我國(guó)礦井物探技術(shù)及裝備的發(fā)展現(xiàn)狀與思考

張平松，歐元超，李圣林

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

煤炭作為我國(guó)主要的化石能源，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用。據(jù)相關(guān)報(bào)道，2020年，我國(guó)煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56.8%，并且在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會(huì)改變。預(yù)計(jì)到2030年、2050年，煤炭占我國(guó)一次能源消費(fèi)的比例仍會(huì)在50%、40%以上[1]。在此背景下，煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要[2]，國(guó)家層面的具體行動(dòng)體現(xiàn)在2020年3月八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出的加快推進(jìn)科技創(chuàng)新，提高智能化技術(shù)與裝備水平，重點(diǎn)突破精準(zhǔn)地質(zhì)探測(cè)、重大危險(xiǎn)源智能感知、預(yù)警等技術(shù)與裝備[3]。其中，礦井物探作為煤礦智能開采過程中一類重要的精準(zhǔn)地質(zhì)勘探及預(yù)警手段，在礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)的構(gòu)建中起到了關(guān)鍵性作用[4-5]。

30年來，礦井物探技術(shù)及裝備發(fā)展水平大幅提升，測(cè)試系統(tǒng)空間組合形式極大豐富，多場(chǎng)多參量等綜合勘探技術(shù)系統(tǒng)取得較大突破，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程測(cè)控及智能預(yù)警等礦井地質(zhì)勘探信息可視化展控平臺(tái)初步構(gòu)建，切實(shí)解決了煤礦生產(chǎn)過程中存在的各種復(fù)雜地質(zhì)問題，為煤礦安全高效綠色開采提供了堅(jiān)實(shí)保障。期間，多位學(xué)者從不同角度總結(jié)分析并展望了我國(guó)礦井物探等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)。陳硯書[6]、孫文濤等[7]回顧了國(guó)內(nèi)煤田物探領(lǐng)域的發(fā)展和所做出的貢獻(xiàn)；于景邨等[8]指出當(dāng)前深部煤炭開采所面臨的主要地質(zhì)問題，并針對(duì)性的介紹了不同勘探技術(shù)的應(yīng)用效果；劉盛東等[9]以國(guó)內(nèi)幾種主要的礦井物探技術(shù)為線索，圍繞著其發(fā)展歷程、科學(xué)問題及關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了論述和總結(jié)；程建遠(yuǎn)等[10]回顧了“十二五”期間地面三維物探、礦井電磁法等煤炭物探技術(shù)所取得的成果，并預(yù)計(jì)“十三五”期間將在智能監(jiān)測(cè)及預(yù)警等方面有所突破；岳建華等[11]總結(jié)概括了近30年來國(guó)內(nèi)煤炭電法勘探不同階段的發(fā)展歷程，并結(jié)合當(dāng)前煤炭行業(yè)發(fā)展需求，對(duì)下一階段的創(chuàng)新再生期發(fā)展重點(diǎn)和趨勢(shì)進(jìn)行了分析；彭蘇萍[4]、袁亮等[5]系統(tǒng)分析了我國(guó)智能精準(zhǔn)化礦井地質(zhì)保障技術(shù)體系的要素組成、框架構(gòu)建及發(fā)展現(xiàn)狀，為加快其發(fā)展指明了方向。

近2年，智能化、系統(tǒng)化、精準(zhǔn)化、透明化、高質(zhì)量、創(chuàng)新性、5G+、大數(shù)據(jù)等詞語已成為包括我國(guó)煤炭行業(yè)在內(nèi)的各領(lǐng)域關(guān)注、研究的重點(diǎn)，同時(shí)也是“十四五”發(fā)展的必然趨勢(shì)。充分認(rèn)識(shí)科技創(chuàng)新、深度參與并贏得新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革競(jìng)爭(zhēng)，全方位提升礦井物探技術(shù)及裝備發(fā)展水平，已是“十四五”規(guī)劃及2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。值此“十四五”開局之際，筆者總結(jié)回顧了過去30多年來我國(guó)礦井物探技術(shù)及裝備的發(fā)展歷程，并從多方面檢索分析了這一時(shí)期內(nèi)所發(fā)表的礦井物探類高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，進(jìn)一步指出當(dāng)前礦井物探領(lǐng)域發(fā)展及支撐性技術(shù)裝備中仍存在的關(guān)鍵問題，并給出了相應(yīng)認(rèn)識(shí)和對(duì)未來發(fā)展的思考。

1 主要物探技術(shù)方法概述

在地球物理勘探的發(fā)展和應(yīng)用方面，地面物探技術(shù)理論與裝備研發(fā)應(yīng)用水平一直高于地下物探，而礦井地球物理勘探(簡(jiǎn)稱礦井物探)又因其處在全空間、強(qiáng)干擾場(chǎng)源的地下深部探測(cè)環(huán)境中，且工作空間狹小、測(cè)試場(chǎng)地及探測(cè)時(shí)間受限、防爆安全等，一直是地下物探技術(shù)及裝備應(yīng)用研究的難點(diǎn)，需針對(duì)井下特殊探測(cè)環(huán)境深入開展物探技術(shù)基礎(chǔ)理論、儀器研發(fā)、數(shù)據(jù)處理、成果表達(dá)等方面的研究工作。

礦井物探是在煤礦井下針對(duì)不同地質(zhì)異常及問題，運(yùn)用各種合適的地球物理勘探技術(shù)裝備進(jìn)行探查研究的勘探方法總稱[12]。具體的，其是運(yùn)用各種主、被動(dòng)物理場(chǎng)探測(cè)裝備通過接觸或非接觸的方式，對(duì)井下地質(zhì)體進(jìn)行無損或微損的地球物理場(chǎng)變化響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)而通過物探數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解譯，從而獲得井下測(cè)試區(qū)域內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體中異常區(qū)的空間分布及動(dòng)態(tài)變化等信息。相對(duì)于在地面進(jìn)行的煤礦地質(zhì)異常探測(cè)，礦井物探則具有距離探測(cè)目標(biāo)體近、異常響應(yīng)明顯、探采對(duì)比實(shí)證性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[9]。

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，礦井物探技術(shù)理論突破和儀器裝備研發(fā)加快，其在井下應(yīng)用更加廣泛、測(cè)試方式更加豐富、選擇多樣化。國(guó)內(nèi)礦井物探方法主要由礦井地震類、礦井直流電法類、礦井電磁法類及其他礦井物探方法構(gòu)成(圖1)，其中，大部分技術(shù)已從最初單一的巷道測(cè)試發(fā)展為巷-巷、孔-巷、孔-孔、孔-地、巷-地等井下或井下井上聯(lián)合測(cè)試的多樣化組合測(cè)量布置形式，同時(shí)，測(cè)試裝備也已朝著集成化、小型化、智能精準(zhǔn)化方向發(fā)展，并且已初步具備隨掘隨探、動(dòng)態(tài)可視化立體監(jiān)測(cè)等能力。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)常用的幾類礦井物探技術(shù)方法進(jìn)行了總結(jié)分類并簡(jiǎn)要概述(表1)。另外，檢索統(tǒng)計(jì)了近30年來國(guó)內(nèi)發(fā)表的礦井物探領(lǐng)域高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，并從發(fā)表年份、論文作者、機(jī)構(gòu)來源、高質(zhì)量期刊等多個(gè)角度進(jìn)一步剖析了我國(guó)礦井物探發(fā)展程度及現(xiàn)狀，具體內(nèi)容可參見文末附錄部分。

圖1 礦井地球物理勘探主要方法[9]Fig.1 Main methods of mine geophysicalexploration[9]

2 物探技術(shù)及裝備發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

作為切實(shí)解決煤礦生產(chǎn)過程中的地質(zhì)問題以及保障煤炭精準(zhǔn)智能化安全開采的重要技術(shù)手段，礦井物探技術(shù)及裝備的發(fā)展應(yīng)用水平直接關(guān)系到“十四五”及之后一段時(shí)期煤礦智能化發(fā)展能否順利開展及實(shí)現(xiàn)[3]，同時(shí)也反映其能否緊跟煤礦智能精準(zhǔn)地質(zhì)勘探發(fā)展目標(biāo)、助力煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、更加科學(xué)精準(zhǔn)的服務(wù)我國(guó)能源領(lǐng)域綠色發(fā)展的時(shí)代要求。

2.1 礦井地震類

20世紀(jì)50年代，我國(guó)煤炭工業(yè)領(lǐng)域開始采用地震勘探技術(shù)，隨著技術(shù)理論的創(chuàng)新發(fā)展和裝備研發(fā)水平的綜合提升，礦井地震類技術(shù)取得重大突破和進(jìn)步，發(fā)展形成反射波、面波勘探、巷道震波CT、槽波地震勘探、微震勘探等多種主要的礦井地震方法。

20世紀(jì)80年代初，煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院等多個(gè)單位聯(lián)合研制出了TYKC-9型槽波地震儀，同時(shí)開展了技術(shù)方法性試驗(yàn)研究工作；隨后，煤炭科學(xué)研究總院西安分院成功研制出DYSD-Ⅰ型槽波數(shù)字地震儀、MRD-Ⅱ/Ⅲ型、YTR(D)型防爆瑞利波探測(cè)儀等多款礦井地震儀器裝備，并在國(guó)內(nèi)多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；與此同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院、煤炭科學(xué)研究總院、安徽理工大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等多個(gè)高校及科研單位對(duì)MSP超前探測(cè)技術(shù)、高頻地震反射波、巷道震波CT技術(shù)等從理論方法、裝備研發(fā)、工業(yè)應(yīng)用方面開展大量工作，先后研發(fā)出MH-2煤層厚度探測(cè)儀、KDZ1114-3地震儀等多款工程應(yīng)用裝備[13-14]。21世紀(jì)以前，礦井地震技術(shù)理論初步成熟、儀器裝備體系初步構(gòu)建，這為后來的快速發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

21世紀(jì)以來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、科技水平大幅提高，煤炭行業(yè)發(fā)展也迅速擴(kuò)大，其中礦井地震類技術(shù)及裝備應(yīng)用[5,15-16]更加豐富、多樣化。近年來，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的YTC9.6槽波地震儀、KDZ3113礦井地震勘探儀、YTZ3存儲(chǔ)式無纜遙測(cè)地震儀等相繼出現(xiàn)。其中，彭蘇萍[5,17]、朱國(guó)維等[18]針對(duì)井巷測(cè)試空間有限這一實(shí)際問題，開展了全空間條件下的地震波場(chǎng)理論與觀測(cè)系統(tǒng)及裝備研究；程建遠(yuǎn)等[19]基于槽波地震勘探技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)出采用第三代節(jié)點(diǎn)式地震儀設(shè)計(jì)理念的新型槽波地震儀；劉盛東等[20]針對(duì)目前礦井多波多分量地震勘探技術(shù)理論研究的不足，提出了基于地震波偏振特性的成像方法，實(shí)現(xiàn)了井下全空間多波成像(圖2)；王勃等[21]以突出礦井實(shí)際條件為研究背景，系統(tǒng)開展了新型CO2震源槽波勘探研究工作。可見，井下非爆炸地震震源、無線傳感檢波器等關(guān)鍵技術(shù)及裝備有望取得突破性進(jìn)展。

圖2 反射槽波包絡(luò)偏移成像[20]Fig.2 Enveloped migration imaging of reflected in-seamwave[20]

我國(guó)現(xiàn)代化礦井微震監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備起步較晚，前期主要通過引入國(guó)外相關(guān)技術(shù)裝備優(yōu)化改進(jìn)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[22]，隨后，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)、山東科技大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)等高校組建了專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行現(xiàn)代化礦井微震監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備研發(fā)，其中，程久龍等[23]為解決微震傳感器布置而導(dǎo)致的定位精度不高等問題，提出了將微震監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置的震源高精度定位算法并進(jìn)行優(yōu)化處理；竇林名等[24]選用SOS微震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)突水動(dòng)力災(zāi)害演化特征進(jìn)行了研究；李術(shù)才等[25]采用高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得了采動(dòng)影響下底板破壞微震事件發(fā)生特征及巷道破壞機(jī)制(圖3)。

圖3 微震事件空間分布[25]Fig.3 Spatial distribution of microseismic events[25]

近些年，礦井地震波CT技術(shù)裝備更多應(yīng)用于對(duì)工作面內(nèi)部構(gòu)造、煤礦壓力、巖體變形破壞等[26]探測(cè)研究。彭蘇萍等[27]將礦井地震波CT技術(shù)用于對(duì)綜放工作面內(nèi)構(gòu)造及結(jié)構(gòu)面的空間展布進(jìn)行探測(cè)，準(zhǔn)確掌握了煤層增厚區(qū)及裂隙發(fā)育區(qū)；張平松等[28]設(shè)計(jì)出孔-巷間地震波CT觀測(cè)系統(tǒng)，開展了煤層頂板變形破壞高分辨率動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；竇林名、蔡武等[29-30]利用震波CT探測(cè)技術(shù)對(duì)沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)(圖4)。

圖4 LW 25110工作面煤層位置的震動(dòng)波速度層析成像切片示意[30]Fig.4 Shematic of seismic velocity tomograms of coal seam in No.LW25110 working face[30]

2.2 礦井直流電法類

直流電法在我國(guó)地面探查應(yīng)用中較早，但直到20世紀(jì)80年代，因國(guó)內(nèi)多個(gè)礦井接連發(fā)生嚴(yán)重的底板突水淹井事故，才得到重視并開展井下災(zāi)害異常礦井直流電法探測(cè)等研究工作。其中，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院西安分院等對(duì)礦井直流電法開展了大量的技術(shù)理論研究及裝備研發(fā)工作，先后成功研制出DZ-Ⅰ型防爆直流電法儀、DZ-Ⅱ型井下自動(dòng)數(shù)字直流電法儀、YT120(A)型防爆音頻電透儀等裝備。與此同時(shí)，礦井直流電法技術(shù)的正反演算法、室內(nèi)模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等[31-32]研究工作也在同步推進(jìn)。20世紀(jì)末，引入井下的高密度電法探測(cè)技術(shù)裝備大幅提高了當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效率、降低了工作強(qiáng)度[33-35]。但礦井直流電法測(cè)試方式仍較為單一，現(xiàn)場(chǎng)主要是在巷道等施工環(huán)境內(nèi)布設(shè)二維測(cè)線用于探測(cè)巷道頂?shù)装寮俺疤降龋瑑x器裝備測(cè)量參數(shù)及數(shù)據(jù)處理解釋仍然以視電阻率/電阻率等單一地電參數(shù)為主。

21世紀(jì)初的煤炭黃金10年，高密度電阻率法在井下的應(yīng)用形式逐漸豐富、儀器測(cè)試精度及軟件處理[36-37]能力也有較為明顯的提升。期間，劉盛東等[38]設(shè)計(jì)出了分布式并行智能電機(jī)電位差信號(hào)采集方法和系統(tǒng)，基于此，研發(fā)出首款礦用并行電法儀并投入生產(chǎn)使用。近些年，隨著國(guó)內(nèi)電子集成技術(shù)及軟硬件水平的提升，帶動(dòng)著礦井直流電法技術(shù)裝備的小型輕便化及智能化，測(cè)量精度和抗干擾性亦明顯提高，現(xiàn)已初步具備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力[39-40](圖5)，測(cè)試系統(tǒng)也由以往巷道內(nèi)二維布設(shè)豐富為巷-巷、孔-巷、孔-孔及井-地等的二維、三維多種測(cè)試組合形式[41-42]，另外，對(duì)激發(fā)激化、自然電場(chǎng)、充電法、震電一體化方法等的研究工作逐漸受到重視，且儀器裝備可獲得的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)信息類型[43-44]更加多樣。圖6為采用并行電法儀測(cè)試了砂巖單軸加載至破壞的全程自然電位響應(yīng)變化特征。目前，礦井直流電法已廣泛應(yīng)用于采動(dòng)影響下煤層頂?shù)装鍘r體破壞、地下水滲流和水害分布、巖體內(nèi)漿液擴(kuò)散或爆破效果等[45-46]的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)井下工作面及巷道周圍的地質(zhì)異常等進(jìn)行精確探測(cè)[47]。圖7為對(duì)某礦1233工作面底板采用了視電阻率全方位探測(cè)及數(shù)據(jù)處理方法后得到的在工作面底板內(nèi)外側(cè)相對(duì)低阻區(qū)分布情況。

圖5 多頻連續(xù)電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[40]Fig.5 Comprehensive diagram of multi-frequency continuous electrical resistivity monitoring system[40]

圖6 砂巖樣品破裂自然電位特征[44]Fig.6 SP characteristics in sandstone sample fracture[44]

圖7 1233工作面底板相對(duì)低阻區(qū)分布[47]Fig.7 Partition of relative low resistivity in limestone layer under coal seam in No.1233 working face[47]

2.3 礦井電磁法類

相較于礦井地震類和礦井直流電法類等接觸式勘探方法，礦井電磁法類主要是通過無損非接觸式探測(cè)方式進(jìn)行地質(zhì)信息的采集，具有工作強(qiáng)度小、測(cè)試速度快、輕便高效且靈活等優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過30多年的快速發(fā)展，形成了以礦井瞬變電磁、礦井地質(zhì)雷達(dá)、無線電波透視等為主的礦井電磁法類勘探方法，并廣泛應(yīng)用于對(duì)巷道掘進(jìn)工作面、圍巖、頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)及富水區(qū)、巖溶陷落柱、導(dǎo)(含)水?dāng)鄬?、煤巖分界面、采空區(qū)等異常進(jìn)行探測(cè)。

早在20世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)就已開始對(duì)礦井無線電波透視技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其中，煤炭科學(xué)研究總院重慶分院及河北省煤炭科學(xué)研所等單位針對(duì)煤礦井下探測(cè)需求及特點(diǎn)，先后研發(fā)出WKT-J型、WKT-F型等系列輕便防爆坑透儀[48]；近些年，該技術(shù)又取得進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出WKT-6型、WKT-E型和YDT88型等多款性能更佳的礦用本安無線電波透視裝備并廣泛用于國(guó)內(nèi)各大礦井地質(zhì)勘探中；在技術(shù)理論研究、數(shù)值模擬及資料處理等[49-50]方面也同樣取得了一定發(fā)展。吳榮新等[51]為圈定薄煤區(qū)的分布范圍開展了多頻透視探測(cè)研究，證實(shí)了該方法滿足對(duì)工作面地質(zhì)異常的精細(xì)探測(cè)；張軍[52]提出了煤井孔-巷無線電磁波透視探測(cè)方法，基于此，開展了不同異常的數(shù)值模擬響應(yīng)特征研究，并將該探測(cè)方法成功用于對(duì)山西某礦工作面構(gòu)造精準(zhǔn)探測(cè)，利用該方法有效解決了探測(cè)精度低、測(cè)試環(huán)境受限等探測(cè)難題(圖8)。

圖8 振幅衰減系數(shù)α數(shù)值模擬[52]Fig.8 Numerical simulation of amplitude attenuation coefficient α[52]

由于礦井地質(zhì)雷達(dá)裝備需滿足嚴(yán)格的礦井防爆條件，這對(duì)于20世紀(jì)90年代之前國(guó)內(nèi)的研發(fā)水平來說非常困難，當(dāng)時(shí)，主要還是使用加拿大Pulse EKKO系列及瑞典RAMAC系統(tǒng)等國(guó)外進(jìn)口裝備[53]；煤炭科學(xué)研究總院重慶分院在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)裝備的同時(shí)，也在加緊研制國(guó)產(chǎn)裝備，經(jīng)過多年持續(xù)攻關(guān)，先后研發(fā)出KDL-3、KDL-4、KDL-8型及KJH-D型等[54]系列國(guó)產(chǎn)礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)。宋勁等[55]通過模擬分析獲得雷達(dá)準(zhǔn)確探測(cè)煤巖中隱伏鉆桿的可行性，在此基礎(chǔ)上，選用KJH-D型防爆地質(zhì)雷達(dá)對(duì)采煤工作面前方隱伏鉆桿進(jìn)行了準(zhǔn)確探測(cè)(圖9)；彭蘇萍團(tuán)隊(duì)[5]在礦井物探系列技術(shù)裝備研發(fā)及應(yīng)用方面取得了諸多成果，其中，該團(tuán)隊(duì)專門針對(duì)當(dāng)前礦井地質(zhì)雷達(dá)井下隱伏災(zāi)害源的探測(cè)需求，成功研制出新型ZTR12礦用本安型防爆地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)[56-57]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)礦井瞬變電磁法的研究相對(duì)較晚，但因其具有施工輕便高效、對(duì)水敏感等優(yōu)勢(shì)，近二十年發(fā)展迅速，現(xiàn)已廣泛用于巷道圍巖及掘進(jìn)工作面富水區(qū)、導(dǎo)(含)水?dāng)鄬?、采空區(qū)充水等低阻異?？臻g分布探測(cè)。1998年，于景邨[58]首次對(duì)礦井瞬變電磁技術(shù)理論及數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，并將該方法用于井下對(duì)含水構(gòu)造等低阻異常進(jìn)行勘探，于2001年完成了《礦井瞬變電磁法理論及應(yīng)用技術(shù)研究》博士論文；該時(shí)期，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)、中煤科工集團(tuán)、中科院及安徽理工大學(xué)等對(duì)礦井瞬變電磁技術(shù)及裝備均開展了廣泛深入的研究[59-64]，先后成功研制出YCS40(A)、CUGTEM-8、YCS2000A等多款型號(hào)的礦用瞬變電磁儀，并設(shè)計(jì)出孔-巷、孔-孔、井-地等多種空間組合探測(cè)形式，同時(shí)在正反演算法的優(yōu)化改進(jìn)等方面亦有較大發(fā)展。圖10為基于視電阻率擴(kuò)散疊加算法得到的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。

圖10 實(shí)測(cè)瞬變電磁常規(guī)視電阻率及其擴(kuò)散疊加結(jié)果[62]Fig.10 Results of regular resistivity and its spread stack value calculated by measured transient electromagnetic data[62]

雖然當(dāng)前國(guó)內(nèi)礦井瞬變電磁法相關(guān)研究熱度很高，并且在各方面也取得很大突破，但不可否認(rèn)依然存在諸多問題和難點(diǎn)需要解決，其在技術(shù)理論與算法研究、巷道內(nèi)金屬構(gòu)件對(duì)儀器數(shù)據(jù)信號(hào)采集干擾、國(guó)產(chǎn)儀器穩(wěn)定性及抗干擾能力、二三維正反演方法研究等方面仍需得到加強(qiáng)，探測(cè)的精細(xì)程度難以滿足目前高精度地質(zhì)探查需求，通過對(duì)礦井瞬變電磁立體線圈及定向發(fā)射技術(shù)等新理論、新技術(shù)的深入研究有望大幅提升其探查能力。

3 存在的關(guān)鍵問題與發(fā)展思考

30年來，伴隨著我國(guó)綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力及科技水平的顯著增強(qiáng)，礦井物探技術(shù)及裝備的整體發(fā)展水平取得了大幅提升，尤其是近10年發(fā)展尤為迅猛。作為透明化地質(zhì)保障系統(tǒng)的重要組成部分，礦井物探技術(shù)及裝備切實(shí)解決了一直以來煤礦生產(chǎn)過程中面臨的各種復(fù)雜地質(zhì)問題，為我國(guó)煤礦安全高效綠色開采提供了堅(jiān)實(shí)保障。但是也必須清醒的認(rèn)識(shí)到，當(dāng)前依然面臨著基礎(chǔ)理論不夠完善、應(yīng)用條件拓展不足、儀器裝備智能穩(wěn)定性亟待提升、數(shù)據(jù)反演多解性尚未突破等諸多阻礙和限制礦井物探方法實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。針對(duì)礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)協(xié)同構(gòu)建及發(fā)展趨勢(shì)，筆者從礦井原位試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)、透明化礦井地質(zhì)構(gòu)建、高素質(zhì)礦井技術(shù)人才培養(yǎng)等方面提出了思考和建議。

3.1 當(dāng)前阻礙礦井物探技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵性問題

3.1.1 基礎(chǔ)理論不夠完善

當(dāng)前，礦井物探技術(shù)理論框架體系雖已初步建立，但針對(duì)國(guó)內(nèi)煤炭賦存地質(zhì)條件和發(fā)展趨勢(shì)，深埋、復(fù)雜、多場(chǎng)耦合等條件下的煤礦開采安全性問題將更加突出，現(xiàn)有的礦井物探技術(shù)理論及裝備已很難完全適應(yīng)并有效解決此類煤礦生產(chǎn)全生命周期精準(zhǔn)開采地質(zhì)保障問題，深入開展深部復(fù)雜地質(zhì)條件下各類地球物理場(chǎng)的全空間傳播特性及規(guī)律等基礎(chǔ)理論研究已迫在眉睫。例如，槽波地震勘探在對(duì)煤層工作面內(nèi)的小構(gòu)造等超前探測(cè)中具有一定優(yōu)勢(shì)，但在考慮黏彈各向異性煤層介質(zhì)中的三維槽波波場(chǎng)及其頻散特性等方面缺乏深入研究，數(shù)值模擬方面亦需構(gòu)建基于實(shí)際巷道空間條件下的小構(gòu)造探測(cè)三維模型進(jìn)行正演模擬研究；礦井瞬變電磁法存在線圈分布電容和電感參數(shù)在實(shí)際中無法準(zhǔn)確測(cè)量，導(dǎo)致采用反卷積濾波算法消除接收系統(tǒng)暫態(tài)過程難以實(shí)現(xiàn)；金屬干擾問題尚未有效解決，從而導(dǎo)致實(shí)際不同角度的探測(cè)數(shù)據(jù)存在顯著的差異，進(jìn)一步影響到視電阻率擴(kuò)散疊加成像效果，因此對(duì)金屬干擾下瞬變電磁場(chǎng)全空間響應(yīng)特征與校正方法還需深入研究；受線圈材料、結(jié)構(gòu)等影響，實(shí)際中真正的零磁通線圈無法實(shí)現(xiàn)，筆者所在課題組對(duì)此問題進(jìn)行了深入研究，目前研究設(shè)計(jì)的零磁通線圈正處在調(diào)試和優(yōu)化階段；掘進(jìn)工作面煤巖非均質(zhì)條件電法超前探測(cè)理論，井下煤巖介質(zhì)含/富水區(qū)域的異常響應(yīng)、典型特征及判定閾值確定等依然需要開展大量的研究工作。

3.1.2 應(yīng)用條件拓展問題

井下深部環(huán)境惡劣，礦井物探實(shí)際應(yīng)用也受到諸多限制，例如，傳感器大小、布設(shè)空間、與圍巖介質(zhì)耦合效果，原位觀測(cè)區(qū)域及時(shí)間不能影響井下正常采掘工作，礦井物探裝備的性能參數(shù)等也都有一定限制等。另外，某些物探技術(shù)方法在有限測(cè)試空間下的探測(cè)效果存在爭(zhēng)議，仍需深入探討研究。針對(duì)當(dāng)前礦井物探應(yīng)用中仍然面臨的條件受限等問題：①需進(jìn)一步優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升其全空間信號(hào)激發(fā)、接收性能，增強(qiáng)接觸式傳感器與圍巖介質(zhì)間的耦合效果；②有限空間環(huán)境下創(chuàng)新觀測(cè)系統(tǒng)多組合布設(shè)及其傳播機(jī)理研究，尤其是電磁法類受巷道金屬等干擾嚴(yán)重，創(chuàng)新孔-孔、孔-巷或孔-地等觀測(cè)系統(tǒng)可有效降低干擾影響，其中，孔中傳感器結(jié)構(gòu)及其性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要，同時(shí)，需要對(duì)此開展大量的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究；③研發(fā)隨鉆/掘/采等的隨探系列礦井物探觀測(cè)裝備，構(gòu)建實(shí)時(shí)快速數(shù)據(jù)信息處理及可視化展控、預(yù)警、決策平臺(tái)，研究新型動(dòng)態(tài)觀測(cè)形式下信號(hào)激發(fā)和接收過程中的地球物理場(chǎng)三維空間傳播及信號(hào)識(shí)別等基礎(chǔ)性問題。

3.1.3 儀器裝備智能穩(wěn)定性亟待提升

煤礦井下空間環(huán)境特殊、復(fù)雜且惡劣，其對(duì)入井儀器裝備的安全性要求高。目前，國(guó)內(nèi)用于井下的礦井物探儀器裝備種類型號(hào)繁多，但性能和質(zhì)量參差不齊。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因有3個(gè)：①部分廠家研發(fā)能力薄弱，檢驗(yàn)測(cè)試重點(diǎn)是安全而非技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其生產(chǎn)的儀器裝備穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性不可對(duì)比；②行業(yè)相關(guān)部門缺乏對(duì)廠家資質(zhì)以及儀器裝備研發(fā)、生產(chǎn)、出廠銷售等全流程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等的管理和監(jiān)督；③煤礦企業(yè)存在對(duì)測(cè)試服務(wù)及儀器性能評(píng)估不足，以價(jià)格因素確定服務(wù)及購(gòu)置儀器者居多，不利于產(chǎn)業(yè)的良性競(jìng)爭(zhēng)與健康發(fā)展。國(guó)家相關(guān)部門應(yīng)對(duì)當(dāng)下礦井物探裝備的技術(shù)規(guī)范、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)檢驗(yàn)進(jìn)行完善并加強(qiáng)監(jiān)管，解決行管薄弱，標(biāo)準(zhǔn)滯后等問題。

當(dāng)前，儀器裝備性能方面應(yīng)提高穩(wěn)定性、探測(cè)精度、抗干擾能力、多源數(shù)據(jù)信息綜合采集、有效信息提取、干擾數(shù)據(jù)自動(dòng)甄別剔除等；同時(shí)，儀器裝備的測(cè)量傳感單元需具備自動(dòng)定位或可與井下高精度測(cè)量、定位系統(tǒng)間數(shù)據(jù)進(jìn)行共享互通的能力，從而更加精準(zhǔn)展示井下勘探三維地質(zhì)環(huán)境以及定位異常體空間分布。井下無人/少人化必將推動(dòng)未來深部礦井物探儀器裝備向著智能機(jī)器人方向發(fā)展，通過接入井下5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)遙控智能監(jiān)測(cè)等，其中，適宜于特殊環(huán)境下作業(yè)的礦井物探機(jī)器人可采用履帶或滾輪進(jìn)行自行移動(dòng)并通過升降系統(tǒng)對(duì)傳感器的觀測(cè)姿態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整等。同時(shí)，更要做好測(cè)量傳感單元搭載在鉆機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、割煤機(jī)等裝備上進(jìn)行隨鉆隨探、隨掘隨探、隨采隨探等的系統(tǒng)性技術(shù)裝備研究。當(dāng)前，相關(guān)科研院所及生產(chǎn)企業(yè)需整合力量，針對(duì)性開展重大關(guān)鍵性探測(cè)儀器專項(xiàng)研究，集中精力提升智能化礦井物探裝備的整體性能水平，擺脫長(zhǎng)期以來對(duì)國(guó)外裝備的過度依賴。

3.1.4 數(shù)據(jù)反演多解性尚未突破

礦井物探主要是通過有限空間非完全觀測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并結(jié)合地質(zhì)鉆探揭露獲知的有限信息，反演探測(cè)區(qū)域內(nèi)部的物性參數(shù)，其結(jié)果通常是非唯一的(尤其是直流電阻率法和電磁法)。非唯一性容易導(dǎo)致反演失真并產(chǎn)生假異常，進(jìn)而導(dǎo)致錯(cuò)誤的地質(zhì)解釋及判斷。針對(duì)數(shù)據(jù)反演結(jié)果多解性問題，可從以下4個(gè)方面進(jìn)行改善：①壓制干擾信號(hào)、提高信噪比。數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確的前提是獲得高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，井下深部探測(cè)干擾復(fù)雜，故需進(jìn)一步研究干擾信號(hào)的特征以及對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行校正等；②多尺度、多維度的地球物理場(chǎng)對(duì)比觀測(cè)分析研究。例如，在對(duì)工作面等區(qū)域進(jìn)行大尺度地球物理場(chǎng)觀測(cè)后，進(jìn)一步對(duì)局部疑似異常區(qū)進(jìn)行小尺度、多維度的精細(xì)動(dòng)態(tài)觀測(cè)對(duì)比同樣至關(guān)重要；③多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)，多參量數(shù)據(jù)聯(lián)合反演。多場(chǎng)數(shù)據(jù)綜合探測(cè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可有效改善單一觀測(cè)方法的局限性；聯(lián)合反演能壓制異常干擾，提高探測(cè)精度，可實(shí)現(xiàn)全空間條件下地質(zhì)異常的精確定位；④基于部分先驗(yàn)信息約束的地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)反演方法研究。在實(shí)際井下地質(zhì)保障中，通過物探、鉆探或化探等技術(shù)手段想要獲得異常體或動(dòng)力災(zāi)害源的完整邊界或區(qū)域內(nèi)演變?nèi)绦畔⑹欠浅＠щy的，故在僅掌握部分先驗(yàn)信息的情況下，通過約束反演進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果是降低反演非唯一性的有效方法，值得深入研究。

3.2 礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)協(xié)同構(gòu)建及發(fā)展思考

3.2.1 礦井原位試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

由于我國(guó)礦區(qū)分布廣泛，不同礦區(qū)的地質(zhì)條件、災(zāi)害類型各異，測(cè)試環(huán)境及目標(biāo)亦不相同，通過物探裝備測(cè)量獲得的各區(qū)域地質(zhì)地球物理場(chǎng)響應(yīng)信息必然存在差異，在此情況下，若把某一類物探儀器設(shè)備應(yīng)用于差異性較大的不同礦區(qū)后，仍按照固定統(tǒng)一的模式進(jìn)行測(cè)試、數(shù)據(jù)處理分析及解釋，則會(huì)存在適用性差、準(zhǔn)確性低等問題，尤其是在目前開采地質(zhì)條件日趨復(fù)雜化、深部化，探測(cè)要求精準(zhǔn)化、智能化的趨勢(shì)下，該問題將更加突顯。

據(jù)此，建議在全國(guó)選取地質(zhì)條件典型、災(zāi)害類型多樣且危險(xiǎn)性較大的若干個(gè)具有科研基礎(chǔ)的礦區(qū)進(jìn)行布局，建設(shè)一批深部礦井原位試驗(yàn)平臺(tái)，有針對(duì)性的系統(tǒng)開展各類礦井物探儀器裝備在深部復(fù)雜環(huán)境下的適用性、穩(wěn)定性、靈敏性及精準(zhǔn)性等的信號(hào)檢測(cè)檢驗(yàn)分析、裝備性能優(yōu)化及智能精準(zhǔn)礦井物探科學(xué)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究等工作；另外，通過利用井下原位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行不同類型物探裝備的測(cè)試研究，進(jìn)而明確針對(duì)不同地質(zhì)條件類型礦區(qū)中的各種地質(zhì)問題，系統(tǒng)性的總結(jié)分類并給出不同類型物探裝備技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)據(jù)解譯及評(píng)價(jià)等的指導(dǎo)意見，進(jìn)一步豐富和完善智能化精準(zhǔn)地質(zhì)勘探裝備的研發(fā)與應(yīng)用水平，在此基礎(chǔ)上，開展更加精準(zhǔn)可靠的地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析、預(yù)警，構(gòu)建透明化靜、動(dòng)態(tài)三維地質(zhì)模型。礦井原位試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)示例如圖11所示。

圖11 礦井原位試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)流程Fig.11 Chart of mine in-situ experimental platform construction

3.2.2 透明化礦井地質(zhì)構(gòu)建

目前，利用多種礦井物探技術(shù)裝備針對(duì)巷道、工作面各時(shí)期、各階段進(jìn)行了大量的地質(zhì)探測(cè)及監(jiān)測(cè)預(yù)警等工作，但各階段的礦井物探數(shù)據(jù)信息分散，未對(duì)海量的多源數(shù)據(jù)信息進(jìn)行系統(tǒng)性整合研究。急需對(duì)當(dāng)前分散的物探數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、多源物探數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將礦井工作面地質(zhì)“暗箱”透明化，構(gòu)建包含多源物探數(shù)據(jù)信息的三維工作面透明化靜、動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型，同時(shí)需重視基于云數(shù)據(jù)靜、動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型的信息綜合分析研判及診斷預(yù)警等系統(tǒng)性工作，通過加強(qiáng)智能地質(zhì)方面的工作能力水平，從而有力保障和促進(jìn)煤礦智能化建設(shè)。其中，透明化動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型：基于前期地面大區(qū)域三維物探信息及井下煤層工作面采前精細(xì)探測(cè)等的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建三維靜態(tài)地質(zhì)模型；進(jìn)一步，工作面開采過程中利用搭載在綜采、掘進(jìn)裝備上以及預(yù)先植入于煤巖體內(nèi)、采空區(qū)內(nèi)的多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)煤層前方一定距離內(nèi)的地質(zhì)信息(煤厚、煤巖分界面及隱伏構(gòu)造等)及隱蔽動(dòng)力災(zāi)害源發(fā)生的條件和過程(煤與瓦斯突出、沖擊地壓、礦井突涌水、煤層頂?shù)装寮跋锏绹鷰r變形破壞等)進(jìn)行精準(zhǔn)可視化的實(shí)時(shí)感測(cè)；并將獲得的多源物探數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)融入至靜態(tài)化地質(zhì)模型中，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層掘進(jìn)前方一定距離內(nèi)地質(zhì)信息及隱蔽動(dòng)力災(zāi)害源發(fā)生過程的實(shí)時(shí)精細(xì)化修正更新及監(jiān)測(cè)預(yù)警，從而更加科學(xué)智能精準(zhǔn)化指導(dǎo)安全采煤工作。全周期地質(zhì)地球物理數(shù)據(jù)集成分析平臺(tái)如圖12所示。

圖12 全周期地質(zhì)地球物理數(shù)據(jù)集成分析平臺(tái)Fig.12 Geophysical dataset component analysis platform for full period geology

3.2.3 高素質(zhì)礦井技術(shù)人才培養(yǎng)

當(dāng)前，礦井地質(zhì)勘探工作者仍是井下物探儀器的操作者、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的獲取者，故，其對(duì)物探理論及技術(shù)的認(rèn)識(shí)深度、對(duì)儀器裝備的掌握程度在一定程度上決定著原始數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的好壞，影響著后期數(shù)據(jù)處理分析及解釋的準(zhǔn)確程度。然而，目前礦井地質(zhì)勘探工作者綜合素質(zhì)參差不齊，很多都沒有經(jīng)過專業(yè)的地質(zhì)勘探等方面課程學(xué)習(xí)，更缺少多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)背景。在這種情況下，礦井地質(zhì)勘探工作者普遍是機(jī)械地使用物探設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并按照常規(guī)的處理流程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理成圖，解譯工作則僅基于所獲得的數(shù)據(jù)圖以及部分驗(yàn)證資料，更多的是應(yīng)付生產(chǎn)及檢查。因此，針對(duì)當(dāng)前面臨的深部、復(fù)雜條件下礦井物探技術(shù)理論基礎(chǔ)及儀器裝備性能薄弱等嚴(yán)峻問題，高校、科研院所及生產(chǎn)單位在集中精力培養(yǎng)組建高素質(zhì)復(fù)合型人才隊(duì)伍對(duì)其進(jìn)行科研攻關(guān)的同時(shí)，各方面同樣要健全規(guī)范的現(xiàn)場(chǎng)礦井地質(zhì)勘探工作，重點(diǎn)要抓緊培養(yǎng)組建能面向未來智能化煤礦的應(yīng)用型專業(yè)地質(zhì)勘探人才以及云端數(shù)據(jù)處理與解譯智能專家隊(duì)伍，為國(guó)家加快煤礦智能化發(fā)展中面臨的精準(zhǔn)地質(zhì)勘探難題提供可靠的一線技術(shù)人才這一“硬件”支撐。

4 結(jié) 語

隨著國(guó)內(nèi)淺部煤炭資源開采趨盡，深部開采已成必然趨勢(shì)，不可避免地將會(huì)面臨更加復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，然而，僅依靠現(xiàn)有的礦井物探技術(shù)理論及儀器裝備已很難完全適用并有效解決未來深部、復(fù)雜條件下煤礦生產(chǎn)全生命周期精準(zhǔn)地質(zhì)保障問題。針對(duì)當(dāng)前礦井物探技術(shù)及裝備在煤礦應(yīng)用中面臨的難題，文章指出從基礎(chǔ)理論、應(yīng)用條件、儀器裝備、數(shù)據(jù)反演、空間表達(dá)等方面進(jìn)行全方位突破和提升，同時(shí)要發(fā)揮基于5G技術(shù)的聯(lián)接、計(jì)算、云、AI、智能精準(zhǔn)礦井物探技術(shù)裝備應(yīng)用等多方協(xié)同的優(yōu)勢(shì)，完善深部、復(fù)雜地質(zhì)條件下的全空間地球物理場(chǎng)傳播基礎(chǔ)理論等方面研究，加快創(chuàng)新方法與技術(shù)的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，切實(shí)提升智慧礦井安全高效生產(chǎn)能力。

展望“十四五”，礦井物探技術(shù)及裝備在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面必會(huì)有大幅突破，在智慧化礦井透明地質(zhì)云監(jiān)控、診斷與保障系統(tǒng)的構(gòu)建中亦將發(fā)揮更大作用。礦井物探技術(shù)與裝備科技創(chuàng)新、人才質(zhì)量不斷提升，共同為煤炭行業(yè)精準(zhǔn)智能生產(chǎn)及高效轉(zhuǎn)型發(fā)展提供硬支撐。

致謝：文中引用參考文獻(xiàn)數(shù)量較多，如因疏忽漏注在此表示歉意，并對(duì)所有文獻(xiàn)作者表示誠(chéng)摯的感謝！感謝審稿專家提出寶貴的意見和編輯部的大力支持！限于作者水平和閱歷，不足之處敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正！

附 錄:

我國(guó)礦井物探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀-基于高質(zhì)量科學(xué)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)采用數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)的方法，借助檢索某一領(lǐng)域科學(xué)文獻(xiàn)得到的各種特征數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而描述、評(píng)價(jià)和分析預(yù)測(cè)該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[65]。通過對(duì)國(guó)內(nèi)礦井物探類高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文的產(chǎn)出情況進(jìn)行檢索統(tǒng)計(jì)及分析，一定程度上能反映我國(guó)礦井物探領(lǐng)域技術(shù)及裝備的發(fā)展歷程與規(guī)律、核心科研群體及機(jī)構(gòu)、高影響力期刊、研究熱點(diǎn)和方向等問題，對(duì)分析國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的整體動(dòng)態(tài)發(fā)展具有重要價(jià)值。

本部分圍繞礦井物探專業(yè)領(lǐng)域，以中國(guó)知網(wǎng)期刊數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)為檢索來源，根據(jù)礦井物探相關(guān)專業(yè)詞語，設(shè)置了“礦井物探”“礦井電法”“礦井地質(zhì)雷達(dá)”“礦井電磁法”“井下槽波”“礦井地震波法”等共13個(gè)主題檢索詞，檢索詞邏輯關(guān)系設(shè)置為“或者”，匹配方式設(shè)置為“精確”，檢索對(duì)象設(shè)置為“期刊”，來源類別設(shè)置為“核心期刊”“CSCD”“EI來源期刊”“SCI來源期刊”；由于中國(guó)知網(wǎng)于1992年第一次發(fā)布中文核心期刊目錄，故本次數(shù)據(jù)檢索起始時(shí)間為1992年，檢索時(shí)間下限設(shè)定為2020年10月31日。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，共檢索出符合條件的高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文共計(jì)838篇，每年發(fā)表論文量如圖13所示。

圖13 礦井物探論文發(fā)表量統(tǒng)計(jì)Fig.13 Document statistics on published papers of mining geophysical

需要說明的是，檢索結(jié)果可能與實(shí)際數(shù)量存在偏差，本部分僅以系統(tǒng)檢索識(shí)別出的“礦井物探”等相關(guān)文獻(xiàn)量為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以此展示該領(lǐng)域整體的分布趨勢(shì)。1992—2005年期間共發(fā)表礦井物探類高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文121篇，年均發(fā)表量不足10篇，而從2006年開始發(fā)表量猛增，至今共發(fā)表714篇，占總發(fā)表量的85.2 %；其中，2006—2012年的發(fā)文量整體保持高速增長(zhǎng)，2012—2017年間則基本穩(wěn)定在年均60篇以上的高位水平，但是近3年的論文發(fā)表量則出現(xiàn)一定程度的下降。近30年礦井物探類高質(zhì)量論文發(fā)表量的整體變化規(guī)律及趨勢(shì)與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、行業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等宏觀政策之間存在較為緊密的聯(lián)系，在一定程度上反映了我國(guó)礦井物探技術(shù)及裝備的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。

對(duì)作者信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，12位作者的發(fā)表量達(dá)到了10篇及以上，他們主要來自高校和科研院所，其中，來自中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的作者最多，達(dá)6人，發(fā)文量前10位的作者年齡大部分在50歲左右(見表2)；發(fā)文量達(dá)14篇及以上的機(jī)構(gòu)有14家，這些機(jī)構(gòu)共發(fā)文612篇，占發(fā)文總量的73.0%(見表3)，其中，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司的發(fā)文量領(lǐng)先，共占比達(dá)29.0%，這2所機(jī)構(gòu)是我國(guó)礦井物探技術(shù)理論及裝備研發(fā)等方面的“領(lǐng)頭羊”(需要說明，作者發(fā)文量并不是以第1作者進(jìn)行統(tǒng)計(jì))。另外，分析被引用量排名前20的論文研究方向發(fā)現(xiàn)，瞬變電磁、直流電法、槽波地震勘探及微震等礦井物探技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)井下物探領(lǐng)域中科研群體關(guān)注的重點(diǎn)。

表2 礦井物探發(fā)文量前10作者信息Table 2 Information about top 10 authors by number of published papers

在論文研究層次方面，發(fā)現(xiàn)工程技術(shù)(自科)類論文占比達(dá)73.0%，而基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究(自科)類論文占比僅為19.2%，這反映出近30年來在礦井物探方面的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用基礎(chǔ)研究較少，相當(dāng)一部分的科研人員對(duì)工程技術(shù)應(yīng)用研究更感興趣?，F(xiàn)階段，需逐漸從重應(yīng)用研究、輕基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，向三者并重轉(zhuǎn)變，只有這樣才能在礦井物探基礎(chǔ)技術(shù)理論上有新的突破，進(jìn)而帶動(dòng)處理軟件、儀器裝備性能等軟硬件質(zhì)量的提升，從而滿足智能化精準(zhǔn)地質(zhì)勘探需求。

表3 發(fā)表礦井物探論文較多機(jī)構(gòu)Table 3 Units of more published literature

需要強(qiáng)調(diào)的是，《煤炭學(xué)報(bào)》(收錄礦井物探類論文51篇，下同)、《煤炭科學(xué)技術(shù)》(收錄104篇)、《煤田地質(zhì)與勘探》(收錄80篇)等作為具有重要國(guó)際國(guó)內(nèi)影響力的高質(zhì)量行業(yè)期刊，在我國(guó)礦井物探技術(shù)及裝備的理論研究、技術(shù)發(fā)展、裝備研發(fā)應(yīng)用等方面的學(xué)術(shù)交流與傳播中發(fā)揮了重要作用。