礦井綜合物探技術(shù)在隱伏含水構(gòu)造探測中的應(yīng)用

李鵬飛， 馬玉龍,2*， 張 杰， 高 彬

(1.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院有限公司，山西晉中 030603； 2.資源環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西晉中 030603)

0 引言

礦井物探是指在煤礦地下開采空間中開展的地球物理勘探方法。我國引進(jìn)礦井物探技術(shù)始于20世紀(jì)50年代。無線電波透視技術(shù)是我國礦井物探技術(shù)的先驅(qū)，20世紀(jì)50年代我國煤礦就用其探查工作面內(nèi)的異常構(gòu)造。60年代，我國開展礦井直流電法勘探的試驗(yàn)與研究。70年代以來，以槽波地震勘探為代表，我國開始開展礦井地震技術(shù)研究。90年代末，中國礦業(yè)大學(xué)率先將礦井瞬變電磁法引入到礦井探測工作中，并開展了全空間瞬變電磁場分布規(guī)律、數(shù)值模擬、時(shí)深轉(zhuǎn)換研究，技術(shù)方面對關(guān)斷時(shí)間、發(fā)射功率、發(fā)射線圈匝數(shù)、干擾因素等方面開展了試驗(yàn)研究[1]。

近年來，伴隨著煤礦開采環(huán)境由簡單向復(fù)雜、開采深度逐步增大，電磁干擾逐年增大，煤田地質(zhì)問題也日趨復(fù)雜。傳統(tǒng)地面物探手段在復(fù)雜背景噪聲干擾下，對深層中小型隱伏地質(zhì)異常體的探查，往往無法達(dá)到預(yù)期精度。縮短探測距離，降低背景干擾，增加測網(wǎng)密度，礦井物探的研究與應(yīng)用逐漸成為熱點(diǎn)。

程久龍、劉盛東等總結(jié)了中國礦井物探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題，從方法原理、研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)和儀器設(shè)等方面對地震方法、直流電法、瞬變電磁法、其他物探方法超前探測進(jìn)行了總結(jié)[1-2]；劉磊數(shù)值模了無線電波在工作面陷落柱響應(yīng)并對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行反演[3]；胡玉超研究了無線電波透視數(shù)據(jù)采集過程中的工作模式，形成探測參數(shù)計(jì)算表指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集，以達(dá)到最佳探測效果和最大施工效率[4]；崔偉雄開展了基于透射槽波的工作面煤層厚度高精度反演方法研究[5]；趙云佩采用井下槽波地震進(jìn)行超前探測，通過克?；舴蚱茖ο锏狼胺降刭|(zhì)異常體成像，探測效果取得了較好的成果[6]；藺國華應(yīng)用透射槽波方法探測中厚煤層隱伏小斷層，依據(jù)振幅衰減系數(shù)CT成像，解釋回采工作面內(nèi)隱伏地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)及位置探測探測結(jié)果經(jīng)回采驗(yàn)證有效[7]；王程對國內(nèi)煤礦井下應(yīng)用較為廣泛的直流電法、瞬變電磁法和音頻電透視的理論研究基礎(chǔ)進(jìn)行了論述及評價(jià)[8]；韋乖強(qiáng)利用礦井瞬變電磁法對整合礦井內(nèi)的小窯積水區(qū)進(jìn)行了探測，其探測精度高于地面瞬變電磁[9]；邱浩利用瞬變電磁波場成像技術(shù)確定含水異常體邊界，波場曲線幅值與出水位置對應(yīng)較好，含水異常體邊界位置同波場成像結(jié)果更為吻合[10]。

礦井地質(zhì)問題往往是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，不僅存在地質(zhì)目標(biāo)體尺度大小和探測精度的問題，還存在地質(zhì)目標(biāo)體多參數(shù)屬性和探測方法有效性的問題，顯然，對于中小隱伏地質(zhì)構(gòu)造，傳統(tǒng)地面物探技術(shù)無法解決探測精度的問題，而單一的礦井物探方法，無法解決多參數(shù)、多屬性的礦井綜合地質(zhì)問題[11]。

1 礦井綜合物探方法選取

沁水煤田含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，開采深度通常大于300m，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，除大型斷裂構(gòu)造外，中小型隱伏斷裂構(gòu)造及陷落柱十分發(fā)育，開采方式為綜采。地面三維地震勘可以識別長軸大于30m的陷落柱以及斷距大于5m的斷層，地面瞬變電磁法在煤礦水文物探勘查中，受體積效應(yīng)影響，其解釋范圍往往與實(shí)際有較大的偏差。對于綜采工作面，煤層中的中小斷裂構(gòu)造，尤其是導(dǎo)水?dāng)嗔阎苯油{安全生產(chǎn)，現(xiàn)有地面物探技術(shù)無法精確識別工作面內(nèi)的中小型隱伏含水構(gòu)造。礦井物探由于距離地質(zhì)目標(biāo)體距離較近，直接針對均一的煤層進(jìn)行勘探研究，不受地表地形起伏、其它覆蓋地層的影響，因此其勘探精度通常高于地面物探[12-13]。常用的礦井物探技術(shù)包含槽波地震勘探、MSP超前地震勘探、礦井二維地震勘探、無線電波透視，音頻電透、礦井直流電測深、礦井瞬變電磁等。

(1)槽波地震法

煤層中激發(fā)的和傳播的槽波能量強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)、波形特征易于識別，具有明顯的頻散特征。通過研究槽波沿煤層傳播過程中能量的變化來探測煤層中隱伏構(gòu)造。目前槽波地震法主要用于解釋構(gòu)造體的空間分布，但是對于構(gòu)造體的幾何尺寸和含水性，均無法有效判斷。

(2)無線電波透視法

煤層中實(shí)體煤與斷裂構(gòu)造存在電性差異，工作面一側(cè)巷道內(nèi)發(fā)射的中高頻電磁波在煤層傳播過程中遇到構(gòu)造斷面或電磁波耗能介質(zhì)時(shí)，能量會被削弱或者屏蔽，工作面另一側(cè)巷道內(nèi)的接收機(jī)會接收到較弱的場強(qiáng)信號或無信號強(qiáng)度，逐點(diǎn)探測即形成透視陰影區(qū)，而透視陰影區(qū)即為坑透探測的主要目標(biāo)，無線電波透視法主要用于斷裂構(gòu)造的探測，尤其是對與工作面走向相同的斷裂構(gòu)造，具有較好的橫向探測能力。

(3)礦井瞬變電磁法

礦井瞬變電磁法和地面瞬變電磁法的基本原理類同，在煤礦水文物探工作中主要探測地層中的水體。但是礦井瞬變電磁的施工環(huán)境較地面瞬變電磁更為復(fù)雜，施工空間中的采掘設(shè)備、錨網(wǎng)、高壓環(huán)境及多匝小線框裝置本身的互感影響，導(dǎo)致礦井的探測深度很受限制，然而礦井瞬變電磁相較地面瞬變電磁法體積效應(yīng)小，因此對低阻異常的刻畫精度更高。

煤層中的隱伏含水?dāng)嗔褬?gòu)造，通常既有構(gòu)造本身與圍巖較明顯的密度、波阻抗和電性差異，又有含水體與圍巖的電阻率差異。以波阻抗差異為基礎(chǔ)的礦井地震勘探僅可解釋構(gòu)造的有無，卻無法解釋是否含水，而礦井電磁法則對構(gòu)造水具有較好的探測效果，因此多方法聯(lián)合探測的綜合物探技術(shù)是探查工作面內(nèi)中小型隱伏含水構(gòu)造的良好手段。本文擬選取槽波地震法和無線電波透視法探測斷裂構(gòu)造，采用礦井瞬變電磁對構(gòu)造的含水性進(jìn)行分析。

2 實(shí)例分析

2.1 工作面概況

本次研究區(qū)工作面走向長1 100m，寬150m。工作面所采煤層厚度5.7m，屬穩(wěn)定煤層，煤層傾角平均3度。回采過程中局部頂板節(jié)理發(fā)育，煤體疏松破碎。工作面內(nèi)三維地震解釋陷落柱2個(gè)，其中DX100在巷道開拓過程中已揭露，揭露斷層SF171和斷層SF175，斷距分別為5m和6m。工作面內(nèi)已知構(gòu)造如表1所示。

表1 工作面內(nèi)已知構(gòu)造信息Table 1 Information of known structures in working face

工作面上覆含水層主要為頂板砂巖含水層、及K8砂巖含水層。根據(jù)研究礦區(qū)回采破壞高度經(jīng)驗(yàn)可知，該煤層回采后K8砂巖含水層水為采面頂板直接涌水來源。為掌握該工作面內(nèi)隱伏含水構(gòu)造的分布信息，指導(dǎo)該工作面的防治水工作，本次勘探工作擬采用透射法槽波地震勘探和無線電波透視法對工作面內(nèi)的陷落柱及斷距小于3m的斷層等構(gòu)造進(jìn)行探測，并利用礦井瞬變電磁法對工作面內(nèi)的富水區(qū)尤其是斷裂構(gòu)造的含水性和導(dǎo)水性進(jìn)行探測。本次物探工作沿著工作面南北兩條巷道，01巷道和02巷道進(jìn)行布設(shè)，測線編號從停采線方向向切眼方向布設(shè)，物探測線長度為1 150m(圖1)。

圖1 工作面構(gòu)造分布與物探工程布置Figure 1 Working face structures distribution and geophysical prospecting engineering layout

2.2 槽波勘探成果

本文選用透視法槽波地震勘探，采用雙邊測量的方式，以提高槽波勘探的精度。沿工作面01、02巷道在距離底板1.5m高的煤層中分別布置炮點(diǎn)、激發(fā)點(diǎn)，炮間距20m，道間距為10m，單巷槽波勘探測線長度為1 140m。儀器設(shè)備采用德國DMT公司研制的SummitⅡ型防爆槽波地震儀，數(shù)據(jù)處理采用SCT V2.0槽波地震數(shù)據(jù)處理軟件。

本次探測時(shí)，由于該工作面煤質(zhì)硬、鉆孔好，事先打好的檢波器孔未出現(xiàn)垮塌、孔內(nèi)嚴(yán)重變形、孔徑太大等問題，檢波器安裝耦合效果好，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量高。采集到的原始地震記錄主要由頻帶較窄的中、低頻成分直達(dá)P、S波，以及頻帶較寬的高頻成分槽波，這些不同頻率成分的波具有不同的相速度，槽波地震勘探數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)主要分為三個(gè)階段：首先對原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、數(shù)字濾波，將直達(dá)P、S波切除；其次對槽波進(jìn)行頻散分析和速度分析；最后進(jìn)行成像處理，其中成像處理分為速度成像處理和頻率域相對吸收系數(shù)掃描成像處理。本文采用相對吸收系數(shù)CT成像技術(shù)，利用煤層內(nèi)的低頻區(qū)(50～130Hz)與高頻區(qū)(130～180Hz)槽波能量的比值進(jìn)行成像，其中吸收系數(shù)高值區(qū)與煤層內(nèi)的構(gòu)造異常相對應(yīng)，低值區(qū)與煤層穩(wěn)定區(qū)相對應(yīng)(圖2)。根據(jù)已揭露的DX100陷落柱及SF171和SF175斷層的范圍確定暖色區(qū)域?yàn)橄鄬ξ障禂?shù)大于0.004的高值區(qū)，為地質(zhì)異常體引起的物探異常范圍，灰色背景為無構(gòu)造區(qū)。本次槽波地震勘探共圈定6處異常區(qū)。

圖2 槽波透射地震勘探相對吸收系數(shù)成像Figure 2 In-seam seismic transmission prospecting relative absorption coefficient imaging

2.3 無線電波透視勘探成果

無線電波透視探測使用的儀器是由中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司開發(fā)的WKT-0.03礦用無線電波透視儀。綜放工作面寬度約150m，經(jīng)井下探測頻率實(shí)驗(yàn)，選用0.5MHz頻率進(jìn)行工作面透視工作，采用雙邊定點(diǎn)掃描法進(jìn)行探測，即發(fā)射端在一側(cè)巷道位置相對固定，接收端在另一側(cè)對應(yīng)巷道的一定范圍內(nèi)逐點(diǎn)接收其場強(qiáng)值，完成一側(cè)巷道的測量后，對調(diào)收、發(fā)位置，完成另一側(cè)巷道的測量。發(fā)射點(diǎn)距為50m，測點(diǎn)間距為10m，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對應(yīng)11個(gè)接收點(diǎn)。綜放工作面共布置230個(gè)測點(diǎn)，44個(gè)發(fā)射點(diǎn)。本次探測儀器工作基本穩(wěn)定，發(fā)射場強(qiáng)H0為113.9dB。均勻無構(gòu)造的煤層對電磁波的吸收率較低，而存在構(gòu)造時(shí)，其對電磁波的吸收率會明顯增大，導(dǎo)致接收到的場強(qiáng)低于背景場值。

如圖3所示，無線電波透視探測場強(qiáng)介于15～55dB，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對應(yīng)一組接收數(shù)據(jù)用不同的顏色來區(qū)分(每組接收數(shù)據(jù)對應(yīng)11個(gè)接收點(diǎn))，中部350～900點(diǎn)段場強(qiáng)分布較為均勻，其值位于45～55db范圍內(nèi)，0～350點(diǎn)段、900～1050點(diǎn)段場值變化劇烈，且小于45dB，電磁波能量吸收率較大。為進(jìn)一步對推斷解釋，利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了衰減系數(shù)的計(jì)算，獲取了CT成像圖(圖4)，CT成像圖上不同顏色代表電磁波在煤層的衰減系數(shù)。結(jié)合已知已知的DX100陷落柱，將衰減系數(shù)值0.5作為判別地質(zhì)異常體的閾值，衰減系數(shù)小于0.5時(shí)表示發(fā)射范圍內(nèi)無構(gòu)造存在，圖4中黃色部分，當(dāng)存在導(dǎo)致電磁波折射、反射、強(qiáng)吸收的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，其衰減系數(shù)大于0.5。基于以上原則，圈定了6個(gè)異常體，其橫向分布與實(shí)測場強(qiáng)異常區(qū)以及槽波勘探異常區(qū)吻合較好，但是縱向上由于坑透數(shù)據(jù)缺乏較好的縱向約束，因此其刻畫精度不及槽波地震勘探，呈現(xiàn)較為模糊的陰影。

圖3 無線電波透視法實(shí)測場強(qiáng)散點(diǎn)圖Figure 3 Radiowave penetration measured field intensities scatter diagram

圖4 無線電波透視法衰減系數(shù)成像Figure 4 Radiowave penetration attenuation coefficient imaging

2.4 礦井瞬變電磁勘探成果

瞬變電磁法勘探受儀器系統(tǒng)、施工裝置、介質(zhì)電阻率的影響存在淺部存在一定范圍的盲區(qū)，本次礦井瞬變電磁充分利用工作面兩側(cè)的巷道進(jìn)行雙邊聯(lián)測，綜合分析，獲取對同一個(gè)工作面兩側(cè)巷道施測計(jì)算的視電阻率斷面。選擇邊長1.5m正方形重疊回線裝置，其中激發(fā)線圈匝數(shù)4匝，接收線圈匝數(shù)40匝。供電電流檔為60A，供電脈寬10ms，采樣率16μS。每個(gè)測點(diǎn)至少采用30次疊加方式提高信噪比，確保了原始數(shù)據(jù)的可靠性，測點(diǎn)間距為10m。在施工過程中要求工作面所有電器設(shè)備停止供電，以減少工業(yè)電壓對電磁數(shù)據(jù)的干擾。據(jù)圖5可知，在兩個(gè)方向的淺部均存在高阻假異常的盲區(qū)，視電阻率斷面橫向較為穩(wěn)定，縱向與傳統(tǒng)地面瞬變電磁法的HA型斷面不同， 礦井瞬變電磁法則是Q型地電斷面，因?yàn)殡姶挪ǖ摹盁熑Α彪S著探測距離的增大，其半徑也會增大，所獲得的數(shù)據(jù)信息不僅有煤層提供的信息還包含有上下圍巖的地電信息，而上覆砂巖的電阻率小于煤層，因此礦井瞬變電磁視電阻率斷面圖呈現(xiàn)了探測距離越遠(yuǎn)， 視電阻率越低的Q型斷面。雖然如此，但是對于局部低阻體，其不僅在縱向，還在橫向上呈現(xiàn)有別于Q型斷面變化趨勢的低阻異常。圖5中結(jié)合01巷道600m處揭露的頂板淋水位置，以視電阻率值為15Ω·m作為閾值，圈定了6處低阻異常體。

圖5 礦井瞬變電磁視電阻率斷面Figure 5 Mine transient electromagnetic apparent resistivity section

2.5 綜合分析與驗(yàn)證

上文利用槽波地震勘探和無線電波透視法對研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了勘探，同時(shí)采用礦井瞬變電磁法對工作面內(nèi)的富含水區(qū)進(jìn)行了探測，采用上述三種物探方法分別圈定了各自的物探異常。圈定槽波異常6處，無線電波透視異常6處以及瞬變電磁異常6處。盡管在數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理和解釋過程中極盡所能獲取了較好的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行了較為合理的處理，但是受方法自身特點(diǎn)限制以及礦井空間工作環(huán)境的影響，多種方法的解釋成果并不完全一致，想要獲得更合理、更準(zhǔn)確的地質(zhì)成果，三種物探方法不僅需要相互驗(yàn)證，還需要取長補(bǔ)短。

將三種物探方法圈定的異常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比對，并與已知地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析和可靠性評價(jià)(表2)。

表2 綜合物探異常統(tǒng)計(jì)對比分析Table 2 Statistical comparative analysis of integrated geophysical prospecting anomalies

經(jīng)對比分析認(rèn)為，共解釋構(gòu)造異常6處，其中含水構(gòu)造2處。槽波地震勘探和無線電波透視勘探在地質(zhì)構(gòu)造解釋中，橫向解釋精度具有較好的一致性，且與已知地質(zhì)體吻合較好，因此兩種礦井物探方法在地質(zhì)構(gòu)造勘探中具有較好的橫向分辨能力，而縱向上槽波地震勘探的刻畫精度更高。礦方在收到資料后利用鉆探、探放水工作以及采掘過程中的揭露，對上述地質(zhì)異常進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。針對陷落柱CB1和CB5兩個(gè)斷裂構(gòu)造均存在較大水患，礦方進(jìn)行了排水工作。綜上所述，本次利用綜合物探對工作面隱伏含水構(gòu)造的探測不僅較準(zhǔn)確地刻畫了地質(zhì)構(gòu)造的空間位置，還預(yù)測了水患水害，為礦方提供了有效的指導(dǎo)信息。

3 結(jié)論

1)無線電波透視法對地質(zhì)構(gòu)造具有較好的橫向分辨能力，槽波地震勘探對地質(zhì)構(gòu)造的刻畫兼具較好的橫向和縱向分辯能力，但是上述兩種方法均無法辨別構(gòu)造的屬性。

2)礦井瞬變電磁能夠較好地圈定地層中富含水區(qū)地位置，指導(dǎo)安全生產(chǎn)，但對含水量無法有效估算。

3)單一的礦井物探方法受限于物性參數(shù)的單一，因此無法既解決構(gòu)造的問題，又解決含水性的問題。煤礦防治水工作中盡可能采用綜合物探對隱伏含水構(gòu)造進(jìn)行探測，利用多物理參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合解釋，以更準(zhǔn)確地指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)。