矿井电法勘探研究现状与发展趋势

岳建华，杨海燕，冉华赓

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

煤炭智能化精准开采代表了我国煤炭绿色高效安全开发的未来发展方向。创新矿井地球物理方法，打造具有透视功能的“互联网+矿井地球物理”新模式，实现断层、陷落柱、水与瓦斯等地质要素精准探测是煤炭智能开采的内在需求[1-4]。含煤岩系为孔隙介质，其孔隙特征、流体分布、断层裂隙结构和压力等环境因素对电学性质产生显著影响。30 多年来，矿井电法勘探经历了煤层顶底板探测−煤层小构造探测−掘进工作面超前探−采场动态监测等不同应用与发展阶段，围绕采煤工作面和掘进工作面两大典型作业场所，形成了以矿井电阻率法、瞬变电磁法、电磁波层析成像为主的超前探测方法技术体系。在我国煤炭黄金十年(2002—2012 年)，国内多家单位参与矿井电法理论研究、技术研发和仪器研制工作，引领了地下空间电磁学国际前沿研究方向[5-6]。笔者在总结我国矿井电法勘探发展历程的基础上，结合方法技术特点和现代信息技术对矿井电法勘探发展趋势进行了分析。

1 矿井电法勘探研究现状

1.1 采煤工作面顶底板探测

1984−1985 年，全国发生煤矿底板突水事故22起，仅河北开滦、河南焦作、山东肥城就有6 对矿井被淹，峰值水量高达2 050 m3/min，为世界之最。期间受底板水威胁矿井300 多处，约占大型矿井的一半，受水威胁煤炭储量近百亿吨。为此，20 世纪80 年代末原煤炭工业部要求下属科研机构和高校积极开展煤层底板突水构造探测方法研究。1988 年底，中国矿业大学矿井物探研究室结合淮北杨庄煤矿2617 突水工作面复采论证工作，前后历时近3 年，提出了非对称装置多极距矿井电剖面法和活动MN 法三极装置断面测深技术，发明了压制井下工业游散电强不规则干扰的 “方波比较读数法”；根据煤层宏观电各向异性特征，开发了适应不同探测需求的装置形式和观测方式；在煤矿井下率先开展了高密度电阻率法试验[7]。1993 年，中煤科工西安研究院(集团)有限公司(简称西安研究院)推出国内首台防爆数字直流电法仪，并针对太原组灰岩注浆改造效果评价需求开发了矿井音频电透视技术[8]。在基础理论研究方面，1991−2004 年中国矿业大学在国家自然基金和煤炭科学基金资助下，从提出1D 层状介质全空间电流场数字滤波法正演算法，到开发含巷道层状介质模型3D 有限差分法和边界元算法，结合井下实践和室内物理模型实验，构建了巷道影响下全空间电流场理论框架，系统研究了巷道顶底板电测深曲线、层测深曲线特征，给出了巷道空间畸变影响的校正公式等[9-18]。西安研究院则系统研究了矿井音频电透视方法原理与解释方法[19]，桂林理工大学等以金属矿山为背景丰富和完善了坑道电阻率法理论成果[20-23]。2004 年，中煤科工集团重庆研究院有限公司(简称重庆研究院)等单位研制出防爆多功能高密度电法仪[24]，安徽理工大学研发了网络并行电法仪并应用于底板水探测工作[25-27]。国外开展同类研究的主要是匈牙利重工业大学，Á.Gyulai 等[28-29]给出了煤层顶底板电测深和层测深曲线视电阻率核函数表达式，给出了3 层和4 层介质模型视电阻率级数公式。

20 世纪90 年代，综采放顶煤技术在我国推广应用。这种高效采煤方式的导水裂缝带异常发育，致使采场涌水量增大、顶板砂岩水问题凸显，山东兖矿集团率先提出顶板红层砂岩水探测需求。鉴于综采放顶煤巷道断面大、顶板布设电极困难，1998 年底中国矿业大学在济宁二号煤矿进行井下瞬变电磁试验，之后陆续在安徽皖北煤电、江苏徐州矿务局开展应用工作[30-31]。2003 年起，中科院地质地球物理研究所在冀中能源集团开展底板水害探测[32-33]。于景邨[30]给出了基于地表半空间中心回线晚期视电阻率公式的全空间视电阻率公式，探讨了矿井瞬变电磁法时−深转换问题；白登海等[32]提出了时间域瞬变电磁法中心回线全程视电阻率的数值计算方法，并开发了矿用瞬变电磁处理软件。在国家自然基金项目资助下，中国矿业大学为矿井瞬变电磁数值模拟算法和理论研究做出积极贡献，先后开发了矿井瞬变电磁法2D 和3D 有限元、有限差分、边界元数值模拟算法，系统研究了巷道影响下全空间瞬变电磁场分布变化规律和典型地电体响应特征，探讨了矿井瞬变电磁资料定性、定量解释方法[34-38]。截至目前，国外关于矿井瞬变电磁法的文献仅限于一维层状介质全空间场分布规律研究[39]。

2005 年我国实行煤炭资源整合开发政策后，因整合矿井的地质资料欠缺曾一度造成老窑采空积水事故频发。为提高多层采空积水探测能力，2011 年中国矿业大学提出了地面发射、井下巷道接收的瞬变电磁新技术[40-41]。2016 年刘瑞军[42]通过数值模拟论证了该项技术的可行性。同年李术才等[43]对电性源地面−巷道瞬变电磁响应规律进行了模拟研究，提出了利用感应电动势曲线晚期响应幅值和尖点响应时间判断含水体位置、规模的方法。2019 年中国矿业大学在山西朔州应用地面−巷道瞬变电磁探测采空区取得成功[44]，同时开展了井上井下双磁性源探测煤层顶板含水构造的技术试验[45]，为克服井下施工空间局限性、提高采空积水区分辨率和扩大矿井电法探测范围进行了积极探索。

图1−图3 为某采煤工作面综合地球物理探测成果，相继开展了底板直流电测深、顶底板瞬变电磁以及工作面煤层音频电透视测量工作。

图1 某工作面2105 巷道综合电磁法探测视电阻率拟断面Fig.1 Apparent resistivity pseudosection of comprehensive electromagnetic method measured at 2105 roadway of a working face

图2 某工作面音频电透视电导率剖面Fig.2 Conductivity section of audio-frequency electrical penetration for a mine working face

图3 某工作面5105 巷道顶底板瞬变电磁视电阻率拟断面Fig.3 Apparent resistivity pseudosection of transient electromagnetic method measured at 5105 roadway roof and floor of a working face

1.2 掘进工作面超前探测

掘进突遇含导水构造极易造成人身伤害，所以掘进工作面超前探测问题历来备受关注。1992 年河北煤炭研究所李学军[46]提出了煤矿井下超前探测的点源梯度法(又称单极偶极法)，给出了超前探测资料的半定量解释方法；1998 年中国矿业大学利用超前钻孔二极法成功评价了注浆封堵效果。程久龙[47]、刘青雯[48]、韩德品[49-50]等提出了多点测量、联合解释的点源梯度法技术，发展了基于几何交汇原理的资料解释方法。为简化异常形态，增大超前探测距离，桂林理工大学、中南大学、长安大学等多家单位开发了聚焦电极系超前探测方法，对异常特征、反演解释方法等进行了较为系统的研究[51-57]。李术才院士团队将聚焦电极系超前探测方法应用于隧道工程，研究了隧道同性源阵列聚焦电阻率法超前探测技术[58-62]。中国科技大学和长安大学分别开发了巷道超前探三维数值模拟算法，研究了巷道空间对超前探测结果的影响[63-64]，西安研究院则长期坚持电阻率法超前探工作，为推广该方法做出了不懈努力[65]。

2006 年，长安大学李貅率先将瞬变电磁应用于隧道超前探测[66]；河南焦作矿务局和中国矿业大学则同期发展了煤矿井下巷道掘进过程中连续跟踪探测的瞬变电磁法，建立了环形测深和方位测深2 种超前探测模式[67-69]。2008 年后，中国矿业大学、西安研究院、安徽理工大学等单位在老空积水、封闭不良钻孔勘查中丰富和发展了矿井瞬变电磁超前探测技术，提出了基于定向钻孔的超长距离水害超前探测方法，并开发出智能立体成像技术[70-72]。山东大学则在隧道超前预报中提出了瞬变电磁平行磁场响应方法[73-74]。

在理论研究方面，除2008 年姜志海通过物理模型实验、数值模拟初步阐释了瞬变电磁超前探测机理外[35]，其他理论研究主要集中在以下几个方面。

1) 超前探测瞬变电磁资料处理与解释方法

程久龙等[75-76]提出了矿井瞬变电磁波场转换和合成孔径成像法，张平松等[77]基于不同角度测点烟圈效应特征提出了视电阻率扩散叠加处理方法，在突出掘进前方地电异常体响应方面取得成效。

2) 多匝小回线装置电感效应和视电阻率计算问题

部分学者提出了矿井瞬变电磁视电阻率转换方法，开发了全区视电阻率计算的平移算法、核函数算法、二分搜索算法和全域解释方法等[78-84]；李飞等[85]通过数值模拟和现场试验，认为发−收线圈间强互感作用是造成全空间视电阻率严重偏低的原因并给出了校正方法；为消除收、发线圈互感影响，孙怀凤等[86]提出了斜阶跃电流校正方法，杨海燕等[87-91]则设计了一种锥形发射装置，并建立了相应的数据处理和反演解释方法。然而，多匝小回线装置瞬变电磁视电阻率读数低于煤岩体本征电阻率几个数量级的问题一直未能很好的解决。图4 为分别采用半空间和全空间视电阻率转换公式获得的视电阻率拟断面，图中反映出的异常范围和深度差异较大。

图4 晚期视电阻率拟断面[78]Fig.4 Section of apparent resistivity in later stage[78]

2020 年，中国矿业大学岳建华团队采用理论推导、Simulink 数值仿真、室内物理模型实验和井下技术试验等综合手段，查明接收回路暂态过程造成多匝小回线瞬变电磁曲线整体后移(井下瞬变电磁的有效信号记录时间一般在数毫秒至数十毫秒，有时长达数百毫秒)，这是矿用瞬变电磁仪视电阻率读数比岩石本征电阻率低几个数量级的真实原因。对于矿井瞬变电磁而言，接收回路暂态过程造成的时间延迟不仅影响到视电阻率计算，而且极易在时−深转换时产生“解释距离大于实际探测距离”的误导。类似现象在地面勘探中也有发现，西方学者曾提出“有效时间”概念，通过时间校正获取较为可靠的解释深度[92-93]。该团队于2020 年在山西晋能控股集团同忻煤矿组织了多种电法方法的综合技术试验，检验了新建立的多匝小回线装置瞬变电磁视电阻率计算和时−深转换公式的有效性，与井下205 个探放水孔的检验结果一致，实现了重大突破。此项成果被列入2020 年度地球物理和空间物理国家自然基金结题项目10 项代表性成果之一[94]。

1.3 采煤工作面内小构造探测

工作面内小构造直接影响采煤效率并可能诱发顶板事故，俄罗斯、乌克兰和匈牙利主要采用矿井直流电阻率法，美国、澳大利亚以无线电波透视法为主，2 种方法在我国均有使用。

1986 年全苏矿山地质力学和矿山测量研究所全面总结了各种装置直流电透视法探测小构造的方法与技术[95]，匈牙利重工业大学则发展了单一巷道层测深法和矿井电法与三分量槽波地震联合反演煤层小构造的方法[96-99]。中国矿业大学开发了直流层测深1D 线性滤波法和3D 边界元数值模拟算法[100-101]，系统研究了各种装置直流电透视法的理论曲线特征[102]；焦作工学院将直流层测深法推广应用于煤与瓦斯突出[103]，西安研究院则重点研究了直流层测深法在小断层探测中的应用及资料解释方法[104-105]。

值得注意的是，20 世纪70、80 年代国外即开始地面直流电阻率张量测量，在提高2D 和3D 含水构造勘探精度方面取得良好效果[106-108]，H.M.Bibby 等[109]从理论上分析论证了视电阻率张量不变性在确定异常体空间方位和流体各向异性特征方面所具备的优势，行列式平方根形式的张量不变量给出了三维地电体的最佳表征。俄罗斯莫斯科国立大学研究了矢量电阻率法探测地下地质构造电各向异性的方法原理，并在地下渗流场、倾斜岩层、三维地质体和浅层高分辨勘查中得到广泛应用[110-112]，其他欧美学者则在应用矢量或张量电阻率法进行考古或工程与环境物探方面开展了系列工作，有效提高了勘探精细程度[113-119]。就含煤地层而言，煤层裂隙及采掘诱发的各种致灾因素电各向异性特征显著，只有张量测量才能客观准确地反映采动岩体电性变化的时空演变规律。在长期应用过程中，井下电法勘探只是利用含煤地层宏观电各向异性特征优化观测系统布置，在定向探测方面虽然取得一定成效，但却忽略了井下空间易于开展电阻率张量测量的优势。

20 世纪70—90 年代，层析成像技术在美国和澳洲煤矿小构造探测中取得成功应用[120-124]。美国Stolar Horizon Inc.公司开发了电磁波全波形观测技术，但仪器工作原理和全波形反演算法一直未对外公布，只是在文献中报道了所开发仪器的性能和全波形反演的优越性[125-127]。

国内北京大学在无线电波透视法理论研究方面曾发挥重要作用，重庆研究院、廊坊物化探所等开发多种型号坑透仪[128]，安徽淮北矿务局与原地矿部北京计算中心联合开发电磁波层析成像软件[129]，中国矿业大学、山东科技大学和中南大学等进一步优化成像算法，分别或联合开发了更为先进的层析成像软件[130-132]。刘鑫明等[133]根据电磁波入射角度对衰减常数进行修正，张辉[134]、肖玉林[135]等提出初始场强计算方法，改善了吸收系数的计算精度。为提高工作效率，肖玉林等[136]开发了回采工作面多频率无线电波透视技术。然而，当电磁波穿透多个地质异常体时，现有振幅衰减层析成像方法很难区分其叠加异常[131]。岳蕾[137]采用虚实分量检测法研究了电磁波振幅和相位参数对地质体的灵敏度，研究结果发现：(1) 当2 个异常体间距小于菲涅尔半径时，相位参数仍有一定的空间分辨能力且对低阻异常反应灵敏；(2) 相位延迟实验曲线及其成像结果不仅能够精准圈定单个异常体，而且可以有效区分多个地质构造的叠加异常；(3) 定点连续测量的全波形曲线同时包含透射电磁波的振幅和相位信息，全波形反演算法能够降低反演结果对初始模型的依赖度和对电磁噪声的敏感度，也可实现介电常数和电导率的同步反演。图5 为随机模型及其全波形反演结果。

图5 基于随机模型的全波形反演Fig.5 Full waveform inversion based on Stochastic Model

1.4 矿井电法动态监测方法

1999 年中国矿业大学李德春等[138]通过测定岩石形变破坏的电性变化规律，揭示了岩体电阻率法预报顶板失稳的依据；程久龙等[139-140]进一步研究煤层覆岩变形破坏视电阻率响应特征并进行了现场试验，刘盛东等[141]采用孔中高密度电法开展了采后覆岩“上三带”高度探测试验。

2005 年起，在国家重点基础研究发展计划项目(973 计划)连续资助下，煤矿突水机理研究，采场顶底板岩层动态监测问题得到重视。山东科技大学翟培合[142]率先在山东新汶开展了井下试验，通过预埋电极、电缆，利用单一巷道三极电测深和双巷道偶极电透视，定时监测采空区滞后突水。中国矿业大学刘树才等[143]在安徽和山西省内的部分矿井采用高密度电阻率法预测采动底板裂隙发育演化特征取得成功。安徽理工大学利用上仰孔视电阻率法研究了回采工作面顶板岩层垮落过程与特征[144-145]。在国家“十二五”科技支撑计划项目(2013BAK06B00)支持下，中国矿业大学、山东大学、中国地质大学等联合研发了煤矿突水实时监测预警系统，开发了在线式电阻率法、瞬变电磁和微震动态监测系统原理样机，提出了环工作面瞬变电磁动态监测技术[146-149]，开发了电性变化区域自动快速追踪的成像算法[150]。近期，重庆研究院开发了矿井在线式电法勘探仪[151]；安徽惠洲公司矿用网络并行电法仪增加了接入物联网的功能，西安研究院则开发了井下伪随机序列矿井电法监测系统[152]。

虽然国外未见煤矿井下电法动态监测报道，但在20 世纪60、70 年代，西方学者即开始关注岩石变形、破裂及富水性变化的电性特征[153]。2000 年初以来，时延电阻率法在欧美国家工程与环境地学研究中的应用迅速普及。早期多使用传统电阻率仪进行间歇式重复观测，后期则根据现场条件和工作目标，研发专用成套设备以连续方式进行实时动态监测。与之对应，早期资料处理与解释多采用正、反演计算为核心的成像算法，通过改进数据采集方式、数据预处理和反演优化算法等提高成像分辨率，而现阶段则重点开发能够突出电性变化特征的快速处理与解释软件，真正从 “探测”走向“监测”[154-160]。时延电阻率成像技术在CO2封存、地热资源开发、地下水位监测、海水倒灌和分水岭迁徙、垃圾填埋场和冶金堆体污染物及非水相液体扩散、永冻土融化和建(构)筑物变形、储层压裂等与岩体结构变形和流体运移有关的诸多应用中都取得良好效果[161-176]。2019 年，法国IRIS 公司推出Fullwaver矢量电阻率观测系统，将Wifi 技术与分布式矢量电阻率观测模式完美结合，增强了对复杂地形的适应性，提升了对地下介质电各向异性特征的研究能力。图6 为工作面动态监测的系统框架。

图6 工作面动态监测系统框架Fig.6 Framework of dynamic monitoring system for a working face

2 矿井电法勘探发展趋势

2.1 多源信息融合

单一物探方法可以满足工作面内特定探测任务的需要，但是难以达到透明矿山对多源物探信息的要求，只有综合多种物探技术手段来建立地质、钻探以及采掘等信息的桥梁，才能达到多源异构信息融合的目的。要充分挖掘多源数据中隐藏的有用信息，多源数据联合反演是其中重要一环。联合反演的关键是根据岩石物性耦合关系指导不同物性模型的转换，也可以将岩石物性耦合关系写入物探技术联合反演的目标函数中，使其在物性模型的迭代更新过程中发挥作用。基于这种理论可以将煤矿工作面的钻孔、地质和采掘信息融入物探数据的联合反演中。

在联合反演技术研究中，利用测井资料确定电阻率、速度和密度的经验关系，进而运用顺序反演的方法可以识别地质情况复杂的逆冲断层带[177]。基于Godfrey 公式和Gardner 公式建立速度与密度之间的物性耦合关系，可以实现地震和重力的联合反演[178-179]。陈晓等[180-182]提出了宽范围岩石物性约束技术，将岩石物性约束与模拟退火算法相结合实现了大地电磁法(Magnetotelluric Method，MT) 和地震的联合反演。在MT 和重力联合反演方面，Zhang Lei 等[183]检验了电阻率和密度之间物性约束在MT 和重力联合反演中的可行性，张磊[184]扩展了宽范围岩石物性技术，提出了基于随机正、反比例关系的宽范围岩石物性约束技术。

减少多源数据联合反演的多解性是制订反演方案必须考虑的问题之一，应用Gardner 公式和测井资料来确定速度、密度和电阻率之间的耦合关系，利用地震、重力和MT 数据重建速度分布并进行叠前深度成像的策略实现了减少多解性的目标[185-186]。此外，模糊聚类算法和模糊C-均值聚类算法等反演算法可以将岩石物性约束融入地球物理联合反演，提高联合反演的效率与精确性[187-188]。而在联合反演应用中，M.S.Zhdanov 等[189]提出了Gramian 矩阵约束方式，将其作为一种稳定泛函加入联合反演目标函数，这种方法已应用于重和磁、磁和电磁的联合反演中[190-194]。

与传统的岩石物性约束联合反演方法相比，Gramian 矩阵约束对先验信息要求低，仅需要确定岩石物性参数之间满足的物性关联特征，而不必事先确定关联表达式中的系数，这种联合反演技术对煤矿多源数据非常适用。

2.2 工作面透明化

针对数字矿山的三维地质建模与应用研究已开展了多年，其研究内容集中在地质建模、采矿设计、境界规划和经济效益评估等方面[195]，多种成熟的商业软件(Surpac、Micromine、DiMine 等)可以实现这一功能。与此同时，在煤矿与非煤矿领域针对地质体模型和煤层动态更新的讨论时有出现[196-199]，但距离透明工作面的要求还比较远。

地质条件的复杂性是制约工作面透明化的技术瓶颈，陆斌[200]提出了基于孔间地震细分动态探测方法对工作面内的地质构造进行精准探测，以推动透明化工作面的建设；程建远等[201]提出了透明工作面建设的地质模型梯级构建及其关键技术；田建川[202]提出了基于工作面内地质异常透明化的自动化采煤系统和方法。随着物联网和互联网技术在煤矿行业的普及以及智能精准开采的运行，袁亮[203]、王存飞[204]等提出工作面透明化既要以精准化的地质勘探成果为基础，也要实现工作面周围环境的全面感知以及多源数据的集成、对称与透明。

透明工作面模型包含几何模型和属性模型[205]。几何模型构建包括地层面和断层面空间形态拓扑关系的网格化重构等，主要采用插值方法，以已知样点和地质规律为约束，对未知区域进行预测[206-209]。工作面属性建模主要采用随机建模方法，以区域化变量分布函数和变差函数为基础进行随机模拟，同时结合蒙特卡罗方法，以属性特征概率分布为基础，对地层属性空间复杂变化进行模拟[208-210]。在工作面回采过程中，不断融入精细探测和采掘揭露数据，动态标定工作面范围内的数据体，通过局部搜索定义推采前方更新范围，对该范围内的几何模型进行动态更新，提高工作面几何模型精度。

随着勘探、物探、巷道掘进、煤层回采等工作的开展，获得的数据将实时应用于物探方法的联合反演，进而对透明工作面的构建信息进行增加和更新。

2.3 矿井智慧化

作为矿产资源开发利用大国，我国的矿山开发建设技术与工业应用水平已位于世界前列。充分运用5G、人工智能和大数据等新技术，实现矿山智慧化与数字化是现代矿山高质量发展的主题。

在煤炭安全领域，“互联网+煤矿”将物理网、大数据、互联网、云计算、人工智能与煤炭行业深度结合，全方位提升了煤矿生产安全和监控管理能力，实现煤与瓦斯突出、冲击地压、煤炭自燃、水灾以及煤矿关键采矿设备故障预警[211]。为了应对“数字矿山”对煤矿工业信息化带来的严峻挑战，结合信息技术和计算机技术建立一体化监督管理系统，将“3S”技术和三维地质模型综合应用于矿山领域，满足了地测数据信息管理需求(图7)。在此基础上，结合开元数据构建了煤矿地测数据服务体系[212]。

图7 地电先兆特征在线辨识与智能提取Fig.7 On-line identification and intelligent extraction of geoelectrical premonitory characters

目前，4G 网络已经在矿山建设中得到普遍应用，对于煤矿数字化、智能化新标准，建设延时更低、宽带更大、连接更广的“5G+矿山”成为当前任务。以现代工业技术支撑矿井5G 网络建设，可以在5G 智能综合采矿工作面、5G 智能掘进工作面、矿井固定区域无人值守、智能机器人与装备、智能一体化综合管控等方面取得重要成效[213]。随着人工智能时代的到来，以先进计算和机器学习为代表的智能技术将在新一代能源智能化无人开采装备和无人采矿新技术新工艺等方面引领未来智能矿山建设[214]。当前，矿井物探装备、观测系统以及资料处理方法已开始应用现代信息技术，基于物联网等开展的新一轮技术研发为深地空间智慧化提供技术保障[215]。

3 结语

a.人工智能和信息技术的飞速发展给矿井电法勘探理论创新与技术革新带来巨大契机，在实现煤炭智能化精准开采过程中，矿井电法勘探将起到更为重要的作用。

b.利用岩体变形和流体运移产生显著电性变化的有利因素，进一步研究煤岩动力灾害电各向异性特征，通过改进激励源与观测方式，最大限度地提升监测方法精准描述采动岩体时空演化规律的能力，必将成为矿井电法勘探的未来发展趋势。

c.在我国深地探测和地下空间开发利用战略推进过程中，矿井电法勘探的应用领域将得到大幅度延伸，其发展前景也会更为广阔。

致谢：感谢《煤田地质与勘探》执行主编晋香兰的支持，感谢编辑们对本文给予的帮助！