地面—井下联合物探方法在识别工作面小构造及其富水性中的应用

徐常青

（山西汾西矿业（集团） 有限责任公司 曙光煤矿，山西 孝义 032000）

0 引 言

我国煤炭资源丰富，但开采地质条件复杂，在矿井工作面回采施工过程中时常会遇到可引发突水及瓦斯突出事故的小型断层、陷落柱等不良地质构造[1]。大量工程实践证明，物探技术的应用可提前探明煤层小构造发育状况，提升煤矿开采安全性[2-3]。

煤层中小构造规模各异隐蔽性强，且在物探施工过程中易受复杂地质条件、施工干扰等因素影响，无论何种地面或井下物探方法对小构造的判断均存在较大误差。地面三维地震勘探技术是查明煤矿构造的主要技术手段[4-6]，其主要通过辨别反射波同相轴是否存在错扭从而判断构造存在与否，但小构造在地震数据剖面上引起的异常较小，肉眼难以识别，且该方法无法确定构造的含水特性。

探地雷达方法具有高效率、高精度、高便携性的探测特点，已被逐步应用于对井下小构造的探测。崔凡等借助雷达正演响应特征对迎头前方50 m 内小构造进行了精确识别[7]。该方法对小构造的探测精度高，能准确识别工作面内小构造的性质与空间展布，但在探测距离及抗干扰方面有着一定的不足。瞬变电磁法施工效率高，对低阻异常体响应灵敏、体积效应小，因而该方法目前已成为探测工作面内部富水区的首选方法；但该方法易受巷道周边铁轨、锚网等金属干扰且存在浅部勘探盲区，对小构造形态的探测精度难以满足实际生产需求[8]。

为充分挖掘各物探方法优势，本文通过工程实例介绍了地面地震属性联合井下探地雷达及瞬变电磁的工作面内小构造展布形态及其富水性探测技术，并利用煤层回采信息验证了该方法的可行性。

1 研究区概况

曙光煤矿1230 工作面其东西向运输巷及材料巷长度为1 960 m，南北向切眼宽度为175 m，高度为3.5 m。该工作面内主采煤层为位于二叠系下统山西组中部的2 号煤层，为大部稳定可采煤层，厚度0 ～3.25 m。该区属黄土台塬地貌，区内地表高差大，地层结构对地震波的激发和接收十分不利，其表层地震地质条件较差。目标工作面内地层之间电性差异明显，但各地层沉积稳定横向电性差异较小，井下电法探地质条件比较理想。

2 勘探原理及方法

为查明工作面内小构造的展布形态及其富水性，首先使用地震进行处理，通过地震属性方法确定工作面内部构造异常区；将其解释成果作为井下物探方法的指导依据，针对性地开展探地雷达及瞬变电磁探测，最终确定工作面内构造的空间展布形态及其含水特征。

2.1 地震属性分析

地震属性通过对叠前或叠后地震数据进行数学变换导出可定量化的表征参数，充分挖掘隐藏在地震资料中的有用信息，从而能够对煤层小构造进行更为精确的识别解释[9]。基于前人研究成果，并进行多次实验对比，此次探测使用相干体、均方根振幅及倾角3 种属性以提高对工作面内小构造的预测精确度（图1）。

图1 断层在地震时间剖面上的反应特征Fig.1 Response characteristics of faults on seismic time section

2.2 探地雷达法

探地雷达方法可根据雷达波的波形、能量强度、时频及双程走时等特征对雷达反射信号进行处理分析，综合推断探测前方目标体的展布形态[10]。

此次探测选用主频为50 MHz 天线进行数据采集。根据现场情况设置系统参数，采样时窗为800 ns，采样点数1 024，叠加次数2 次。井下探测过程如图2 所示，技术人员在工作面侧帮布设采集测线，拖动雷达天线沿测线匀速移动，完成数据采集。

图2 探地雷达工作面侧帮向内探测示意Fig.2 The diagram of working face side inward detection by ground penetrating radar

2.3 井下瞬变电磁法

瞬变电磁法通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到工作面向内不同深度的地电特征，并对得到的视电阻率数据进行反演分析即可获得煤层构造信息及其相应的富水特征。

此次探测使用YCS512 矿用本安型瞬变电磁仪，分别在1230 工作面运输巷及材料巷布设2 条测线，长度均为1 960 m。为保证数据质量，测点间距设置为10 m；回风巷及运输巷内各存在测点196 个，探测方向分别为向上30°、顺层0、向下45°，如图3 所示。

图3 瞬变电磁法工作面探测横剖面示意Fig.3 The cross section diagram of working face detection by transient electromagnetic method

3 探测成果解释及验证情况

3.1 地震属性解释结果

使用Jason 地震数据处理软件获得各地震属性切片图。在倾角属性切片图中（图4），地层倾角数值变化程度越大，代表该处存在断裂构造的可能性越大，该属性可将断层微小变化放大；在均方根振幅属性切片中（图5），振动幅值越大代表着此处地层岩性变化越大；在相干体属性切片图中（图6），正常地层中断层、破碎带或岩性变化的存在将引起相干值的突变。

图4 1230 工作面倾角属性水平切片图Fig.4 Horizontal slice diagram of dip angle attribute of No.1230 face

图5 1230 工作面均方根振幅属性水平切片图Fig.5 Horizontal slice diagram of mean-square-root amplitude attribute of No.1230 face

图6 1230 工作面相干体属性水平切片Fig.6 Horizontal slice diagram of coherent body attribute of No.1230 face

基于上述特征并结合垂直地震剖面错扭程度，分别对属性切片图进行解释。最终，通过倾角属性共预测构造异常区5 个；通过均方根振幅属性共预测构造异常区4 个；通过相干体属性共预测构造异常区4 个。对比观察各属性圈定的构造异常区可发现，3 种属性所得结果大致吻合，其解释可信度较高。

3.2 探地雷达解释结果

以1230 工作面地震属性解释圈定成果作为指导依据，对该工作面内小构造开展雷达探测解释。其局部探测成果如图7 所示。在图中水平方向50 ～80 m 处，存在1 个电磁波异常区，该处反射信号能量呈带状区域化杂乱分布且、同相轴不连续，整体呈倾斜状分布，其深部电磁波能量衰减较快；图中水平方向125 ～200 m 处，异常区域表现为强反射并伴有多次震荡信号，其形态分布为圆弧状，深部数据能量并未产生较强的吸收衰减，推断该处构造内部不导水。

图7 材料巷雷达探测解释剖面Fig.7 The profile of material roadway radar detection interpretation

参考地震属性解释成果，并结合现场实际地质条件，排除了上述异常的存在是因探测干扰所致。最终将上述电磁波异常解释为D08 断层、X02 陷落柱。以上述解释依据为参考，同时借鉴地震属性解释成果，完成对1230 工作面雷达探测结果的数据解释，最终在工作面内部共解释断层12 条，分别为D01 ～D11；陷落柱2 个，分别为X01 及X02（图8）。

图8 1230 工作面雷达探测解释剖面Fig.8 The profile of radar detection interpretation in No.1230 face

3.3 瞬变电磁解释结果

采用数据处理软件对井下瞬变电磁数据进行解释，可得到工作面顶板、顺层及底板视电阻率等值线图，结合该区地质及水文地质情况可判断测区岩层的电性分布特点。图9 为1230 工作面顺层瞬变电磁探测切片，图中可见X02 陷落柱附近阻值相对偏低，但结合雷达数据解释成果可知，该陷落柱构造内部富水性差。综上可知，该区内部未见明显低阻异常区，推断其富水性相对较差。

图9 1230 工作面瞬变电磁探测解释剖面Fig.9 The profile of transient electromagnetic detection interpretation in No.1230 face

3.4 综合解释成果及回采验证情况

通过地面—井下联合物探方法对该工作面进行探测，并进行综合解释。其中，使用地震属性方法与探底雷达方法结合对曙光煤矿1230 工作面内小构造展布形态进行精细预测，共预测断层12 条、陷落柱2 个，除断层D01、D07 及D11 外，上述雷达解释构造均在地震属性切片图中有所显示；利用瞬变电磁方法对工作面内部构造富水性进行探测，结合雷达解释成果，在排除X02 陷落柱存在成为导水通道的可能后，推断该工作面整体富水性较差。

为验证该联合物探方法的有效性，使用实际揭露信息对其进行对比验证。截至当前，1230 工作面已回采约610 m，将回采揭露情况与综合解释成果进行对比，如图10 所示。

图10 1230 工作面综合物探成果与工作面回采揭露对比Fig.10 The comparison between comprehensive geophysical exploration result and revealed result in mining of No.1230 face

观察图10 可发现，对于X02 陷落柱、D10 及D11 断层，其解释成果的水平位置与形态均与揭露情况相差无几，且回采过程中均无淋水情况出现；对于D09 及D12 断层，其实际揭露水平位置相较于物探解释成果存在3 ～5 m 偏差，构造展布形态相近，且在回采过程中均无淋水情况出现，经分析可知D09 及D12 断层在巷道中均被直接揭露，因而其侧帮表层岩体较破碎，雷达信号受此影响存在信号震荡，因而对断层的延展长度及水平位置的判断存在少许偏差；对于材料巷1 925 m 处断层，其在地震属性及雷达数据上均无明显响应，对该处回采信息进行分析可知，该处断层断距较小未将煤层切断，因而雷达波在此处传播过程中未发生明显异常反射。

4 结 论

工作面内小构造展布形态及其富水特征的精确掌握对煤层的安全开采有着重要意义。为解决单一物探方法探测能力存在局限这一问题，本文以曙光煤矿1230 工作面为例，采用地面—井下联合物探方法，即以地面三维地震数据属性解释成果作为指导，开展井下探地雷达及瞬变电磁探测，以达到对小构造性质的精确判断，之后利用回采信息对其应用效果进行评价，证明了该方法的有效性。

（1） 可利用地震属性成果对小构造的总体分布特征进行摸底，从而减小因雷达“盲探”而造成的误判及漏判现象。

（2） 若构造规模较小，常规物探方法对其识别能力有限，因而仍需对现有技术进行改进以提高对小构造的探测能力。