煤炭地質勘探中多道瞬態瑞雷波勘探技術應用

陳亞萍 孔 冉

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730000）

在對煤炭礦產資源進行開采時，必要的礦井掘進施工是十分必要的，而一旦掘進過程中遇到充水的斷層結構或者是充泥充水的溶洞結構，都極有可能造成開采安全問題[1]。在地質構造中，由于地下水作用形成的陷落柱、破碎帶等軟弱地質層是造成煤炭資源開采安全事故的主要因素之一[2]。因此，在施工前對礦區的地質構造進行準確的勘查是十分必要的。通過對現有的地質勘探技術進行分析可以發現，主要采用地質學方法與物探方法相結合手段實現該過程，在超前鉆探等方法的輔助下，對地質中的主要構成進行分析[3-5]。為此，本文提出煤炭地質勘探中多道瞬態瑞雷波勘探技術應用研究，在合理設置勘測點的基礎上，對勘測到的數據進行分析計算，得到對應的地質信息，并通過實例分析測試了本文設計勘探技術的實際應用效果。通過本文的研究，也希望可以為相關礦產資源開采初期的地質勘探工作提供有價值的參考。

1 勘測點布置及施工方法

1.1 勘探區域勘測點布置。在勘探區域采用多道瞬態瑞雷波勘探技術對地質構造進行分析時，其是在掘進面附近以扇形的方式推進的，也就是從測試區域的一側到邊界再到另一側，因此本文在布置勘測點時，以邊界及左右側的實際勘探需求為基礎進行[6]。按照實際勘探習慣，本文按照從左側到右側的方式進行設置，具體探測點布置過程如下。

首先，將機械震源按照垂直左側的方式逐漸推進，分別以按30°、45°、60°的標準在左側與勘探邊界的拐角處進行勘探。在完成該步驟的操作后，將機械震源按照垂直邊界的方式繼續推進，同樣按30°、45°、60°的標準在邊界與右側的拐角處進行勘探。此時就可以得到垂直勘探時，各個勘探點之間的距離，以此為基礎將勘探區域劃分為若干個具象化的空間結構。具體的探測點設置如圖1 所示。

圖1 勘測點布置方式

按照圖1 所示的方式，逐個在每個測點進行勘探時，調整機械震源天線的法線與底板的夾角，按照向上45°、水平、向下45°的基準，在三條勘測線采集對應的數據信息。在此基礎上，在每個測點周圍設置具有一定波形電流的發射線圈，確保其可以屏蔽周圍空間產生一次磁場信號波。此時測點周圍的導電巖礦體只產生對應其接收到機械震源的感應電流，避免了雜波的干擾，降低后續分析計算的誤差。機械震源斷電后，在熱損耗的作用下，測點的感應電流也會隨著時間呈現出衰減的趨勢，并按照衰減的速度分為衰減早期、衰減中期以及衰減晚期。借助這一特征，實現對不同深度地質的分析。

1.2 技術參數設置。采用重疊回線裝置實現對基礎信息的采集，重疊回線裝置作為瞬變瑞雷波特有的組合形式，其與地質環境的耦合度最高，且得到的瑞雷波具有更高的橫向分辨率，能夠更加清晰地展示多道瞬態瑞雷波的異常變化。在具體的勘探時，將機械震源的發射線圈沿著1.1 設置的測點逐漸移動，實現對盲區的有效規避。在此基礎上，關于發射波矩和接收波矩的設置，以目標勘探深度為基礎，當勘探深度較大時，則適當增加發射波矩和接收波矩的設置值。在此基礎上，考慮靠探測勘探區域的實際地質地貌具有多樣化的特征，且有可能存在各種金屬影響瑞雷波的反饋結果。將發射線圈和接收線圈的邊長控制在1.5m 以內，匝數在5 匝以上。此時根據不同的探測深度需要求，對采樣頻率進行個性化設置，以4sμ 為單位步長，疊加次數以30 次為單位次數。電流值的設置以多道瞬態瑞雷波勘探技術應用環境的勘探深度為基礎設置，多道瞬態瑞雷波勘探技術原理如圖2 所示。

圖2 多道瞬態瑞雷波勘探技術原理

2 地質勘探數據分析

2.1 時間道選擇。首先是對最小時間道的選取，本文秉持著反饋地質特征的原則進行選取，在具體的實施過程中，避開互感段的信號，選取最小時間道的數據，也就是瑞雷波曲線的拐點處的數據信息。其次就是對最大時間道的選取，對此本文秉持避免噪聲信號段的原則進行選取，在具體的實施過程中，選擇的數量以采集到的瑞雷波曲線實際情況設置，選取終止的節點是曲線為衰減趨勢。為了降低多道選擇帶來的冗余計算，最終的道數以12-24 道為宜。

2.2 數據誤差計算。在確定用于計算的信號段后，需要對采集數據中存在的誤差進行計算，以此避免由于出現數據錯誤造成的勘探結果異常。假設某道勘探的瑞雷波數據為x，其對應的原始數據為xi，復測的勘探值為xi'，經歸一化處理后計算出其對應的電動勢，其可以表示為

其中，e（x）表示為對應時間道勘探瑞雷波的電動勢，e（xi）和e（xi'）分別表示原始數據的電動勢和復測勘探值的電動勢，那么原始數據和復測勘探值的電動勢相對誤差和平均相對誤差可以表示為

其中，ε 表示電動勢的相對誤差，ε 表示電動勢的平均相對誤差。N在不同情況下的意義也不同，當以勘探區域為基礎計算時，N 表示同一個測區或同一個剖面參與計算的某一時間道的數據總數；當以勘探點為基礎計算時，N 表示同一個測點參與計算的時間道總數。

通過這樣的方式，得到對應的數據誤差，當存在ε<1.00，ε<0.50 時，則默認其不需要進行校正處理，否則，則需要對采集數據中的誤差進行校正，以此提高勘探結果的可靠性和準確性。

2.3 數據校正處理。假設某一測點的第f時間道對應的斜率為k，數據在斜率上分布的離散程度較高，則以所有選中時間道的斜率的均值為過濾基準過濾離散數據，其計算方式可與表示為

通過這樣的方式，實現對多道瞬態瑞雷波數據的校正處理。

2.4 地質構造分析。在得到可靠的多道瞬態瑞雷波數據后，即可利用其實現對勘探區域地質構造的分析。

首先，對于表現出不連續感應電動勢的瑞雷波衰減曲線，表明在間斷位置出現了非實體的空間結構，結合重疊回線裝置的運行速率，計算其寬度，其可以表示為

其中，d 表示中空構造的寬度，v 表示重疊回線裝置的運行速率，t 和t0分別表示不連續感應電動勢出現的起止時間，z表示轉換系數。當其寬度較小時，則認為是小面積的溶洞，中空結構，當其寬度較大時，則認為其是斷裂構造，對應的厚度即為構造的實際裂縫距離。在此基礎上，結合不同構造的瑞雷波與采集結果的一致性，實現對勘探區域個測點構成的分析判斷。

3 工程應用分析

為了測試本文提出的地質勘探技術的實際應用效果，進行了實際應用測試。

3.1 工程概況

本文展開測試的位置為某礦區的中心區域，在近南北向方向上與一條近東西向的煤礦脈交匯。為了提高測試結果的準確性，首先分析了礦區的基礎信息。

3.1.1 基礎自然條件

首先是礦區的自然地理條件，測試區域位于東經102°05′-102°07′，北緯36°10′～37°02′之間，是所在省區中部，有高原構造的東斜坡上以平鋪的形式存在。從全國角度分析，測試區域屬于過渡區間，是西部高原與東部平原的交匯，并表現出了過渡地帶明顯的地勢特征。其次是礦區的地形地貌特征，測試位置處于整個礦區向斜北部，在區域的揚起端軸部，接近邊界的位置有溶蝕殘丘出現，在測試區域的東面有溶蝕盆地出現，就整個礦區而言，測試區域的構造更加傾向于盆地中心區的構造特征，并在其中伴隨有噴水池巖。從地面的走勢分析，測試區域的地面呈現出北高南低的特點，由于其位于礦區的中心位置，因此地面的高程相對穩定，在1010.85m～1014.15m 之間，最大高差約為4.3m。

3.1.2 地質構造特征

對于測試區域的地層巖性及地質構造特征，通過分析測試區域的歷史地質資料信息，發現測試區域的地層主要包括淺表第三系覆蓋層和下伏四疊系基巖兩部分。具體如圖3 所示。其中，第三系覆蓋層的巖體構成主要是花崗巖、顯晶質結構的碎石巖漿巖以及隱晶質結構的火山巖，對于具體的厚度，下伏基巖起伏對其表現出來明顯的控制作用，因此差異較大。而下伏基巖為四疊系中統松子坎組一段（T2sz1）中，主要構成為厚層狀泥質白云巖、泥質石灰巖，二者互層交匯的方式共生；在四疊系下統安順組二段和三段（T1a2+3）中，主要是厚層的狀白云巖，并出現的不同程度風化，包括強風化巖石和中風化巖石兩種。

圖3 測試區域地質構造

在區域的NEE-NE 走向上，出現了張扭性的斷層結構，橫穿測試區域，并形成了具有一定寬度的斷層破碎帶構造，在基巖中以下伏四疊系SWW 的形式存在，表現出緩傾的可溶性。具體的斷層信息如表1 所示。

表1 測試區域斷層信息統計表

在此基礎上，發現泥質白云巖和中厚層狀白云巖中伴隨有裂隙、溝槽、石芽、溶洞等溶蝕構造，且發育程度較高，引起了基巖頂面的形變，有顯著的凹凸起伏變化趨勢。在巖溶空區，有充填物以富水的形式承載周圍構造的壓力，導致開挖部分礦區的巖溶伴隨有明顯的突水現象。

3.1.3 地下水分布信息

最后測試區域的水文地質條件進行分析，由于礦區位于巖溶富水地帶，因此地下水含量較為豐富。受區域向斜構造的影響，地下水對東西向斷層造成了破壞，并且巖體在長期的地下水沖擊下形成了貯水構造，這為地下水的活動提供了良好的通道，并進一步加速了巖溶裂隙的發育。從整體上進行分析，可以發現地下水流在向南傾伏的盆地中呈現出明顯的由北往南發展的趨勢。

3.2 勘查結果

在上述基礎上，本文采用多道瞬態瑞雷波勘探技術在測試區域設置了共計10 個數據采集點，以此進行地質勘探，并分析其勘探結果的準確性，其結構如表2 所示。

表2 多道瞬態瑞雷波勘探技術探測結果

從表2 中可以看出，本文提出方法可以實現對煤炭礦區地質環境的有效探測。

4 結論

煤炭資源需求的不斷增加使得對其的探測和開采研究受到了越來越多的關注，在實施開采工作前，對礦區的地質構造進行準確的勘探分析對于提高施工的安全性具有重要意義。本文提出煤炭地質勘探中多道瞬態瑞雷波勘探技術應用研究，實現了對礦區地質構造，地下水以及煤炭資源分布情況的準確獲取，為實際的開采施工工作的開展提供了重要保障。