地震勘探技術(shù)在礦井突水危險性預(yù)測評價中的應(yīng)用

胡忠平 劉曉莎

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

0 概述

我國煤炭資源十分豐富，已探明儲量占到世界的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采利用為我國經(jīng)濟發(fā)展做出了重要的貢獻，解決了數(shù)千萬人的就業(yè)問題。但是，自建國以來，尤其是改革開放后的三十多年里，隨著經(jīng)濟、科技的進步，人民生活水平的提高，對煤炭資源的索取也在逐年加大，而我國又人口眾多，環(huán)境承載著巨大的壓力，與此同時，我國的煤炭安全問題尤其是煤炭水害問題變得十分嚴重。

我國的煤炭資源主要集中在華北地區(qū)的石炭-二疊系煤田，這里的煤炭儲量占到全國儲量的70%，產(chǎn)量也能占到65%，但該地區(qū)的淺部上組煤經(jīng)過幾十年的開采后已基本開采完畢，現(xiàn)在主要開采深部下組煤。隨著開采深度的加大，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、管理等方面造成了嚴重的影響。

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，突水水量比較穩(wěn)定，老窯水是指礦床體開采結(jié)束后，封存于采礦空間的地下水，屬于酸性的強腐蝕水，能破壞礦山設(shè)備，且這種水突水特點是短時間內(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，主要包括點狀的巖溶陷落柱通道、線狀的斷層線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涌水通道進入煤層。

2 煤層突水危險性預(yù)測研究現(xiàn)狀

為有效解決礦井水害問題，對煤層突水危險性進行準確及時的預(yù)測評價，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)實中取得了有效的應(yīng)用[1]，對煤礦的安全開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數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)挖掘分類，進而判斷是否會發(fā)生突水。為準確獲礦井突水因素數(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的地質(zhì)數(shù)據(jù)，但價格高昂，且在井田范圍內(nèi)分布密度低，無法準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)象只能通過模擬獲得，難以有效、精確地控制井田內(nèi)整個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題是具有體積勘探效應(yīng)，無論是縱向分辨率還是橫向分辨率均較低，同時受地面電磁干擾的影響較嚴重，并且在井田范圍內(nèi)，欲達到足夠高的密度和分辨率是不切實際的；地震勘探具有大面積密集采集信息的優(yōu)勢，利用縱向高分辨率的測井信息，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，從而對水文地質(zhì)異常做出判斷，進而研究導(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，巖石破裂過程的試驗表明，巖體破裂過程是一個能量逐漸釋放的過程，將在巖體中產(chǎn)生彈性波，而對失穩(wěn)前破裂信號的采集，是我們獲得失穩(wěn)前兆信息并進行預(yù)測預(yù)報的物理基礎(chǔ)。地震勘探通過對采動巖體進行大范圍的監(jiān)測、高精度震源定位和時空序列的描述，可以實時監(jiān)測并反演破裂發(fā)生的空間位置、能量和發(fā)展動態(tài)，結(jié)合水源分布信息，實現(xiàn)突水危險性的預(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題，在已知三個監(jiān)測點坐標和地層介質(zhì)傳播速度情況下，通過到達三個點的時間，采用三點定位幾何方法，就可確定震源位置。以O(shè)0為坐標原點（0，0），以 O1，O2和 O3為圓心 R，R+ΔR1，R+ΔR2，分別為半徑作圓，三圓交點即為震源，震源點的求解方程組為

式中，（x，y）為震源點在坐標系上的坐標；O1，O2和 O3井的坐標分別為（x1，y1），（x2，y2）和（x3，y3）；震源到井底，O1，O2和 O3的直線距離分別為R，R+ΔR1和R+ΔR2；震源點到井底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v的時差分別為Δt1和Δt2。

3.3 突水危險臨場預(yù)警

由于具有實時監(jiān)測的優(yōu)勢，針對既定突水危險區(qū)實施臨場預(yù)警的最為直接的手段之一即微震監(jiān)測及突水預(yù)測。下圖描述的是突水危險區(qū)超前預(yù)測與突水危險性臨場預(yù)警的研究思路。

4 結(jié)語

本文對煤礦開采過程中的水害問題以及目前的煤層水害預(yù)測評價技術(shù)進行了分析研究，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臨場預(yù)警的研究思路，目前地震勘探技術(shù)的主要問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)在礦井突水危險性預(yù)測評價方面的作用也將愈來愈顯要。

[1]武強，張波，趙文德，等.煤層底板突水評價的新型實用方法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，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，2009,28(7)：1342-1351.