地面—井下聯合物探方法在識別工作面小構造及其富水性中的應用

徐常青

（山西汾西礦業（集團） 有限責任公司 曙光煤礦，山西 孝義 032000）

0 引 言

我國煤炭資源豐富，但開采地質條件復雜，在礦井工作面回采施工過程中時常會遇到可引發突水及瓦斯突出事故的小型斷層、陷落柱等不良地質構造[1]。大量工程實踐證明，物探技術的應用可提前探明煤層小構造發育狀況，提升煤礦開采安全性[2-3]。

煤層中小構造規模各異隱蔽性強，且在物探施工過程中易受復雜地質條件、施工干擾等因素影響，無論何種地面或井下物探方法對小構造的判斷均存在較大誤差。地面三維地震勘探技術是查明煤礦構造的主要技術手段[4-6]，其主要通過辨別反射波同相軸是否存在錯扭從而判斷構造存在與否，但小構造在地震數據剖面上引起的異常較小，肉眼難以識別，且該方法無法確定構造的含水特性。

探地雷達方法具有高效率、高精度、高便攜性的探測特點，已被逐步應用于對井下小構造的探測。崔凡等借助雷達正演響應特征對迎頭前方50 m 內小構造進行了精確識別[7]。該方法對小構造的探測精度高，能準確識別工作面內小構造的性質與空間展布，但在探測距離及抗干擾方面有著一定的不足。瞬變電磁法施工效率高，對低阻異常體響應靈敏、體積效應小，因而該方法目前已成為探測工作面內部富水區的首選方法；但該方法易受巷道周邊鐵軌、錨網等金屬干擾且存在淺部勘探盲區，對小構造形態的探測精度難以滿足實際生產需求[8]。

為充分挖掘各物探方法優勢，本文通過工程實例介紹了地面地震屬性聯合井下探地雷達及瞬變電磁的工作面內小構造展布形態及其富水性探測技術，并利用煤層回采信息驗證了該方法的可行性。

1 研究區概況

曙光煤礦1230 工作面其東西向運輸巷及材料巷長度為1 960 m，南北向切眼寬度為175 m，高度為3.5 m。該工作面內主采煤層為位于二疊系下統山西組中部的2 號煤層，為大部穩定可采煤層，厚度0 ～3.25 m。該區屬黃土臺塬地貌，區內地表高差大，地層結構對地震波的激發和接收十分不利，其表層地震地質條件較差。目標工作面內地層之間電性差異明顯，但各地層沉積穩定橫向電性差異較小，井下電法探地質條件比較理想。

2 勘探原理及方法

為查明工作面內小構造的展布形態及其富水性，首先使用地震進行處理，通過地震屬性方法確定工作面內部構造異常區；將其解釋成果作為井下物探方法的指導依據，針對性地開展探地雷達及瞬變電磁探測，最終確定工作面內構造的空間展布形態及其含水特征。

2.1 地震屬性分析

地震屬性通過對疊前或疊后地震數據進行數學變換導出可定量化的表征參數，充分挖掘隱藏在地震資料中的有用信息，從而能夠對煤層小構造進行更為精確的識別解釋[9]。基于前人研究成果，并進行多次實驗對比，此次探測使用相干體、均方根振幅及傾角3 種屬性以提高對工作面內小構造的預測精確度（圖1）。

圖1 斷層在地震時間剖面上的反應特征Fig.1 Response characteristics of faults on seismic time section

2.2 探地雷達法

探地雷達方法可根據雷達波的波形、能量強度、時頻及雙程走時等特征對雷達反射信號進行處理分析，綜合推斷探測前方目標體的展布形態[10]。

此次探測選用主頻為50 MHz 天線進行數據采集。根據現場情況設置系統參數，采樣時窗為800 ns，采樣點數1 024，疊加次數2 次。井下探測過程如圖2 所示，技術人員在工作面側幫布設采集測線，拖動雷達天線沿測線勻速移動，完成數據采集。

圖2 探地雷達工作面側幫向內探測示意Fig.2 The diagram of working face side inward detection by ground penetrating radar

2.3 井下瞬變電磁法

瞬變電磁法通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到工作面向內不同深度的地電特征，并對得到的視電阻率數據進行反演分析即可獲得煤層構造信息及其相應的富水特征。

此次探測使用YCS512 礦用本安型瞬變電磁儀，分別在1230 工作面運輸巷及材料巷布設2 條測線，長度均為1 960 m。為保證數據質量，測點間距設置為10 m；回風巷及運輸巷內各存在測點196 個，探測方向分別為向上30°、順層0、向下45°，如圖3 所示。

圖3 瞬變電磁法工作面探測橫剖面示意Fig.3 The cross section diagram of working face detection by transient electromagnetic method

3 探測成果解釋及驗證情況

3.1 地震屬性解釋結果

使用Jason 地震數據處理軟件獲得各地震屬性切片圖。在傾角屬性切片圖中（圖4），地層傾角數值變化程度越大，代表該處存在斷裂構造的可能性越大，該屬性可將斷層微小變化放大；在均方根振幅屬性切片中（圖5），振動幅值越大代表著此處地層巖性變化越大；在相干體屬性切片圖中（圖6），正常地層中斷層、破碎帶或巖性變化的存在將引起相干值的突變。

圖4 1230 工作面傾角屬性水平切片圖Fig.4 Horizontal slice diagram of dip angle attribute of No.1230 face

圖5 1230 工作面均方根振幅屬性水平切片圖Fig.5 Horizontal slice diagram of mean-square-root amplitude attribute of No.1230 face

圖6 1230 工作面相干體屬性水平切片Fig.6 Horizontal slice diagram of coherent body attribute of No.1230 face

基于上述特征并結合垂直地震剖面錯扭程度，分別對屬性切片圖進行解釋。最終，通過傾角屬性共預測構造異常區5 個；通過均方根振幅屬性共預測構造異常區4 個；通過相干體屬性共預測構造異常區4 個。對比觀察各屬性圈定的構造異常區可發現，3 種屬性所得結果大致吻合，其解釋可信度較高。

3.2 探地雷達解釋結果

以1230 工作面地震屬性解釋圈定成果作為指導依據，對該工作面內小構造開展雷達探測解釋。其局部探測成果如圖7 所示。在圖中水平方向50 ～80 m 處，存在1 個電磁波異常區，該處反射信號能量呈帶狀區域化雜亂分布且、同相軸不連續，整體呈傾斜狀分布，其深部電磁波能量衰減較快；圖中水平方向125 ～200 m 處，異常區域表現為強反射并伴有多次震蕩信號，其形態分布為圓弧狀，深部數據能量并未產生較強的吸收衰減，推斷該處構造內部不導水。

圖7 材料巷雷達探測解釋剖面Fig.7 The profile of material roadway radar detection interpretation

參考地震屬性解釋成果，并結合現場實際地質條件，排除了上述異常的存在是因探測干擾所致。最終將上述電磁波異常解釋為D08 斷層、X02 陷落柱。以上述解釋依據為參考，同時借鑒地震屬性解釋成果，完成對1230 工作面雷達探測結果的數據解釋，最終在工作面內部共解釋斷層12 條，分別為D01 ～D11；陷落柱2 個，分別為X01 及X02（圖8）。

圖8 1230 工作面雷達探測解釋剖面Fig.8 The profile of radar detection interpretation in No.1230 face

3.3 瞬變電磁解釋結果

采用數據處理軟件對井下瞬變電磁數據進行解釋，可得到工作面頂板、順層及底板視電阻率等值線圖，結合該區地質及水文地質情況可判斷測區巖層的電性分布特點。圖9 為1230 工作面順層瞬變電磁探測切片，圖中可見X02 陷落柱附近阻值相對偏低，但結合雷達數據解釋成果可知，該陷落柱構造內部富水性差。綜上可知，該區內部未見明顯低阻異常區，推斷其富水性相對較差。

圖9 1230 工作面瞬變電磁探測解釋剖面Fig.9 The profile of transient electromagnetic detection interpretation in No.1230 face

3.4 綜合解釋成果及回采驗證情況

通過地面—井下聯合物探方法對該工作面進行探測，并進行綜合解釋。其中，使用地震屬性方法與探底雷達方法結合對曙光煤礦1230 工作面內小構造展布形態進行精細預測，共預測斷層12 條、陷落柱2 個，除斷層D01、D07 及D11 外，上述雷達解釋構造均在地震屬性切片圖中有所顯示；利用瞬變電磁方法對工作面內部構造富水性進行探測，結合雷達解釋成果，在排除X02 陷落柱存在成為導水通道的可能后，推斷該工作面整體富水性較差。

為驗證該聯合物探方法的有效性，使用實際揭露信息對其進行對比驗證。截至當前，1230 工作面已回采約610 m，將回采揭露情況與綜合解釋成果進行對比，如圖10 所示。

圖10 1230 工作面綜合物探成果與工作面回采揭露對比Fig.10 The comparison between comprehensive geophysical exploration result and revealed result in mining of No.1230 face

觀察圖10 可發現，對于X02 陷落柱、D10 及D11 斷層，其解釋成果的水平位置與形態均與揭露情況相差無幾，且回采過程中均無淋水情況出現；對于D09 及D12 斷層，其實際揭露水平位置相較于物探解釋成果存在3 ～5 m 偏差，構造展布形態相近，且在回采過程中均無淋水情況出現，經分析可知D09 及D12 斷層在巷道中均被直接揭露，因而其側幫表層巖體較破碎，雷達信號受此影響存在信號震蕩，因而對斷層的延展長度及水平位置的判斷存在少許偏差；對于材料巷1 925 m 處斷層，其在地震屬性及雷達數據上均無明顯響應，對該處回采信息進行分析可知，該處斷層斷距較小未將煤層切斷，因而雷達波在此處傳播過程中未發生明顯異常反射。

4 結 論

工作面內小構造展布形態及其富水特征的精確掌握對煤層的安全開采有著重要意義。為解決單一物探方法探測能力存在局限這一問題，本文以曙光煤礦1230 工作面為例，采用地面—井下聯合物探方法，即以地面三維地震數據屬性解釋成果作為指導，開展井下探地雷達及瞬變電磁探測，以達到對小構造性質的精確判斷，之后利用回采信息對其應用效果進行評價，證明了該方法的有效性。

（1） 可利用地震屬性成果對小構造的總體分布特征進行摸底，從而減小因雷達“盲探”而造成的誤判及漏判現象。

（2） 若構造規模較小，常規物探方法對其識別能力有限，因而仍需對現有技術進行改進以提高對小構造的探測能力。