú)法準(zhǔn)確獲取鉆孔之間巖體的變化情況，鉆井與鉆井之間的地質(zhì)現(xiàn)象只能通過(guò)模擬獲得，難以有效、精確地控制井田內(nèi)整個(gè)煤系地層的水文地質(zhì)條件；目前，主要是利用電磁勘探方法進(jìn)行煤礦地面水文地質(zhì)調(diào)查工作，主要有電阻率法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁測(cè)深法(CSAMT)等，可以有效地確定低阻水異常的部位，但是電磁勘探方法存在的主要問(wèn)題是具有體積勘探效應(yīng)，無(wú)論是縱向分辨率還是橫向分辨率均較低，同時(shí)受地面電磁干擾的影響較嚴(yán)重，并且在井田范圍內(nèi)，欲達(dá)到足夠高的密度和分辨率是不切實(shí)際的；地震勘探具有大面積密集采集信息的優(yōu)勢(shì)，利用縱向高分辨率的測(cè)井信息，地震勘探可以從平面和立體角度研究地層的構(gòu)造、巖性變化，從而對(duì)水文地質(zhì)異常做出判斷，進(jìn)而研究導(dǎo)水裂隙的分布及發(fā)育規(guī)律，為防治水提供決策依據(jù)[2]。

3 地震勘探技術(shù)的應(yīng)用

3.1 地震勘探原理

在第二節(jié)的充水條件分析中可以看到，煤層防治水的關(guān)鍵在于探明礦區(qū)老窯水及涌水通道的分布。突水前的一個(gè)基本征兆是發(fā)生震耳的聲響，這是突水通道最終貫通失穩(wěn)的前兆信息，其實(shí)就是該區(qū)的巖層斷裂和薄弱區(qū)域(已知和未知斷層、陷落柱等)活化，巖石破裂過(guò)程的試驗(yàn)表明，巖體破裂過(guò)程是一個(gè)能量逐漸釋放的過(guò)程，將在巖體中產(chǎn)生彈性波，而對(duì)失穩(wěn)前破裂信號(hào)的采集，是我們獲得失穩(wěn)前兆信息并進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的物理基礎(chǔ)。地震勘探通過(guò)對(duì)采動(dòng)巖體進(jìn)行大范圍的監(jiān)測(cè)、高精度震源定位和時(shí)空序列的描述，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反演破裂發(fā)生的空間位置、能量和發(fā)展動(dòng)態(tài)，結(jié)合水源分布信息，實(shí)現(xiàn)突水危險(xiǎn)性的預(yù)警[3]。

3.2 微地震基本定位方法

忽略深度后，近震三維空間微地震定位可作為平面微地震定位問(wèn)題，在已知三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和地層介質(zhì)傳播速度情況下，通過(guò)到達(dá)三個(gè)點(diǎn)的時(shí)間，采用三點(diǎn)定位幾何方法，就可確定震源位置。以O(shè)0為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），以 O1，O2和 O3為圓心 R，R+ΔR1，R+ΔR2，分別為半徑作圓，三圓交點(diǎn)即為震源，震源點(diǎn)的求解方程組為

式中，（x，y）為震源點(diǎn)在坐標(biāo)系上的坐標(biāo)；O1，O2和 O3井的坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2）和（x3，y3）；震源到井底，O1，O2和 O3的直線(xiàn)距離分別為R，R+ΔR1和R+ΔR2；震源點(diǎn)到井底O2和O3的距離與震源到井底O1距離的差值分別為ΔR1和ΔR2，地層中波傳播速度為V（m/s）；O2和O3相對(duì)v的時(shí)差分別為Δt1和Δt2。

3.3 突水危險(xiǎn)臨場(chǎng)預(yù)警

由于具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)既定突水危險(xiǎn)區(qū)實(shí)施臨場(chǎng)預(yù)警的最為直接的手段之一即微震監(jiān)測(cè)及突水預(yù)測(cè)。下圖描述的是突水危險(xiǎn)區(qū)超前預(yù)測(cè)與突水危險(xiǎn)性臨場(chǎng)預(yù)警的研究思路。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中的水害問(wèn)題以及目前的煤層水害預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行了分析研究，著重介紹了地震勘探技術(shù)的原理、定位方法以及突水危險(xiǎn)臨場(chǎng)預(yù)警的研究思路，目前地震勘探技術(shù)的主要問(wèn)題還是在于精度不太高，但隨著技術(shù)的發(fā)展，高精度的地震勘探技術(shù)在礦井突水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方面的作用也將愈來(lái)愈顯要。

[1]武強(qiáng)，張波，趙文德，等.煤層底板突水評(píng)價(jià)的新型實(shí)用方法V：基于GIS的ANN型、證據(jù)權(quán)型、Logistic回歸型脆弱性指數(shù)法的比較[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013,38(1):21-26.

[2]武喜尊.煤礦采區(qū)三維地震勘探技術(shù)[J].物探與化探，2004,28（1）：19-21.

[3]葉根喜，Peter Hatherly，姜福興，等.地球物理測(cè)井技術(shù)在煤礦巖體工程勘察中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009,28(7)：1342-1351.