礦井地質(zhì)異常體多場聯(lián)合探測技術(shù)體系及實踐分析

占文鋒

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042)

1 煤田地球物理勘探技術(shù)特點分析

煤炭資源在地殼中分布受地質(zhì)構(gòu)造條件控制，賦存條件各異，物性條件多變，勘探深度變化大，從數(shù)米到一千多米，給煤田地球物理勘探增加了難度[1]。隨著高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)或陸續(xù)投產(chǎn)，既要求建井前在地面選擇適宜的手段進行普查，詳查及勘探，為采區(qū)規(guī)劃設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù)。又要求在采區(qū)開采前，在井下查明工作面內(nèi)地質(zhì)異常體的類型及空間展布特征[2]。地質(zhì)異常即便規(guī)模再小，如不及時查明，可能會導(dǎo)致采掘系統(tǒng)布局不合理，甚至影響工作面的持續(xù)開采和礦井水害的有效防治，更甚者危及整個礦井安全[3]。目前，我國煤礦水害防治堅持“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的基本原則，這就要求煤礦在采掘前進行詳細(xì)地質(zhì)勘查，對可能的地質(zhì)隱患采用物探、鉆探等進行綜合探查及相應(yīng)治理。物探技術(shù)因其快速、經(jīng)濟、方便的特點，在煤炭資源勘查及隱蔽致災(zāi)隱患探查方面應(yīng)用越來越廣[4]。

物探方法利用地殼中存在物理性質(zhì)不同的地質(zhì)體或分界面，通過天然場或人工場，在空中、地面、礦井或鉆孔內(nèi)，進行采集、處理、分析物理場變化規(guī)律，進而推斷解釋地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)分布情況。然而，各類物探技術(shù)所利用的物理特征決定了其適用條件和范圍，不同物探方法具有不同優(yōu)勢的同時，也具有不同缺點，僅靠單一物探方法往往具有局限性。如地震方法測量參數(shù)為反射、折射、透射地震波旅行時間，表現(xiàn)的是地下巖石密度、彈性模量和剪切模量等特性，它們決定地震波傳播速度，因此具備較強的分層能力，但對是否充水反映不明顯，即使運用高分辨三維地震勘探，要精確查明測區(qū)內(nèi)全部地質(zhì)異常仍極其困難；電法測量電壓、電位等參數(shù)，表征的物理場是電導(dǎo)率等，受接地條件及體積效應(yīng)影響較大；地質(zhì)雷達探測分辨能力強但深度有限；瞬變電磁法存在金屬支護及電纜影響較大，接收線圈與發(fā)射線圈的互感效應(yīng)，對低阻異常反應(yīng)靈敏，淺部存在勘探盲區(qū)等問題[5]。對巷道前方構(gòu)造及異常探測方法較多，但探測精度受井下三維空間與環(huán)境限制，準(zhǔn)確定位難度很大，目前還沒有一種地球物理方法可以準(zhǔn)確地探測預(yù)報與力學(xué)性質(zhì)和含水性質(zhì)均有關(guān)的地質(zhì)異常。因此，選用物探方法時，要深入研究勘查對象物性條件、埋藏深度、測區(qū)所處的地形地質(zhì)條件及物性差異，才能有針對性的解決勘探問題[6](表1)。

表1 常用煤田物探方法及其適用條件、解決地質(zhì)問題一覽表

2 異常體多場聯(lián)合探測技術(shù)體系

物探技術(shù)的不斷發(fā)展，使現(xiàn)代礦井開采基本能夠做到作業(yè)按計劃、效率達設(shè)計、安全有保障，再結(jié)合鉆探和礦井地質(zhì)分析，已初步形成了煤田開采地質(zhì)保障體系的雛形[7]。地面物探主要任務(wù)之一是在建井階段，為采區(qū)規(guī)劃設(shè)計和先期采區(qū)設(shè)計提供詳細(xì)的地質(zhì)依據(jù)；二是在生產(chǎn)礦井中為工作面、井巷工程合理布置和采煤工藝的選擇提供詳細(xì)地質(zhì)資料[8]。井下物探一般在采掘巷道內(nèi)進行，以煤系中斷層、采空區(qū)、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造或異常體為主要探測對象，分辨率高，運用靈活，但多數(shù)情況下須考慮全空間及現(xiàn)場環(huán)境問題[9-10]。因此，綜合選用多種物探手段在地面或礦井下開展工作是煤田地球物理勘探工作的首選。盡管所有物探方法其手段都是間接的，存在多解性和不完備性，但采用不同物探方法進行綜合探測時，根據(jù)同一異常體引起的構(gòu)造、電磁場或地溫場等物性差異變化，利用同源異場聚焦作用，定性與定量相結(jié)合，取長補短，可有效消除單一物探方法的多解性，提高探測精度。

近年來,許多學(xué)者開展了大量綜合物探相關(guān)研究工作。路拓等采用礦井地震反射波法探測斷層的位置和形態(tài)，利用礦井瞬變電磁技術(shù)確定斷層的富水情況，該方法組合兼顧構(gòu)造位置及富水性的探測，降低其多解性．同時結(jié)合鉆探技術(shù)，實現(xiàn)導(dǎo)(含)水?dāng)鄬拥亩喾椒ā⒍鄥?shù)綜合精細(xì)探測技術(shù)[11]。李宏杰等運用三維地震勘探和井下瞬變電磁探測法，探討井上、井下立體綜合探測斷層和陷落柱等隱蔽地質(zhì)構(gòu)造，查明了異常區(qū)的位置、分布范圍和富水情況[12]。肖樂樂等根據(jù)井下巷道現(xiàn)場工作環(huán)境，采用礦井三維高密度超前探測技術(shù)、礦井瞬變電磁超前探測技術(shù)，對掘進巷道前方斷層富水帶進行綜合探測并對比分析[13]。郝宇軍開展礦井TEM及鉆孔激發(fā)極化法綜合探測采空區(qū)水害技術(shù)研究[14]。袁德鑄采用礦井遠(yuǎn)距離聲波超前探測法和直流電法的綜合物探技術(shù)，對焦作煤業(yè)集團趙固二礦掘進巷道隱伏含水構(gòu)造進行了超前探測[15]。張德輝等利用高密度電阻率法結(jié)合瞬變電磁法，對弓長嶺露天礦采空區(qū)進行了精準(zhǔn)探測，實現(xiàn)了探測技術(shù)的優(yōu)勢集成[16]。楊振威等利用并行網(wǎng)絡(luò)直流電法和地震反射共偏移法探查華北某煤礦西六采區(qū)陷落柱發(fā)育特征及其賦水性，對陷落柱的電性特征及結(jié)構(gòu)進行研究[17]。代鳳強通過地面瞬變電磁法與井下音頻電透視技術(shù)探查了工作面頂板上方富水異常區(qū)的分布范圍及相對強弱[18]。付天光利用采用淺層二維地震法和瞬變電磁法對神木縣某煤礦采空區(qū)分布范圍及其積水情況進行綜合物探[19]。張長明將瞬變電磁技術(shù)和礦井音頻電透視技術(shù)結(jié)合使用探查陽煤集團五礦8403工作面煤層底板巖層的賦水情況[20]。代松等針對淮南潘三礦地質(zhì)異常體測區(qū)具有大面積塌陷積水和倒塌房屋的干擾等因素制約的特殊場地條件，提出在井下調(diào)研、三維地震資料重新分析的基礎(chǔ)上采用大深度瞬變電磁法和SYT勘探法相結(jié)合的綜合物探勘測方法[21]。

以上研究從不同應(yīng)用角度，探討了煤田地質(zhì)異常體綜合探測技術(shù)方法，但尚未有機結(jié)合形成統(tǒng)一的方法體系。論文在前人工作基礎(chǔ)上，按所利用物理場、觀測對象、探測深度和觀測空間四個維度，建立煤田綜合探測技術(shù)方法如圖1所示。

該綜合探測技術(shù)體系以地質(zhì)分析為先導(dǎo)，針對不同性質(zhì)探測目標(biāo)，選擇合適的物探技術(shù)手段及其組合方式進行數(shù)據(jù)采集。借助先進的探測技術(shù)手段、現(xiàn)代計算機快速建模及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，由深及淺、由粗到細(xì)，對礦井地質(zhì)情況快速查明，根據(jù)探測結(jié)果進一步驗證，得到更為可靠的規(guī)律性認(rèn)識，為探測成果的解譯提供理論指導(dǎo)。

在選擇物探方法時，根據(jù)探測目標(biāo)(結(jié)構(gòu)構(gòu)造異常或富水性異常)、探測位置(工作面內(nèi)、頂?shù)装?、掘進迎頭等)、探測深度(<30m、30～100m、100～800m、>800m)不同，選擇不同的物探方法及其組合方式。如對于礦井掘進迎頭的超前探測，可采用礦井直流電法+礦井瞬變法+礦井多波地震(或礦井瑞雷波法)開展綜合探測工作，而針對淺部勘探盲區(qū)問題，可配以地質(zhì)雷達開展工作。根據(jù)掌握的地質(zhì)規(guī)律，對物探結(jié)果作出合理解釋。若地質(zhì)條件正常，則繼續(xù)施工；若存在地質(zhì)災(zāi)害隱患，則采用鉆探技術(shù)驗證并處理，確保安全施工。隨著施工的推進，揭露的地質(zhì)資料越豐富，隨時將新揭露的地質(zhì)資料納入數(shù)據(jù)庫，修正對工程穿越地質(zhì)體的規(guī)律性認(rèn)識，提高地質(zhì)探測及災(zāi)害預(yù)測預(yù)報的精度。

以上方法流程基本能夠滿足煤田地質(zhì)異常體綜合探測需要，但也應(yīng)適當(dāng)考慮各煤礦礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)等實際工作程度，以及各礦井具體的地質(zhì)、構(gòu)造、水文情況及現(xiàn)場環(huán)境條件，合理選擇物探方法及組合方式。

圖1 煤田綜合探測技術(shù)體系流程圖Figure 1 Coalfield integrated geophysical prospecting system technical flow

3 掘進工作面多場聯(lián)合探測實踐分析

某礦巷道掘進過程中，為查明迎頭前方100m范圍內(nèi)富水性及60m范圍內(nèi)構(gòu)造情況，選用礦井瞬變電磁法、礦井直流電法和礦井地震波法在掘進迎頭開展綜合超前探測。巷道揭露的地質(zhì)情況如下。

①煤層情況：煤厚，4.2 m；煤層結(jié)構(gòu)，較復(fù)雜；煤層傾角，8°～10°。

②煤層頂?shù)装澹?老頂(直接頂)，K2石灰?guī)r或泥巖，8.33 m厚，灰色厚層灰?guī)r、含煤不結(jié)核條帶及生物碎屑；直接底，泥巖、砂質(zhì)泥巖，2.98 m厚，灰黑色砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，深灰色鋁土質(zhì)泥巖。

3.1 礦井瞬變電磁法探測

礦井瞬變電磁法在掘進迎頭斷面沿水平和垂直兩個方向開展探測，兩條測線十字交叉布置。每條測線中發(fā)射框、接收框同步由-180°向180°偏轉(zhuǎn)，每偏轉(zhuǎn)15°獲得一個測點數(shù)據(jù)。圖2、圖3分別為水平方向和垂直方向視電阻率等值線擬斷面圖， 其有效探測距離100m，淺部存在28m左右的盲區(qū)。圖中不同色標(biāo)表示視電阻率大小，由藍(lán)色到紅色表示視電阻率不斷升高。

從水平方向探測結(jié)果分析，顯示三處明顯低阻異常區(qū)(見圖2)，低阻異常1距迎頭大于60m，低阻異常2距迎頭大于70m，低阻異常3距迎頭大于75m。垂直方向探測結(jié)果(圖3)同樣顯示三處低阻異常區(qū)，但分布范圍和規(guī)模較小。結(jié)合水平方向和垂直方向探測結(jié)果分析，距巷道迎頭正前方80m處，均顯示低阻異常反映，結(jié)合地質(zhì)資料及現(xiàn)場施工環(huán)境分析，推測為富水性異常。

3.2 礦井直流電法

礦井直流電法設(shè)計供電電極A1，A2，A3間距為4m，測量電極M、N間距為4m，供電電極A1距掘進頭約14m，測量電極M、N依次移動30次，每組M、N測量電極對應(yīng)A1，A2，A3三個供電電極，共計90個測點數(shù)據(jù)，圖4為直流電法超前探測剖面圖，有效探測深度100m，橫坐標(biāo)表示距離掘進頭深度，不同顏色色標(biāo)表示視電阻率大小，由藍(lán)色到紅色表示視電阻率逐漸增大。由圖4分析，距離掘進迎頭100m范圍內(nèi)，存在兩處低阻異常顯示。低阻異常1、低阻異常2分別位于掘進頭前方約28m和85m處，結(jié)合地質(zhì)資料及現(xiàn)場施工環(huán)境分析，推斷為富水性裂隙。

3.3 礦井地震波法

采用錘擊震源，為盡可能使得地震波能量傳播至巷道前方,將觀測系統(tǒng)布置于巷道迎頭，在迎頭斷面采用單點自激自收反射波法,以小偏移距進行數(shù)據(jù)采集。圖5為掘進頭超前地震波法解譯剖面，圖中橫坐標(biāo)表示探測距離，縱坐標(biāo)表示振幅大小，有效探測距離60m。由圖2可知，距離掘進迎頭32～40m處，出現(xiàn)明顯的異常反射波，推斷為構(gòu)造異常區(qū)。

3.4 綜合驗證分析

經(jīng)礦方探放水施工驗證，分別于掘進迎頭前方26m和82m處揭露兩處構(gòu)造裂隙帶，最大涌水量約5m3/h和16m3/h。綜合分析可知，礦井地震波法對構(gòu)造異常反映靈敏，但由于多采用錘擊震源，能量有限，探測深度受到一定限制。瞬變電磁法對低阻異常反映敏感，能對掘進迎頭前方180°范圍內(nèi)進行扇形掃描，有效探測深度達到100m， 但受自身方法所限，淺部存在20m左右的勘探盲區(qū)。礦井直流電法能對掘進迎頭前方100m范圍內(nèi)低阻異常進行有效探測，但亦受方法所限，僅能對迎頭正前方進行探測，且視域較窄，對其它方向的異常探測無能無力。由此可見，充分發(fā)揮三種超前物探方法的優(yōu)點，優(yōu)勢互補，可取得較好的勘探效果。

圖2 水平方向探測視電阻率擬斷面圖Figure 2 Horizontal prospecting apparent resistivity pseudosection

圖3 垂直方向探測視電阻率擬斷面圖Figure 4 Vertical prospecting apparent resistivity pseudosection

圖4 礦井直流電法超前探測剖面圖Figure 4 Coalmine direct current advanced prospecting section

圖5 單點反射波法地震解譯剖面Figure 5 Single-shot reflection seismic interpretation section

4 結(jié)論與建議

(1)從探測對象、探測位置、探測深度和場源特征四維角度，論述了常見煤田物探方法適用條件及主要解決地質(zhì)問題，提出了煤田地質(zhì)異常體綜合探測技術(shù)思路。

(2)在前人工作基礎(chǔ)上，形成煤田地質(zhì)異常體綜合探測技術(shù)體系。該綜合探測技術(shù)流程以地質(zhì)分析為先導(dǎo)，根據(jù)探測目標(biāo)(結(jié)構(gòu)構(gòu)造異?；蚋凰援惓?、探測位置(工作面內(nèi)、頂?shù)装?、掘進迎頭等)、探測深度(<30m、30～100m、100～800m、>800m)不同，采用不同的物探方法及其組合方式。由深及淺、由粗到細(xì)，對礦井地質(zhì)情況快速查明，再結(jié)合鉆探進行驗證，查明地質(zhì)隱患類型、位置及分布范圍，為安全生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

(3)根據(jù)煤田地質(zhì)異常體綜合探測技術(shù)流程，選用相應(yīng)物探組合方法應(yīng)用于巷道掘進迎頭構(gòu)造及富水性探測，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，充分發(fā)揮不同超前物探方法的優(yōu)點，取得了較好的勘探效果。