礦井巷道地球物理方法超前探測(cè)研究進(jìn)展與展望

程久龍,李 飛,彭蘇萍,孫曉云

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2．華北科技學(xué)院礦井災(zāi)害防治河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京101601)

礦井巷道地球物理方法超前探測(cè)研究進(jìn)展與展望

程久龍1,李 飛2,彭蘇萍1,孫曉云1

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2．華北科技學(xué)院礦井災(zāi)害防治河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京101601)

礦井掘進(jìn)工作面地球物理方法超前探測(cè)要求準(zhǔn)確探測(cè)巷道前方地質(zhì)異常體,探測(cè)空間小,干擾大,技術(shù)要求高。從方法原理、研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)和儀器設(shè)備4個(gè)方面對(duì)地震方法、直流電法、瞬變電磁法、其他物探方法用于超前探測(cè)進(jìn)行了總結(jié)。介紹了近幾年來(lái)地球物理方法在地質(zhì)構(gòu)造、巖層含水性超前探測(cè)以及儀器研制等方面的最新進(jìn)展,包括地震精細(xì)成像、槽波超前探測(cè)、瞬變電磁波場(chǎng)轉(zhuǎn)換與合成孔徑、直流聚焦法超前探測(cè)、磁共振超前探測(cè)、井下陷落柱等超前探測(cè)以及全空間反演和聯(lián)合反演等技術(shù)。圍繞提高超前探測(cè)的精度、分辨率、抗干擾能力和增加探測(cè)距離,實(shí)現(xiàn)精細(xì)探測(cè),提出了掘進(jìn)工作面地球物理方法超前探測(cè)的發(fā)展方向,包括完善全空間物理場(chǎng)基礎(chǔ)理論、開(kāi)發(fā)新技術(shù)新方法以及提高探測(cè)精度和分辨率的精細(xì)數(shù)據(jù)處理方法等。探討了儀器裝備要向?qū)崟r(shí)預(yù)報(bào)、智能化、一體化、防爆、輕便化、抗干擾等方向發(fā)展。

地球物理方法;超前探測(cè);研究進(jìn)展;發(fā)展方向;掘進(jìn)工作面

礦井掘進(jìn)工作面地球物理方法(簡(jiǎn)稱(chēng)物探)超前探測(cè)是一項(xiàng)工作環(huán)境特殊、技術(shù)難度大、工作要求高且關(guān)系到礦井安全的地球物理探查工作。礦井掘進(jìn)工作面工作環(huán)境艱苦,數(shù)據(jù)采集要在高溫、高濕、高粉塵、高噪音的環(huán)境中完成,勞動(dòng)強(qiáng)度大。掘進(jìn)工作面空間狹小,限制了物探觀測(cè)系統(tǒng)的布置和探測(cè)裝備的大小,進(jìn)而影響了探測(cè)效果。掘進(jìn)工作面具有高瓦斯等特殊條件,儀器要求防爆,這也限制了物探儀器的發(fā)射功率和地震震源的選擇。掘進(jìn)工作面是準(zhǔn)全空間條件,地面的探測(cè)理論不能直接應(yīng)用于井下,這對(duì)數(shù)據(jù)處理與解釋提出了更高的要求。掘進(jìn)工作面干擾復(fù)雜,如鐵軌、錨網(wǎng)、工業(yè)電、機(jī)械振動(dòng)等,降低了數(shù)據(jù)信噪比。掘進(jìn)工作面在物探超前探測(cè)之后,便是鉆探驗(yàn)證,緊接著又是巷道掘進(jìn)揭露,因此礦井掘進(jìn)工作面超前探測(cè)具有很高的技術(shù)要求。

近幾年來(lái),隨著煤礦山逐步進(jìn)入深部開(kāi)采階段,高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓、開(kāi)采強(qiáng)擾動(dòng)等地質(zhì)環(huán)境變化,對(duì)掘進(jìn)工作面超前探測(cè)提出了更高的要求。因此,進(jìn)一步完善和發(fā)展掘進(jìn)工作面超前探測(cè)理論體系,開(kāi)發(fā)新技術(shù)新方法,是保障礦井安全生產(chǎn)的迫切需求。

1 礦井掘進(jìn)工作面超前探測(cè)研究回顧

1.1 地震類(lèi)方法

地震類(lèi)超前探測(cè)方法利用地震波在不均勻地質(zhì)體中傳播時(shí)產(chǎn)生的反射、繞射、散射等特性,來(lái)預(yù)報(bào)巷道掘進(jìn)前方及周?chē)R近區(qū)域的地質(zhì)狀況,主要有反射波法和瑞雷波法。

礦井掘進(jìn)工作面反射波法超前探測(cè)技術(shù)方法主要有：沈鴻雁等[1]提出了RTSP隧道井巷地震超前預(yù)報(bào)方法,采用聯(lián)合濾波技術(shù)進(jìn)行波場(chǎng)分離,根據(jù)繞射疊加原理和鏡像原理進(jìn)行成像。劉盛東等[2]提出了MSP礦井地震波超前探測(cè)方法,采用巷道多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)采集地震數(shù)據(jù),通過(guò)能量合成與分解、波場(chǎng)分離、偏移疊加方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,可以解決巷道前方100 m內(nèi)的各種地質(zhì)構(gòu)造預(yù)報(bào)。賀志云[3]針對(duì)MMS-1型礦井多波地震儀的三分量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),開(kāi)發(fā)了礦井多分量地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),為多波地震超前探測(cè)提供了軟件支持。梁慶華等[4]提出了礦井多波多分量超前探測(cè)方法,能夠較準(zhǔn)確地探測(cè)到掘進(jìn)工作面前方100 m內(nèi)斷層、圍巖裂隙、巖石破碎帶等情況。此外,針對(duì)隧道的地震反射波法超前探測(cè)技術(shù)有時(shí)也被用于礦井超前探測(cè),主要有鐘世航提出的陸地聲納法[5]、曾昭璜提出的地震負(fù)視速度法[6]、瑞士AMBERG公司開(kāi)發(fā)的TSP隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)[7],日本OYO公司、美國(guó)NSA公司、德國(guó)GFZ公司等也研發(fā)了基于反射波法的隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。地震反射波法優(yōu)點(diǎn)為探測(cè)距離長(zhǎng),分辨率高,信息豐富,對(duì)地質(zhì)異常特別是斷層反映較靈敏、定位較準(zhǔn)確;缺點(diǎn)為由于受掘進(jìn)工作面狹小空間觀測(cè)條件的限制以及三維空間巖體內(nèi)不同方向反射波的影響,數(shù)據(jù)處理與解釋存在很大的困難,同時(shí)由于在煤巷超前探測(cè)中地震波具有導(dǎo)波的柱狀幾何傳播特征,且巷道軸向一般與地層平行,相對(duì)成熟的隧道超前探測(cè)系統(tǒng)在井巷超前探測(cè)中適用性較差。

瑞雷波法超前探測(cè)是利用瑞雷波的頻散特性進(jìn)行超前探測(cè)的方法[8]。在非均勻彈性介質(zhì)中,不同頻率的振動(dòng)以不同的速度傳播,即瑞雷波的頻散特性,一定的頻率對(duì)應(yīng)一定的波長(zhǎng),即對(duì)應(yīng)一定的地層深度。瑞雷波超前探測(cè)優(yōu)點(diǎn)為輕便快捷,缺點(diǎn)為探測(cè)距離偏小,一般有效距離為30～50 m。

1.2 直流電法

礦井掘進(jìn)工作面超前探測(cè)直流電法主要有直流三極法、直流聚焦法和激電法,以直流三極法及其改進(jìn)方法為主。

國(guó)內(nèi)學(xué)者把直流電阻率三極測(cè)深法引入礦井巷道超前探測(cè)已有近20 a的歷史,但鮮見(jiàn)相關(guān)外文文獻(xiàn)。程久龍等[9]對(duì)以直流三極法為基礎(chǔ)的兩點(diǎn)三極電阻率法超前探測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理方法進(jìn)行了系統(tǒng)論述,之后劉青雯[10]、韓德品[11]等分別提出了基于幾何交匯原理的三點(diǎn)三極和七電極系探測(cè)系統(tǒng)。在含巷道三維正、反演數(shù)值模擬和物理模擬研究方面,黃俊革[12]、劉斌[13]、馬炳鎮(zhèn)[14]等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,認(rèn)為巷道空腔不會(huì)掩蓋工作面前方地質(zhì)體信息,但需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正;僅利用電阻率極值位置準(zhǔn)確解釋超前探測(cè)異常的難度較大,在反演中由于同層等值現(xiàn)象,反演結(jié)果只能確定異常體的厚度和電阻率的組合值。

直流三極法超前探測(cè)具有高效、方便、廉價(jià)的特點(diǎn),部分觀點(diǎn)認(rèn)為該方法探測(cè)距離可達(dá)100 m,探測(cè)精度較高,但一些學(xué)者認(rèn)為該方法超前探測(cè)距離被人為夸大。該方法缺點(diǎn)是受巷道后方及側(cè)幫影響較大,且直流點(diǎn)源場(chǎng)存在對(duì)掘進(jìn)工作面前方異常體的弱敏感性[15]。

1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法在地面和航空半空間的理論研究和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)較為成熟。在井下探測(cè)方面,于景邨等[16]對(duì)層狀介質(zhì)瞬變電磁法時(shí)間-深度換算進(jìn)行了研究,通過(guò)物理模擬與井下試驗(yàn)研究了巷道底板鐵軌和金屬支架等干擾的響應(yīng)特征,提出了相應(yīng)的校正方法。劉志新等[17]、姜志海[18]、楊海燕等[19]進(jìn)行了礦井瞬變電磁法全空間三維正演計(jì)算,對(duì)多匝小回線間自互感,全空間效應(yīng),發(fā)射功率、發(fā)射磁矩、關(guān)斷時(shí)間隨發(fā)射線圈匝數(shù)的變化關(guān)系,關(guān)斷時(shí)間、接收信號(hào)隨接收線圈匝數(shù)的變化關(guān)系等問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究,推導(dǎo)了全空間晚期和全區(qū)視電阻率公式,研究了全空間視電阻率解釋方法。郭純等[20]發(fā)展了同軸偶極裝置形式的超前探測(cè)方式,采用該方法進(jìn)行了連續(xù)跟蹤超前探測(cè)試驗(yàn)。

瞬變電磁法的優(yōu)點(diǎn)為：對(duì)低阻體反映敏感,在巖層富水性探測(cè)方面更具優(yōu)勢(shì);超前探測(cè)距離較大,探測(cè)方向指向性好;施工方便快捷,勞動(dòng)強(qiáng)度小等。缺點(diǎn)為：由于體積效應(yīng)影響,分辨率低,難以準(zhǔn)確分辨實(shí)際的電性界面,同時(shí)因關(guān)斷時(shí)間等影響,存在探測(cè)盲區(qū);由于全空間效應(yīng)影響,掘進(jìn)工作面前后方異?；旌显谝黄痣y以分離。

1.4 其他方法

紅外測(cè)溫超前探測(cè)是應(yīng)用紅外測(cè)溫儀對(duì)巷道壁進(jìn)行測(cè)溫,根據(jù)測(cè)量輻射溫度的變化判斷巷道前方的地質(zhì)情況,主要應(yīng)用于巷道前方近距離小范圍含水性探測(cè)。紅外測(cè)溫超前探測(cè)優(yōu)點(diǎn)為快速、輕便、廉價(jià)。缺點(diǎn)為不能準(zhǔn)確超前預(yù)報(bào)構(gòu)造具體位置,易受施工涌水和礦井通風(fēng)影響,探測(cè)距離和探測(cè)精度有限,主要作為超前探測(cè)的輔助方法[21]。

探地雷達(dá)法利用發(fā)射天線將高頻電磁波以脈沖形式由掘進(jìn)工作面發(fā)射至地層中,經(jīng)地層界面反射返回掘進(jìn)工作面,由另一天線接收回波信號(hào),進(jìn)而通過(guò)對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行處理、分析解釋,達(dá)到對(duì)短距離進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的目的。探地雷達(dá)超前探測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)為輕便快捷、對(duì)構(gòu)造探測(cè)分辨率高;缺點(diǎn)為探測(cè)距離有限[22]。

1.5 儀器設(shè)備

在礦井巷道超前探測(cè)儀器研制方面,國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的反射波法、瑞雷波法、直流電法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)、紅外測(cè)溫等儀器設(shè)備,整體上已初步形成系列化,具有一定的生產(chǎn)規(guī)模和能力,基本上滿足了國(guó)內(nèi)需求。但是在儀器穩(wěn)定性、可靠性、靈敏度以及軟硬件配套能力等方面,與國(guó)外尚有明顯的差距[23]。國(guó)外儀器發(fā)展較早,技術(shù)更為成熟,特別是在反射波超前探測(cè)系統(tǒng)和瞬變電磁法超前探測(cè)儀器方面,國(guó)外儀器發(fā)揮著重要作用。國(guó)外儀器的不足是價(jià)格相對(duì)較高,不具有專(zhuān)門(mén)的防爆性能。

2 礦井掘進(jìn)工作面超前探測(cè)研究進(jìn)展

近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞礦井掘進(jìn)工作面物探超前探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造和含水地質(zhì)體進(jìn)行了深入研究,特別是在影響礦井安全生產(chǎn)的巖層含水性探測(cè)方面,取得了許多成果。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造超前探測(cè)

2.1.1 槽波超前探測(cè)

從20世紀(jì)70年代起,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)槽波勘探進(jìn)行了一些研究,主要針對(duì)工作面的探測(cè)。在工作面探測(cè)方面,姬廣忠等[24]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),由于巷道的影響,巷道壁上產(chǎn)生很強(qiáng)的巷道振型槽波,煤層中則出現(xiàn)以Love型為主的槽波,據(jù)此分析了實(shí)際槽波記錄的形成機(jī)理。

在掘進(jìn)巷道超前探測(cè)方面,楊思通等[25]提出了Rayleigh型槽波煤巷小構(gòu)造超前探測(cè)方法,采用在巷道工作面前方煤層內(nèi)靠近底板激發(fā)縱波震源,在煤巷底板布置檢波器的觀測(cè)方式。數(shù)值模擬表明：在煤巷工作面前方煤層內(nèi)以縱波震源激發(fā)的Rayleigh型槽波相對(duì)于體波能量較強(qiáng),波列較長(zhǎng),波速較低;沿煤層傳播的Rayleigh型槽波在小構(gòu)造面上產(chǎn)生Rayleigh型槽波反射波,在煤巷工作面上轉(zhuǎn)換為沿煤巷底板傳播的Rayleigh面波,可以作為超前探測(cè)小構(gòu)造的特征波;在地震記錄上反射Rayleigh型槽波產(chǎn)生的Rayleigh面波波至最遲,能量較強(qiáng),在地震記錄上容易識(shí)別;在小構(gòu)造探測(cè)方面槽波法相比于反射波法更有優(yōu)勢(shì)。

2.1.2 地震成像

近年來(lái),極化成像和散射成像應(yīng)用于礦井掘進(jìn)工作面超前探測(cè)地震成像,取得了較好的效果。

極化偏移屬于全空間條件下反射波法精細(xì)成像。王勃[26]從三分量地震信號(hào)的實(shí)時(shí)偏振分析出發(fā),基于面波與體波極化程度差異、縱橫波傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向正交差異、同類(lèi)波與轉(zhuǎn)換波速度差異,引入偏振系數(shù)、主極化方向和相干因子,提出了適用于礦井全空間的極化偏移成像方法。數(shù)值模擬和物理模擬實(shí)驗(yàn)表明該方法對(duì)異常界面收斂性強(qiáng)、方向分辨率高;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明該方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)異常體位置、傾角、傾向3個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確超前預(yù)報(bào)。

井下實(shí)際的地質(zhì)問(wèn)題往往很復(fù)雜,基于單一波場(chǎng)理論的地震勘探方法不能正確描述復(fù)雜地震波場(chǎng),這就要求用廣義的地震波散射理論去解決復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題。金紅娣等[27]通過(guò)數(shù)值模擬分析了散射成像的效果,驗(yàn)證了散射成像應(yīng)用于掘進(jìn)工作面超前探測(cè)的可行性。程久龍等[28]對(duì)基于共散射點(diǎn)等效偏移距的疊前時(shí)間偏移成像方法進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬表明,相比常規(guī)的成像方法,該方法在傾斜界面尤其是產(chǎn)生繞射波部位的界面有更好的成像效果,為礦井掘進(jìn)工作面超前探測(cè)提供了新的思路。

2.1.3 地震AVO超前探測(cè)

在掘進(jìn)工作面地震超前探測(cè)中,異常體傾角相對(duì)于異常體位置的處理解釋更加困難。針對(duì)這一現(xiàn)狀,鄧帥奇等[29]對(duì)礦井矢量彈性波場(chǎng)進(jìn)行了AVO數(shù)值模擬研究,獲得了觀測(cè)系統(tǒng)前方不同傾角界面的振幅隨炮檢距的變化規(guī)律,認(rèn)為在炮檢距相同條件下,PP波的水平分量、PS波的垂直分量及PP波與PS波水平分量的絕對(duì)值振幅差與界面傾角大小成正比;PP波的垂直分量、PS波的水平分量及PP波與PS波垂直分量的絕對(duì)值振幅差與界面傾角大小成正比。

2.2 巖層含水性超前探測(cè)

2.2.1 直流聚焦法超前探測(cè)技術(shù)

直流聚焦法超前探測(cè)方法包括時(shí)間域和頻率域,是利用同性點(diǎn)源的相斥、聚焦原理進(jìn)行巷道超前探測(cè)的技術(shù)。阮百堯等[30]對(duì)坑道中直流聚焦超前探測(cè)法進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬和物理模擬研究,設(shè)計(jì)出適用于坑道掘進(jìn)工作面和側(cè)壁剖面測(cè)量的直流垂直聚焦超前探測(cè)電位觀測(cè)方案,驗(yàn)證了垂直聚焦探測(cè)方案能夠準(zhǔn)確探測(cè)出坑道掘進(jìn)工作面前方及坑道旁側(cè)不良地質(zhì)體的存在及空間分布。張偉杰[31]提出了基于雙頻激電原理,利用約束電場(chǎng)與探測(cè)電場(chǎng)之間的相互作用實(shí)現(xiàn)有效控制探測(cè)方向與探測(cè)距離的動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法超前探測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)了原理樣機(jī),開(kāi)展了常見(jiàn)有害地質(zhì)構(gòu)造的仿真探測(cè)。

2.2.2 磁共振超前探測(cè)技術(shù)

磁共振方法通過(guò)接收水中氫原子核宏觀磁矩進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁信號(hào)來(lái)探測(cè)地下含水體。磁共振技術(shù)在地面勘探中已有較廣泛的應(yīng)用,近年來(lái),在隧道和井下超前探測(cè)的研究也取得了一些進(jìn)展：林君[32]、孫懷鳳[33]等針對(duì)地下磁共振超前探測(cè)在數(shù)值模擬、可行性分析、觀測(cè)系統(tǒng)布置和儀器設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究,在隧道超前探測(cè)中進(jìn)行了試驗(yàn)性的水源探測(cè)工作。

相對(duì)于其他方法通過(guò)尋找低電阻率目標(biāo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)含水構(gòu)造的探測(cè),磁共振方法能夠直接尋找含水體,具有獲取信息豐富、解釋惟一、結(jié)果量化等優(yōu)點(diǎn)。但也存在探測(cè)距離短、分辨率較低、測(cè)量速度慢、抗干擾能力較差等缺陷,且因?yàn)樾枰蟮陌l(fā)射功率在井下探測(cè)時(shí)對(duì)防爆技術(shù)要求更高。

2.2.3 激發(fā)極化法超前探測(cè)技術(shù)

激發(fā)極化法根據(jù)巖、礦石的激發(fā)極化效應(yīng)探測(cè)地下含水體。李術(shù)才等[34]基于三維電阻率反演和大電流激發(fā)極化半衰時(shí)之差法,提出了隧道含水地質(zhì)構(gòu)造超前探測(cè)技術(shù)體系,研發(fā)了隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)專(zhuān)用激發(fā)極化儀器。數(shù)值模擬、物理模擬和工程應(yīng)用表明,該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)含水體的三維成像與含水構(gòu)造預(yù)測(cè),拓展了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的功能。

2.2.4 瞬變電磁多分量陣列式三維探測(cè)技術(shù)

現(xiàn)有瞬變電磁工作方法數(shù)據(jù)采集量相對(duì)較少,在進(jìn)行處理解釋時(shí)只能給出電阻率二維擬斷面圖,難以進(jìn)行三維反演成像。針對(duì)以上問(wèn)題,孫懷鳳[35]借鑒地面大回線中心裝置的觀測(cè)方式,結(jié)合隧道探測(cè)的實(shí)際情況,提出了適用于隧道的多分量陣列式瞬變電磁三維探測(cè)方法。該方法能夠進(jìn)行三維、多分量數(shù)據(jù)采集,獲得的數(shù)據(jù)包含探測(cè)目標(biāo)的三維地電結(jié)構(gòu)分布特征,為瞬變電磁三維反演成像奠定了基礎(chǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

2.3.1 波場(chǎng)轉(zhuǎn)換與合成孔徑雷達(dá)技術(shù)

薛國(guó)強(qiáng)等[36]在瞬變電磁擬地震成像方面做了較為深入的工作,提出了從瞬變電磁場(chǎng)到波場(chǎng)的優(yōu)化算法,總結(jié)了虛擬波場(chǎng)在色散介質(zhì)中的傳播規(guī)律。李貅等[37]對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了合成孔徑雷達(dá)處理,證明該技術(shù)可以提高信噪比、突出弱異常、提高分辨率、加大勘探深度。程久龍等[38-39]對(duì)礦井瞬變電磁波場(chǎng)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究,對(duì)掘進(jìn)工作面超前探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了合成孔徑雷達(dá)處理,工程應(yīng)用表明：波場(chǎng)轉(zhuǎn)換能夠突出低阻異常進(jìn)而提高分辨率及勘探精度,合成孔徑雷達(dá)能夠增強(qiáng)弱異常、提高信噪比,實(shí)現(xiàn)礦井瞬變電磁低阻異常電性界面的精細(xì)探測(cè)。圖1為礦井瞬變電磁超前探測(cè)的常規(guī)視電阻率扇形平面圖與經(jīng)波場(chǎng)轉(zhuǎn)換和合成孔徑成像的平面圖的對(duì)比,可以看出,常規(guī)視電阻率扇形平面圖中視電阻率界面的劃分依據(jù)的是視電阻率的大小,人為因素影響大;而經(jīng)波場(chǎng)轉(zhuǎn)換和合成孔徑成像后的電性界面的劃分不受人為因素影響,因而是客觀的。

2.3.2 全空間反演

圖1 常規(guī)視電阻率平面圖與合成孔徑成像平面圖的對(duì)比Fig．1 Comparison of general resistivity section and SAI section

煤礦井下瞬變電磁法探測(cè)中,電磁場(chǎng)呈全空間分布,全空間瞬變電磁反演是復(fù)雜的非線性問(wèn)題,目前常規(guī)反演中全空間響應(yīng)主要由半空間響應(yīng)乘以全空間響應(yīng)系數(shù)來(lái)得到,導(dǎo)致反演結(jié)果中掘進(jìn)工作面前方和后方異常疊加在一起難以分離。針對(duì)常規(guī)反演方法的不足,李明星[40]提出了基于全空間瞬變電磁場(chǎng)理論和粒子群優(yōu)化算法的礦井全空間瞬變電磁非線性反演方法。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,相比半空間反演結(jié)果,全空間的反演結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)資料的吻合程度高得多,能夠?qū)崿F(xiàn)全空間巖層電阻率異常的分離,提高全空間瞬變電磁勘探資料的解釋精度。

2.3.3 聯(lián)合反演

聯(lián)合反演在地面半空間已經(jīng)有很多成功的先例,在地下全空間的研究很少。M．dobroka等[41]對(duì)礦井地震和電法進(jìn)行了5層模型的聯(lián)合反演研究。李飛[15]基于全空間直流點(diǎn)源場(chǎng)和瞬變電磁場(chǎng)理論,運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法,提出了礦井掘進(jìn)工作面瞬變電磁和直流電法超前探測(cè)同步聯(lián)合反演方法。數(shù)值模擬和工程應(yīng)用表明：聯(lián)合反演對(duì)掘進(jìn)工作面前方異常體位置、范圍的計(jì)算精度和分辨率,比一種方法的單獨(dú)反演都有明顯提高;該方法能夠壓制干擾,抑制等值現(xiàn)場(chǎng)對(duì)反演的影響,提高探測(cè)精度,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面前方和后方地質(zhì)異常的分離。

2.4 井下采空區(qū)、陷落柱超前探測(cè)

采空區(qū)、陷落柱等隱蔽致災(zāi)因素危害大、探測(cè)困難,相對(duì)于鉆探、化探和地面物探,井下物探更有優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)在掘進(jìn)工作面前方的采空區(qū)、陷落柱物探超前探測(cè)方面積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。劉白宙[42]介紹了瞬變電磁技術(shù)在煤礦井下探測(cè)老空水方面的應(yīng)用,研究了井下巷道有限施工條件下探測(cè)不同賦存方位采空區(qū)的方法,證明了技術(shù)在探測(cè)巷道掘進(jìn)頭前方、巷道頂?shù)装寮跋锏纻?cè)幫等方向老空水的有效性。梁慶華[43]研究了礦井全空間小線圈瞬變電磁探測(cè)技術(shù)在老空區(qū)積水、陷落柱方面的應(yīng)用,給出了采空區(qū)、陷落柱在含水和不含水情況下的瞬變電磁超前探測(cè)的工程應(yīng)用實(shí)例。姜志海[18]對(duì)不同地質(zhì)異常體的瞬變電磁超前探測(cè)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,給出了陷落柱和老窯積水的探測(cè)方法和工程應(yīng)用實(shí)例。崔凡等[44]研究了防爆探地雷達(dá)在井下有限空間里精確探測(cè)陷落柱的方法,結(jié)合多種數(shù)據(jù)處理方法,給出了在20 m探測(cè)范圍內(nèi)精確探測(cè)陷落柱的工程應(yīng)用。

2.5 儀器設(shè)備

在電法類(lèi)探測(cè)方法中,吉林大學(xué)核磁共振課題組[32]成功研發(fā)了小型化磁共振儀器,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性的隧道災(zāi)害水源探測(cè)工作;研發(fā)了共用一套天線系統(tǒng)的瞬變電磁和磁共振聯(lián)用儀。李術(shù)才等[34]針對(duì)隧道工作環(huán)境特點(diǎn)研發(fā)了隧道超前探測(cè)專(zhuān)用激發(fā)極化儀器系統(tǒng),解決了普通激電儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)大電流脈動(dòng)恒流供電的問(wèn)題,突出了半衰時(shí)之差參數(shù)的測(cè)量功能。

在地震類(lèi)探測(cè)方法中,王勃等[26]設(shè)計(jì)了雷管震源裝置,較炸藥震源具有價(jià)格低廉、施工效率高、安全性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì);較錘擊震源具有頻帶寬、能量強(qiáng)、高頻信號(hào)豐富的脈沖特性?xún)?yōu)勢(shì);設(shè)計(jì)了結(jié)合X,Y,Z正交型三分量及U,V,W加爾彼林斜三分量的六分量傳感器,指向性較三分量更加豐富。朱國(guó)維等[45]研制了智能三分量地震檢波器,具有高采樣率、大動(dòng)態(tài)范圍、控制智能化與輕便易攜、采集信號(hào)原位數(shù)字化、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

在探地雷達(dá)方面,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)依托國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)研制了礦井防爆地質(zhì)雷達(dá),頻率范圍12．5～50 MHz,經(jīng)工業(yè)性試驗(yàn),在煤巷中超前探測(cè)有效距離不小于50 m。

3 展 望

礦井掘進(jìn)工作面物探超前探測(cè)雖然已成初步體系,但探測(cè)效果遠(yuǎn)未能滿足實(shí)際安全生產(chǎn)需要,物探超前探測(cè)任重道遠(yuǎn)。今后的研究要緊緊圍繞提高超前探測(cè)的精度、分辨率、抗干擾能力和探測(cè)距離來(lái)開(kāi)展,重點(diǎn)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論與新技術(shù)新方法、精細(xì)數(shù)據(jù)處理方法以及新儀器裝備等方面的研究。

3.1 基礎(chǔ)理論與新技術(shù)新方法

3.1.1 地震類(lèi)超前探測(cè)方法

在數(shù)值模擬方面,礦井掘進(jìn)工作面地震超前探測(cè)中地震波場(chǎng)非常復(fù)雜,需要進(jìn)一步摸清超前探測(cè)中三維全波場(chǎng)特征,因此建立實(shí)際巷道空間條件下針對(duì)小構(gòu)造探測(cè)的三維模型的正演模擬尤為重要。在觀測(cè)系統(tǒng)方面,常規(guī)的線性觀測(cè)系統(tǒng)接收到的波場(chǎng)信息有限,充分利用掘進(jìn)工作面、巷道頂、底板、側(cè)幫和鉆孔等空間,建立空間三維立體觀測(cè)系統(tǒng),可以最大限度的獲取空間波場(chǎng)信息,避開(kāi)障礙物和干擾源,壓制干擾,提高探測(cè)精度。在地震波的接收方面,多波多分量超前探測(cè)技術(shù)有利于最大限度的獲取、利用空間波場(chǎng)信息,提高超前探測(cè)精度,壓制干擾,實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)探測(cè)。在地震波的激發(fā)方面,傳統(tǒng)的炸藥震源和錘擊震源適用性受到制約,以采掘機(jī)械作業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的震動(dòng)作為震源(如以掘進(jìn)機(jī)作業(yè)為震源的隨掘地震)的超前探測(cè),因具有實(shí)時(shí)探測(cè)、不干擾正常掘進(jìn)作業(yè)等優(yōu)勢(shì),是地震超前探測(cè)新震源研究的一個(gè)前沿方向。

此外,槽波在煤巷掘進(jìn)工作面超前探測(cè)(特別是小構(gòu)造探測(cè))方面具有一定的優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步發(fā)展和完善槽波超前探測(cè)理論和方法是一個(gè)重要發(fā)展方向。

3.1.2 直流電法類(lèi)超前探測(cè)方法

直流三極法及其改進(jìn)方法超前探測(cè),雖然技術(shù)體系已相對(duì)成熟,但探測(cè)效果仍然存在爭(zhēng)議。針對(duì)直流三極超前探測(cè)方法的有效探測(cè)距離,基于幾何交匯原理數(shù)據(jù)處理方法的效果,對(duì)含水小構(gòu)造的探測(cè)能力仍然需要進(jìn)一步的探討。此外,直流三極法由于對(duì)掘進(jìn)工作面后方地質(zhì)情況控制作用好,且對(duì)前后方異常具有可分性,因此與其他方法的綜合探測(cè)、聯(lián)合反演是其發(fā)展方向。直流聚焦法超前探測(cè),是直流電法超前探測(cè)的主要研究方向之一,技術(shù)難度大,要在不同地質(zhì)異常體的聚焦電場(chǎng)特征和觀測(cè)系統(tǒng)方面進(jìn)行深入研究。

3.1.3 瞬變電磁超前探測(cè)方法

瞬變電磁超前探測(cè)是準(zhǔn)全空間探測(cè),干擾復(fù)雜,地質(zhì)異常各異,導(dǎo)致全空間電磁場(chǎng)特征復(fù)雜,給后期數(shù)據(jù)處理解釋帶來(lái)了很大困難。要進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào),首先要進(jìn)行全空間含不同干擾體三維正演模擬,對(duì)不同干擾源和地質(zhì)異常體探測(cè)中可能產(chǎn)生的電磁場(chǎng)特征進(jìn)行分析,為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和資料處理解釋提供可靠的理論依據(jù)。

3.1.4 綜合探測(cè)技術(shù)

在礦井掘進(jìn)工作面超前探測(cè)中,單一探測(cè)方法都有一定的局限性,通過(guò)兩種或兩種以上方法的多參數(shù)綜合探測(cè)[46],可以實(shí)現(xiàn)各種方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、壓制干擾,從而提高探測(cè)精度和探測(cè)距離。如瞬變電磁法和直流三極法的綜合超前探測(cè)可以彌補(bǔ)瞬變電磁法對(duì)高阻和盲區(qū)探測(cè)的不足,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面前后方異常分離;電法和地震類(lèi)方法的綜合超前探測(cè),對(duì)構(gòu)造和含水性達(dá)到全面的探測(cè)效果。此外,紅外測(cè)溫方法快速、輕便,磁共振方法能夠定量探水,這都為其他方法的綜合探測(cè)提供了良好的基礎(chǔ)條件。

3.1.5 隨掘超前探測(cè)技術(shù)

常規(guī)的超前探測(cè)方法不能實(shí)現(xiàn)探掘協(xié)調(diào)作業(yè),影響掘進(jìn)速度,導(dǎo)致有的礦井為了搶工期、趕進(jìn)度而忽視探測(cè)重要性,造成安全事故。將探測(cè)儀器與掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)隨掘探測(cè)是一個(gè)很好的解決方案,如以掘進(jìn)機(jī)截割巖石產(chǎn)生震動(dòng)為震源的隨掘地震,可以在掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中實(shí)施地震探測(cè),不需要另外震源(炸藥、錘擊等),不需要掘進(jìn)機(jī)停止工作來(lái)探測(cè),可大大提高工作效率。隨掘超前探測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前方地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),更好地保障掘進(jìn)安全。

3.1.6 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在礦井掘進(jìn)工作面超前探測(cè)中,數(shù)據(jù)采集和處理、解釋常常由不同人員完成,而且,數(shù)據(jù)采集是在井下進(jìn)行,數(shù)據(jù)處理和解釋是在地面進(jìn)行,采集與處理解釋時(shí)間上不同步,地面人員也無(wú)法了解和掌握井下情況,借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地解決這一問(wèn)題,數(shù)據(jù)采集可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與地面實(shí)時(shí)互通,同時(shí)地面處理解釋結(jié)果可以實(shí)時(shí)反饋到井下,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,可以大大提高工作效率,提高超前探測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

3.2 提高探測(cè)精度和分辨率的精細(xì)數(shù)據(jù)處理方法

3.2.1 地震精細(xì)成像

地震精細(xì)成像的前提是要充分利用空間立體觀測(cè)系統(tǒng)和多分量檢波器接收的地震波場(chǎng)信息,進(jìn)一步開(kāi)展極化成像、散射成像、地震干涉等成像方法研究;針對(duì)煤巷掘進(jìn)工作面超前探測(cè)的特點(diǎn),要進(jìn)一步研究槽波超前探測(cè)理論和成像方法。

3.2.2 瞬變電磁精細(xì)成像

瞬變電磁精細(xì)成像的難點(diǎn)在于體積效應(yīng)造成的低分辨率和全空間效應(yīng)造成的掘進(jìn)工作面前后方異常疊加,精細(xì)成像技術(shù)要從解決這兩個(gè)難點(diǎn)出發(fā)來(lái)開(kāi)展研究。

瞬變電磁波場(chǎng)轉(zhuǎn)換與合成孔徑雷達(dá)技術(shù),將傳統(tǒng)的瞬變電磁場(chǎng)求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為波動(dòng)方程的求解問(wèn)題,將傳統(tǒng)的單點(diǎn)處理方式發(fā)展成為逐點(diǎn)推移多次覆蓋的處理方法,為提高瞬變電磁法的分辨率開(kāi)辟了新的途徑。近年來(lái)雖然取得了一定的成果,但方法還不夠成熟,需要在提高分辨率上進(jìn)一步研究。

常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法以視電阻率計(jì)算和一維反演為主,反演中全空間響應(yīng)由半空間響應(yīng)乘以全空間響應(yīng)系數(shù)得到。相對(duì)于常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法,全空間反演、聯(lián)合反演等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面前后方異常的分離,是提高瞬變電磁超前探測(cè)精度和分辨率的有效途徑。

3.2.3 壓制干擾的處理方法

相對(duì)于地面探測(cè),井下探測(cè)干擾更加復(fù)雜。高效的干擾壓制方法是提高探測(cè)精度和分辨率的重要手段。壓制干擾數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展方向主要有：進(jìn)一步研究干擾信號(hào)的特征和校正方法,通過(guò)正演模擬、物理模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等方法研究干擾源的物理響應(yīng)特征,通過(guò)對(duì)原始信號(hào)的校正來(lái)減小干擾的影響;進(jìn)一步研究波場(chǎng)分離方法,突出有效波,壓制干擾波;進(jìn)一步研究有效的數(shù)據(jù)疊加方法,通過(guò)相關(guān)分析等處理,將不同測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效疊加,增強(qiáng)有用信號(hào),達(dá)到壓制干擾;進(jìn)一步研究綜合探測(cè)方法的多場(chǎng)信息融合計(jì)算方法,壓制不同探測(cè)方法的干擾,提高信噪比。

3.2.4 多場(chǎng)聯(lián)合反演

聯(lián)合反演是綜合地球物理定量解釋的重要手段。根據(jù)反演流程的不同,聯(lián)合反演分為剝離法、順序法、伸展法和同步法,前3種是不同方法反演結(jié)果之間的綜合,同步反演是真正意義上的聯(lián)合反演;根據(jù)反演方法的不同,聯(lián)合反演分為線性反演和非線性反演,非線性反演在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性方面更有優(yōu)勢(shì)[47]。

目前井下探測(cè)聯(lián)合反演研究較少,應(yīng)該圍繞同步聯(lián)合反演和非線性聯(lián)合反演來(lái)開(kāi)展研究,在進(jìn)一步研究瞬變電磁和直流電法等基于相同物性聯(lián)合反演方法的同時(shí),加強(qiáng)地震類(lèi)方法和電法類(lèi)方法、電法類(lèi)方法和磁共振方法等基于不同物性聯(lián)合反演方法的研究。

3.3 儀器設(shè)備

(1)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與智能預(yù)警。目前掘進(jìn)工作面超前探測(cè)還處在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)、地面處理解釋階段,開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)采集、即時(shí)處理分析的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)探測(cè)裝備,實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警,不僅可以大大提高生產(chǎn)效率,而且可以保障掘進(jìn)生產(chǎn)安全。

(2)礦井多源災(zāi)害一體化超前探測(cè)裝備。礦井多源災(zāi)害一體化超前探測(cè)裝備,通過(guò)最大限度的優(yōu)化儀器設(shè)計(jì)(如共用電源裝置、天線、震源等),有望大大降低綜合探測(cè)成本,提高工作效率。

(3)磁棒接收與天線屏蔽等新技術(shù)的應(yīng)用。礦井瞬變電磁超前探測(cè)中,常規(guī)的接收是感應(yīng)線圈,體積大且穩(wěn)定性不足,開(kāi)發(fā)磁棒或高溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)[48]代替感應(yīng)線圈接收是提高信噪比、增加探測(cè)距離、減小裝備質(zhì)量的必由之路。另外,電磁波的全空間傳播嚴(yán)重影響了瞬變電磁法的資料處理和解釋,研制天線屏蔽技術(shù),加大指向性,可大大提高礦井瞬變電磁法的探測(cè)精度和分辨率。

(4)小型化、輕便化、智能化。礦井掘進(jìn)工作面空間有限,各種地面物探方法應(yīng)用于井下探測(cè)小型化、輕便化設(shè)計(jì)是首要條件。超前探測(cè)是專(zhuān)業(yè)性非常強(qiáng)的工作,要求探測(cè)人員具有一定的理論與技術(shù)。通過(guò)對(duì)超前探測(cè)儀器設(shè)備的智能化設(shè)計(jì),讓非專(zhuān)業(yè)人員也可以操作、處理和解釋,可以降低探測(cè)成本,促進(jìn)超前探測(cè)裝備的推廣與應(yīng)用。

(5)穩(wěn)定性、抗干擾能力。儀器設(shè)備的穩(wěn)定性和抗干擾能力是采集到高質(zhì)量原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)保障,這也是國(guó)產(chǎn)儀器與國(guó)外儀器的差距所在,研發(fā)具有穩(wěn)定性強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)的超前探測(cè)儀器設(shè)備是井下物探技術(shù)的發(fā)展方向。

4 結(jié) 論

礦井掘進(jìn)工作面地球物理方法超前探測(cè)要求準(zhǔn)確探測(cè)巷道前方地質(zhì)異常體,探測(cè)空間小,干擾大,技術(shù)要求高。目前超前探測(cè)方法主要有地震方法、直流電法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)法和紅外測(cè)溫法,各有一定的優(yōu)勢(shì)和缺陷。

近幾年來(lái)地球物理方法在地質(zhì)構(gòu)造、巖層含水性超前探測(cè)以及儀器研制等方面取得了一些新的進(jìn)展,在地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)方面有槽波超前探測(cè)、地震精細(xì)成像用于探測(cè)等,在巖層含水性探測(cè)方面有直流聚焦法超前探測(cè)、磁共振超前探測(cè)、激發(fā)極化法超前探測(cè)、瞬變電磁多分量陣列式三維探測(cè)技術(shù)等,在數(shù)據(jù)處理方面有瞬變電磁波場(chǎng)轉(zhuǎn)換與合成孔徑、全空間反演和聯(lián)合反演等。

掘進(jìn)工作面地球物理方法超前探測(cè)任重道遠(yuǎn),要圍繞提高超前探測(cè)的精度、分辨率、抗干擾能力和增加探測(cè)距離開(kāi)展進(jìn)一步的研究,完善全空間物理場(chǎng)基礎(chǔ)理論、開(kāi)發(fā)新技術(shù)新方法、研究精細(xì)數(shù)據(jù)處理方法,實(shí)現(xiàn)精細(xì)探測(cè)。儀器裝備要向?qū)崟r(shí)預(yù)報(bào)、智能化、防爆、輕便化、抗干擾等方向發(fā)展。

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Research progress and development direction on advanced detection in mine roadway working face using geophysical methods

CHENG Jiu-long1,LI Fei2,PENG Su-ping1,SUN Xiao-yun1

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Key Laboratory of Mine Disaster Prevention and Control,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China)

The advanced detection in mine roadway working face using geophysical methods requires an accurate detection of the geological anomaly,with a small detection space and strong interference．This paper summarized the geophysical methods(seismic method,DC electrical method,transient electromagnetic method and other geophysical methods)on advanced detection from the principle,current research,technical features and equipment．Then the paper introduced the latest progress,including fine seismic imaging,advanced detection using channel waves,wave-field transformation and synthetic aperture of transient electromagnetic method,DC focus resistivity method,advanced detection using magnetic resonance,advanced detection of mine collapse column,the whole space inversion and joint inversion．Furthermore,focusing on increasing the precision,resolution,anti-interference ability and detection range to achieve fine detection,the paper proposed the development direction of advanced detection,including improving the basic theory of geophysical field in whole space,developing new techniques and the fine data processing methods to raise the detection precision and resolution．The development direction of instrumentation is instant prediction,intelligentization,integration,lightweight and anti-interference．

geophysical methods;advanced detection;research progress;development direction;mine roadway working face

P631

A

0253-9993(2014)08-1742-09

2013-12-26 責(zé)任編輯：韓晉平

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51034003,51174210);國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2012YQ030126)

程久龍(1965—),男,安徽安慶人,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail：jlcheng@126．com

程久龍,李 飛,彭蘇萍,等．礦井巷道地球物理方法超前探測(cè)研究進(jìn)展與展望[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8)：1742-1750．

10．13225/j．cnki．jccs．2014．9007

Cheng Jiulong,Li Fei,Peng Suping,et al．Research progress and development direction on advanced detection in mine roadway working face using geophysical methods[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(8)：1742-1750．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2014．9007