煤炭地质勘探中多道瞬态瑞雷波勘探技术应用

陈亚萍 孔 冉

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730000）

在对煤炭矿产资源进行开采时，必要的矿井掘进施工是十分必要的，而一旦掘进过程中遇到充水的断层结构或者是充泥充水的溶洞结构，都极有可能造成开采安全问题[1]。在地质构造中，由于地下水作用形成的陷落柱、破碎带等软弱地质层是造成煤炭资源开采安全事故的主要因素之一[2]。因此，在施工前对矿区的地质构造进行准确的勘查是十分必要的。通过对现有的地质勘探技术进行分析可以发现，主要采用地质学方法与物探方法相结合手段实现该过程，在超前钻探等方法的辅助下，对地质中的主要构成进行分析[3-5]。为此，本文提出煤炭地质勘探中多道瞬态瑞雷波勘探技术应用研究，在合理设置勘测点的基础上，对勘测到的数据进行分析计算，得到对应的地质信息，并通过实例分析测试了本文设计勘探技术的实际应用效果。通过本文的研究，也希望可以为相关矿产资源开采初期的地质勘探工作提供有价值的参考。

1 勘测点布置及施工方法

1.1 勘探区域勘测点布置。在勘探区域采用多道瞬态瑞雷波勘探技术对地质构造进行分析时，其是在掘进面附近以扇形的方式推进的，也就是从测试区域的一侧到边界再到另一侧，因此本文在布置勘测点时，以边界及左右侧的实际勘探需求为基础进行[6]。按照实际勘探习惯，本文按照从左侧到右侧的方式进行设置，具体探测点布置过程如下。

首先，将机械震源按照垂直左侧的方式逐渐推进，分别以按30°、45°、60°的标准在左侧与勘探边界的拐角处进行勘探。在完成该步骤的操作后，将机械震源按照垂直边界的方式继续推进，同样按30°、45°、60°的标准在边界与右侧的拐角处进行勘探。此时就可以得到垂直勘探时，各个勘探点之间的距离，以此为基础将勘探区域划分为若干个具象化的空间结构。具体的探测点设置如图1 所示。

图1 勘测点布置方式

按照图1 所示的方式，逐个在每个测点进行勘探时，调整机械震源天线的法线与底板的夹角，按照向上45°、水平、向下45°的基准，在三条勘测线采集对应的数据信息。在此基础上，在每个测点周围设置具有一定波形电流的发射线圈，确保其可以屏蔽周围空间产生一次磁场信号波。此时测点周围的导电岩矿体只产生对应其接收到机械震源的感应电流，避免了杂波的干扰，降低后续分析计算的误差。机械震源断电后，在热损耗的作用下，测点的感应电流也会随着时间呈现出衰减的趋势，并按照衰减的速度分为衰减早期、衰减中期以及衰减晚期。借助这一特征，实现对不同深度地质的分析。

1.2 技术参数设置。采用重叠回线装置实现对基础信息的采集，重叠回线装置作为瞬变瑞雷波特有的组合形式，其与地质环境的耦合度最高，且得到的瑞雷波具有更高的横向分辨率，能够更加清晰地展示多道瞬态瑞雷波的异常变化。在具体的勘探时，将机械震源的发射线圈沿着1.1 设置的测点逐渐移动，实现对盲区的有效规避。在此基础上，关于发射波矩和接收波矩的设置，以目标勘探深度为基础，当勘探深度较大时，则适当增加发射波矩和接收波矩的设置值。在此基础上，考虑靠探测勘探区域的实际地质地貌具有多样化的特征，且有可能存在各种金属影响瑞雷波的反馈结果。将发射线圈和接收线圈的边长控制在1.5m 以内，匝数在5 匝以上。此时根据不同的探测深度需要求，对采样频率进行个性化设置，以4sμ 为单位步长，叠加次数以30 次为单位次数。电流值的设置以多道瞬态瑞雷波勘探技术应用环境的勘探深度为基础设置，多道瞬态瑞雷波勘探技术原理如图2 所示。

图2 多道瞬态瑞雷波勘探技术原理

2 地质勘探数据分析

2.1 时间道选择。首先是对最小时间道的选取，本文秉持着反馈地质特征的原则进行选取，在具体的实施过程中，避开互感段的信号，选取最小时间道的数据，也就是瑞雷波曲线的拐点处的数据信息。其次就是对最大时间道的选取，对此本文秉持避免噪声信号段的原则进行选取，在具体的实施过程中，选择的数量以采集到的瑞雷波曲线实际情况设置，选取终止的节点是曲线为衰减趋势。为了降低多道选择带来的冗余计算，最终的道数以12-24 道为宜。

2.2 数据误差计算。在确定用于计算的信号段后，需要对采集数据中存在的误差进行计算，以此避免由于出现数据错误造成的勘探结果异常。假设某道勘探的瑞雷波数据为x，其对应的原始数据为xi，复测的勘探值为xi'，经归一化处理后计算出其对应的电动势，其可以表示为

其中，e（x）表示为对应时间道勘探瑞雷波的电动势，e（xi）和e（xi'）分别表示原始数据的电动势和复测勘探值的电动势，那么原始数据和复测勘探值的电动势相对误差和平均相对误差可以表示为

其中，ε 表示电动势的相对误差，ε 表示电动势的平均相对误差。N在不同情况下的意义也不同，当以勘探区域为基础计算时，N 表示同一个测区或同一个剖面参与计算的某一时间道的数据总数；当以勘探点为基础计算时，N 表示同一个测点参与计算的时间道总数。

通过这样的方式，得到对应的数据误差，当存在ε<1.00，ε<0.50 时，则默认其不需要进行校正处理，否则，则需要对采集数据中的误差进行校正，以此提高勘探结果的可靠性和准确性。

2.3 数据校正处理。假设某一测点的第f时间道对应的斜率为k，数据在斜率上分布的离散程度较高，则以所有选中时间道的斜率的均值为过滤基准过滤离散数据，其计算方式可与表示为

通过这样的方式，实现对多道瞬态瑞雷波数据的校正处理。

2.4 地质构造分析。在得到可靠的多道瞬态瑞雷波数据后，即可利用其实现对勘探区域地质构造的分析。

首先，对于表现出不连续感应电动势的瑞雷波衰减曲线，表明在间断位置出现了非实体的空间结构，结合重叠回线装置的运行速率，计算其宽度，其可以表示为

其中，d 表示中空构造的宽度，v 表示重叠回线装置的运行速率，t 和t0分别表示不连续感应电动势出现的起止时间，z表示转换系数。当其宽度较小时，则认为是小面积的溶洞，中空结构，当其宽度较大时，则认为其是断裂构造，对应的厚度即为构造的实际裂缝距离。在此基础上，结合不同构造的瑞雷波与采集结果的一致性，实现对勘探区域个测点构成的分析判断。

3 工程应用分析

为了测试本文提出的地质勘探技术的实际应用效果，进行了实际应用测试。

3.1 工程概况

本文展开测试的位置为某矿区的中心区域，在近南北向方向上与一条近东西向的煤矿脉交汇。为了提高测试结果的准确性，首先分析了矿区的基础信息。

3.1.1 基础自然条件

首先是矿区的自然地理条件，测试区域位于东经102°05′-102°07′，北纬36°10′～37°02′之间，是所在省区中部，有高原构造的东斜坡上以平铺的形式存在。从全国角度分析，测试区域属于过渡区间，是西部高原与东部平原的交汇，并表现出了过渡地带明显的地势特征。其次是矿区的地形地貌特征，测试位置处于整个矿区向斜北部，在区域的扬起端轴部，接近边界的位置有溶蚀残丘出现，在测试区域的东面有溶蚀盆地出现，就整个矿区而言，测试区域的构造更加倾向于盆地中心区的构造特征，并在其中伴随有喷水池岩。从地面的走势分析，测试区域的地面呈现出北高南低的特点，由于其位于矿区的中心位置，因此地面的高程相对稳定，在1010.85m～1014.15m 之间，最大高差约为4.3m。

3.1.2 地质构造特征

对于测试区域的地层岩性及地质构造特征，通过分析测试区域的历史地质资料信息，发现测试区域的地层主要包括浅表第三系覆盖层和下伏四叠系基岩两部分。具体如图3 所示。其中，第三系覆盖层的岩体构成主要是花岗岩、显晶质结构的碎石岩浆岩以及隐晶质结构的火山岩，对于具体的厚度，下伏基岩起伏对其表现出来明显的控制作用，因此差异较大。而下伏基岩为四叠系中统松子坎组一段（T2sz1）中，主要构成为厚层状泥质白云岩、泥质石灰岩，二者互层交汇的方式共生；在四叠系下统安顺组二段和三段（T1a2+3）中，主要是厚层的状白云岩，并出现的不同程度风化，包括强风化岩石和中风化岩石两种。

图3 测试区域地质构造

在区域的NEE-NE 走向上，出现了张扭性的断层结构，横穿测试区域，并形成了具有一定宽度的断层破碎带构造，在基岩中以下伏四叠系SWW 的形式存在，表现出缓倾的可溶性。具体的断层信息如表1 所示。

表1 测试区域断层信息统计表

在此基础上，发现泥质白云岩和中厚层状白云岩中伴随有裂隙、沟槽、石芽、溶洞等溶蚀构造，且发育程度较高，引起了基岩顶面的形变，有显著的凹凸起伏变化趋势。在岩溶空区，有充填物以富水的形式承载周围构造的压力，导致开挖部分矿区的岩溶伴随有明显的突水现象。

3.1.3 地下水分布信息

最后测试区域的水文地质条件进行分析，由于矿区位于岩溶富水地带，因此地下水含量较为丰富。受区域向斜构造的影响，地下水对东西向断层造成了破坏，并且岩体在长期的地下水冲击下形成了贮水构造，这为地下水的活动提供了良好的通道，并进一步加速了岩溶裂隙的发育。从整体上进行分析，可以发现地下水流在向南倾伏的盆地中呈现出明显的由北往南发展的趋势。

3.2 勘查结果

在上述基础上，本文采用多道瞬态瑞雷波勘探技术在测试区域设置了共计10 个数据采集点，以此进行地质勘探，并分析其勘探结果的准确性，其结构如表2 所示。

表2 多道瞬态瑞雷波勘探技术探测结果

从表2 中可以看出，本文提出方法可以实现对煤炭矿区地质环境的有效探测。

4 结论

煤炭资源需求的不断增加使得对其的探测和开采研究受到了越来越多的关注，在实施开采工作前，对矿区的地质构造进行准确的勘探分析对于提高施工的安全性具有重要意义。本文提出煤炭地质勘探中多道瞬态瑞雷波勘探技术应用研究，实现了对矿区地质构造，地下水以及煤炭资源分布情况的准确获取，为实际的开采施工工作的开展提供了重要保障。