煤礦物探技術發展現狀與展望

高宇平

（大同煤礦集團有限責任公司，山西大同037003）

1 引言

煤炭工業是我國國民經濟的基礎產業，目前煤炭在我國一次能源生產和消費結構中占50%左右，2020年我國原煤產量將達到40億t。我國煤礦開采地質條件復雜，煤礦水害嚴重，嚴重制約了煤礦的安全生產。實現煤礦集約化安全高效開采前提是精準探測煤礦地質構造和查明各類災害因素，保障煤礦安全生產的當務之急是進行煤礦采區綜采工作面優化布置和預防煤礦各類災害事故的發生。采用有效的煤礦物探技術查明各類地質構造和水害發生因素是當前煤礦地質工作的必備手段。

從1954 年8 月中國第一支煤炭電法測量隊成立（煤炭部煤炭地質司），到1992年中國煤礦第一支槽波地震隊（大同礦務局）成立，煤礦物探技術從科研單位走入勘探單位，并逐步邁入企業；國內多位學者和煤礦現場物探工作者從不同的角度對我國煤礦物探技術的發展進行了綜合分析和研究[1]。中國煤炭地質總局方正(1994)等對我國煤炭物探從起步到90年代的發展歷史作了回顧，重點論述了煤炭測井技術、煤炭電磁法以及煤炭地震勘探的技術現狀與特點；左德坤、李天元等開始對煤礦井下物探研究，特別是開展了礦井槽波地震、無線電波坑道透視技術推廣應用；劉天放、李志丹、楚紹良等對礦井物探技術進行了分類和總結（1992）；張平松等(2002)對礦井巷道超前探測技術的方法原理與應用情況進行了總結；高宇平、李武俊等（1998)相繼開展了無線電波透視技術的研究，使其基礎理論不斷完善，新儀器、新裝備以及資料處理與解釋方法不斷進步，特別是電磁波層析成像技術的運用取得顯著地質效果，成為各個礦區探明回采工作面內陷落柱、斷層及煤層變薄帶的主要物探手段之一；中國煤炭地質總局趙育臺(2003)回顧了新中國煤炭電法勘探從無到有的發展歷程，探討了煤炭電法勘探的市場需求與服務領域；謝和平等提出對深部巖層復雜構造和誘發工程災害源點的精細探測理論與技術，特別是煤礦在多場多相耦合作用下瓦斯、水、地溫、沖擊地壓等煤礦地質災害問題探查技術開發；中國煤炭科工集團西安研究院韓德品等(2009)通過回顧礦井物探的發展歷程，分析總結了國內外礦井物探技術的分類與特點、研究現狀與應用成果；中國煤炭科工集團西安研究院程建遠和石顯新(2013)基于新時期煤炭物探與礦井物探技術的突出進展，提出了以嵌入式地球物理服務為標志的煤礦安全生產地質保障模式，給出了加快我國煤田物探技術發展的對策與建議；岳建華等（2016）對中國煤炭電法勘探36年發展進行了回顧；武強等（2018）已將多種有效煤礦物探方法列入《煤礦防治水細則》相關目錄；這些研究工作為煤礦物探技術的發展和更有效應用、保證煤礦安全生產提供了保障。

2 煤礦物探技術分類

地球物理學是應用物理學的方法來研究地球（從物理學的角度研究地球內部及其周圍環境的科學）。分為固體地球物理學、大地測量學、空間物理學和大氣物理學。固體地球物理學包括：大地測量與重力測量、地震學、地磁學、地電學、地熱學、大地構造物理學、地球年代學、宇宙地質學和應用(勘探)地球物理學。應用地球物理（亦稱地球物理勘探，簡稱物探）。

物探按空間分類包括：星遙感地球物理勘探、航空地球物理勘探、海洋地球物理勘探、地面地球物理勘探、鉆孔地球物理勘探（測井)、礦井地球物理勘探；按對象分類包括：石油地球物理勘探、煤田地球物理勘探、金屬與非金屬地球物理勘探、水文與工程地球物理勘探；按方法分類包括：重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探、放射性勘探、地熱勘探。

礦井地球物理勘探（簡稱礦井物探）：是以研究煤層及其圍巖的某種物性（電性、彈性、密度、磁性及放射性等）為基礎，由于研究的物性不同，因而有不同的勘探方法。礦井物探方法多種多樣，主要有：

（1）電法類：礦井直流電法勘探，礦井瞬變電磁法勘探；無線電波透視法；礦井地質雷達；音頻電透視。

（2）地震及聲波探測：槽波地震勘探；礦井瑞利波勘探；礦井巖體聲波探測等。

（3）其它物探方法： 巷道微重力測量；放射性勘探；紅外線遙測、溫度測量等。

礦井物探從施工場所分類為：地面物探和井下物探。

礦井地面物探主要方法有：三維地震勘探、面波勘探、直流電法（包括高密度電法）、瞬變電磁、CSAMT（可控源音頻大地電磁測深）等方法；礦井井下物探主要方法有：槽波地震、面波勘探、坑道無線電波透視、直流電法（包括高密度電法）、瞬變電磁、音頻電磁測深和透視、地溫測量等方法。

3 礦井地面物探

礦井地面物探主要解決采區范圍內的地質構造探測和水害范圍探查工作。

3.1 采區范圍內的地質構造探測

主要方法有：三維地震勘探、包括高密度電法、瞬變電磁、CSAMT（可控源音頻大地電磁測深）等方法。

數字礦山礦井地質條件保障系統是以基礎地質資料和物探成果綜合分析量化預測預報先導，結合井下鉆探、巷探資料，同時依托龍軟等先進的地理信息系統精準的預測預報地質構造，進行綜采工作面的優化布置，同時對影響生產的各類地質災害制定有效的治理措施，實現煤礦安全生產全過程地質工作的動態管理。因此采區范圍內綜合物探技術對地質構造的精準探測是重中之重。

采區三維地震勘探：就是利用人工激發的地震波在地下傳播過程中遇到不同波阻抗差異地質體界面反射后，根據反射波在能量、速度、頻率的變化不同，來探測地質異常體。該方法具有對目標體橫向、垂向分辨率高，地質體定性、定量、定位準的特點，是目前探查地質小構造、小窯采空區的首選方法。

特別是針對大同煤田兩紀煤田上部侏羅紀小窯采空破壞嚴重，對下部石炭紀煤田地質構造探測影響嚴重的特點，通過多年科研攻關和實踐同煤集團和多家科研及施工單位，成功實現了上覆多層采空區下的下伏煤層地質構造的精準探測。目前同煤集團在多個千萬噸級礦井建設和生產期間采用三維地震為主的綜合物探技術取得了良好探測效果；馬道頭礦井在建設期間結合，縮短了礦井建設周期2年完成建井，實現當年投產當年達產的同煤速度；潘家窯礦井結合三維地震資料及時修改礦井設計,為礦井建設提供了準確的地質資料。

三維地震勘探要求施工單位設備精良、技術人員業務精、專業化水平高；存在問題是：施工隊伍龐大、隱患排查費用高、施工隊伍素質、環境影響大、施工周期長等因素。

圖1 馬道頭礦二盤區三維地震探測振幅屬性圖

圖2 馬道頭礦二盤區三維地震探測DF27斷層時間剖面圖

圖3 云岡礦11#層311盤區三維地震探測小窯采空區采區CSAMT（可控源音頻大地電磁測深）探測

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）：采用可控音頻人工場源，分頻探測地下不同深度地質目標體感應電磁場變化特征來探測地質異常體。目前實際主要應用電性源可控源音頻大地電磁測深法。該方法具有勘探深度大、抗干擾能力強、垂向分辨率高的優點，是煤礦井田基地構造、含水巖溶體、含水構造探測的有效方法之一。

缺點是施工復雜，效率低，目標體橫向分辨率低。

圖4 塔山礦二盤區CSAMT探測陷落柱

圖5 CSAMT探測十里河斷層

采用直流電法（高密度電法等）探測采區地質構造和小窯采空區：

機理是利用供給大地直流電場因探測目標體影響產生發生畸變，來識別地質異常，對高阻異常體敏感。如：各類高阻巖體、采空區等。該方法具有施工效率高、隱患排查速度快、對目標體垂向分辨率高的特點，是目前工程地質探查小窯采空區的首選方法。

存在問題是：野外地形影響大、探測深度淺等。

圖6 馬脊梁液壓車間高密度探測小窯采空區6線斷面圖

3.2 采區范圍內的采空積水區探測

瞬變電磁法：又稱時間域電磁法，是交流電法勘探技術之一。機理是利用大地或探測目標體內部產生感生的二次渦流，來識別地質異常，主要尋找低阻異常體。如：金屬礦、含水體等。該方法具有野外地形影響小、施工效率高、隱患排查速度快的特點，是目前探查小窯采空積水區的首選方法。

存在問題是：淺部探測區存在盲區，對目標體垂向分辨率差。

圖7 四臺礦410盤區瞬變電磁探測小窯采空積水區

4 礦井井下物探

井下物探由于儀器防爆要求，通常功率較小，探測長度有限，但是井下物探有著探測距離近、體積效應小，異常體探測精度高的特點。井下由于在全空間條件下開展探測工作，通常要考慮全空間效應，即探測工作要考慮煤層頂底板及左右空間地質體影響，只有排除其它方向異常可能性基礎上，才能確定地質異常體具體規模和位置。比如，中煤王家嶺煤礦水患事故中，由于沒有考慮電場全空間影響，造成誤判，導致水患事故發生。結合全空間思想，同煤集團下發了《坑道無線電波透視操作規程》、《礦井電法超前探操作規程》。

4.1 礦井瞬變電磁法

與地面瞬變電磁方法一樣，機理也是利用大地或探測目標體內部產生感生的二次渦流，來識別地質異常，主要尋找低阻異常體。如：金屬礦、含水體等。該方法在井下具有施工效率高、隱患排查速度快的特點，是目前有掘必探物探工作有效方法之一，也可以探測底板奧灰水富水情況。存在問題是：0 到十幾米存在探測區盲區，受井下電器設備、金屬支護影響較大，對目標體垂向分辨率差。

圖8 馬脊梁礦井下超前瞬變電磁探測小窯采空積水區

存在問題：礦井瞬變電磁法的正-反演方法研究滯后，巷道影響與全空間效應問題沒有得到有效解決，空間指向性好沒有理論依據；多匝重疊小回線裝置視電阻率計算仍然存在問題；數據處理系統簡單理論依據不足；在儀器研發方面，國內很多廠家瞬變電磁儀的研制與國外儀器相比，工藝與性能穩定性等方面仍有很大差距。

4.2 礦井井下直流電法

機理是利用供給大地直流電場因探測目標體影響產生發生畸變，來識別地質異常，對高阻異常體敏感。如：各類高阻巖體、采空區等。該方法具有施工效率高、隱患排查速度快、對目標體距離確定準確的特點，是目前有掘必探、頂上方和底板下方含水構造、采空區有效探測方法。

存在問題是：井下工作量相對較大、探測深度淺，工作效率低等。

圖9 樹兒里礦井下超前直流電法探測小窯采空積水

4.3 礦井槽波地震

利用僅在煤層中激發和傳播并在煤層中接收的一種地震導波對不同地質異常體衰減特性來查明地質小構造。主要用于采區和綜采工作面地質小構造的探測。

圖10 忻州窯礦井下東二盤區槽波地震探測斷層

該方法具有對目標體距離確定準確的特點，是采區、工作面小構造有效探測方法。目前TSP 超前探測技術已廣泛應用于公路、鐵路隧道超前探測工作中，取得了一定效果，但在煤礦中應用還存在很多問題；利用槽波技術結合體波數據進行綜合勘探相信一定能夠取得突破性進展。

存在問題是：施工效率低、隱患排查速度慢、井下工作量相對較大等。

目前制約槽波地震勘探工作因素較多急需進行技術裝備和方法進步：

（1）震源：由于煤礦安全形式日益嚴峻，火工品管理更加嚴格，地震勘探專用雷管、炸藥使用十分不便，特別是煤礦機械化程度不斷提高，雷管、炸藥使用量逐步減少，因此迫切需要研制專門非爆炸震源（如機械振動震源等），做到安全、高效、輕便、實用。

（2）通訊：由于目前儀器道數不斷加大，儀器系統更加復雜，施工時儀器間通訊、人員間通訊更加復雜困難，為了提高效率應開發適合煤礦井下條件的通訊系統，與煤礦以太網做到實時聯接，提高工作效率。

（3）數據處理解釋系統：開發適合煤礦井下實時處理解釋系統，提高工作效率。

（4）結合體波進行綜合性勘探解釋：透射時可利用縱波初至進行彈性波CT成像、橫波彈性模量計算了解圍巖視密程度等。

（5）利用槽波技術進行超前探測。

4.4 礦井井下無線電波坑道透視

由工作面一條巷道發射電磁波，另一條巷道接收，由于各種巖石電性的不同，低阻巖層對電磁波具有較強的吸收作用，產生陰影異常，從而探測出各類構造和煤層變化情況。

圖11 云岡礦12＃層410盤區81003工作面探測陷落柱

該方法具有施工效率高、隱患排查速度快、對目標體距離確定準確的特點，是目前綜采工作面下構造有效探測方法。

存在問題是：井下電器干擾較大、探測精度有待提高等。

4.5 礦井井下直流電透視法

直流電透視法與井下電磁波坑道間透視法(坑透法)類似，它把供電電極和測量電極分別布置在采煤工作面兩相鄰巷道中，采用直流供電，研究兩巷道間工作面內的電場變化規律，探測工作面內部及其頂底內的含水、導水構造異常。常用的直流電透視裝置形式如圖12所示。

圖12 棗莊礦7507工作面直流電透視CT圖

該方法具有施工簡單、隱患排查速度快、對目標體距離確定準確的特點，是目前綜采工作面底板下構造有效探測方法。

存在問題是：井下電器干擾較大、施工效率低等。

4.6 礦井井下地溫測量

地下不同深度地層隨著深度增加地溫按照一定梯度增加，因此測量井下涌水點的溫度與已知礦井區域地溫梯度值對比，可以判斷井下涌水點水源深度，從而確定涌水點水源性質，為煤礦防治水提供可靠依據。

塔山8228 工作面奧灰突水工作面出水點水溫29℃，高于煤層地溫梯度22℃值，因此初步判斷為奧灰突水，結合水文孔水位降深達39 m，確定奧灰突水，由于制定搶險方案科學合理，搶險及時有效，避免了礦井重大水害事故發生。

該方法簡單實用，結合其它方法可以準確用于搶險救災和日常安全管理工作中。

圖13 塔山礦3-5#煤層等溫線圖

多年來，同煤集團通過不斷的試驗與推廣應用，煤礦物探技術有了長足進步，也為煤礦安全生產提供了保障，在地面應用三維地震、CSAMT、瞬變電磁等技術解決了許多安全生產急需解決的難題，在井下無線電波坑道透視、槽波地震、直流電法等也取得了良好的探測效果，保證了煤礦安全生產。

5 煤礦礦井物探目前存在問題

一是礦井物探技術正處于推廣應用期間，許多理論問題需要完善，如槽波地震，現在瑞利波理論研究尚不成熟，而現場施工又不符合拉夫波勘探原理，數據處理簡單，因而解釋成果與現場揭露情況出入較大，是目前制約槽波地震應用的主要因素；超前瞬變電磁理論尚需進一步完善，目前無法滿足現場探測工作需要；二是由于防爆要求，許多物探設備在煤礦應用受到限制，造成探測距離有限，或精度無法滿足各種探測目的要求；三是煤礦物探技術數據處理軟件相對不成熟，沒有形成系列化、標準化系統，數據處理時間長，效率低；四是煤礦工作環境惡劣，物探工作者勞動強度大，儀器適應性差，無法滿足煤礦急需的快速、高效、精準探測需要。

同時煤礦物探技術由于各種原因造成準確率低的問題，當部分專家學者認為目前的煤礦物探技術有效率達70%時，卻與煤礦現場統計不足20%的統計數據形成鮮明的反差，用“三個先生”來形容，可以很形象的說明這種現象，即：“風水先生”、“東郭先生”、“物探先生”；由于煤礦現場物探專業人員匱乏，許多不懂物探、甚至是披著專業教授外衣的“風水先生”通過各種渠道，大行欺騙之道，更有通過種種腐敗手段占有煤礦物探市場，可想而知根本不可能使煤礦物探有效解決問題；還有部分物探工作者不求甚解的“東郭先生”，現場不嚴格把關，不了解煤礦現場隨意處理與解釋，根本不能得到有效的探測效果；僅剩少部分專業素質高，責任心強的“物探先生”，通過認真把關、結合煤礦現場，得出符合客觀實際的探測結果，有效率達才能70%；總體算來與現場統計比較相符。可見加強煤礦現場對物探施工隊伍甄別，建立“黑名單”制，驅除“劣幣”，十分必要，否者只剩下“劣幣驅良幣”；更需要煤礦本身加強廉政教育，嚴懲腐敗，杜絕“風水先生”和“東郭先生”的進入，保證有效的物探技術應用于煤礦安全生產。

6 煤礦物探技術展望

6.1 提高從業人員素質

煤礦物探是一門專業性極強技術工作，要求從業人員有極高的專業知識、認真負責的工作態度、吃苦耐勞的工作作風、鍥而不舍的鉆研韌性，求真務實的敬業精神，只有這樣才能當好“物探先生”，使煤礦物探技術更好地服務煤礦安全生產。

煤礦要加大企業地質技術人員的煤礦物探技術知識培訓，提高地質技術人員物探專業水平；制定完善的管理規定，杜絕“風水先生”和“東郭先生”參與煤礦安全生產工作，整體提高企業地質從業人員物探技術水平；同時要加大廉政建設，嚴懲腐敗滋生帶來劣質物探工程的管理者。

6.2 提高企業科技創新能力

二十一世紀是科技創新爆發式發展的新時代，大數據、人工智能給煤礦物探技術發展帶來了新的發展機遇；一方面煤礦物探勘探的技術發展離不開煤礦安全生產的實際需求，也促使煤礦物探需結合自身特有的方法和技術體系要加大與科研單位和院校的協作，以煤礦急需的物探課題為主導，加大科研經費投入，鼓勵企業物探技術人員開展現場新技術推廣應用工作。

課題1：

大數據和人工智能技術應用將是煤礦物探提高工作效率和準確性的有效途徑，研制大批國產化、自動化、智能化、輕便化的具有人工智能和大數據交換的物探設備和數據處理系統，把物探技術人員從危險、繁重的井下一線體力勞動中解放出來，使他們有更多的時間和經歷用于復雜的分析、處理和解釋工作中，做到快速、及時、準確地探測和預測預報地質構造和各類災害，保證煤礦安全生產；

課題2：

建立探測與監測并舉的新型煤礦物探體系，把以往的單純探測工作向安全生產監測工作靠攏，以礦山物聯網裝備為基礎，井上、下聯合（各類物探傳感器提前埋置于生產現場），建立地下水實時動態監測系統，有效預測預報煤礦突水事故的發生，建立瓦斯以及頂底板破壞有關的實時動態監測系統，在煤礦安全生產全過程中實時進行監測預報，提高煤礦對各類災害的預警和防范。

課題3：

提高煤礦電法技術研究水平，加大理論研究力度，特別是井下全空間理論研究；建立地面多通道電磁法勘探系統、礦井多分量瞬變電磁法、礦井矢量電阻率法、地面-巷道、井-地電阻率法與瞬變電磁法的研究，提高煤礦電法勘探的探測精度；將二代小波變換、濾波處理、求梯度或曲面磨光以及瞬變電磁信號的擬地震波場處理等技術應用到煤礦電法勘探的數據處理中，有效壓制各類干擾，突出異常；研究與工程有關的露天煤礦老窯采空區探測、剝離層結構探測、軟巖巷道圍巖結構探測；研究與環境有關的生態脆弱區環境承載力評價與監測、礦區生態環境(土壤和地下水系統)、修復與評價。

課題4：

深入研究無線電波坑道透視技術，以相位應用為突破口，在傳統振幅特性應用基礎上，采用多頻點、不同相位特征綜合分析，提高探測工作面內地質異常體與煤層變薄帶的解釋精度。

課題5：

深入研究礦井槽波地震技術，震源方面：由于煤礦安全形式日益嚴峻，火工品管理更加嚴格，地震勘探專用雷管、炸藥使用十分不便，特別是煤礦機械化程度不斷提高雷管、炸藥使用量逐步減少，因此迫切需要研制專門非爆炸震源，做到安全、高效、輕便、實用；通訊方面：由于目前儀器道數不斷加大，儀器系統更加復雜，施工時儀器間通訊、人員間通訊更加復雜困難，為了提高效率應開發適合煤礦井下條件的通訊系統，與煤礦乙太網做到實時聯接，提高工作效率；數據處理解釋系統方面：開發適合煤礦井下實時處理解釋系統，提高工作效率；結合體波進行綜合性勘探解釋，如透射時可利用縱波初至進行彈性波CT成像、橫波彈性模量計算了解圍巖致密程度等；利用槽波技術進行超前探測，目前TSP 超前探測技術已廣泛應用于公路、鐵路隧道超前探測工作中，取得了一定效果，但在煤礦中應用還存在很多問題；利用槽波技術結合體波數據進行綜合勘探相信一定能夠取得突破性進展。

課題6：

加強有掘必探物探工作研究水平，以鉆孔物探技術應用為突破口，采用綜合勘探技術：直流電法、瞬變電磁、聲波等新型技術解決超前探測難題；有效探測出老空水、灰巖水和砂巖裂隙水等主要水害水源。

課題7：

加強煤礦三維地震技術研究，特別是大同雙紀煤田，上部侏羅紀多層采空區下石炭紀煤田各類地質構造的精細探測，以三維三分量技術、多波應用研究為突破口，采用全方位、大偏移距、高覆蓋次數以及多處理手段開展三維地震工作，更好地服務于煤礦安全生產。

總之，煤礦物探技術發展方興未艾，隨著計算機技術發展、大數據、人工智能應用，通過煤礦“物探先生”們的不懈努力，煤礦物探技術應用的春天一定會到來，煤礦安全技術水平將會有質地提升。