煤礦地質異常體綜合探測技術研究

李 賀

（晉能控股集團有限公司潘家窯礦，山西 大同 037003）

目前，在礦井的地質勘探中，一般都是使用鉆孔法、無線電法、礦井地震法、井巷電導法等。無線電坑透法與礦井地震法由于操作方便靈活、施工效率高、準確率高而得到了較好的推廣，但也有以下問題：即無線電坑透探測技術僅能探測到礦區的內部地質結構信息，而且有邊界區域分辨率下降、探測精度一般、異常范圍易擴大、抗電十擾性能差等問題。由于煤礦的采掘范圍不斷擴大，煤層瓦斯含量增加，水文地質條件日趨復雜，煤礦安全生產的危險性控制日益加強，常規的以爆破激勵為核心的地震探測技術，在礦山建設中受嚴格管控，煤礦要認真貫徹“一炮三檢”和“三人聯動”的操作規范，對現場施工造成較大的影響，適用的范圍較小，使煤礦生產更加復雜，適用范圍縮小，在礦井施工中的實用性較低。

本文以晉能煤炭集團某礦水文瓦斯地質環境為背景，將短序滾動反射波和精細井下兩種勘探技術相結合，將一種快速、全面、精細的地質異常體探測技術運用于礦井施工中。

1 技術原理

1.1 精細無線電坑透技術原理

精細無線電打孔技術是根據不同的介質，在不同的地層中，由于電阻率ρ和介電常數ε的差異，使其對電磁波的吸收效果有差異。在電磁波傳播時，遇上了具有較強吸收性的地質異常（如：斷層、陷落柱、褶皺）。在不同的煤層厚度范圍內，不同區域的電磁輻射強度有明顯的衰減。而無線電坑透的基本理論，就是通過不同的媒介對電磁波的能量進行不同的吸收，從而使信號的強度發生改變，從而確定出地質體的位置、范圍和類型。

常規的無線電坑透技術在實際應用中存在缺陷，如：對采場內的低落差、斷層的檢測效果一般、超區范圍容易擴大等。采用精密無線電洞技術，將發射器和接收器置于兩個相對的通道（上面的順溝槽和下行溝槽），并對采空點進行加密，通過CT 掃描工作面，可以檢測到該區域微弱的能量波動，并且可以精確地確定透射異常的影子區域。由于電磁輻射能力強的地區，會收到相對弱的或無法接受的陰影區，因此，利用陰影區的強弱、范圍、強度等因素，綜合利用現有的地質數據，可以對采空區的斷層、陷落柱、煤厚變化區等進行合理的預測。圖1顯示出了勘探的基本原理與能量衰減的結果。

圖1 無線電坑透勘探原理圖

1.2 反射波地震法探測技術原理

反射波地震法的基本技術原則是：在特定的震源處（一般在坑洞的側面）使用敲擊聲或小劑量的爆炸物激勵，從而形成地震波。在煤層中以球狀波的方式擴散，而在接觸物理界面（也就是波阻不同的界面，例如斷層、破碎帶、巖石交界等）時，一些信號會被反射回去，而另一些則會被折射到檢測點的前面。高靈敏度的地震檢波器能夠檢測到返回的波形，并用于地質的分析，圖2為檢測到的波形。反射波的傳播時間與界面的距離有關，而能量的強弱、相位變化等與界面的位置和性質密切相關，通過對反射波的不同特性的分析，可以對探測區內的斷層、破碎帶、巖性界面的性質和分布情況進行判斷。

圖2 反射波地震探測原理示意圖

2 技術優勢

綜合運用了以錘擊激勵為震源的短陣滾動探測技術，采用反射波地震法和精細無線電坑透法兩種方法對礦井進行勘探，在礦井施工中，首先對工作面進行精細的無線電探測，然后采用反射波地震法對工作面及周邊40m進行探測。其技術優點有：

（1）錘擊激發震源、短排列、滾動反射波地震法檢測技術在現場施工中具有靈活性，該方法具有高精度、高分辨率等應用優勢，能消除因井下地質勘探中爆破造成的安全隱患，避免對施工效率造成影響，減少人員傷亡和財產損失，從而使其在煤礦施工中得到推廣應用，并能有效地克服常規放炮震源在煤礦中的技術難題[1]。

（2）全面安全綜合勘探技術是利用反射波地震法，對工作面和周邊40m 內煤層中的裂隙、斷層等地質異常進行精確的勘探。對工作面內、外煤層進行了詳細的分析，使工作面內外檢測得到了有效的覆蓋，從而保證了煤礦的安全生產。

（3）無線電坑透探測技術在進行無線電井下探測時，應采取加密發射點距、增大接收扇區、增加坑穿透CT掃描射線密度、增加覆蓋疊加次數等措施，為井下探測提供了良好的探測環境。在后期數據的處理中，合理調整流程，合理選擇參數，盡可能突出異常區域，將煤層及其內部的異常情況進行精確的劃分，找出重點和難點，以便為以后的多波精細勘探工作奠定基礎。

（4）在處理“能量法”和“速度法”等多種方法的對比處理、綜合解釋技術中，通常都是利用“速度法”進行圖像解釋，從而得到最后的結果。根據煤體的厚度和波速之間的關系，提出了一種“速度解釋法”，該技術在煤體厚度變化大的地區，其結果往往不理想，難以推廣使用。而“能量解釋方法”則是根據不同的地震波在不同的傳播中的衰減特性，適合對煤體進行全方位的檢測。運用“能量法”和“速度法”進行對比處理和綜合解釋，實現了對煤層厚度的精細區分和礦床的賦存狀態的精確判別。

3 應用實例

3.1 工作面概況

晉能煤業公司1號礦18040工作面在礦區北部，處于-525m 的水準面上，其采煤層是21 煤層，煤層厚3.16.8m，平均厚度4.53m，煤體構造較為簡單，主要是塊煤。煤層的分布范圍為111°～2370°∠1°～9°，煤層的平均傾斜角度為4°。通過對18040 工作面的三維地震勘探數據、工作面順槽、切眼掘進的現場實測資料和開采過程中的現場采集的數據數據，認為本次勘探范圍內存在D260(H=1.4m）斷層、X3向斜、B3背斜等地質構造且工作面內煤層厚度不均勻。為了確保18040 工作面的安全、穩定，采用了煤礦地質異常體的綜合檢測技術，對18040工作面的煤層中的斷裂和煤厚度進行了測量，確定了其位置、范圍和煤厚度的改變，為煤礦防治水工程的實施和采礦計劃的制訂奠定了基礎。

3.2 物探施工

（1）精細無線電坑透探測。本次無線電井下探測使用了0.5MHz的工作頻率，發射點間隔為30m，接收點間隔為10m，單位發射點的對應的接收點增加到15個，在勘探區的前后兩個區域，采用增加密度的方法進行探查，以使勘探線覆蓋到整個探區，減小空白區，為解釋結果提供足夠的原始數據和基礎數據，提高了檢測的精度和正確率。

（2）反射波地震法探測。此次的回波法檢測方法主要是利用錘擊激發震源，短排列，滾動多層覆蓋。敲擊激勵，在每一排（群）設置一個錘擊點和6個探測器，錘擊點發出的信號會被6個探測器同時接收到，錘擊點和第一個探測器之間的間隔（最少）為5m，探測器之間的間隔（軌道間隔）為5m。1 排（組）完成施工后，間隔10m 進行下一排（組）的施工工作，兩排（組）之間的距離（運動距離）為10m，炮檢距、道間距等參數都是一樣的，滾動前進完成了現場的數據采集[2]。

3.3 工作量

（1）精細無線電坑透探測工作量。發射點間隔為30m，接收點間隔為10m，單位發射點的對應的接收點為15 個。此次無線電坑透探測共計38 個發射站點，570個接收站點，全長5700m。

（2）反射波地震法探測工作量。此次回波法的勘探，采取了錘擊激發震源，短排列，滾動多層的方式，對18040 工作面進行了檢測，測量了下順槽內、外幫和18040工作面的內、外幫，共計229個排（組），其中錘擊點（激勵）229 個，檢波器（接收站）1374 個，測線總長2480m。

3.4 物探成果

（1）無線電坑透探測成果。圖3 給出了工作面18040井下井探測結果，為資料分析解釋提供了直觀的判別基礎和參考。從圖3的衰減因子色標可以看到，從白、白、灰、深灰色、黑色等各方面來看，電磁輻射的能量衰減是從弱到強的。隨著電磁輻射強度的減弱（顏色逐漸加深），表明有斷層、陷落柱和裂隙發育區域，薄煤區和其他地質異常的發生概率較高。

圖3 18040工作面無線電坑透探測成果圖

從圖3 可以看到，在探測區域中有2 個以K1 和K2表示的洞透反射帶。K1是一種中頻輻射的中頻輻射吸收帶，其異常區域面積很少，是煤層斷裂破碎、裂隙發育、含水性增加區域的綜合體現；K2為低頻輻射輻射的吸收帶，其變化率為低，是煤巖裂隙發育和含水性增加區域的綜合體現。

根據電磁波的衰減情況，將工作面分成3 個部分（用黑虛線分隔）,Ⅰ部分對電磁波的吸收性能總體上比較好，其次是Ⅱ部分，最后是Ⅲ部分。通過綜合分析，發現Ⅰ區段的煤層總體厚度比較薄，總體上煤層的厚度低于3.5m；二段的煤層為中等厚度，整個煤層的厚度為3.55.5m；Ⅲ區段的煤層厚度比較厚，總的煤層厚度超過5.5m。

（2）反射波地震法探測成果。圖4是18040工作面的回波法勘探結果，圖4表示在探測區域的煤層上的地震波的能量（幅度），其能量（振幅）較大（相應于正、負相位的區的色彩愈深）表明有地層界面或地質異常（如斷層、裂隙發育區、煤厚變化區等）；較低的能量（幅度）（相應的區域的色彩愈為白）表明鄰近的煤巖地層的巖石性質愈均一。在該表中，強烈的波能量區反映了斷層、褶皺和煤厚變化帶等地質異常的部位。

圖4 18040工作面反射波地震法探測成果圖

從圖4 可以看到，在探測區域中，有1 個異常區域和4個可疑的異常區，它們被稱為D1、D2、D3、D4、D5。D1是一個異常區，它的反射波具有強烈的能級和很大的幅度，它是煤層斷裂、斷裂、裂隙發育、煤層厚度不斷改變的區域的綜合體現；D2為可疑的超深部，其反射波能微弱、幅度適中，可能是煤層破碎、裂隙發育和煤層厚度的綜合體現；D3為可疑的超深部，其反射的能量適中，幅度適中，有可能是煤層破碎、裂隙發育和煤層厚度的綜合表現；D4和D5為可疑的超深部，其反射的能量強度大，幅度小，這是煤層破碎、裂隙發育和煤層厚度等多種因素的綜合體現。

根據地震反射波的強度差異，將工作面分成3大塊（用黑點進行區域劃分），Ⅰ區的地震反射波能總體上是微弱的，Ⅱ區反射波能量中等、Ⅲ區反射波最強。通過對Ⅰ區段總體上的煤層進行了全面的研究，得出了該區煤層總體上都低于3.5m 的結論；Ⅱ區的煤層較一般，總體上為3.55.5m；在Ⅲ區段，煤層厚度比較厚，總體來說，煤層的總厚度超過5.5m。

3.5 綜合探測效果

18040 采場的全面勘探結果見圖5，圖5 表示了兩種不同的探測方式，即無線電井穿透法和反射波法的范圍、位置以及不同的煤層厚度的劃分。

圖5 18040工作面綜合探測成果圖

（1）從圖5可以看到，無線坑洞檢測異常區K1和D1的定位重合的區域較大，但是兩個的區域也有一定的差別，在工作區域內D1范圍較小，K1范圍相對較大。通常情況下，雷達井的異常區很可能會出現較大的偏差（拖曳），而反射波的探測則會產生更準確的異常區。

（2）反射波地震勘探結果中未見異常區K2，含水煤層具有吸收電磁波的能力，對其裂隙發育、含水性增加的煤層進行了分析，結果表明，與反射波法比較，無線電洞對含水的探測更為有效。

（3）通過反射波地震法進行勘探，檢測出4 個疑似異常區D2、D3、D4、D5，但是無線電坑透勘探方法并沒有檢測出這幾個區域。結果表明，這4個異常區域屬于煤層厚度變化帶，頂板和底板之間存在著很大的巖性差異，地震波能對煤層厚度的影響也比較顯著。

（4）從圖5 可以看到，雷達井的探查區域僅限于工作區的內側，而反射波法則可以對采區內外工作面進行探查，這是因為兩種技術的方法和原理不同造成的差異。

4 結語

（1）短列型滾動反射波探測和精細井底兩種探測技術，以錘擊激勵為震源，在探測地下地質異常時都有明顯的效果，精細無線電井下探測含水體方面具有優勢，而反射波地震法對異常體的定位更精確、探測范圍更廣，在探測煤層厚度變化上更具優勢。

（2）利用錘擊法作為震源點的短程滾動反射波法和微波井鉆兩種物探技術，通過對比，優缺互補，綜合解釋，可以更精確地檢測到探測區域內部的地質異常體的分布，檢測的結果完整可靠，取得了較好的效果，應用效果較好。

（3）地質異常綜合探測技術是一種靈活、方便、高效、高精度的技術手段，極大地提高了工作面的物探作業效率，有效地克服了常規放炮震源地震勘探技術在煤礦中應用的技術難題。

（4）實踐表明，該綜合探測技術能全面、精細地探測出礦區內的地質異常體分布、煤層厚度的變化，從而使物探預測精度和精細程度得到提高，從而為制定防治水工程方案、制訂工作面開采方案、確保為煤礦安全高效生產提供科學依據。