矿井地质异常体多场联合探测技术体系及实践分析

占文锋

(北京工业职业技术学院，北京 100042)

1 煤田地球物理勘探技术特点分析

煤炭资源在地壳中分布受地质构造条件控制，赋存条件各异，物性条件多变，勘探深度变化大，从数米到一千多米，给煤田地球物理勘探增加了难度[1]。随着高产高效矿井的建设或陆续投产，既要求建井前在地面选择适宜的手段进行普查，详查及勘探，为采区规划设计提供地质依据。又要求在采区开采前，在井下查明工作面内地质异常体的类型及空间展布特征[2]。地质异常即便规模再小，如不及时查明，可能会导致采掘系统布局不合理，甚至影响工作面的持续开采和矿井水害的有效防治，更甚者危及整个矿井安全[3]。目前，我国煤矿水害防治坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的基本原则，这就要求煤矿在采掘前进行详细地质勘查，对可能的地质隐患采用物探、钻探等进行综合探查及相应治理。物探技术因其快速、经济、方便的特点，在煤炭资源勘查及隐蔽致灾隐患探查方面应用越来越广[4]。

物探方法利用地壳中存在物理性质不同的地质体或分界面，通过天然场或人工场，在空中、地面、矿井或钻孔内，进行采集、处理、分析物理场变化规律，进而推断解释地质构造和矿产分布情况。然而，各类物探技术所利用的物理特征决定了其适用条件和范围，不同物探方法具有不同优势的同时，也具有不同缺点，仅靠单一物探方法往往具有局限性。如地震方法测量参数为反射、折射、透射地震波旅行时间，表现的是地下岩石密度、弹性模量和剪切模量等特性，它们决定地震波传播速度，因此具备较强的分层能力，但对是否充水反映不明显，即使运用高分辨三维地震勘探，要精确查明测区内全部地质异常仍极其困难；电法测量电压、电位等参数，表征的物理场是电导率等，受接地条件及体积效应影响较大；地质雷达探测分辨能力强但深度有限；瞬变电磁法存在金属支护及电缆影响较大，接收线圈与发射线圈的互感效应，对低阻异常反应灵敏，浅部存在勘探盲区等问题[5]。对巷道前方构造及异常探测方法较多，但探测精度受井下三维空间与环境限制，准确定位难度很大，目前还没有一种地球物理方法可以准确地探测预报与力学性质和含水性质均有关的地质异常。因此，选用物探方法时，要深入研究勘查对象物性条件、埋藏深度、测区所处的地形地质条件及物性差异，才能有针对性的解决勘探问题[6](表1)。

表1 常用煤田物探方法及其适用条件、解决地质问题一览表

2 异常体多场联合探测技术体系

物探技术的不断发展，使现代矿井开采基本能够做到作业按计划、效率达设计、安全有保障，再结合钻探和矿井地质分析，已初步形成了煤田开采地质保障体系的雏形[7]。地面物探主要任务之一是在建井阶段，为采区规划设计和先期采区设计提供详细的地质依据；二是在生产矿井中为工作面、井巷工程合理布置和采煤工艺的选择提供详细地质资料[8]。井下物探一般在采掘巷道内进行，以煤系中断层、采空区、陷落柱等地质构造或异常体为主要探测对象，分辨率高，运用灵活，但多数情况下须考虑全空间及现场环境问题[9-10]。因此，综合选用多种物探手段在地面或矿井下开展工作是煤田地球物理勘探工作的首选。尽管所有物探方法其手段都是间接的，存在多解性和不完备性，但采用不同物探方法进行综合探测时，根据同一异常体引起的构造、电磁场或地温场等物性差异变化，利用同源异场聚焦作用，定性与定量相结合，取长补短，可有效消除单一物探方法的多解性，提高探测精度。

近年来,许多学者开展了大量综合物探相关研究工作。路拓等采用矿井地震反射波法探测断层的位置和形态，利用矿井瞬变电磁技术确定断层的富水情况，该方法组合兼顾构造位置及富水性的探测，降低其多解性．同时结合钻探技术，实现导(含)水断层的多方法、多参数综合精细探测技术[11]。李宏杰等运用三维地震勘探和井下瞬变电磁探测法，探讨井上、井下立体综合探测断层和陷落柱等隐蔽地质构造，查明了异常区的位置、分布范围和富水情况[12]。肖乐乐等根据井下巷道现场工作环境，采用矿井三维高密度超前探测技术、矿井瞬变电磁超前探测技术，对掘进巷道前方断层富水带进行综合探测并对比分析[13]。郝宇军开展矿井TEM及钻孔激发极化法综合探测采空区水害技术研究[14]。袁德铸采用矿井远距离声波超前探测法和直流电法的综合物探技术，对焦作煤业集团赵固二矿掘进巷道隐伏含水构造进行了超前探测[15]。张德辉等利用高密度电阻率法结合瞬变电磁法，对弓长岭露天矿采空区进行了精准探测，实现了探测技术的优势集成[16]。杨振威等利用并行网络直流电法和地震反射共偏移法探查华北某煤矿西六采区陷落柱发育特征及其赋水性，对陷落柱的电性特征及结构进行研究[17]。代凤强通过地面瞬变电磁法与井下音频电透视技术探查了工作面顶板上方富水异常区的分布范围及相对强弱[18]。付天光利用采用浅层二维地震法和瞬变电磁法对神木县某煤矿采空区分布范围及其积水情况进行综合物探[19]。张长明将瞬变电磁技术和矿井音频电透视技术结合使用探查阳煤集团五矿8403工作面煤层底板岩层的赋水情况[20]。代松等针对淮南潘三矿地质异常体测区具有大面积塌陷积水和倒塌房屋的干扰等因素制约的特殊场地条件，提出在井下调研、三维地震资料重新分析的基础上采用大深度瞬变电磁法和SYT勘探法相结合的综合物探勘测方法[21]。

以上研究从不同应用角度，探讨了煤田地质异常体综合探测技术方法，但尚未有机结合形成统一的方法体系。论文在前人工作基础上，按所利用物理场、观测对象、探测深度和观测空间四个维度，建立煤田综合探测技术方法如图1所示。

该综合探测技术体系以地质分析为先导，针对不同性质探测目标，选择合适的物探技术手段及其组合方式进行数据采集。借助先进的探测技术手段、现代计算机快速建模及数据处理技术，由深及浅、由粗到细，对矿井地质情况快速查明，根据探测结果进一步验证，得到更为可靠的规律性认识，为探测成果的解译提供理论指导。

在选择物探方法时，根据探测目标(结构构造异常或富水性异常)、探测位置(工作面内、顶底板、掘进迎头等)、探测深度(<30m、30～100m、100～800m、>800m)不同，选择不同的物探方法及其组合方式。如对于矿井掘进迎头的超前探测，可采用矿井直流电法+矿井瞬变法+矿井多波地震(或矿井瑞雷波法)开展综合探测工作，而针对浅部勘探盲区问题，可配以地质雷达开展工作。根据掌握的地质规律，对物探结果作出合理解释。若地质条件正常，则继续施工；若存在地质灾害隐患，则采用钻探技术验证并处理，确保安全施工。随着施工的推进，揭露的地质资料越丰富，随时将新揭露的地质资料纳入数据库，修正对工程穿越地质体的规律性认识，提高地质探测及灾害预测预报的精度。

以上方法流程基本能够满足煤田地质异常体综合探测需要，但也应适当考虑各煤矿矿井地质、水文地质等实际工作程度，以及各矿井具体的地质、构造、水文情况及现场环境条件，合理选择物探方法及组合方式。

图1 煤田综合探测技术体系流程图Figure 1 Coalfield integrated geophysical prospecting system technical flow

3 掘进工作面多场联合探测实践分析

某矿巷道掘进过程中，为查明迎头前方100m范围内富水性及60m范围内构造情况，选用矿井瞬变电磁法、矿井直流电法和矿井地震波法在掘进迎头开展综合超前探测。巷道揭露的地质情况如下。

①煤层情况：煤厚，4.2 m；煤层结构，较复杂；煤层倾角，8°～10°。

②煤层顶底板： 老顶(直接顶)，K2石灰岩或泥岩，8.33 m厚，灰色厚层灰岩、含煤不结核条带及生物碎屑；直接底，泥岩、砂质泥岩，2.98 m厚，灰黑色砂岩、砂质泥岩、泥岩，深灰色铝土质泥岩。

3.1 矿井瞬变电磁法探测

矿井瞬变电磁法在掘进迎头断面沿水平和垂直两个方向开展探测，两条测线十字交叉布置。每条测线中发射框、接收框同步由-180°向180°偏转，每偏转15°获得一个测点数据。图2、图3分别为水平方向和垂直方向视电阻率等值线拟断面图， 其有效探测距离100m，浅部存在28m左右的盲区。图中不同色标表示视电阻率大小，由蓝色到红色表示视电阻率不断升高。

从水平方向探测结果分析，显示三处明显低阻异常区(见图2)，低阻异常1距迎头大于60m，低阻异常2距迎头大于70m，低阻异常3距迎头大于75m。垂直方向探测结果(图3)同样显示三处低阻异常区，但分布范围和规模较小。结合水平方向和垂直方向探测结果分析，距巷道迎头正前方80m处，均显示低阻异常反映，结合地质资料及现场施工环境分析，推测为富水性异常。

3.2 矿井直流电法

矿井直流电法设计供电电极A1，A2，A3间距为4m，测量电极M、N间距为4m，供电电极A1距掘进头约14m，测量电极M、N依次移动30次，每组M、N测量电极对应A1，A2，A3三个供电电极，共计90个测点数据，图4为直流电法超前探测剖面图，有效探测深度100m，横坐标表示距离掘进头深度，不同颜色色标表示视电阻率大小，由蓝色到红色表示视电阻率逐渐增大。由图4分析，距离掘进迎头100m范围内，存在两处低阻异常显示。低阻异常1、低阻异常2分别位于掘进头前方约28m和85m处，结合地质资料及现场施工环境分析，推断为富水性裂隙。

3.3 矿井地震波法

采用锤击震源，为尽可能使得地震波能量传播至巷道前方,将观测系统布置于巷道迎头，在迎头断面采用单点自激自收反射波法,以小偏移距进行数据采集。图5为掘进头超前地震波法解译剖面，图中横坐标表示探测距离，纵坐标表示振幅大小，有效探测距离60m。由图2可知，距离掘进迎头32～40m处，出现明显的异常反射波，推断为构造异常区。

3.4 综合验证分析

经矿方探放水施工验证，分别于掘进迎头前方26m和82m处揭露两处构造裂隙带，最大涌水量约5m3/h和16m3/h。综合分析可知，矿井地震波法对构造异常反映灵敏，但由于多采用锤击震源，能量有限，探测深度受到一定限制。瞬变电磁法对低阻异常反映敏感，能对掘进迎头前方180°范围内进行扇形扫描，有效探测深度达到100m， 但受自身方法所限，浅部存在20m左右的勘探盲区。矿井直流电法能对掘进迎头前方100m范围内低阻异常进行有效探测，但亦受方法所限，仅能对迎头正前方进行探测，且视域较窄，对其它方向的异常探测无能无力。由此可见，充分发挥三种超前物探方法的优点，优势互补，可取得较好的勘探效果。

图2 水平方向探测视电阻率拟断面图Figure 2 Horizontal prospecting apparent resistivity pseudosection

图3 垂直方向探测视电阻率拟断面图Figure 4 Vertical prospecting apparent resistivity pseudosection

图4 矿井直流电法超前探测剖面图Figure 4 Coalmine direct current advanced prospecting section

图5 单点反射波法地震解译剖面Figure 5 Single-shot reflection seismic interpretation section

4 结论与建议

(1)从探测对象、探测位置、探测深度和场源特征四维角度，论述了常见煤田物探方法适用条件及主要解决地质问题，提出了煤田地质异常体综合探测技术思路。

(2)在前人工作基础上，形成煤田地质异常体综合探测技术体系。该综合探测技术流程以地质分析为先导，根据探测目标(结构构造异常或富水性异常)、探测位置(工作面内、顶底板、掘进迎头等)、探测深度(<30m、30～100m、100～800m、>800m)不同，采用不同的物探方法及其组合方式。由深及浅、由粗到细，对矿井地质情况快速查明，再结合钻探进行验证，查明地质隐患类型、位置及分布范围，为安全生产提供可靠的地质依据。

(3)根据煤田地质异常体综合探测技术流程，选用相应物探组合方法应用于巷道掘进迎头构造及富水性探测，实现优势互补，充分发挥不同超前物探方法的优点，取得了较好的勘探效果。