綜合物探技術(shù)在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜工作面的應(yīng)用

王 麗，蘇春雷

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000）

隨著機(jī)械化設(shè)備和煤礦開采技術(shù)工藝的不斷優(yōu)化，礦產(chǎn)資源開發(fā)作業(yè)也更加深入。因此，為了保證安全生產(chǎn)，對(duì)一些復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造工作面，需要提高加勘探水平，規(guī)劃和設(shè)計(jì)科學(xué)合理的工作面。應(yīng)用綜合物探技術(shù)的目的是明確斷層帶、陷落柱、褶曲、煤礦分布等情況對(duì)生產(chǎn)施工的影響，從而提升設(shè)計(jì)方案的可行性與有效性，減少經(jīng)濟(jì)損失，規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。

我國(guó)煤礦地質(zhì)條件由于氣候、降雨及地形差異，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，煤層中的巖層性質(zhì)與規(guī)模構(gòu)造也存在出入，尤其是復(fù)雜地形的地質(zhì)構(gòu)造影響了煤層及圍巖的原始狀態(tài)，一旦不合理的開采，就會(huì)影響受力強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的變化，造成滑坡、突水等災(zāi)害[1]。綜合物探技術(shù)的應(yīng)用既是保障，又是前提。文章著重闡述復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造工作面的勘探難點(diǎn)及相關(guān)方法，并探討具體應(yīng)用策略。

1 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜工作面應(yīng)用綜合物探技術(shù)的必要性

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤礦產(chǎn)業(yè)的安全開發(fā)生產(chǎn)影響重大，不同區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造會(huì)直接關(guān)系到施工生產(chǎn)的工作面設(shè)計(jì)與相關(guān)方案決策，因此必須根據(jù)異常情況和現(xiàn)實(shí)因素，采取必要的措施防范出現(xiàn)生產(chǎn)安全問題。部分地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤礦掘進(jìn)和采煤工作有重要影響，一旦工作面出現(xiàn)問題沒有辦法及時(shí)解決，對(duì)后續(xù)工程的影響就會(huì)是持續(xù)性的，甚至?xí)霈F(xiàn)停工整改的情況。

地質(zhì)構(gòu)造是地殼運(yùn)動(dòng)造成內(nèi)部擠壓而產(chǎn)生的，在不同作用力影響下，地質(zhì)構(gòu)造也會(huì)呈現(xiàn)出不同形態(tài)。形態(tài)各異的地質(zhì)構(gòu)造對(duì)煤礦資源采集工作影響比較大，且在緊急情況下會(huì)引發(fā)一些安全事故[2]。

近年來，地質(zhì)勘探隨著資源開發(fā)、工程建設(shè)等事業(yè)的發(fā)展，也在不斷創(chuàng)新、改進(jìn)技術(shù)工藝和應(yīng)用形勢(shì)。對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的工作面結(jié)構(gòu)及分布情況的探查與驗(yàn)證，是安全高效生產(chǎn)的保障。

重力勘探、磁法勘探、電法勘探以及地震勘探等物探技術(shù)根據(jù)具體工作對(duì)象和施工生產(chǎn)環(huán)境的差異，有不同的應(yīng)用優(yōu)先級(jí)。

物探是收集并分析地質(zhì)情況的直接手段，本質(zhì)是通過對(duì)某一區(qū)域的物理性質(zhì)進(jìn)行收集調(diào)查，分析了解地質(zhì)構(gòu)造的物理情況，預(yù)測(cè)施工或生產(chǎn)過程中可能存在的變化規(guī)律，并結(jié)合相關(guān)信息優(yōu)化項(xiàng)目決策與執(zhí)行措施，如大小、埋深、形狀、范圍等，與工程各個(gè)環(huán)節(jié)息息相關(guān)。在礦井開發(fā)過程中，如果回采前遺漏了個(gè)別存在地質(zhì)異常體，不僅工作面的產(chǎn)能和工作效率會(huì)有所下降，而且對(duì)后續(xù)開采和設(shè)計(jì)也會(huì)有極大的負(fù)面影響，造成大量經(jīng)濟(jì)損失[3]。情況嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)驗(yàn)槭┕どa(chǎn)破壞了巖層結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)受力失衡，造成坍塌、凹陷或滑坡等安全事故。因此，要應(yīng)用綜合物探技術(shù)，在項(xiàng)目前期做好防范和保障措施，并對(duì)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化與評(píng)析，確保相關(guān)工作能井然有序地進(jìn)行，保證安全施工生產(chǎn)，減少風(fēng)險(xiǎn)管理成本，提升積極效益，從經(jīng)濟(jì)和發(fā)展的角度來分析都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 綜合物探技術(shù)在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜工作面的應(yīng)用方法

2.1 磁法勘探

煤礦開采大多要深入地下，傳統(tǒng)的鉆探方法和勘探手段，僅能針對(duì)生產(chǎn)區(qū)域的周邊地質(zhì)環(huán)境判定情況。一方面，鉆探結(jié)果不連續(xù)、難控制等特點(diǎn)，不僅難以計(jì)算數(shù)據(jù)誤差，得出準(zhǔn)確結(jié)論，而且機(jī)械設(shè)備和人力成本的一次性投入極大；另一方面，這種局部的勘測(cè)很大程度上限制了開采范圍上限，對(duì)深埋、開采面積等情況都存在較大限制[4]。一旦超出這個(gè)范圍，就可能造成危險(xiǎn)事故。以滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例，復(fù)雜工作面的異常體有些是獨(dú)立存在的，有些則是與區(qū)域內(nèi)整體地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)聯(lián)的。復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的局部與整體的平衡性是對(duì)立的，不破壞地質(zhì)結(jié)構(gòu)的回采工作面在煤礦開采項(xiàng)目中是不切實(shí)際的，在信息缺失的情況下，對(duì)底部或地下的鉆探作業(yè)甚至可能會(huì)引起塌方和滑坡事故。

相較于傳統(tǒng)的勘測(cè)和鉆探方法缺乏對(duì)工程整體區(qū)域范圍的信息和資料收集，電法和磁法以及地震法勘探的應(yīng)用，更加綜合、全面地解決了礦井開采工作中可能面臨的危險(xiǎn)及地質(zhì)問題。電磁波探測(cè)技術(shù)是電磁法探測(cè)的主要手段，具有探測(cè)精度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦井物探技術(shù)，且在回采工作面的勘察和檢測(cè)工作中有良好成效[5]。電磁探測(cè)法通過人工電磁場(chǎng)的頻率結(jié)合探測(cè)深度，了解巖層電阻率的變化情況后，分析與推算出地層分布與地質(zhì)構(gòu)造情況；或是利用不接地回線通以脈沖電流向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，使地下低阻介質(zhì)在此脈沖磁場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流產(chǎn)生二次磁場(chǎng)；通過研究二次場(chǎng)的特征及分布，可獲得地下地質(zhì)體的分布特征。還有CSAMT（可控源音頻大地電磁測(cè)深法）是在大地電磁法和音頻大地電磁法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率域測(cè)深方法。其能控制觀測(cè)的電磁場(chǎng)的頻率、場(chǎng)強(qiáng)和方向，可應(yīng)用于指向性較強(qiáng)個(gè)探測(cè)工作。

2.2 電法勘探

電法勘測(cè)的主要應(yīng)用技術(shù)包括巖土體電阻率測(cè)試技術(shù)、三維直流電法以及高密度電法三類。其中，高密度電法因與其他勘探方法的聯(lián)合勘測(cè)效果較好，是主要應(yīng)用的勘測(cè)手段之一。高密度電法是傳統(tǒng)電法理論的繼承與發(fā)展，可通過設(shè)備優(yōu)化、算法升級(jí)，提高布極效率，減少人工操作的失誤率。其主要是在預(yù)先選定的測(cè)線和測(cè)點(diǎn)上，同時(shí)布置幾十乃至上百個(gè)電極，再用多芯電纜將它們連接到特制的電極轉(zhuǎn)換裝置；然后后者可根據(jù)操作員的指令，由儀器的測(cè)量程序控制，將這些電極組合成指定的電極裝置和電極距，快速完成多種電極裝置和多電極距在觀測(cè)剖面的多個(gè)測(cè)點(diǎn)上的電阻率法觀測(cè)；再配上相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、成圖和解釋軟件便可及時(shí)完成給定的地質(zhì)勘查任務(wù)。高密度電法的電極布設(shè)是一次完成的，相比較傳統(tǒng)直流電測(cè)探方法，能避免依次布極過程中，后續(xù)電極裝置受到的電流感染，從而降低故障發(fā)生率，有助于自動(dòng)集成化測(cè)量的發(fā)展。另外，根據(jù)工作面的地質(zhì)構(gòu)造和地面結(jié)構(gòu)來排列電極，具體特征和異常情況的數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)確率會(huì)大大提高[6]。高密度電法結(jié)合了電剖面法和電測(cè)深法的工作原理，以電阻率變化為判斷標(biāo)準(zhǔn)，從巖層結(jié)構(gòu)、礦物資源的電性差異來判斷法分布與構(gòu)造情況，從具體規(guī)律來分析整體區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)復(fù)雜工作面的設(shè)計(jì)與規(guī)劃有決定性作用。尤其是針對(duì)水文環(huán)境和工程地質(zhì)問題，能排除諸多風(fēng)險(xiǎn)因素。

2.3 地震法勘探

地震法勘探在應(yīng)用時(shí)，實(shí)際上是根據(jù)人工地震源傳導(dǎo)出的地震波在地表淺層進(jìn)行折射，隨后記錄折射波范圍、距離、傳遞速度落點(diǎn)等數(shù)據(jù)來分析計(jì)算。由于數(shù)據(jù)信息量大，地震法勘探結(jié)果的成圖清晰、直觀，通過對(duì)不同波段的計(jì)算與分析，可探查地質(zhì)構(gòu)造的異常體差異。

地震法勘探與高密度電法原理相同，其震源的產(chǎn)生方式與布極相似，探測(cè)密集度由于折射波的傳遞方式與頻率也能夠得到保證。地震法勘探主要是記錄每道地震波時(shí)，選取同一偏移距，每一次地震波激發(fā)和接收完成之后，激發(fā)點(diǎn)和檢波器就會(huì)順著測(cè)線方向向前移動(dòng)相同的距離，工作有序。在完成數(shù)據(jù)信息采集后，得到的剖面圖是連續(xù)性地表現(xiàn)。

瑞雷波勘探方法也是近年來發(fā)展出的淺層地質(zhì)工程勘探手段，雖然理論體系還有待進(jìn)一步完善，但是在實(shí)踐應(yīng)用方面已經(jīng)獲得較好的成果，以設(shè)備輕便、探測(cè)范圍擴(kuò)大、速度較快等優(yōu)勢(shì)，被用于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造工作面的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。相較常規(guī)的高密度地震映像法，瑞雷波在向地下傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅會(huì)隨著傳播深度的增加而逐漸減小[8]，可通過觀察瑞雷波的傳播特性，分析地下的地質(zhì)情況。當(dāng)波長(zhǎng)相同時(shí)，傳播特性反映同一深度水平方向上地質(zhì)情況；當(dāng)波長(zhǎng)不同時(shí)，反映的是地下不同深度的各個(gè)地質(zhì)情況。利用這一規(guī)律，能夠明確工作面的合理性與可行性。

3 結(jié)束語

隨著綜合物探技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)工程物探的方法和手段越來越多樣，無論是物探技術(shù)本身的發(fā)展前景和研究方向，還是不同區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的異同性勘測(cè)，綜合物探技術(shù)都是極其必要的。對(duì)此，文章主要就地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜工作面應(yīng)用綜合物探技術(shù)的必要性展開論述，并著重分析了磁法、電法以及地震法的應(yīng)用范圍以及優(yōu)勢(shì)特征。由于單一的物理勘探結(jié)果具有片面性，為了提升工作面的可行性與合理性，利用多種手段，綜合物探技術(shù)來提升具體方案的準(zhǔn)確性是未來勘探作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。尤其是面對(duì)大型工程建設(shè)開發(fā)以及災(zāi)害防范時(shí)，多種物探技術(shù)能有效提高探測(cè)分別率，提高勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而推動(dòng)資源開發(fā)項(xiàng)目和工程建設(shè)事業(yè)的良好發(fā)展。