高突矿井地质异常体快速精细探测技术

温亨聪，李学臣，温英明

（焦作煤业（集团）有限责任公司科学技术研究所，河南焦作 454002）

我国部分矿井为煤与瓦斯突出矿井，水文地质条件复杂，煤层及顶底板岩层内断层、褶曲、破碎带等地质构造区不均衡分布，其附近的煤岩体往往破碎、位移、起伏变化、完整性缺失，极易形成瓦斯异常带、应力集中区和构造煤发育区，随采掘活动的进行，容易发生瓦斯事故[1-2]。为保障煤矿的安全生产，矿井采掘工作面急需探明煤岩层中易发生灾害事故的断层、裂隙等地质异常体，为矿井生产设计、灾害治理提供依据[3]。

目前，国内外对矿井地质构造探测通常采用钻探法、无线电坑透法和地震法等[4]。其中，钻探法具有结果直接、准确的优点，多应用于各种灾害防治工程，缺点是探测距离有限、控制区域多呈点线状范围较小、工程量大、施工周期长、费用高、影响矿井生产进度；无线电坑透勘探方法优点是技术成熟、仪器轻便、施工高效、资料处理解释快速、异常定位效果较好，缺点是只能探查采煤工作面内部的地质构造分布信息，且存在边缘区域分辨率下降、探测精度一般、异常范围易扩大化和抗电干扰能力弱等问题；地震勘探方法优点是探测距离大、分辨率高、准确率高、抗电干扰能力强、最终成果直观，多用于工作面内部及外围地质构造异常体探查，缺点是随着瓦斯或高突矿井采区向深部延伸，煤层瓦斯含量增大，物探施工时多次放炮的安全风险和隐患逐步增大，促使地震法在高突矿井勘探时必须减少炮点及炸药量并严格按照矿井相关放炮规程进行作业，导致其在高突矿井适用范围减小甚至不再适用[5-7]。

1 方法原理

1）地震法。地震法对地质异常体的探测属于反射法地震勘探范畴，通常采用回波测量原理，其原理是在巷道侧帮指定的震源点，利用机械或炸药等震源激发产生地震波，并在煤岩层中以球面波形式传播，当遇到断层、岩石破碎带、煤厚变化带和岩性界面等物性界面时，一部分信号反射回来、一部分信号折射进入探测方向前方介质，反射回来的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收。通过分析反射波的能量强弱、相位等各种信息特征即可判断探测区域内的断层、破碎带、岩性界面等的性质及其分布状况[9]。反射法地震勘探原理图如图1。

图1 反射法地震勘探原理图Fig.1 Reflection method seismic exploration schematic diagram

2）无线电坑透。无线电坑透勘探是基于高频无线电波在地下不同介质中传播时的差异性衰减特征来判断介质特征[10]。电磁波在地下介质中传播时，断层、破碎带和陷落柱等地质异常体界面可造成电磁波的反射和折射，造成能量损耗，形成电磁波能量的强衰减区域，通过分析各衰减区的范围、强弱等特点并结合地质资料进行综合判断，就可推断和解释出工作面内部存在的断裂构造带位置、圈定陷落柱和薄煤带等的岩性变化范围。

2 技术工艺

高突矿井地质异常体快速精细探测技术综合应用了以锤击激发为震源、以短排列滚动式探测为基础的便携式震法和高密度精细无线电坑透法2 种勘探技术，融合地震勘探灵活、准确率高、分辨率高和无线电坑透勘探施工便捷、快速高效的优点，研发了便携式震法勘探、保障式全面勘探、精细高效对比勘探等创新工艺。

2.1 便携式震法勘探工艺

便携式震法勘探工艺是在传统矿井地震法的基础上，结合锤击激发为震源、滚动式短排列探测为测量方式等震法优化工艺而形成的一种改进勘探方法。以锤击激发为震源，可以有效解决传统放炮震源地震勘探技术难以在高突矿井应用的技术瓶颈，消除井下物探施工时放炮给高突矿井带来的安全隐患，为高突矿井的地质异常体探测领域作出重要突破[11]。滚动式短排列探测方式通过有效的相位对比与追踪可获得反射界面的位置，其基于反射波勘探原理中的反射共偏移法，在单边排列的基础上选定最佳偏移距（即最佳反射窗口），采用多道叠加小步长顺移前进观测系统，同时应用小道间距的偏移成像技术，通过多道接收，在给定速度等参数后将地震时间剖面转换成空间剖面，实现增强有效波、压制干扰波的目的，滚动式短排列探测示意图如图2。

图2 滚动式短排列探测示意图Fig.2 Schematic diagram of rolling short array detection

2.2 保障式全面勘探工艺

保障式全面勘探以高密度无线电坑透法和便携式震法为手段精细探查工作面内部及外围100 m范围内煤岩层中裂隙、断层等地质构造分布信息，做到工作面内、外全覆盖，分析地质异常体（如落差大于1/2 平均煤厚的断层、小于1/2 平均煤厚的煤层变薄区、煤层异常增厚区和长轴大于15 m 的陷落柱等）对工作面回采的影响性和威胁性，为矿井灾害防治方案的制定提供依据。

2.3 精细高效对比勘探工艺

精细高效对比勘探是高密度无线电坑透快速普查式探测和便携式震法重点精细化探测的高效组合应用，先利用无线电坑透法对整体目标区域进行普查式探测，圈出重点、难点异常区域，再利用便携式震法对重难点区域实施精细对比探测，可大幅度节省施工时间、提高物探成果的精细度和可靠性，确保地质异常体的高效、精细探测。

高密度精细无线电坑透勘探采用的是坑道电磁波法中的定点法，其具有定点发射，多点接收的特点：探测时发射机的位置在一定的时间内相对固定，接收机在一定的范围逐点观测其场强值，是井下常用的观测方法，尤其对形状不规则工作面的探测效果明显，高密度定点法示意图如图3。

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图3 高密度定点法示意图Fig.3 Schematic diagram of high density fixed-point method

采用这种观测方法，通过加密发射点距和接收点数，提高射线叠加密度，同时在勘探区首尾两侧区域加密布置探测点，力求勘探射线布满整个勘探区域，减少空白区，并能运用两巷定点交汇法，根据坑透综合曲线图，具体确定地质异常体的性质和空间位置及大小。

3 技术优势

1）锤击为震源，消除安全隐患。便携式震法以锤击激发为震源、以滚动式短排列探测为测量方式，可以有效解决传统放炮震源地震勘探技术难以在高突矿井应用的技术瓶颈，消除井下物探施工时放炮给高突矿井带来的安全隐患。

2）内外全覆盖，完善地质信息。保障式全面勘探综合应用高密度无线电坑透法和便携式震法，能够精细探查工作面内部及外围100 m 范围内煤岩层地质异常体的分布情况，做到工作面内、外全覆盖，完善地质异常体的延伸分布、发育变化等地质信息，综合分析地质异常体对工作面的影响性和威胁性，保障矿井的安全生产。

3）重难点分区探测，保障物探高效、准确。精细高效对比勘探以高密度无线电坑透快速普查式探测和便携式震法重点精细化探测为抓手，实施重难点分区探测：先利用无线电坑透法对整体目标区域进行普查式探测，圈出重点、难点异常区域，再利用便携式震法对重难点区域实施精细对比探测，节省施工成本和时间、提高物探成果的精细度和可靠性，确保地质勘探工作更加高效、准确。

4 工程实例

焦作煤业（集团）有限责任公司古汉山矿1704工作面煤层瓦斯含量高，煤岩层附近断层、裂隙等地质异常体发育。根据1704 工作面巷道掘进资料显示，该工作面切眼已揭露1 条正断层F1522，倾角70°，落差2.7 m；运输巷揭露1 条正断层F1521，倾角32°，落差0.7 m，2 条断层均向工作面内部延伸。工作面回采前急需查明工作面内可能存在的断层、陷落柱、薄煤带等地质异常体的赋存状况及煤厚变化情况，圈定煤层中异常体的位置与范围，为工作面的灾害治理及安全顺利回采提供参考依据。

4.1 施工布置

本次1704 工作面地质异常体探测采用重难点分区探测，先利用无线电坑透法对整体目标区域进行普查式探测，圈出重点、难点异常区域，再利用便携式震法对重难点区域实施精细对比探测。

4.1.1 高密度无线电坑透探测施工布置

高密度无线电坑透勘探加密了发射点距和接收点数，发射点距为30 m，接收点距为10 m，每个发射点对应15 个接收点，完成探测区域为520 m（走向）×190 m（倾向），高密度无线电坑透勘探布置图如图4。

图4 高密度无线电坑透勘探布置图Fig.4 High density radio wave perspective exploration layout

4.1.2 便携式震法探测施工布置

针对高密度无线电坑透法圈出的重点、难点异常区域，矿方分别在1704 工作面切眼里帮、回风巷下帮、运输巷上帮及运输巷下帮4 处区域实施便携式震法精细对比探测，施工时采用单边排列多道叠加小步长顺移前进观测系统，激发点和接收点呈线性排列布置，逐点锤击激发、多道接收。4 处区域震法施工均采用滚动式短排列探测为测量方式，每个排列布置1 个锤击点和6 个检波器点，1 点激发6道同时接收，锤击点与第1 个检波器的间距（最小炮间距）为5 m，检波器间距（道间距）为5 m；1 个排列施工完毕后平移5 m 进行下1 个排列施工，2 个排列锤击点的间距（移动步距）为5 m，炮检距、道间距等参数均相同，以此类推完成每处现场数据采集，便携式震法勘探布置图如图5。

图5 便携式震法勘探布置图Fig.5 Portable seismic exploration plan

4.2 勘探结果

4.2.1 高密度无线电坑透探测结果

古汉山矿1704 工作面的无线电波透视勘探成果图如图6。

图6 中电磁波能量衰减程度由弱到强依次为红色、黄色、绿色和蓝色等。电磁波衰减越明显（颜色越蓝）表示该处存在断层、陷落柱、裂隙发育区、薄煤区等地质异常体的可能性越大。可以看出，勘探范围内存在1 个坑透异常区，标记为K1，属于电磁波能量较高强度吸收区，异常范围中等，结合已知地质资料和坑透异常特点分析认为：此异常区主要系煤岩层断裂破碎、裂隙发育区或煤层变薄区的综合反映。

图6 无线电波透视勘探成果图Fig.6 Results of radio wave perspective exploration

4.2.2 便携式震法探测结果

古汉山矿1704 工作面的便携式震法勘探成果图如图7。

图7 便携式震法勘探成果图Fig.7 Results of portable seismic exploration

图7 中显示了探测范围内煤岩层各处的地震波能量（振幅）大小，能量（振幅）越大（正相位对应区域的颜色越偏红色、负相位对应区域的颜色越偏蓝色）表示附近存在地质界面或地质异常体（如断层、裂隙发育区、薄煤带等）的几率越大；能量（振幅）越小（对应区域的颜色越偏白色）表示附近煤岩层的岩性越均匀。可以看出，勘探范围内存在2 个地质异常区，分别标记为D1和D2。这2 个异常区均为条带状分布，异常范围中等，结合已知地质资料和高密度无线电坑透勘探成果分析认为：D1和D2分别为工作面已揭露正断层F1522、F1521在煤层内部的延伸分布的反映。

4.3 验证情况

矿方综合高密度无线电坑透法和便携式震法的勘探结果，对D1和D22 处异常区采取钻探验证，对K1异常区采取回采验证。结果显示：在工作面切眼、回风巷、运输巷靠近地质异常区的对应位置布置钻机进行探验，钻机施工至D1、D2异常区附近时，钻头频发卡钻，煤层显著破碎，证实了地质异常体的存在，且经过工作面回采实揭验证，地质异常体为已揭露断层F1522、F1521在煤层内部的延伸分布的反映，物探结论准确、可靠，工作面验证结果图如图8。

图8 工作面验证结果图Fig.8 Result diagram of working face verification

5 结 语

1）便携式震法工艺是在传统矿井地震法的基础上改进的勘探方法，其融合了以锤击激发为震源、以滚动式短排列探测为测量方式等震法优化工艺，可有效消除井下物探施工时放炮给高突矿井带来的安全隐患。

2）保障式全面勘探工艺以高密度无线电坑透法和便携式震法为手段，能够精细探查工作面内部及外围100 m 范围内煤岩层中裂隙、断层等地质异常体的分布情况，做到工作面内、外全覆盖，综合分析地质异常体对工作面的影响性和威胁性，保障矿井的安全生产。

3）高效组合应用高密度无线电坑透快速普查式探测和便携式震法重点精细化探测，实施重难点分区探测，先利用高密度无线电坑透法对整体目标区域进行普查式探测，圈出重点、难点异常区域，再利用便携式震法对重难点区域实施精细对比探测，保障地质勘探工作更加高效、准确。