煤矿物探技术发展现状与展望

高宇平

（大同煤矿集团有限责任公司，山西大同037003）

1 引言

煤炭工业是我国国民经济的基础产业，目前煤炭在我国一次能源生产和消费结构中占50%左右，2020年我国原煤产量将达到40亿t。我国煤矿开采地质条件复杂，煤矿水害严重，严重制约了煤矿的安全生产。实现煤矿集约化安全高效开采前提是精准探测煤矿地质构造和查明各类灾害因素，保障煤矿安全生产的当务之急是进行煤矿采区综采工作面优化布置和预防煤矿各类灾害事故的发生。采用有效的煤矿物探技术查明各类地质构造和水害发生因素是当前煤矿地质工作的必备手段。

从1954 年8 月中国第一支煤炭电法测量队成立（煤炭部煤炭地质司），到1992年中国煤矿第一支槽波地震队（大同矿务局）成立，煤矿物探技术从科研单位走入勘探单位，并逐步迈入企业；国内多位学者和煤矿现场物探工作者从不同的角度对我国煤矿物探技术的发展进行了综合分析和研究[1]。中国煤炭地质总局方正(1994)等对我国煤炭物探从起步到90年代的发展历史作了回顾，重点论述了煤炭测井技术、煤炭电磁法以及煤炭地震勘探的技术现状与特点；左德坤、李天元等开始对煤矿井下物探研究，特别是开展了矿井槽波地震、无线电波坑道透视技术推广应用；刘天放、李志丹、楚绍良等对矿井物探技术进行了分类和总结（1992）；张平松等(2002)对矿井巷道超前探测技术的方法原理与应用情况进行了总结；高宇平、李武俊等（1998)相继开展了无线电波透视技术的研究，使其基础理论不断完善，新仪器、新装备以及资料处理与解释方法不断进步，特别是电磁波层析成像技术的运用取得显著地质效果，成为各个矿区探明回采工作面内陷落柱、断层及煤层变薄带的主要物探手段之一；中国煤炭地质总局赵育台(2003)回顾了新中国煤炭电法勘探从无到有的发展历程，探讨了煤炭电法勘探的市场需求与服务领域；谢和平等提出对深部岩层复杂构造和诱发工程灾害源点的精细探测理论与技术，特别是煤矿在多场多相耦合作用下瓦斯、水、地温、冲击地压等煤矿地质灾害问题探查技术开发；中国煤炭科工集团西安研究院韩德品等(2009)通过回顾矿井物探的发展历程，分析总结了国内外矿井物探技术的分类与特点、研究现状与应用成果；中国煤炭科工集团西安研究院程建远和石显新(2013)基于新时期煤炭物探与矿井物探技术的突出进展，提出了以嵌入式地球物理服务为标志的煤矿安全生产地质保障模式，给出了加快我国煤田物探技术发展的对策与建议；岳建华等（2016）对中国煤炭电法勘探36年发展进行了回顾；武强等（2018）已将多种有效煤矿物探方法列入《煤矿防治水细则》相关目录；这些研究工作为煤矿物探技术的发展和更有效应用、保证煤矿安全生产提供了保障。

2 煤矿物探技术分类

地球物理学是应用物理学的方法来研究地球（从物理学的角度研究地球内部及其周围环境的科学）。分为固体地球物理学、大地测量学、空间物理学和大气物理学。固体地球物理学包括：大地测量与重力测量、地震学、地磁学、地电学、地热学、大地构造物理学、地球年代学、宇宙地质学和应用(勘探)地球物理学。应用地球物理（亦称地球物理勘探，简称物探）。

物探按空间分类包括：星遥感地球物理勘探、航空地球物理勘探、海洋地球物理勘探、地面地球物理勘探、钻孔地球物理勘探（测井)、矿井地球物理勘探；按对象分类包括：石油地球物理勘探、煤田地球物理勘探、金属与非金属地球物理勘探、水文与工程地球物理勘探；按方法分类包括：重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、放射性勘探、地热勘探。

矿井地球物理勘探（简称矿井物探）：是以研究煤层及其围岩的某种物性（电性、弹性、密度、磁性及放射性等）为基础，由于研究的物性不同，因而有不同的勘探方法。矿井物探方法多种多样，主要有：

（1）电法类：矿井直流电法勘探，矿井瞬变电磁法勘探；无线电波透视法；矿井地质雷达；音频电透视。

（2）地震及声波探测：槽波地震勘探；矿井瑞利波勘探；矿井岩体声波探测等。

（3）其它物探方法： 巷道微重力测量；放射性勘探；红外线遥测、温度测量等。

矿井物探从施工场所分类为：地面物探和井下物探。

矿井地面物探主要方法有：三维地震勘探、面波勘探、直流电法（包括高密度电法）、瞬变电磁、CSAMT（可控源音频大地电磁测深）等方法；矿井井下物探主要方法有：槽波地震、面波勘探、坑道无线电波透视、直流电法（包括高密度电法）、瞬变电磁、音频电磁测深和透视、地温测量等方法。

3 矿井地面物探

矿井地面物探主要解决采区范围内的地质构造探测和水害范围探查工作。

3.1 采区范围内的地质构造探测

主要方法有：三维地震勘探、包括高密度电法、瞬变电磁、CSAMT（可控源音频大地电磁测深）等方法。

数字矿山矿井地质条件保障系统是以基础地质资料和物探成果综合分析量化预测预报先导，结合井下钻探、巷探资料，同时依托龙软等先进的地理信息系统精准的预测预报地质构造，进行综采工作面的优化布置，同时对影响生产的各类地质灾害制定有效的治理措施，实现煤矿安全生产全过程地质工作的动态管理。因此采区范围内综合物探技术对地质构造的精准探测是重中之重。

采区三维地震勘探：就是利用人工激发的地震波在地下传播过程中遇到不同波阻抗差异地质体界面反射后，根据反射波在能量、速度、频率的变化不同，来探测地质异常体。该方法具有对目标体横向、垂向分辨率高，地质体定性、定量、定位准的特点，是目前探查地质小构造、小窑采空区的首选方法。

特别是针对大同煤田两纪煤田上部侏罗纪小窑采空破坏严重，对下部石炭纪煤田地质构造探测影响严重的特点，通过多年科研攻关和实践同煤集团和多家科研及施工单位，成功实现了上覆多层采空区下的下伏煤层地质构造的精准探测。目前同煤集团在多个千万吨级矿井建设和生产期间采用三维地震为主的综合物探技术取得了良好探测效果；马道头矿井在建设期间结合，缩短了矿井建设周期2年完成建井，实现当年投产当年达产的同煤速度；潘家窑矿井结合三维地震资料及时修改矿井设计,为矿井建设提供了准确的地质资料。

三维地震勘探要求施工单位设备精良、技术人员业务精、专业化水平高；存在问题是：施工队伍庞大、隐患排查费用高、施工队伍素质、环境影响大、施工周期长等因素。

图1 马道头矿二盘区三维地震探测振幅属性图

图2 马道头矿二盘区三维地震探测DF27断层时间剖面图

图3 云冈矿11#层311盘区三维地震探测小窑采空区采区CSAMT（可控源音频大地电磁测深）探测

可控源音频大地电磁法（CSAMT）：采用可控音频人工场源，分频探测地下不同深度地质目标体感应电磁场变化特征来探测地质异常体。目前实际主要应用电性源可控源音频大地电磁测深法。该方法具有勘探深度大、抗干扰能力强、垂向分辨率高的优点，是煤矿井田基地构造、含水岩溶体、含水构造探测的有效方法之一。

缺点是施工复杂，效率低，目标体横向分辨率低。

图4 塔山矿二盘区CSAMT探测陷落柱

图5 CSAMT探测十里河断层

采用直流电法（高密度电法等）探测采区地质构造和小窑采空区：

机理是利用供给大地直流电场因探测目标体影响产生发生畸变，来识别地质异常，对高阻异常体敏感。如：各类高阻岩体、采空区等。该方法具有施工效率高、隐患排查速度快、对目标体垂向分辨率高的特点，是目前工程地质探查小窑采空区的首选方法。

存在问题是：野外地形影响大、探测深度浅等。

图6 马脊梁液压车间高密度探测小窑采空区6线断面图

3.2 采区范围内的采空积水区探测

瞬变电磁法：又称时间域电磁法，是交流电法勘探技术之一。机理是利用大地或探测目标体内部产生感生的二次涡流，来识别地质异常，主要寻找低阻异常体。如：金属矿、含水体等。该方法具有野外地形影响小、施工效率高、隐患排查速度快的特点，是目前探查小窑采空积水区的首选方法。

存在问题是：浅部探测区存在盲区，对目标体垂向分辨率差。

图7 四台矿410盘区瞬变电磁探测小窑采空积水区

4 矿井井下物探

井下物探由于仪器防爆要求，通常功率较小，探测长度有限，但是井下物探有着探测距离近、体积效应小，异常体探测精度高的特点。井下由于在全空间条件下开展探测工作，通常要考虑全空间效应，即探测工作要考虑煤层顶底板及左右空间地质体影响，只有排除其它方向异常可能性基础上，才能确定地质异常体具体规模和位置。比如，中煤王家岭煤矿水患事故中，由于没有考虑电场全空间影响，造成误判，导致水患事故发生。结合全空间思想，同煤集团下发了《坑道无线电波透视操作规程》、《矿井电法超前探操作规程》。

4.1 矿井瞬变电磁法

与地面瞬变电磁方法一样，机理也是利用大地或探测目标体内部产生感生的二次涡流，来识别地质异常，主要寻找低阻异常体。如：金属矿、含水体等。该方法在井下具有施工效率高、隐患排查速度快的特点，是目前有掘必探物探工作有效方法之一，也可以探测底板奥灰水富水情况。存在问题是：0 到十几米存在探测区盲区，受井下电器设备、金属支护影响较大，对目标体垂向分辨率差。

图8 马脊梁矿井下超前瞬变电磁探测小窑采空积水区

存在问题：矿井瞬变电磁法的正-反演方法研究滞后，巷道影响与全空间效应问题没有得到有效解决，空间指向性好没有理论依据；多匝重叠小回线装置视电阻率计算仍然存在问题；数据处理系统简单理论依据不足；在仪器研发方面，国内很多厂家瞬变电磁仪的研制与国外仪器相比，工艺与性能稳定性等方面仍有很大差距。

4.2 矿井井下直流电法

机理是利用供给大地直流电场因探测目标体影响产生发生畸变，来识别地质异常，对高阻异常体敏感。如：各类高阻岩体、采空区等。该方法具有施工效率高、隐患排查速度快、对目标体距离确定准确的特点，是目前有掘必探、顶上方和底板下方含水构造、采空区有效探测方法。

存在问题是：井下工作量相对较大、探测深度浅，工作效率低等。

图9 树儿里矿井下超前直流电法探测小窑采空积水

4.3 矿井槽波地震

利用仅在煤层中激发和传播并在煤层中接收的一种地震导波对不同地质异常体衰减特性来查明地质小构造。主要用于采区和综采工作面地质小构造的探测。

图10 忻州窑矿井下东二盘区槽波地震探测断层

该方法具有对目标体距离确定准确的特点，是采区、工作面小构造有效探测方法。目前TSP 超前探测技术已广泛应用于公路、铁路隧道超前探测工作中，取得了一定效果，但在煤矿中应用还存在很多问题；利用槽波技术结合体波数据进行综合勘探相信一定能够取得突破性进展。

存在问题是：施工效率低、隐患排查速度慢、井下工作量相对较大等。

目前制约槽波地震勘探工作因素较多急需进行技术装备和方法进步：

（1）震源：由于煤矿安全形式日益严峻，火工品管理更加严格，地震勘探专用雷管、炸药使用十分不便，特别是煤矿机械化程度不断提高，雷管、炸药使用量逐步减少，因此迫切需要研制专门非爆炸震源（如机械振动震源等），做到安全、高效、轻便、实用。

（2）通讯：由于目前仪器道数不断加大，仪器系统更加复杂，施工时仪器间通讯、人员间通讯更加复杂困难，为了提高效率应开发适合煤矿井下条件的通讯系统，与煤矿以太网做到实时联接，提高工作效率。

（3）数据处理解释系统：开发适合煤矿井下实时处理解释系统，提高工作效率。

（4）结合体波进行综合性勘探解释：透射时可利用纵波初至进行弹性波CT成像、横波弹性模量计算了解围岩视密程度等。

（5）利用槽波技术进行超前探测。

4.4 矿井井下无线电波坑道透视

由工作面一条巷道发射电磁波，另一条巷道接收，由于各种岩石电性的不同，低阻岩层对电磁波具有较强的吸收作用，产生阴影异常，从而探测出各类构造和煤层变化情况。

图11 云冈矿12＃层410盘区81003工作面探测陷落柱

该方法具有施工效率高、隐患排查速度快、对目标体距离确定准确的特点，是目前综采工作面下构造有效探测方法。

存在问题是：井下电器干扰较大、探测精度有待提高等。

4.5 矿井井下直流电透视法

直流电透视法与井下电磁波坑道间透视法(坑透法)类似，它把供电电极和测量电极分别布置在采煤工作面两相邻巷道中，采用直流供电，研究两巷道间工作面内的电场变化规律，探测工作面内部及其顶底内的含水、导水构造异常。常用的直流电透视装置形式如图12所示。

图12 枣庄矿7507工作面直流电透视CT图

该方法具有施工简单、隐患排查速度快、对目标体距离确定准确的特点，是目前综采工作面底板下构造有效探测方法。

存在问题是：井下电器干扰较大、施工效率低等。

4.6 矿井井下地温测量

地下不同深度地层随着深度增加地温按照一定梯度增加，因此测量井下涌水点的温度与已知矿井区域地温梯度值对比，可以判断井下涌水点水源深度，从而确定涌水点水源性质，为煤矿防治水提供可靠依据。

塔山8228 工作面奥灰突水工作面出水点水温29℃，高于煤层地温梯度22℃值，因此初步判断为奥灰突水，结合水文孔水位降深达39 m，确定奥灰突水，由于制定抢险方案科学合理，抢险及时有效，避免了矿井重大水害事故发生。

该方法简单实用，结合其它方法可以准确用于抢险救灾和日常安全管理工作中。

图13 塔山矿3-5#煤层等温线图

多年来，同煤集团通过不断的试验与推广应用，煤矿物探技术有了长足进步，也为煤矿安全生产提供了保障，在地面应用三维地震、CSAMT、瞬变电磁等技术解决了许多安全生产急需解决的难题，在井下无线电波坑道透视、槽波地震、直流电法等也取得了良好的探测效果，保证了煤矿安全生产。

5 煤矿矿井物探目前存在问题

一是矿井物探技术正处于推广应用期间，许多理论问题需要完善，如槽波地震，现在瑞利波理论研究尚不成熟，而现场施工又不符合拉夫波勘探原理，数据处理简单，因而解释成果与现场揭露情况出入较大，是目前制约槽波地震应用的主要因素；超前瞬变电磁理论尚需进一步完善，目前无法满足现场探测工作需要；二是由于防爆要求，许多物探设备在煤矿应用受到限制，造成探测距离有限，或精度无法满足各种探测目的要求；三是煤矿物探技术数据处理软件相对不成熟，没有形成系列化、标准化系统，数据处理时间长，效率低；四是煤矿工作环境恶劣，物探工作者劳动强度大，仪器适应性差，无法满足煤矿急需的快速、高效、精准探测需要。

同时煤矿物探技术由于各种原因造成准确率低的问题，当部分专家学者认为目前的煤矿物探技术有效率达70%时，却与煤矿现场统计不足20%的统计数据形成鲜明的反差，用“三个先生”来形容，可以很形象的说明这种现象，即：“风水先生”、“东郭先生”、“物探先生”；由于煤矿现场物探专业人员匮乏，许多不懂物探、甚至是披着专业教授外衣的“风水先生”通过各种渠道，大行欺骗之道，更有通过种种腐败手段占有煤矿物探市场，可想而知根本不可能使煤矿物探有效解决问题；还有部分物探工作者不求甚解的“东郭先生”，现场不严格把关，不了解煤矿现场随意处理与解释，根本不能得到有效的探测效果；仅剩少部分专业素质高，责任心强的“物探先生”，通过认真把关、结合煤矿现场，得出符合客观实际的探测结果，有效率达才能70%；总体算来与现场统计比较相符。可见加强煤矿现场对物探施工队伍甄别，建立“黑名单”制，驱除“劣币”，十分必要，否者只剩下“劣币驱良币”；更需要煤矿本身加强廉政教育，严惩腐败，杜绝“风水先生”和“东郭先生”的进入，保证有效的物探技术应用于煤矿安全生产。

6 煤矿物探技术展望

6.1 提高从业人员素质

煤矿物探是一门专业性极强技术工作，要求从业人员有极高的专业知识、认真负责的工作态度、吃苦耐劳的工作作风、锲而不舍的钻研韧性，求真务实的敬业精神，只有这样才能当好“物探先生”，使煤矿物探技术更好地服务煤矿安全生产。

煤矿要加大企业地质技术人员的煤矿物探技术知识培训，提高地质技术人员物探专业水平；制定完善的管理规定，杜绝“风水先生”和“东郭先生”参与煤矿安全生产工作，整体提高企业地质从业人员物探技术水平；同时要加大廉政建设，严惩腐败滋生带来劣质物探工程的管理者。

6.2 提高企业科技创新能力

二十一世纪是科技创新爆发式发展的新时代，大数据、人工智能给煤矿物探技术发展带来了新的发展机遇；一方面煤矿物探勘探的技术发展离不开煤矿安全生产的实际需求，也促使煤矿物探需结合自身特有的方法和技术体系要加大与科研单位和院校的协作，以煤矿急需的物探课题为主导，加大科研经费投入，鼓励企业物探技术人员开展现场新技术推广应用工作。

课题1：

大数据和人工智能技术应用将是煤矿物探提高工作效率和准确性的有效途径，研制大批国产化、自动化、智能化、轻便化的具有人工智能和大数据交换的物探设备和数据处理系统，把物探技术人员从危险、繁重的井下一线体力劳动中解放出来，使他们有更多的时间和经历用于复杂的分析、处理和解释工作中，做到快速、及时、准确地探测和预测预报地质构造和各类灾害，保证煤矿安全生产；

课题2：

建立探测与监测并举的新型煤矿物探体系，把以往的单纯探测工作向安全生产监测工作靠拢，以矿山物联网装备为基础，井上、下联合（各类物探传感器提前埋置于生产现场），建立地下水实时动态监测系统，有效预测预报煤矿突水事故的发生，建立瓦斯以及顶底板破坏有关的实时动态监测系统，在煤矿安全生产全过程中实时进行监测预报，提高煤矿对各类灾害的预警和防范。

课题3：

提高煤矿电法技术研究水平，加大理论研究力度，特别是井下全空间理论研究；建立地面多通道电磁法勘探系统、矿井多分量瞬变电磁法、矿井矢量电阻率法、地面-巷道、井-地电阻率法与瞬变电磁法的研究，提高煤矿电法勘探的探测精度；将二代小波变换、滤波处理、求梯度或曲面磨光以及瞬变电磁信号的拟地震波场处理等技术应用到煤矿电法勘探的数据处理中，有效压制各类干扰，突出异常；研究与工程有关的露天煤矿老窑采空区探测、剥离层结构探测、软岩巷道围岩结构探测；研究与环境有关的生态脆弱区环境承载力评价与监测、矿区生态环境(土壤和地下水系统)、修复与评价。

课题4：

深入研究无线电波坑道透视技术，以相位应用为突破口，在传统振幅特性应用基础上，采用多频点、不同相位特征综合分析，提高探测工作面内地质异常体与煤层变薄带的解释精度。

课题5：

深入研究矿井槽波地震技术，震源方面：由于煤矿安全形式日益严峻，火工品管理更加严格，地震勘探专用雷管、炸药使用十分不便，特别是煤矿机械化程度不断提高雷管、炸药使用量逐步减少，因此迫切需要研制专门非爆炸震源，做到安全、高效、轻便、实用；通讯方面：由于目前仪器道数不断加大，仪器系统更加复杂，施工时仪器间通讯、人员间通讯更加复杂困难，为了提高效率应开发适合煤矿井下条件的通讯系统，与煤矿乙太网做到实时联接，提高工作效率；数据处理解释系统方面：开发适合煤矿井下实时处理解释系统，提高工作效率；结合体波进行综合性勘探解释，如透射时可利用纵波初至进行弹性波CT成像、横波弹性模量计算了解围岩致密程度等；利用槽波技术进行超前探测，目前TSP 超前探测技术已广泛应用于公路、铁路隧道超前探测工作中，取得了一定效果，但在煤矿中应用还存在很多问题；利用槽波技术结合体波数据进行综合勘探相信一定能够取得突破性进展。

课题6：

加强有掘必探物探工作研究水平，以钻孔物探技术应用为突破口，采用综合勘探技术：直流电法、瞬变电磁、声波等新型技术解决超前探测难题；有效探测出老空水、灰岩水和砂岩裂隙水等主要水害水源。

课题7：

加强煤矿三维地震技术研究，特别是大同双纪煤田，上部侏罗纪多层采空区下石炭纪煤田各类地质构造的精细探测，以三维三分量技术、多波应用研究为突破口，采用全方位、大偏移距、高覆盖次数以及多处理手段开展三维地震工作，更好地服务于煤矿安全生产。

总之，煤矿物探技术发展方兴未艾，随着计算机技术发展、大数据、人工智能应用，通过煤矿“物探先生”们的不懈努力，煤矿物探技术应用的春天一定会到来，煤矿安全技术水平将会有质地提升。