中国煤矿资源勘察及开采过程中的物探技术现状及发展趋势

王晓蕾, 王 晶, 姬治岗, 郭向前, 蒋大鹏, 张 森

(1.吕梁学院矿业工程系, 吕梁 033000； 2.煤矿机械装备维护与检测试验吕梁市重点实验室, 吕梁 033000)

中国是一个煤炭大国,同时也是最大的煤炭消耗国,煤炭大量消耗的同时需要煤层的大量回采采,随着煤炭资源的大量回采,优势地质条件下的煤炭资源趋于殆尽。煤炭企业不得不开采劣势条件下的煤炭资源,特别是构造区下的煤炭资源[1-2]。

煤矿开采过程中面对的地质条件具有很大的不确定性,在一些复杂的地质构造区开采煤炭资源易引起煤矿灾害[3]。例如,突水、瓦斯事故、冲击地压、顶板事故等。严重威胁煤矿安全生产。特别是煤矿事故发生时,不但造成大量的经济损失,而且人员伤亡惨重,增加社会动荡[4-5]。

物探是很好的探测构造区的有效手段,对于预防煤矿事故具有重要意义。本文总结了构造区物探技术现状,分析了物探技术存在的不足,针对存在的问题,提出了未来构造区物探技术发展趋势。

1 瞬变电磁

瞬变电磁法也被称为时间域电磁法,它属于半空间瞬变电磁法[6]。它是通过不接地回线或者是接入地线源向地下发射脉冲磁场[7-9],在第一次发射期间利用磁探头观测地下介质引起的二次感应涡流场[10],通过瞬变电磁观测的数据获得整个地层的电阻率,该设备主要探测地下构造及地质特征[11],其探测原理如图1所示。

基于瞬变电磁微分方程设计了最小二乘约束反演算法,通过反演拟合异常场能获得异常体的中心坐标、倾角、尺寸等参数,实现异常体的空间定位。

(1)

式(1)中:E为电场强度,V/m；H为磁场强度,A/m；D为电位移矢量,C/m2；B为磁感应强度,Wb/m2；J为电流密度,A/m2；ρ为电荷的密度,C/m3；r为探测半径，m；t为时间，h。

王鹏[12-13]等采用地面—钻孔顺便电磁探测技术对采空区积水问题进行了研究。以陕西榆林某煤矿为试验矿井进行了采空区探测,该矿位于黄土高原。采用加拿大CRONE公司的PEM瞬变电磁仪进行分析。测试中设置管段时间为0.5 ms,电流为18 A,叠加64次,测线长度为32 m。根据实验得出其探测结果如图2所示。

图2 瞬变电磁探测结果[12-13]Fig.2 Transient electromagnetic detection results[12-13]

为了进一步分析瞬变电磁设备的准确性,采用物探进行验证,得出其钻探验证如图3所示。由图3可知,在约80 m处揭露了采空区,并有积水存在。说明地面瞬变电磁与实际情况符合,具有非常好的准确性。

图3 钻探验证结果[12-13]Fig.3 Drilling validation results[12-13]

赵家宏等[14]采用瞬变电磁对顶板岩层的富水情况进行了探测,并采用钻探进行了验证,该技术为防治水提供了科学依据；孙喆[15]采用瞬变电磁对布拉克煤矿富水情况进行了验证,圈定了异常区,为富水区域防治提供了依据。

2 地质雷达

地质雷达是一种高频率电磁波探测地质构造的勘探方法[16-17]。其电磁波可以穿透一定的深度,属于探地雷达[18]。其频率多为25～250 MHz。其组成主要分为两部分[19],地下部分由发射天线以及接收天线和放大器组成[20],地面部分由信号触发主机以及控制装置组成[21]。其系统由天线、三脚架、主机、电缆、显示装置组成[22]。其工作方式是向地下发射电磁波,利用电磁波在不同介质中传播的速度不同获取地层信息,从而解释地下构造[23]。

其探测发射功率越大,电磁波衰减时间越长,探测深度越远；主频越高,则单位时间电磁波反应越灵敏,即探测精度越高,地质雷达探测原理如图4所示。其探测原理方程为

(2)

李东亮等[24]等采用ZTR12地质雷达对晋城矿区地质特征进行了探测,分别采用200 MHz和50 MHz收发天线对目标体进行了分析,时窗选取500,采样点2 048个,采用收发天线平行式进行探测,间距为2 m,移动速度设置为0.2 m/s,测试长度共有50 m,其现场布置如图5所示。

试验过程中依据地质雷达探测流程对地质体进行物探观测,对于50、200 MHz时窗分别选择700、300进行分析,得出其探测结果如图6所示。

由图6可知,横坐标为移线距离,总左边为探测距离,200 MHz由上至下逐渐变浅,而对于50 MHz在16～18 m处比较明显,采用200 MHz主频地质雷达时能够准确分别出0.6 m地质异常体,采用50 MHz主频地质雷达时能够准确分辨出2 m的地质异常体。该地质雷达技术具有较高的准确度和较好的适应性。

图4 探测原理Fig.4 Detection principle

图5 现场施工示意图[25]Fig.5 Site construction schematic[25]

图6 地质雷达探测结果[26]Fig.6 GPR findings results[26]

王康等[25]采用探地雷达对山西某矿进行了探测,探测中选取50、200 MHz两种频率,实现了地质异常体的预报,经实际揭露,该方法能够有效探测地质异常体和异常体的探测距离；王晓蕾等[26]采用地质雷达对煤矿破碎区注浆效果进行了评价,通过地质雷达图能够清晰看到注浆后黑色条纹明显降低,具有非常好的直观性,为安全生产提供了支持。

3 三维地震

三维地震波是一种介质传到另外一种时[27],当波经过不同介质胶结处时会发生反射或者透射[28]。在弹性界面中,假如反射角等于入射角[29],同时入射角[30]、反射角[31]、透射波都具有相同的射线参数[32],在探测过程中,探测结果表示真实的地质构造的分辨率,主要分为纵向、横向分辨率[33]。

图7 探测示意图Fig.7 Detection diagram

三维地震分为一维、二维、三维(图7),其中三维地震波具有非常好的探测效果,因此在实际探测中多采用三维进行分析。

对于三维地震采集，其面元边长及覆盖次数为

(3)

式(3)中:bx、by分别表示纵波、横波方向面元的边长；φx、φy分别表示纵波、横波方向上的地层倾角；VRMS表示平方均根速度；fmax表示测试过程中最高频率；Nx、Ny分别表示纵波、横波的覆盖次数；n表示接线道数；dx表示移动道数；dy表示束线之间的道数；P表示激发点数；R表示接收的线数。

王飞[34]采用三维地震技术对霍西煤田整合矿井2号煤首采面进行了三维地震勘探,查明断层性质及延伸方向。该煤矿为整合矿井,地貌以黄土塬、梁、峁为主。井田内沟谷发育较好,首采面主采2号煤层,煤层厚度平均为1.2 m,顶板以泥岩为主,底板同样以泥岩为主,综合表浅层地质条件,勘探难度较大。勘探区共1.9 km2,布置11条探测线,设计放炮1 628个。在勘探区内选择两个试验点进行试验,地震控制的底板等高线如图8所示。

图8 煤层底板等高线[34]Fig.8 Contour of coal seam floor[34]

采用三维地震进行探测,沿走向明显的波状起伏,在平面上有背斜向斜相间的特点,煤层底板最浅部为700 m,最深为485 m。得出探测如图9所示。由图9可知,在勘探区东北部存在两处采空区,其变现为发射波消失或振幅变弱,其面积达到35 000 m2,在西北部发现一处采空区,其表现为反射波能量较强但形态异常,波形鼓起,有时相位反转,采空区面积为28 000 m2。

图9 三维地震探测数据图[34]Fig.9 3D seismic detection data map[34]

李江[35]采用高密度三维地震技术对煤田小断层和隐蔽性地质体进行了探测,以淮北矿区为勘探实践,详细论证了参数的选择依据,建立了观测系统,为地质观测提供了依据和参考；慕松利等[36]采用三维地震技术对河南照顾二矿进行了探测,利用数值模拟结合三维地震探测结果,采用立体预先加固技术,防治煤矿突水事故的发生,该方法能够很好的避免突水事故,验证了物探结果的研究与综合防治是可靠地。

4 瑞利波技术

瑞利波技术主要用于近地层的工程探测[37],瑞利波的两个技术包括：①传播过程中的频散特性；②传播速度与介质力学特征的紧密关系[38]。目前该技术主要有面波探测法和面波频谱观测法[39],对于第一种是改变激振器的频率获得不同的瑞利波[40],第二种主要是不同频段的相互叠加形成叠加后的瑞利波,便于进行物探异常区的解释[41]。

图10 多道瑞利波检波器组合Fig.10 Combination of multiple rayleigh wave detectors

瑞利波探测中,当探测前部地层时,采用小道间距,对于深部探测采用较大道间距,能够获得非常好的探测结果[42]。早起的瑞利波技术探测深度有限,随着技术的发展,结合多次覆盖理论,将传统的两通道接受仪器改成六通到的[43](图10)。进一步增强了频率成分能量[44],能够使得地质异常区明显的分不到探测结果上[45],判断结果大大提高,有利于探测深度的增加[46]。其探测相位差计算公式为

Δφ=2πfΔx/Vr

(4)

式(4)中:Δφ表示相位差；f表示发射过程中的频率；Δx表示某两个观测点之间的距离；Vr表示相速度。

赵朋朋[47]采用瑞利波技术山西某矿和河南某矿进行了探测。山西煤矿煤层厚度达5 m,探测区域365、1 440 m的矩形,采用单边探测,在3505进风巷道进行发生,3505回风巷接收信号。炮点布置间距为30 m,孔深最大布置为3 m,最小为2.5 m,其观测布置如图11所示。所有检波器采用分量接收,使用锚索转接装备,数据处理时省略两个分量,进行常规处理后进行反演,得出的数据图如图12所示。

由探测结果(图12)可知,探测区内明显存在3个能量异常区,为陷落柱,通过钻探进行验证,其中两个得到有效验证,与探测结果符合。

采用反射探测对河南某矿进行分析,该煤矿巷道720 m,煤层厚度最大为6.1 m,最小为5.5 m,勘探共激发20个,间距设置为20 m,孔深布置最大为3 m,最小为2.5 m,反演成像时,建立水平和竖直方向的成像,得到图13所示的探测图。

由图13可知,在走向长度为120 m处明显有地质异常区域,呈线性分布,为一断层,落差为2.5 m左右,与前期三维地质结果吻合。探测效果较好。

呼邦兵等[48]采用瑞利波技术对矿山煤巷迎头前方采空区震波传播规律进行了研究,建立了岩—每—岩地质模型,瑞利波技术科作为识别巷道采空区的有效波,能够精准探测；石永生[49]采用瑞利波技术对某矿1026工作面底板进行了探测,公布值了12个测点,探测方向垂直向下,得出底板最大破坏深度可达26.3 m,为超前应力突水预测提供了技术支持。

图11 观测布置系统[47]Fig.11 Observation ayout ystem[47]

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为异常区编号图12 探测数据图[47]Fig.12 Detection data map[47]

图13 反射探测数据图[47]Fig.13 Reflex detection data map[47]

5 高密度电阻率

高密度电阻率法是一种阵列勘探技方法[50-51],它主要以煤岩体导电性的差异进行区分地质,它分为集中式和分布式两种[52],与常规电阻率法完全一样,通过探测和研究人工建立的地下电场的分布规律来研究地质构造问题,其具有分辨率高、抗干扰能力强的优点[53]。

高密度电阻率法属于直流电法的范畴[54]。它是在常规电法勘探的基础上形成的,以煤岩体电阻率差异性变化为基础[55]。该技术相对于传统技术具有信息量大的特点,采用远程电极转化,实现数据的高效率采集,该测试方法一般为一次布置,可以很好地完成水平和竖直方向上的勘探,能够很好地反应煤岩体电阻率变化特征[56]。

测试中其电源为A、B两极向地下供应电源,同时测量电势差和电阻率[57],其计算公式为

ρs=kΔUMN/I

(5)

式(5)中:ρs表示地层测试电阻率；k表示设备的系数；ΔUMN表示A、B两极电势差；I为电流。

牟义等[58]采用高密度电阻法对煤矿采空区进行了探测,改煤矿主采2-2煤层和4-1煤层,煤层埋深分别是60、110 m,采用分布式高密度电阻率法进行探测,勘探区如图14所示。试验中采用倒三角的布置方式,随着探测深度逐渐增大,设计布置探测线8条,探测线间距为60 m,探测点间距为10 m,其探测布置如图15所示。测试过程中采用不同的供电电压以及不同的测试距离对物探进行分析,得出了偶极装置反演电阻率断面如图16所示。

为了更好地解释剖面探测结果,采用二维曲线进行分析,得出二维曲线如图17所示。由图17可知,260 m处的曲线为相对高阻,而500 m处的剖面曲线为正常电阻率,通过已知资料对比分析可知,260 m处的曲线下方为含水层。而500处曲线的下方为正常煤岩体,该数据能够很好地反映地质特征。

图14 勘探范围[58]Fig.14 Scope of exploration[58]

图15 剖面测试布置[58]Fig.15 Profile test layout[58]

图16 偶极装置反演电阻率断面[58]Fig.16 Dipole device inverts resistivity section[58]

为了更立体地反映地质情况,采用三维立体结果进行分析,得出的结果如图18所示。由图18探测区域立体切片图可知,采空区视电阻率比正常煤岩层要大很多,高视电阻率特征明显,从“点、线、面、体”等多个方位均可较好对应,通过类比,可识别未知采空区。

庄儒新等[59]采用高密度电法探测了大盈江隐伏断裂,结合探槽开挖结果对高密度电法探测进行了验证,确定了断裂的走向,表明该方法是一种简单易行的方法,为灾害预报预测提供依据；罗聪等[60]采用高密度电法对顶板岩溶通道进行了探测,得出了剖面,理论和实践证明该方法是一种比较好的方法,具有非常良好的效果,是采矿排水的高效技术方法。

图18 探测区域立体切片[58]Fig.18 Detection area stereo slice[58]

6 槽波探测

槽波探测技术是由F.F.埃维逊于1955年提出来的一种激发和接收煤层波的新方法[61]。该技术认为煤层波是频散波。1963年T.C.克雷通过推导和试验证明了槽波频散关系,该技术是在井下煤层中进行的[62],直接探测煤层中的地质构造,是目前分辨率最高的探测技术[63],其探测原理是煤层密度小、震速低的特点,在煤层中形成了一个夹层,当激发地震时,产生地震波,这两种波包括S和P。其中S又包括SH和S波两种,当波传到上下边界时被反射或折射到煤层中,形成槽波[64]。

含煤系中,通常情况下煤层密度小于上下顶底板密度[65],地震波在煤层中传播速度小,是一个明显的低速波,当这种地震波经过多次反射叠加,通过煤层进行制导,将形成槽波[66]。这种波只在煤层中传播,当工作面存在地质构造时,波传动将发生中断。通过另一面的检测波将记录下来。通过图像判断地质构造[67]。其探测原理如图19所示,数据处理流程如图20所示。

牛园园[68]采用槽波探测技术对辛置煤矿工作面构造进行了探测,推测出陷落柱的准确位置,为工作面回采提供了指导。辛置煤矿10-425工作面主采10号煤层,煤层平均厚度2.9 m,顶底板岩层均较厚,地表无建筑物,无积水体。探测采用德国设备进行分析,采样长度2 048 ms,间距1/8 ms。共布置107个测点,设置间距10 m,检波器以及若干检波点具体布置如图21所示。

图19 槽波探测原理图Fig.19 Channel wave formation schematic

图20 数据处理流程Fig.20 Flow chart of data processing

图21 检波器与检波点布置图[68]Fig.21 Layout of geophone and geophone[68]

根据工作面探测结果,得出探测作业时共计放炮85次,接收到75次,将原始原始记录进行处理得到探测结果如图22所示。由图22可知,工作面前方约900 m的位置处为低速区,该区域可能为陷落柱,工作面前方570～580 m的区域为断层破碎带区域。最后采用揭露技术对这两处地质进行了验证,证实了槽波技术的准确性。

李江华等[69]采用槽波探测技术对晋城北部诳语安全隐患进行了预测预报,提出了曹波地震精细化探测技术,提高了信噪比,为煤矿安全生产提供了技术参考。

7 无线电波坑透技术

无线电波坑透技术又被称为电波透视技术[70],其工作原理是不同岩体和煤体有不同的电性参数[71]。当电波在煤岩体中传播时,岩体和煤体所吸收的能量不同[72],对于低电阻率其具有较高的吸收作用,而对于高电阻率时其吸收的强度减弱[73]。当电波沿着构造或者裂缝传播时会发射折射或反射[74],会损失电磁波,导致巷道中仪器接收不到信号,因此,该区域被称为异常区[75]。其接收与发射方式如图23所示。

探测过程中其发生的强度变化计算公式为

H=H0e-βr/r

(6)

图22 探测数据图[68]Fig.22 Detection data map[68]

图23 探测收发方式Fig.23 Detection of transceiver mode

式(6)中:H为发射点距离的强度；r为发射点的半径；H0表示为电磁波发射的初始强度；β为不同煤岩体的吸收系数。

吴斌强[76]采用坑透技术对地质异常体进行了进行了探测,查明了工作面煤层结构。实施的坑透区标高最大为232 m,煤层平均厚度为4.50 m,煤层平均倾角16°。煤层较破碎,由于受采动影响原生裂隙均被破坏,同时产生了次生裂隙。工作面进风巷煤层较薄,对于切巷由东向西煤层逐渐变厚,由最初0.8 m增加厚度5.5～7.3 m。根据工作面地质特征布置探测网如图24所示。

在工作面进风巷布置发射机,在回风巷布置接收机。发生的无线信号通过工作面发射到对面巷道,有接收机进行接收。采用中国科学院WKT型防爆坑头装置,工作频率为0.5 MHz,探测如图25所示。

图24 探测网布置[76]Fig.24 Survey network layout[76]

图25 探测结果[76]Fig.25 Detection data[76]

由图25可知,勘探范围内存在两个异常区(K1、K2),低于K1异常区范围较小,主要为裂隙发育的反映,K2异常区范围较大,横穿工作面,主要为没掩体破碎、裂隙发育的综合反映。对于其他区域相对比较稳定。无线坑头技术能够准确探测地质不良体,其具有理论成熟、仪器轻便、施工快速,对工作面内部地质异常体的定位效果较好的优点。

娄杰等[77]采用无线电坑透技术对矿井构造进行了研究,准确预测了构造位置,为安全生产提供了依据,具有很好的效果；郭光裕[78]采用该技术对煤矿中的陷落柱进行了勘探,为煤矿安全生产提供技术支持。

8 矿井物探存在问题

虽然矿井物探技术已经有了较大的提高,但随着中国煤炭资源的大量回采,浅埋深以及良好地质条件下的煤炭资源已趋于殆尽,煤炭企业不得不开采劣势地质条件下的煤炭资源,对于未来物探技术面临新的挑战,存在以下问题[79-81]。

(1)目前中国物探技术发展比较落后,探测设备及配套软件基本上为国外进口,自主研发方面不足,特别是适应中国复杂地质条件下以及深部开采阶段的物探仪器更是屈指可数。

(2)应用技术领先理论。对于新方法和新技术都是在基础理论上发展起来的,中国矿井物探技术注重于实际应用,而对于基础理论的研究非常欠缺,这就导致中国自主研发技术存在不足,因此,理论研究必须得到重视。

(3)物探技术对于埋深一定条件下的精度较高,而随着中国煤炭资源的不断开采,深部必然增大,因此,需要提高大深度探测的精度问题。

(4)随着开采深度的增大,突水以及煤与瓦斯突出事故概率增大,对于以上地质灾害,缺少成熟可靠的解释手段。

9 结论与展望

物探技术是为了了解煤矿井下存在的地质异常体,对于煤矿安全生产具有重要意义,其技术研究一直处于热点方向,未来物探技术的发展主要集中在如下三个方面[79-81]。

(1)精度高、探距大、分辨力强。目前物探技术存在精度不高、探测距离有限,分辨力不强的劣势,对于物探效果影响较大,影响物探最终解释,其未来应向精度高、探距大、分辨力强的方向发展。

(2)智能化探测技术。智能化工作面已在中国大范围普及,将传统的物探技术与智能化开采相结合,在开采与掘进的过程中实时进行探测,并能实时解释物探结果,能够大大提高煤矿生产效率。

(3)协同观测及耦合分析。随着地质条件进一步复杂,探测过程中应开展多种物探技术耦合研究,克服单一物探技术的局限性,结合裂隙、渗流、地球物理场的耦合分析,完善观测方法与技术,研制新型物探技术。