地球物理勘探技術(shù)在煤炭勘探領(lǐng)域中的應(yīng)用

陳 萌 萌

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

地球物理勘探技術(shù)在煤炭勘探領(lǐng)域中的應(yīng)用

陳 萌 萌

(山西省煤炭地質(zhì)水文勘查研究院，山西 太原 030006)

針對(duì)當(dāng)前煤田地球物理勘探的技術(shù)、方法、特點(diǎn)等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)多波多分量地震勘探、礦井高密度直流電法、礦井瞬變電磁法及地質(zhì)雷達(dá)多種技術(shù)和方法進(jìn)行了說明，以更好的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)致災(zāi)地質(zhì)因素。

煤炭開采，深部礦井，致災(zāi)地質(zhì)，地球物理勘探

0 引言

如今，我國在煤炭開采方面的機(jī)械化率已經(jīng)達(dá)到70%以上，隨著礦井煤炭的開采其延伸的程度會(huì)不斷加深，而其中多種因素如地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯層、礦井水等所產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)隨之加大，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探方法無法應(yīng)對(duì)井下復(fù)雜的地質(zhì)狀況，因而必須要在勘探技術(shù)方面有所突破。地球物理勘探技術(shù)在煤炭領(lǐng)域中的應(yīng)用是煤炭勘探技術(shù)一種創(chuàng)新。通過地球物理勘探技術(shù)能夠使對(duì)煤炭礦藏的勘探更加精準(zhǔn)，并且能夠?qū)碌牡刭|(zhì)構(gòu)造、瓦斯層、礦井水的情況更加清晰的呈現(xiàn)出來，從而為煤炭開采提供更加全面的數(shù)據(jù)，對(duì)促進(jìn)煤炭勘探技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。煤田地質(zhì)勘探工作中，通常所采用的策略是物探先行，而后應(yīng)用物探和鉆探相結(jié)合的方式來對(duì)煤田狀況有更加清晰的認(rèn)識(shí)。對(duì)于煤田而言，在物探方面主要涵蓋兩個(gè)部分，一是地面物探，其中所采用的方法主要有三種，分別為三維地震勘探、鉆井測(cè)井以及電法勘探；二是礦井物探，通常所采用的方法有礦井地震勘探、瞬變電磁法、無線電坑法和直流電法勘探等。其中，礦井地震勘探又包括瑞雷波勘探技術(shù)和槽波勘探技術(shù)。

1 地面地震勘探

20世紀(jì)80年代，我國在煤田勘探技術(shù)方面獲得突破，在技術(shù)方面引入1 000 m深鉆以及高分辨數(shù)字地震勘探技術(shù)，極大的促進(jìn)了我國煤炭技術(shù)的革新。隨后，物探工作者通過不懈的努力，又在AVO反演技術(shù)、三維三分量地震勘探技術(shù)等領(lǐng)域中取得成果，使我國在煤炭勘探技術(shù)方面逐漸形成了高分辨率三維地震勘探為主的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)體系。不過，這些技術(shù)相較于發(fā)達(dá)國家仍然存在差距，多數(shù)勘探技術(shù)都局限于對(duì)煤田的淺層勘探，而對(duì)深層勘探則仍然不夠精準(zhǔn)，勘探的深度通常不超過800 m，埋深也多在600 m以內(nèi)，對(duì)煤炭深層勘測(cè)仍然處于較低的水平，導(dǎo)致這種情況發(fā)生的原因在于深部地震數(shù)據(jù)的缺失，并且在深部地震的精度方面也存在薄弱環(huán)節(jié)，因而這些技術(shù)亟待進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行完善和改進(jìn)。

2 礦井地震勘探

由于煤礦在實(shí)施井下作業(yè)的過程中，其內(nèi)部環(huán)境非常復(fù)雜，工作條件非常惡劣，采用井下地震波勘探技術(shù)在理論上與地面三維地震勘探技術(shù)所存在的區(qū)別比較明顯，只能采用井巷的有限空間，并結(jié)合波場(chǎng)的分布狀況及其特點(diǎn)，才能夠更好的實(shí)施礦井地震勘探工作。

1)井巷二維地震勘探。

井巷二維測(cè)線主要置于巷道的底板下面，以及巷道的兩側(cè)，在地震數(shù)據(jù)的采集和處理等方面與地面二維地震勘探技術(shù)相類似。在具體進(jìn)行操作的過程中，必須要根據(jù)頂?shù)装迓暡▽傩詠磉M(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，而后對(duì)檢波距與偏移距進(jìn)行選定，并按照測(cè)線的數(shù)據(jù)來放置炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)，進(jìn)行有序的調(diào)整和排列，通過觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)來實(shí)現(xiàn)對(duì)地震數(shù)據(jù)的采集。

2)震波超前探測(cè)。

如今，國內(nèi)外地震超前預(yù)報(bào)技術(shù)中，通常所采用的是繁盛地震法，并且這種方法在隧道工程中的應(yīng)用較為廣泛。我國國內(nèi)在超前預(yù)報(bào)技術(shù)方面的方法也較多，有水平剖面法、負(fù)視速度法等。國外在震波超前探測(cè)技術(shù)方面相對(duì)更加完善，并且很多技術(shù)都已經(jīng)在全球范圍內(nèi)進(jìn)行推廣，比如瑞士的TSP203技術(shù)、美國的TRT，TSP技術(shù)等，這些地震偏移成像技術(shù)都是利用了地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)等方面的知識(shí)原理，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)施更加準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)。由于在煤礦勘探中，井下條件復(fù)雜多變，能夠進(jìn)行觀測(cè)的空間受到極大的限制，因而必須要在有限的空間來完成勘探工作，在巷道的內(nèi)部需要盡量多安置激發(fā)和接收點(diǎn)，從而能夠使相關(guān)的數(shù)據(jù)信息更加全面而豐富，提高煤炭勘探偵測(cè)的效果，從而更加全面的為煤礦開采提供便利條件。

3)瑞利波勘探。

瑞利波在激發(fā)界面周圍進(jìn)行傳播的面波，其工作方法是發(fā)出瑞利面波的信號(hào)，并對(duì)反饋回來的信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)已經(jīng)采集獲得的資料進(jìn)行處理，從而通過頻率面波來獲得相應(yīng)的速度VR與波長(zhǎng)λA，并根據(jù)離散分布曲線獲得巖層的土質(zhì)分析，使巖層分布結(jié)構(gòu)以及土層分析等相關(guān)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來。為了能夠更好的實(shí)施上述工作，在激發(fā)采集的方式上存在兩種類型，一是瞬態(tài)法，二是穩(wěn)態(tài)法。如今，在礦井作業(yè)的過程中通常所采用的都是瞬態(tài)瑞雷波法。通過瑞雷波勘探技術(shù)，能夠?qū)Φ叵?0 m以內(nèi)的巖層構(gòu)造以及地質(zhì)分布情況完成更好的成像，并且能夠有效彌補(bǔ)反射波勘探表層分辨能力弱的缺陷。

4)槽波勘探。

槽波地震勘探技術(shù)的原理是通過煤層中來進(jìn)行激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，能夠?qū)γ簩拥倪B續(xù)性進(jìn)行更加科學(xué)的勘探。槽波地震勘探的測(cè)距較大，并且精度非常高，同時(shí)擁有良好的抗電干擾能力。國內(nèi)外學(xué)者在槽波探測(cè)技術(shù)方面以及旁側(cè)構(gòu)造探測(cè)技術(shù)方面都取得了很多成績(jī)。此外，在CT成像技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)等方面也取得了階段性的進(jìn)展。

3 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)勘探主要是通過電性參數(shù)的差異性來進(jìn)行勘探的一項(xiàng)技術(shù)，由于地下介質(zhì)的介電常數(shù)、電阻率等電性參數(shù)有所不同，采用高頻電磁脈沖波的反射，來對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行勘探，從而能將地下巖層、水體、空洞等不均勻介質(zhì)的分布情況清晰地呈現(xiàn)出來。20世紀(jì)90年代至今，礦井地質(zhì)雷達(dá)已經(jīng)相繼在我國開灤、大同、平頂山等大型煤礦實(shí)施勘探作業(yè)，對(duì)近距離的巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行勘測(cè)分析更加直觀，獲得了良好的效果。

4 高密度電阻率法

電阻率法主要是基于巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性所形成的一項(xiàng)勘探技術(shù)，通過對(duì)地中穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行分析，從而能夠更加準(zhǔn)確的將一些地質(zhì)問題呈現(xiàn)出來。高密度電阻率法是以電阻率法為核心所形成的，相較于常規(guī)電阻率法所具有的優(yōu)勢(shì)在于其測(cè)點(diǎn)的密度更大，在極距和裝置形式方面相對(duì)更多，同時(shí)還能夠根據(jù)相關(guān)參數(shù)的比值來對(duì)異常信息進(jìn)行判定。比較常見的比值參數(shù)主要有兩種，一是采用溫納三電位電極系的α,β,γ裝置進(jìn)行測(cè)量后，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行組合所形成的；二是采用聯(lián)合三級(jí)裝置來進(jìn)行測(cè)量，而后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行組合所形成的。這兩種比值參數(shù)能夠?qū)⒏鞣N異常特征更加直觀的呈現(xiàn)出來，同時(shí)通過這些比值參數(shù)，還能夠?qū)Ω鞣N異常狀況進(jìn)行更好的判斷，具有一定的抑制干擾能力，對(duì)分解復(fù)合異常也能夠有所體現(xiàn)，這些也是常規(guī)電阻率法所無法實(shí)現(xiàn)的。

5 礦井瞬變電磁技術(shù)

礦井瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁法，這種探測(cè)技術(shù)同時(shí)也是非接觸式探測(cè)技術(shù)中的一種，其探測(cè)原理首次用電磁波來對(duì)空間斷面的大小進(jìn)行探測(cè)，第二次勘測(cè)使信號(hào)強(qiáng)度增加，也就是提高電磁波發(fā)射功率，使瞬變電磁法的強(qiáng)度增加，加大對(duì)順層以及垂直勘探的深度。不過，由于受到全空間磁場(chǎng)效應(yīng)以及巷道內(nèi)空間分布的影響，對(duì)瞬變電磁法形成極大的制約，因而需要通過數(shù)值模擬才能夠?qū)ΧS、三維地質(zhì)異常體所形成的響應(yīng)特征更加清晰地呈現(xiàn)出來，因而對(duì)于瞬變電磁技術(shù)的研究仍然有待進(jìn)一步深化。

6 無線電波透視技術(shù)

無線電波透視法也被叫做坑透法，指的是向地下地質(zhì)體發(fā)射高頻無線電波，由于受到地質(zhì)介質(zhì)的影響，無線電波的強(qiáng)度逐漸衰減，通過這種方式來對(duì)地質(zhì)異常體的位置和形態(tài)進(jìn)行勘探的方法。無線電波透視技術(shù)主要是在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷之間實(shí)施的，在巷道中設(shè)置接收體，對(duì)穿透地面的電磁波信號(hào)進(jìn)行接收，如果電磁波在穿透地下介質(zhì)的過程中，尤其是水構(gòu)造時(shí)，在接收點(diǎn)處所接收到的信號(hào)衰弱顯著。在采用多發(fā)射點(diǎn)以及多接收點(diǎn)的情況下，能夠較好的對(duì)地下地質(zhì)異常體的位置以及形態(tài)有更加清晰的認(rèn)識(shí)?？油阜ㄔ诋?dāng)前我國礦井中的使用比較普遍，在操作上也更為簡(jiǎn)單，對(duì)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)如斷層、含水裂隙、陷落柱、煤層變薄區(qū)等的探測(cè)效果非常顯著。

7 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，每天地球物理勘探技術(shù)所取得的成果非常顯著，對(duì)地下地質(zhì)的勘探精度更高，依托于我國強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，無論是勘探技術(shù)還是勘探人員的素質(zhì)都得到了大幅的提升，這些使勘探技術(shù)中的科技含量有所增加。如今，我國各大煤礦都在結(jié)合自身的實(shí)際情況來選擇更加合適的物探方法，對(duì)地下地質(zhì)進(jìn)行勘探也更加精準(zhǔn)，采用地震勘探手段能夠?qū)睖y(cè)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)育狀況、頂?shù)装鍘r性、煤層厚度等進(jìn)行更加全面的定位并成像，而采用磁法勘探技術(shù)則能夠?qū)γ簩踊馃齾^(qū)邊界進(jìn)行精準(zhǔn)的勘測(cè)。盡管我國物探技術(shù)在不斷發(fā)展，并且已經(jīng)進(jìn)入相對(duì)成熟的階段，然而與發(fā)達(dá)國家的物探技術(shù)相比仍然存在較大差距，在未來仍然需要進(jìn)行較高的投入，通過技術(shù)創(chuàng)新來不斷嘗試新的方法，并使之形成完整的技術(shù)體系，從而使地球物理勘探技術(shù)能夠更趨成熟，為煤田勘探和其他領(lǐng)域的地質(zhì)勘探提供更加全面的服務(wù)，并以此創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 中國煤田地質(zhì)總局.煤礦采取三維地震勘探經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[2] 武喜軍.煤礦采區(qū)三維地震勘探技術(shù)[J].物探與化探,2004(19)：21-23.

[3] 李翼蜀.煤田的地球物理勘探技術(shù)應(yīng)用和實(shí)踐[J].煤炭技術(shù),2012(21)：95-96.

Application of geophysical prospecting technology in coal mine field survey

Chen Mengmeng

(ShanxiCoalMineGeologyHydrologySurveyAcademy,Taiyuan030006,China)

The paper describes currant geophysical prospecting technology, methods and features, and illustrates multi-wave multicomponent seismic survey, high density mine resistivity method, mine transient electromagnetic method and geological radar and other methods, with a view to better predict hazardous geological factors.

coal mining, deep mine, hazardous geology, geophysical prospecting

1009-6825(2015)28-0086-03

2015-07-26

陳萌萌(1984- )，男，助理工程師

P631

A