淺談礦井物探的重要性及相關(guān)技術(shù)

冼偉東，劉金國

(開灤集團(tuán)煤業(yè)公司地測部，河北唐山 063018)

1．煤礦物探技術(shù)的發(fā)展

上世紀(jì)60年代，資源地質(zhì)和生產(chǎn)地質(zhì)都處在從無到有的創(chuàng)建階段，當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平較低，地質(zhì)人員除羅盤、鐵錘、尺子、放大鏡外，主要手段是鉆探，到了70年代，地質(zhì)勘探部門在不斷提高鉆探技術(shù)水平的同時(shí)，大力發(fā)展了物探技術(shù)，地震、電法、重力、測井等物探技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。而礦井生產(chǎn)地質(zhì)基本上還是以鉆探為主要手段，物探技術(shù)工作尚處于萌芽狀態(tài)。到了80年代，資源地質(zhì)的物探工作得以進(jìn)一步發(fā)展，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在物探應(yīng)用中廣泛使用了大型計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)字測井、數(shù)字地震儀等先進(jìn)的物探設(shè)備得到普及推廣應(yīng)用，基本上實(shí)現(xiàn)了物探數(shù)字化目標(biāo)。這時(shí)以物探為主的勘探方法開始引入物探技術(shù)，進(jìn)入了綜合勘探、綜合評價(jià)的時(shí)代。由于物探技術(shù)飛速發(fā)展，物探技術(shù)施工簡單、操作方便、探測效果好等特點(diǎn)，更適合于礦井采前探測與分析，由此，礦井生產(chǎn)地質(zhì)工作中也逐漸引入物探技術(shù)方法。礦井物探研究和應(yīng)用四十多年來，各產(chǎn)煤國家根據(jù)自身地質(zhì)特點(diǎn)發(fā)展了不同物探方法。我國礦井物探起步相對較晚，但近二十多年來，礦井物探得到迅速發(fā)展，取得了顯著的地質(zhì)效果。實(shí)踐證明，當(dāng)前物探技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下探測是煤礦生產(chǎn)中必不可少的地質(zhì)勘探手段，已成為煤礦井下探測的發(fā)展方向，可為煤礦的安全生產(chǎn)提地質(zhì)保障。

2．井下物探技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中的重要性

隨著社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是綜合機(jī)械化設(shè)備的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了礦井開采技術(shù)的進(jìn)步。但礦井開采機(jī)械化的主要缺點(diǎn)在于應(yīng)變能力太差，不能隨著地質(zhì)情況的變化而做出及時(shí)地調(diào)整。地面物探可對礦區(qū)內(nèi)大的地質(zhì)構(gòu)造體進(jìn)行較好的控制，但在井下遇到地質(zhì)異常體較多的是較小地質(zhì)異常體，如果不及時(shí)超前探查，不但會造成采掘系統(tǒng)布局的不合理，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，還直接影響工作面的持續(xù)開采及礦井水害的有效防治，更甚者危及整個(gè)礦井和礦工的生命安全。山西的“王家?guī)X礦難”、內(nèi)蒙古“駱駝山透水事故”、安徽“桃園煤礦透水事故”、開灤范各莊礦1984年陷落柱透水事故等典型案例，充分說明煤礦井下超前探測的重要性。

當(dāng)前煤礦生產(chǎn)建設(shè)要求高產(chǎn)高效，僅靠傳統(tǒng)的地質(zhì)方法查明礦井地質(zhì)問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需要的。在礦井生產(chǎn)中，即使利用地面采區(qū)高分辨三維地震勘探方法，要全部查明落差小于5米的小斷層及其它規(guī)模較小的地質(zhì)異常，也是極其困難的。因此運(yùn)用各種物探方法，結(jié)合地面及井下進(jìn)行綜合勘探，特別是對掘進(jìn)工作面及回采工作面采用井下物探進(jìn)行超前探測，是目前礦井地質(zhì)工作中煤礦安全生產(chǎn)最為有效的地質(zhì)手段。

2．1 礦井物探在煤礦地質(zhì)構(gòu)造預(yù)測預(yù)報(bào)中的作用

在煤礦生產(chǎn)中許多煤礦事故都跟井田的地質(zhì)構(gòu)造有著十分密切的聯(lián)系，由于地質(zhì)構(gòu)造的存在，直接控制著煤礦瓦斯及地下水的賦存狀況，對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅，同時(shí)由于地質(zhì)構(gòu)造的變化，現(xiàn)代化的采掘設(shè)備很難適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，為了實(shí)現(xiàn)安全高效的生產(chǎn)目的，就必須采取措施，采用先進(jìn)的物探技術(shù)進(jìn)行采前探測，查清開采區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，為采煤方法的選擇及設(shè)備的選型提供依據(jù)，為生產(chǎn)施工提供超前的地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)。目前，開灤礦區(qū)各礦在工作面回采前必須進(jìn)行無線電波坑道透視，在水平延深、工作面掘進(jìn)施工中均要求進(jìn)行超前探測，開灤礦區(qū)內(nèi)應(yīng)用于探測地質(zhì)構(gòu)造的主要物探方法有:無電線波坑透儀、地震波探測儀、瑞利波儀、地質(zhì)雷達(dá)、井下二維地震等，只有利用先進(jìn)的物探技術(shù)，積極與生產(chǎn)地質(zhì)相結(jié)合，才能不斷提高地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)水平，為煤礦安全生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的地質(zhì)保障。

2．2 物探技術(shù)在煤礦水害防治方面的作用

礦井水是煤礦開采中重大隱患之一，在煤礦資源的開采過程中，巖溶水、構(gòu)造水、頂板水、老空水等均對礦井的開采造成較大的威脅。面對復(fù)雜的開采地質(zhì)條件，礦井物探技術(shù)已經(jīng)成為煤礦水害防治的重要手段，加強(qiáng)礦井物探工作，是保證安全開采的必要條件。在礦井防治水工作中，目前開展的物探方法主要有:直流電法，瞬變電磁法、音頻電透視等。要求所有新采區(qū)、新水平延深、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的回采工作面等均要進(jìn)行超前探測，結(jié)合現(xiàn)場揭露的地質(zhì)信息進(jìn)行合理解釋，對探測區(qū)域進(jìn)行水文地質(zhì)條件評價(jià)，確定前方的異常區(qū)域，然后通過鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，為生產(chǎn)施工提供指導(dǎo)，從而保證工程的安全高效。由于礦井物探儀體積小、施工條件簡單、操作方便、施工時(shí)間短、探測效果好，能及時(shí)準(zhǔn)確的指導(dǎo)生產(chǎn)，不影響煤礦正常的生產(chǎn)，在煤礦地質(zhì)及防治水工作中得到了廣泛的應(yīng)用，在煤礦安全生產(chǎn)中已充分體現(xiàn)出了礦井物探的重要性，特別在煤礦水害防治工作中起到了越來越重要的作用。

3．煤礦物探技術(shù)的應(yīng)用

礦井物探方法很多，按物理場分類主要有:地震類、電法類和電磁類。在實(shí)踐中，目前較為有效和常用的井下探測方法主要有無線電波透視法、瞬變電磁法、礦井直流電法、地質(zhì)雷達(dá)、井下高分辨二維地震探測、瑞利波地震探測等方法。

各類物探手段所反映的物理特征決定了它的適用條件和范圍，如:地震手段測量的參數(shù)為折射、反射、透射地震波的旅行時(shí)，表現(xiàn)的物理特征是地下巖石密度和彈性模量，它們決定地震波傳播速度;電法測量地下巖石電阻、電壓、電位等參數(shù)，表征的物理場是電導(dǎo)率等。因此，應(yīng)用物探方法時(shí)，要深入研究勘查對象的地質(zhì)物性條件，選用適合的方法。在生產(chǎn)實(shí)踐中，同一地點(diǎn)要求采用兩種以上物探方法探測，探測成果可以互相印證，可以有針對性解決礦井地質(zhì)物探中的多解性問題，已取得良好的地質(zhì)效果。

3．1 無線電波坑道透視

無線電波坑透技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用已有三十多年的歷史，現(xiàn)在煤礦坑透物探儀的應(yīng)用中，使用較多的是重慶WKT－E型及廊坊的WKT－6型坑透儀。最新又有新的技術(shù)突破，如廊坊推出的WKT－7型，可以實(shí)現(xiàn)雙發(fā)雙收，即雙頻發(fā)射，雙頻接收，一次可探測完成兩個(gè)頻率的數(shù)據(jù)，得到兩種不同頻率的探測成果，可以實(shí)現(xiàn)相互印證的目的，成果解釋更準(zhǔn)確可靠。福州華虹推出的YDT88無線電波透視儀，采用一發(fā)雙收，即一頻率發(fā)射，兩個(gè)接收機(jī)接收，主要特點(diǎn)是減少接收人員往反跑動的路程，縮短工作面探測的時(shí)間。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前的儀器設(shè)備及解釋技術(shù)較以前已得到很大的提高，通過CT成像技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)視電阻率變化情況，圈定異常區(qū)，提高了物探解釋精度。開灤礦區(qū)各礦均購置有各類型的坑透設(shè)備，對所有綜采工作面全部要求進(jìn)行坑透，查清工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造及煤層變化情況。該項(xiàng)技術(shù)為比較成熟的探測技術(shù)，在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍，效果也是最好的。開灤礦區(qū)每年至少進(jìn)行50－60個(gè)工作面的探測工作，保證了礦井的安全生產(chǎn)。但是，探測過程中往往由于井下探測環(huán)境的因素，如工作面不停電，在工作面生產(chǎn)的同時(shí)進(jìn)行坑透施工，這樣對數(shù)據(jù)的采集造成較大的影響，從而影響到數(shù)據(jù)的處理及地質(zhì)解釋，因此，在探測中要盡可能避開生產(chǎn)時(shí)段，減少人為因素的影響，以提高探測精度。

3．2 瑞利波探測技術(shù)

瑞雷波(R波)是一種面波，是由SV波和P波干涉而形成，而R波的能量主要集中在介質(zhì)的自由表面附近，根據(jù)瑞利波各諧波分量沿垂直自由表面方向衰減不同，測量已頻散的瑞利波各分量的傳播速度，形成頻散曲線。生產(chǎn)實(shí)踐中，通過采集人工震源激發(fā)出地震波，從其中提取所攜帶的信息來分析地層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，適用于探測幾十米以內(nèi)地質(zhì)體的幾何形態(tài)。巖土分層，斷層、洞穴等地質(zhì)構(gòu)造或異常。

瞬態(tài)瑞利波探測要求是采用縱向觀測系統(tǒng)，震源和各接受點(diǎn)排列在一條直線上，通常認(rèn)為，縱向排列的兩個(gè)接收點(diǎn)之間的中心位置就是瑞利波勘探的地點(diǎn)以下的位置，相應(yīng)的頻散曲線就是反映該處地表以下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造。在探測中，一般來說，當(dāng)探測較淺部的地層特征時(shí)，宜采用較小的x值，可獲得較好的結(jié)果;當(dāng)探測較深部的地層特征時(shí)，宜采用較大的x值，并用重錘沖擊地面，以產(chǎn)生較低頻率的信號，使其能反映地下更深處的介質(zhì)信息。當(dāng)前，煤礦防治水工作是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要工作，作為一種新地球物理探測方法之一的瑞利波探測儀，在礦井建設(shè)、生產(chǎn)中扮演著越來越重要的作用。生產(chǎn)實(shí)踐中，在探測老空、老窯、煤層厚度和掘進(jìn)巷道前方地質(zhì)構(gòu)造、陷落柱、薄煤帶等方面取得了良好的效果，使地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)工作由定性上升到定量，資料更加準(zhǔn)確及時(shí)，能更好地為煤礦安全生產(chǎn)服務(wù)。

3．3 電法勘探技術(shù)

電法勘探技術(shù)是根據(jù)地殼中各類巖石或礦體的電磁學(xué)性質(zhì)(如導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、介電性)和電化學(xué)特性的差異，通過對人工或天然電場、電磁場或電化學(xué)場的空間分布規(guī)律和時(shí)間特性的觀測和研究，尋找不同類型有用礦床和查明地質(zhì)構(gòu)造及解決地質(zhì)問題的地球物理勘探方法。在煤礦井下主要用于探測工作面附近空間內(nèi)的煤巖層及地質(zhì)構(gòu)造的賦水性及分布情況，解決煤礦開采過程中的水文地質(zhì)及煤礦安全問題。主要方法有直流電法和交流電法。直流電法用得比較廣泛的方法有高密度電阻率法、電測深法、電剖面法。交流電法主要是采用頻率測深法。

3．3．1 電阻率法

電阻率法是以巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律從而達(dá)到找礦或解決某些地質(zhì)問題的目的。電阻率法現(xiàn)場工作方法較多，其中高密度電阻率法是新近發(fā)展并推廣到礦井中的新技術(shù)。高密度電阻率法同常規(guī)電阻率法相比，除具有測點(diǎn)密度大、多極距和多裝置形式同時(shí)采樣的優(yōu)點(diǎn)外，還可通過求取不同比值參數(shù)而突出異常信息。

3．3．2 電測深法

電測深是以全空間電場分布理論為基礎(chǔ)的，通過布置在煤礦巷道內(nèi)的供電電極在巷道周圍巖層中建立起全空間穩(wěn)定的人工電場，測量該電場的變化規(guī)律，從而達(dá)到探測巷道周圍巖層中的含水異常地質(zhì)體的目的。主要用于煤礦井下掘進(jìn)前方及巷道周圍一定范圍內(nèi)的含水地質(zhì)構(gòu)造的超前探測，評價(jià)含水層富水性、預(yù)測老窯巖溶及潛在突水點(diǎn)等，最大探測深度一般達(dá)80～100m。目前各礦由于儀器設(shè)備陳舊，需要更新，開灤地礦公司于2013年引進(jìn)了西安博深YTD400(A)型礦井全方位探測儀，可對礦區(qū)各生產(chǎn)礦井進(jìn)行探測服務(wù)，但更多的采取委托地質(zhì)勘探物測專業(yè)隊(duì)伍來完成該項(xiàng)工作，一般由煤科總院西安分院、華北科技學(xué)院、湖北煤田地質(zhì)勘探公司等單位來完成。

3．3．3 音頻電透視方法

音頻電導(dǎo)率透視技術(shù)是西安煤科分院物探研究所在直流電法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種探測井下巖體富水性的較為有效的技術(shù)手段。具有電法和頻率測深的特點(diǎn)，該方法利用工作面現(xiàn)有的巷道、切眼等條件，對工作面頂、底板內(nèi)部的含水構(gòu)造及掘進(jìn)頭前方、巷道周圍的含水、導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行超前探測，確定含水體的空間位置，最大穿透深度320米。可以對巷道下方的含水層位置、界面形態(tài)進(jìn)行探測;同時(shí)也能解決獨(dú)頭掘進(jìn)巷道前方的水文地質(zhì)異常體探測等問題。在日常生產(chǎn)中主要針對工作面采前探測，查清工作面頂?shù)装鍘r層中的賦含水分布情況，為鉆探泄放水提供方向和目標(biāo)，對異常明顯的區(qū)域要提前進(jìn)行探放水，堅(jiān)持先治后采的原則，取得較好的效果，開灤礦區(qū)內(nèi)這種探測方法在錢家營礦及東歡坨礦應(yīng)用得比較多，探測效果比較理想。

3．3．4 礦井瞬變電磁技術(shù)

瞬變電磁法(簡稱TEM)是利用不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖電磁場間歇期間，利用不接地線圈或接地電極觀測由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次渦流場隨時(shí)間的變化的方法，以探測深度大，對水反應(yīng)敏感被廣泛用來探測水異常，應(yīng)用效果較好。井下瞬變電磁探測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工作面超前探測中，在新采區(qū)、水平延深區(qū)施工的開拓掘進(jìn)工程均要求采用兩種方法以上的物探超前探測，目前在開灤礦區(qū)各礦的掘井、回采及水平延深工作面中已普遍開展超前探測工作。

4．結(jié)束語

安全高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)工作，用傳統(tǒng)的鉆探手段已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足發(fā)展的需求，快捷、準(zhǔn)確、及時(shí)的物探手段被廣泛應(yīng)用到礦井地質(zhì)及防治水超前探測工作中，通過物探技術(shù)的綜合應(yīng)用，可為高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)提供有力的支持。新的物探技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中得到不斷的驗(yàn)證和改進(jìn)，從而促進(jìn)了物探技術(shù)快速發(fā)展和提高。如今，礦井物探已成為礦井地質(zhì)工作中不可缺少的手段，在煤礦安全高效的生產(chǎn)中將起到越來越重要的作用。特別是對受頂板含水層水、底板奧灰含水層及老空積水嚴(yán)重影響的開灤礦區(qū)，祈盼著更加成熟、應(yīng)用更加方便的物探技術(shù)，更好地為煤礦安全生產(chǎn)服務(wù)。

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