煤矿地质异常体综合探测技术研究

李 贺

（晋能控股集团有限公司潘家窑矿，山西 大同 037003）

目前，在矿井的地质勘探中，一般都是使用钻孔法、无线电法、矿井地震法、井巷电导法等。无线电坑透法与矿井地震法由于操作方便灵活、施工效率高、准确率高而得到了较好的推广，但也有以下问题：即无线电坑透探测技术仅能探测到矿区的内部地质结构信息，而且有边界区域分辨率下降、探测精度一般、异常范围易扩大、抗电十扰性能差等问题。由于煤矿的采掘范围不断扩大，煤层瓦斯含量增加，水文地质条件日趋复杂，煤矿安全生产的危险性控制日益加强，常规的以爆破激励为核心的地震探测技术，在矿山建设中受严格管控，煤矿要认真贯彻“一炮三检”和“三人联动”的操作规范，对现场施工造成较大的影响，适用的范围较小，使煤矿生产更加复杂，适用范围缩小，在矿井施工中的实用性较低。

本文以晋能煤炭集团某矿水文瓦斯地质环境为背景，将短序滚动反射波和精细井下两种勘探技术相结合，将一种快速、全面、精细的地质异常体探测技术运用于矿井施工中。

1 技术原理

1.1 精细无线电坑透技术原理

精细无线电打孔技术是根据不同的介质，在不同的地层中，由于电阻率ρ和介电常数ε的差异，使其对电磁波的吸收效果有差异。在电磁波传播时，遇上了具有较强吸收性的地质异常（如：断层、陷落柱、褶皱）。在不同的煤层厚度范围内，不同区域的电磁辐射强度有明显的衰减。而无线电坑透的基本理论，就是通过不同的媒介对电磁波的能量进行不同的吸收，从而使信号的强度发生改变，从而确定出地质体的位置、范围和类型。

常规的无线电坑透技术在实际应用中存在缺陷，如：对采场内的低落差、断层的检测效果一般、超区范围容易扩大等。采用精密无线电洞技术，将发射器和接收器置于两个相对的通道（上面的顺沟槽和下行沟槽），并对采空点进行加密，通过CT 扫描工作面，可以检测到该区域微弱的能量波动，并且可以精确地确定透射异常的影子区域。由于电磁辐射能力强的地区，会收到相对弱的或无法接受的阴影区，因此，利用阴影区的强弱、范围、强度等因素，综合利用现有的地质数据，可以对采空区的断层、陷落柱、煤厚变化区等进行合理的预测。图1显示出了勘探的基本原理与能量衰减的结果。

图1 无线电坑透勘探原理图

1.2 反射波地震法探测技术原理

反射波地震法的基本技术原则是：在特定的震源处（一般在坑洞的侧面）使用敲击声或小剂量的爆炸物激励，从而形成地震波。在煤层中以球状波的方式扩散，而在接触物理界面（也就是波阻不同的界面，例如断层、破碎带、岩石交界等）时，一些信号会被反射回去，而另一些则会被折射到检测点的前面。高灵敏度的地震检波器能够检测到返回的波形，并用于地质的分析，图2为检测到的波形。反射波的传播时间与界面的距离有关，而能量的强弱、相位变化等与界面的位置和性质密切相关，通过对反射波的不同特性的分析，可以对探测区内的断层、破碎带、岩性界面的性质和分布情况进行判断。

图2 反射波地震探测原理示意图

2 技术优势

综合运用了以锤击激励为震源的短阵滚动探测技术，采用反射波地震法和精细无线电坑透法两种方法对矿井进行勘探，在矿井施工中，首先对工作面进行精细的无线电探测，然后采用反射波地震法对工作面及周边40m进行探测。其技术优点有：

（1）锤击激发震源、短排列、滚动反射波地震法检测技术在现场施工中具有灵活性，该方法具有高精度、高分辨率等应用优势，能消除因井下地质勘探中爆破造成的安全隐患，避免对施工效率造成影响，减少人员伤亡和财产损失，从而使其在煤矿施工中得到推广应用，并能有效地克服常规放炮震源在煤矿中的技术难题[1]。

（2）全面安全综合勘探技术是利用反射波地震法，对工作面和周边40m 内煤层中的裂隙、断层等地质异常进行精确的勘探。对工作面内、外煤层进行了详细的分析，使工作面内外检测得到了有效的覆盖，从而保证了煤矿的安全生产。

（3）无线电坑透探测技术在进行无线电井下探测时，应采取加密发射点距、增大接收扇区、增加坑穿透CT扫描射线密度、增加覆盖叠加次数等措施，为井下探测提供了良好的探测环境。在后期数据的处理中，合理调整流程，合理选择参数，尽可能突出异常区域，将煤层及其内部的异常情况进行精确的划分，找出重点和难点，以便为以后的多波精细勘探工作奠定基础。

（4）在处理“能量法”和“速度法”等多种方法的对比处理、综合解释技术中，通常都是利用“速度法”进行图像解释，从而得到最后的结果。根据煤体的厚度和波速之间的关系，提出了一种“速度解释法”，该技术在煤体厚度变化大的地区，其结果往往不理想，难以推广使用。而“能量解释方法”则是根据不同的地震波在不同的传播中的衰减特性，适合对煤体进行全方位的检测。运用“能量法”和“速度法”进行对比处理和综合解释，实现了对煤层厚度的精细区分和矿床的赋存状态的精确判别。

3 应用实例

3.1 工作面概况

晋能煤业公司1号矿18040工作面在矿区北部，处于-525m 的水准面上，其采煤层是21 煤层，煤层厚3.16.8m，平均厚度4.53m，煤体构造较为简单，主要是块煤。煤层的分布范围为111°～2370°∠1°～9°，煤层的平均倾斜角度为4°。通过对18040 工作面的三维地震勘探数据、工作面顺槽、切眼掘进的现场实测资料和开采过程中的现场采集的数据数据，认为本次勘探范围内存在D260(H=1.4m）断层、X3向斜、B3背斜等地质构造且工作面内煤层厚度不均匀。为了确保18040 工作面的安全、稳定，采用了煤矿地质异常体的综合检测技术，对18040工作面的煤层中的断裂和煤厚度进行了测量，确定了其位置、范围和煤厚度的改变，为煤矿防治水工程的实施和采矿计划的制订奠定了基础。

3.2 物探施工

（1）精细无线电坑透探测。本次无线电井下探测使用了0.5MHz的工作频率，发射点间隔为30m，接收点间隔为10m，单位发射点的对应的接收点增加到15个，在勘探区的前后两个区域，采用增加密度的方法进行探查，以使勘探线覆盖到整个探区，减小空白区，为解释结果提供足够的原始数据和基础数据，提高了检测的精度和正确率。

（2）反射波地震法探测。此次的回波法检测方法主要是利用锤击激发震源，短排列，滚动多层覆盖。敲击激励，在每一排（群）设置一个锤击点和6个探测器，锤击点发出的信号会被6个探测器同时接收到，锤击点和第一个探测器之间的间隔（最少）为5m，探测器之间的间隔（轨道间隔）为5m。1 排（组）完成施工后，间隔10m 进行下一排（组）的施工工作，两排（组）之间的距离（运动距离）为10m，炮检距、道间距等参数都是一样的，滚动前进完成了现场的数据采集[2]。

3.3 工作量

（1）精细无线电坑透探测工作量。发射点间隔为30m，接收点间隔为10m，单位发射点的对应的接收点为15 个。此次无线电坑透探测共计38 个发射站点，570个接收站点，全长5700m。

（2）反射波地震法探测工作量。此次回波法的勘探，采取了锤击激发震源，短排列，滚动多层的方式，对18040 工作面进行了检测，测量了下顺槽内、外帮和18040工作面的内、外帮，共计229个排（组），其中锤击点（激励）229 个，检波器（接收站）1374 个，测线总长2480m。

3.4 物探成果

（1）无线电坑透探测成果。图3 给出了工作面18040井下井探测结果，为资料分析解释提供了直观的判别基础和参考。从图3的衰减因子色标可以看到，从白、白、灰、深灰色、黑色等各方面来看，电磁辐射的能量衰减是从弱到强的。随着电磁辐射强度的减弱（颜色逐渐加深），表明有断层、陷落柱和裂隙发育区域，薄煤区和其他地质异常的发生概率较高。

图3 18040工作面无线电坑透探测成果图

从图3 可以看到，在探测区域中有2 个以K1 和K2表示的洞透反射带。K1是一种中频辐射的中频辐射吸收带，其异常区域面积很少，是煤层断裂破碎、裂隙发育、含水性增加区域的综合体现；K2为低频辐射辐射的吸收带，其变化率为低，是煤岩裂隙发育和含水性增加区域的综合体现。

根据电磁波的衰减情况，将工作面分成3 个部分（用黑虚线分隔）,Ⅰ部分对电磁波的吸收性能总体上比较好，其次是Ⅱ部分，最后是Ⅲ部分。通过综合分析，发现Ⅰ区段的煤层总体厚度比较薄，总体上煤层的厚度低于3.5m；二段的煤层为中等厚度，整个煤层的厚度为3.55.5m；Ⅲ区段的煤层厚度比较厚，总的煤层厚度超过5.5m。

（2）反射波地震法探测成果。图4是18040工作面的回波法勘探结果，图4表示在探测区域的煤层上的地震波的能量（幅度），其能量（振幅）较大（相应于正、负相位的区的色彩愈深）表明有地层界面或地质异常（如断层、裂隙发育区、煤厚变化区等）；较低的能量（幅度）（相应的区域的色彩愈为白）表明邻近的煤岩地层的岩石性质愈均一。在该表中，强烈的波能量区反映了断层、褶皱和煤厚变化带等地质异常的部位。

图4 18040工作面反射波地震法探测成果图

从图4 可以看到，在探测区域中，有1 个异常区域和4个可疑的异常区，它们被称为D1、D2、D3、D4、D5。D1是一个异常区，它的反射波具有强烈的能级和很大的幅度，它是煤层断裂、断裂、裂隙发育、煤层厚度不断改变的区域的综合体现；D2为可疑的超深部，其反射波能微弱、幅度适中，可能是煤层破碎、裂隙发育和煤层厚度的综合体现；D3为可疑的超深部，其反射的能量适中，幅度适中，有可能是煤层破碎、裂隙发育和煤层厚度的综合表现；D4和D5为可疑的超深部，其反射的能量强度大，幅度小，这是煤层破碎、裂隙发育和煤层厚度等多种因素的综合体现。

根据地震反射波的强度差异，将工作面分成3大块（用黑点进行区域划分），Ⅰ区的地震反射波能总体上是微弱的，Ⅱ区反射波能量中等、Ⅲ区反射波最强。通过对Ⅰ区段总体上的煤层进行了全面的研究，得出了该区煤层总体上都低于3.5m 的结论；Ⅱ区的煤层较一般，总体上为3.55.5m；在Ⅲ区段，煤层厚度比较厚，总体来说，煤层的总厚度超过5.5m。

3.5 综合探测效果

18040 采场的全面勘探结果见图5，图5 表示了两种不同的探测方式，即无线电井穿透法和反射波法的范围、位置以及不同的煤层厚度的划分。

图5 18040工作面综合探测成果图

（1）从图5可以看到，无线坑洞检测异常区K1和D1的定位重合的区域较大，但是两个的区域也有一定的差别，在工作区域内D1范围较小，K1范围相对较大。通常情况下，雷达井的异常区很可能会出现较大的偏差（拖曳），而反射波的探测则会产生更准确的异常区。

（2）反射波地震勘探结果中未见异常区K2，含水煤层具有吸收电磁波的能力，对其裂隙发育、含水性增加的煤层进行了分析，结果表明，与反射波法比较，无线电洞对含水的探测更为有效。

（3）通过反射波地震法进行勘探，检测出4 个疑似异常区D2、D3、D4、D5，但是无线电坑透勘探方法并没有检测出这几个区域。结果表明，这4个异常区域属于煤层厚度变化带，顶板和底板之间存在着很大的岩性差异，地震波能对煤层厚度的影响也比较显著。

（4）从图5 可以看到，雷达井的探查区域仅限于工作区的内侧，而反射波法则可以对采区内外工作面进行探查，这是因为两种技术的方法和原理不同造成的差异。

4 结语

（1）短列型滚动反射波探测和精细井底两种探测技术，以锤击激励为震源，在探测地下地质异常时都有明显的效果，精细无线电井下探测含水体方面具有优势，而反射波地震法对异常体的定位更精确、探测范围更广，在探测煤层厚度变化上更具优势。

（2）利用锤击法作为震源点的短程滚动反射波法和微波井钻两种物探技术，通过对比，优缺互补，综合解释，可以更精确地检测到探测区域内部的地质异常体的分布，检测的结果完整可靠，取得了较好的效果，应用效果较好。

（3）地质异常综合探测技术是一种灵活、方便、高效、高精度的技术手段，极大地提高了工作面的物探作业效率，有效地克服了常规放炮震源地震勘探技术在煤矿中应用的技术难题。

（4）实践表明，该综合探测技术能全面、精细地探测出矿区内的地质异常体分布、煤层厚度的变化，从而使物探预测精度和精细程度得到提高，从而为制定防治水工程方案、制订工作面开采方案、确保为煤矿安全高效生产提供科学依据。