綜合物探技術在工作面地質預報中的應用

馬玉龍，李鵬飛，趙興輝，高 彬，張 杰，孫如江

（1.山西省煤炭地質物探測繪院，山西 晉中 030603；2.中國地球學會物理院士專家工作站，山西 晉中 030603；3.資源環境與災害監測山西省重點實驗室，山西 晉中 030603）

煤礦安全是我國安全生產的重中之重。2007年，全國煤炭百萬噸死亡率為1.485，是發達國家的40~50倍。煤礦安全生產過程中，由于地質因素引發的事故占比極高。2008—2012年僅礦井頂板，水害、水災2類地質因素引起的事故占全國煤礦安全各類事故比例達53.4%。2013年國務院辦公廳明確要求將“全面普查煤礦隱蔽致災因素”作為煤礦安全攻堅克難的“七項舉措”之一。近年來，針對煤礦水害、頂板災害、沖擊地壓等隱蔽致災因素，地球物理工作者進行了廣泛的科學研究和大量的實踐，逐漸形成了針對煤礦地質災害勘查的政策法規、方法理論、工作手段、儀器設備和實踐經驗。目前煤礦井下災害探查基本形成了物探勘查，鉆探驗證的基本思路[1]。

程九龍等認為礦井掘進工作面地球物理方法探測空間小，干擾大，技術要求高，從方法原理、研究現狀、技術特點和儀器設備4個方面對物探方法用于超前探測進行了總結[2]；劉勝東等提出當前礦井物探技術需要在全空間、多場耦合方面加強基礎研究，在礦井物探裝備、觀測系統、反演方法等方面，應當結合物聯網技術、巷道鉆孔組合空間，進行技術研發[3]；韓德品等總結了國內外現有的煤礦礦井物探技術的分類與特點、研究現狀與應用成果，詳細介紹了主要礦井物探方法技術的研究應用新進展，認為礦井物探是地面勘探技術的重要補充，是礦井地質工作的重要手段，它相對于常規的礦井地質手段而言，具有更準確、更快捷、更方便等特點[4]；程建遠等通過分析煤礦高效安全開采地質保障系統中地球物理探測技術的發展現狀，指出了目前地球物理探測技術面臨老空水害隱患的高精度超前排查、超長超寬工作面內隱伏構造的探查、深部煤層底板隱伏構造的精細探查、煤礦開采動力災害的預測預警等4大挑戰[5-6]；岳建華等對煤礦電法勘探進行了總結與回顧[7]。

隨著礦井物探的需求和方法技術的發展，各科研院所和儀器公司研發了礦井專用的瞬變電磁、地震超前探測、直流電法、槽波、無線電波透視等儀器設備和處理軟件。各地勘單位采用上述方法技術和儀器設備進行了大量生產實踐。然而，由于礦井地質災害因素多種多樣、施工環境惡劣，礦井物探往往存在工作任務復雜，背景干擾嚴重的問題。單一的物探方法不僅受地質異常體物性特征的局限，而且受到井下環境的強干擾，其勘查和解釋精度常常無法達到理想的效果[8-9]。因此，近來各煤炭企業要求勘查單位在開展井下物探工作時采取多方法綜合勘查，多參數聯合解釋。為此，對礦井震電聯合解釋技術進行論述，并對山西某煤礦工作面進行實例分析，研究礦井聯合解釋對提高礦井物探解釋精度的幫助。

1 礦井地球物理方法與特點

礦井地球物理方法與傳統地面地球物理方法在基本原理上并無本質區別，均以地質目標體與圍巖的物性差異為基礎，建立地球物理場，通過傳感器觀測地球物理場的變化，結合已知地質資料，推斷解釋地下介質的性質和賦存狀態，以解決礦井地質問題。常用礦井地球物理方法從所依賴的物性類別不同可分為地震勘探類和電法勘探類[4]。

1.1 地震類礦井物探

1）槽波地震勘探。煤層與其頂、底板圍巖相比密度小、波速低。根據波的傳播特征，地震波從低速層向高速層傳播時，由于入射角不同，在速度界面會發生透射、反射和折射，因此當在煤層中激發地震波時，地震子波除在小于臨界角會通過透射進入頂底板中，其余大部分能量會以反射和折射的形式多次反射、相互疊加和干涉被封鎖在煤層中并向前傳播，形象地被稱之為槽波[10]。常用的槽波地震勘探施工方法包括透射法和反射法。前者將激發點與接收點布設于工作面不同的巷道內，根據槽波信號的強度來判別透射扇區有無構造異常，是槽波地震勘探中最常用、最穩定的方法[11-12]；后者是將激發點與接收點布設于工作面的同一側，通過分析構造的反射信號來判別構造的空間位置與展布范圍。透射槽波地震勘探施工時應具備2條煤巷或巖巷。槽波可用于查明落差大于1/2煤厚的小斷層，長軸大于10 m的陷落柱、采空區、變薄帶等構造的范圍，其勘探精度往往優于地面三維地震。透射法槽波地震勘探原理圖如圖1。

圖1 透射法槽波地震勘探原理圖Fig.1 Schematic diagram of channel wave seismic exploration

2）其它地震類方法。除槽波地震勘探外，礦井地震類勘探方法還包括二維地震勘探、微動地震勘探、瑞雷（Rayleigh）波勘探以及針對迎頭（掘進工作面）的礦井震波超前探測技術（MSP）。礦井地震勘探主要用于探查一定范圍內、一定規模的中小型隱蔽地質構造如：斷層、陷落柱、撓曲、空洞、巖溶等，但無法判別構造中是否存在會對礦井安全產生重大影響的地層水。同時，地震勘探施工時，往往要求附近的機械停止作業，但是這種工作要求在實際中往往難以完全滿足。

1.2 電法勘探

1.2.1 無線電波透視（坑透）

電磁波具有趨膚效應，電磁波在傳播過程中會伴隨傳播路徑上電性參數的改變，煤層及其地質異常體對電磁波吸收衰減程度發生變化，具體的衰減程度用路徑積分表示：

式中：H0、Hθ分別為發射端和接收端的磁場強度；R為收發距；θ為發射徑向與收發連線之間的夾角；β為介質的波數[14]；L為積分路徑；x、y分別為電磁波的傳播位置；d r為積分路徑上的區段。

通常來講煤層中電磁波的吸收衰減系數為0.3 dB/m，斷裂構造的吸收系數為0.4 dB/m[13]。無線電波透視勘探示意圖如圖2。

圖2 無線電波透視勘探示意圖Fig.2 Schematic diagram of radio wave perspective exploration

通過在工作面一側巷道發射固定頻率、固定能量的電磁波，在另一側巷道接收衰減的電磁波，通過對原始數據進行反演解釋，獲取煤層中地質異常體的空間展布。與一般寬頻帶電磁法以找水為目的，無線電波透視法則是發射同一個固定頻率的中高頻電磁波，用于探測直徑≥10 m的陷落柱，斷距≥1/2煤層厚度的斷層、產狀變化帶等構造[14]。

1.2.2 礦井瞬變電磁勘探

同地面磁性源瞬變電磁法類似，礦井瞬變電磁滿足麥克斯韋方程組，通過對接收到的“二次場”進行處理分析，定性或半定量解釋地層中具有電磁性差異的地質異常體的空間展布和規模，尤其對低阻的礦井水體較為靈敏[15]。與地面瞬變電磁不同的是，礦井瞬變電磁的物理模型屬于全空間模型，且巷道空腔無法像屏蔽地震波那樣屏蔽電磁波[16]。同時，礦井巷道內往往存在大量錨網、錨桿、運輸鐵軌、掘進設備以及高電壓噪聲信號以及多匝線圈的互感。因此礦井瞬變電磁的數據整理、數據處理和資料解釋與地面磁性源瞬變電磁法有很大的區別[17-18]。礦井瞬變電磁超前探示意圖如圖3。

圖3 礦井瞬變電磁超前探示意圖Fig.3 Diagram of advance exploration by mine transient electromagnetic method

礦井工作面瞬變電磁勘探通過在巷道中同一點以一定角度對頂板、順層、底板方向進行測量，獲取同一測點觀測到的頂板、煤層、底板的電磁場值，再沿著巷道移動，最終獲得獲取不同點位、不同層位的地電斷面。

礦井瞬變電磁主要用于探測煤系地層中的富含水區、采空積水區，以及地層中的隱伏含水構造，如含水斷層、含水破碎帶、含水陷落柱等[19-20]。

2 礦井震電聯合解釋

地下地質模型是1個復雜系統，地下介質中同1種地質體在不同的地球物理異常上的反應不盡相同，其數據采集的干擾源也不盡相同。針對礦井電法和地震等地球物理方法各自的特點及其之間的相互聯系，通過運用綜合地球物理多參數聯合解釋技術，將各類物探資料有機結合并有所側重地運用，充分發揮各種方法的長處，對異常出現的矛盾有1個合理的解釋，從而全面認識目標地質體。

影響槽波地震勘探的因素很多，如震源激發的能量強弱、煤層與其頂、底板圍巖的彈性差異、煤層厚度、煤層內構造和非構造地質破壞情況、裂隙發育程度等。透射波法探測可以判斷煤層中地質構造異常的有無，但還無法實現異常性質和類型的識別。無線電波透視具備較好的橫向分辨能力，但是由于缺乏縱向約束，因此縱向分辨率并不理想，但是由于其施工成本遠低于槽波地震勘探，因此是對槽波地震勘探的補充和驗證。瞬變電磁法以介質的電性差異為基礎，對低阻體敏感，對于不含水的高阻體地質構造分辨能力較差，具有不同程度的體積效應，容易受到不同頻率成分的電磁干擾。

由此可見，礦井地震勘探與礦井電磁法對于礦井防治水物探工作是理想“合作伙伴”，前者提供地質構造的空間位置，后者提供構造中流體的屬性。兩者相互補充，互相驗證，利用不同的參數對同一地質目標體進行綜合解釋，對于提高解釋精度，避免地球物理方法多解性具有實質性的意義。

3 實例分析

3.1 工作面概況

某工作面設計回采走向（東西向）長1 050 m，寬195 m，西側為工作面切眼，東側為終采線，所采煤層平均厚度為5.7 m。工作面地質構造較為復雜，在掘進過程及鄰近工作面開采過程中共揭露斷距小于1.5 m的斷層6條，以及長軸大于50 m的陷落柱2個。煤層上覆含水層主要為煤層頂板砂巖含水層、上覆砂巖含水層、基巖風化帶裂隙含水層。在陷落柱及斷層等構造附近，含水層中的地層水可能會通過陷落柱和斷層下滲至兩巷道及工作面，同時開采時形成的頂板導水裂隙，可能溝通上覆含水層，使其成為煤層開采的間接充水含水層。勘查研究工作的地質任務：探查工作面內中小型陷落柱、斷層等地質構造；探查工作面內富水性情況。

3.2 工作方法與工程布置

勘查工作采用透射法槽波勘探技術及無線電波透視法對陷落柱、斷層等中小斷裂地質構造進行勘查，利用礦井瞬變電磁法對工作面構造的含水性進行分析。數據采集工作在工作面開拓的2條巷道空間進行，上巷為01巷，下巷為02巷。本次物探工作剖面長度為1 050 m，探測深度（寬度）為195 m，測點間距為10 m，工作面地質構造分布與地球物理勘探工程布置圖如圖4。

圖4 工作面地質構造分布與地球物理勘探工程布置圖Fig.4 Geological structure distribution of working face and geophysical exploration engineering layout

3.3 槽波勘探成果

槽波地震采用透射法槽波觀測系統，勘探設備為“KDZ3114型礦井槽波勘探裝置”。為提高勘查精度，采用雙邊測量的工作方式，分別在工作面兩側01巷道和02巷道內布設炮點和檢波點，先后在一側巷道激發，另一側接收。炮孔深2 m，高度距底板1.5 m，方向垂直于煤壁，藥量200 g。傳感器利用檢波器延長鋼釬嵌入到煤層內部，高度距底板1.5 m。

通過對采集到的地震數據進行數據整理，頻譜、時頻、頻散分析后發現時間在230～390 ms，頻率在90～210 Hz中能量比較集聚，埃里相在90～250 Hz區間，且主要在135 Hz附近，槽波大部分能量分布均集中埃里相附近，埃里相速度集中在800～1 100 m/s。通過提取槽波，并進行速度分析和速度層析成像，獲取的槽波透射地震勘探速度分布圖如圖5。

由圖5可以看出，暖色（紅-黃色）代表高速槽波分布區，圖中可見多處條帶狀高速異常區，高速異常區處反映槽波穿過巖層或應力集中區，構造發育或應力集中。據此工作面槽波速度分布圖確定10處構造異常，并分別命名為CB1~CB10。

圖5 槽波透射地震勘探速度分布圖Fig.5 Velocity distribution of channel wave transmission seismic exploration

3.4 無線電波透視

無線電波透視探測采用“WTK-0.03型無線電波透視儀”。工作面寬度約195 m，經探測頻率試驗，選用0.5 MHz頻率進行工作。工作方法采用分辨率較高的定點掃描法進行探測。一側巷道的發射機相對固定，另一側對應巷道的接收機在一定范圍內逐點接收其場強值。本次勘查接收點間距設定為10 m，發射點間距設定為50 m，每個發射點對應11個接收點。

將實測數據進行成像處理，獲得的無線電波透視勘探衰減系數圖如圖6。

圖6 無線電波透視勘探衰減系數圖Fig.6 Attenuation coefficient diagram of radio wave perspective exploration

由圖6可以看出，衰減系數成像圖上不同顏色代表電磁波在煤層的衰減系數不同。衰減系數小于0.38時表示發射范圍內無構造存在（黃色部分）。當存在導致電磁波折射、反射、強吸收的地質構造時，其衰減系數大于0.38（紫色部分）。本次無線電波透視共解釋推斷4處構造異常，命名為KT1~KT4。

3.5 礦井瞬變電磁勘探

礦井瞬變電磁法采用“YCS200礦用瞬變電磁儀”，考慮到瞬變電磁勘探在早期（淺部）存勘探盲區，因此本次礦井瞬變電磁亦采用雙邊測量法開展施工，沿01巷道巷和02巷道分別布置測線，對向測量，綜合分析解釋。對實測數據進行整理和處理，進行獲取工作面視電阻率值，工作面瞬變電磁視電阻率斷面圖如圖7。

圖7 工作面瞬變電磁視電阻率斷面圖Fig.7 Transient electromagnetic apparent resistivity diagram of working face

由圖7可以看出，視電阻率橫向較為穩定，縱向隨著勘探距離增大，電阻率逐漸減小，是因為瞬變電磁的體積效應，在近處主要是煤層的電阻率，而在遠處則結合了頂底板砂巖的電阻率，因此會逐步降低，結合已揭露的礦井巷道淋水位置信息，以15Ω·m為閾值圈定了低阻異常區5處，分別命名為SB1~SB5。

3.6 綜合分析

對于同一研究區，不同物探方法的解釋精度和解釋成果往往不盡相同，為此，不僅需要進行多方法相互佐證，還應結合地質規律進行聯合解釋，對物探異常的地質屬性及可靠性進行綜合描述。工作面物探異常區特征分析如下：

1）0~350 m解釋區段。透射槽波獲得的構造異常為CB1和CB2，無線電波透視無構造異常，瞬變電磁獲得的構造異常為SB1，巷道揭露斷層SF339；對比分析情況為構造異常CB1與斷層SF339重疊。

2）350~650 m解釋區段。透射槽波獲得的構造異常為CB3、CB4、CB5、CB6，無線電波透視獲得的構造異常為KT1和KT2，瞬變電磁獲得的構造異常為SB2和SB5，巷道揭露斷層SF338、SF325、SF320和陷落柱SX87、SX90；對比分析情況為構造異常CB3、KT1、陷落柱SX87重合，且在西側存在瞬變電磁低阻反應SB5；構造異常CB4與KT2重合；構造異常CB5與斷層SF325重合；構造異常CB6與斷層SF340重合。

3）650~1 120 m解釋區段。透射槽波獲得的構造異常為CB7、CB8、CB9、CB10，無線電波透視獲得的構造異常為KT3和KT4，瞬變電磁獲得的構造異常為SB3和SB4，巷道揭露陷落柱SX90和斷層SF337、SF336；對比分析情況為構造異常CB7、KT4、陷落柱SX90重合，在附近存在瞬變電磁低阻反應SB3和SB4；構造異常CB9與斷層SF336重合。

通過與已知地質構造進行對比，槽波地震勘探法對地質構造刻畫精度較高，并且與已知的陷落柱和斷距小于2 m的斷層吻合度極高，因此本次勘探以槽波地震勘探為主，同時分析槽波異常特征上的無線電波透視衰減系數異常和瞬變電磁視電阻率異常，從而圈定工作面內的隱伏地質構造，并對工作面內所有構造及其圍巖的富含水性進行分析，最終解釋推斷了隱伏斷層3條（TF01~TF03），含水區5處（HS1~HS5），獲得的工作面礦井震電聯合解釋推斷成果圖如圖8。

圖8 工作面礦井震電聯合解釋推斷成果圖Fig.8 Results of joint interpretation of mine seismic and electric geophysical exploration in working face

含水區有明顯連通，但是陷落柱SX87與含水區HS3毗鄰，SX90與HS4和HS5毗鄰在開采過程中隨著斷裂構造的增加或應力釋放，可能會引起含水區中的地層水進入工作巷道，引發安全事故。

成果資料提交后，礦方通過探放水工作及后續工作面采掘對本次礦井震電聯合勘查進行了詳細驗證。解釋含水區中，HS3和HS5在巷道中出現頂板淋水現象，HS2和HS4通過鉆探工作得到了驗證，并組織了相關探放水工作；解釋的TF03和TF01均為斷距小于2 m的隱伏小斷層，在采掘過程中其位置與槽波解釋推斷基本一致，TF02為SX90引起的假異常，在采掘過程中未發現該構造。

4 結 語

1）透射法槽波地震勘探能夠靈敏地識別陷落柱，并可以識別斷距小于2 m的隱伏斷裂構造，刻畫精度優于地面地震。

2）無線電波透視法具有較好的橫向分辨率，能夠較準確地確定地質構造沿側線方向的幾何分布，但是無法解釋刻畫斷裂構造的縱向空間展布。

3）礦井瞬變電磁法秉持了電磁法對低阻體敏感的優勢，同時由于離目標體較近，體積相對效應較小，因此解釋推斷的富水區更接近于真實地質情況。

4）通過3種礦井地球物理方法對礦井中小隱伏斷裂構造進行了探測并進行了含水性分析，探測結果得到了較好的驗證。煤礦工作面地質預報中應綜合利用各種物性、多方法勘探和聯合解釋，才能盡可能更真實地反映地質異常體的分布和屬性特征，從而有效指導煤礦安全生產。