礦井電法勘探研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

岳建華，楊海燕，冉華賡

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭智能化精準(zhǔn)開采代表了我國(guó)煤炭綠色高效安全開發(fā)的未來發(fā)展方向。創(chuàng)新礦井地球物理方法，打造具有透視功能的“互聯(lián)網(wǎng)+礦井地球物理”新模式，實(shí)現(xiàn)斷層、陷落柱、水與瓦斯等地質(zhì)要素精準(zhǔn)探測(cè)是煤炭智能開采的內(nèi)在需求[1-4]。含煤巖系為孔隙介質(zhì)，其孔隙特征、流體分布、斷層裂隙結(jié)構(gòu)和壓力等環(huán)境因素對(duì)電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。30 多年來，礦井電法勘探經(jīng)歷了煤層頂?shù)装逄綔y(cè)?煤層小構(gòu)造探測(cè)?掘進(jìn)工作面超前探?采場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等不同應(yīng)用與發(fā)展階段，圍繞采煤工作面和掘進(jìn)工作面兩大典型作業(yè)場(chǎng)所，形成了以礦井電阻率法、瞬變電磁法、電磁波層析成像為主的超前探測(cè)方法技術(shù)體系。在我國(guó)煤炭黃金十年(2002—2012 年)，國(guó)內(nèi)多家單位參與礦井電法理論研究、技術(shù)研發(fā)和儀器研制工作，引領(lǐng)了地下空間電磁學(xué)國(guó)際前沿研究方向[5-6]。筆者在總結(jié)我國(guó)礦井電法勘探發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，結(jié)合方法技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)礦井電法勘探發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

1 礦井電法勘探研究現(xiàn)狀

1.1 采煤工作面頂?shù)装逄綔y(cè)

1984?1985 年，全國(guó)發(fā)生煤礦底板突水事故22起，僅河北開灤、河南焦作、山東肥城就有6 對(duì)礦井被淹，峰值水量高達(dá)2 050 m3/min，為世界之最。期間受底板水威脅礦井300 多處，約占大型礦井的一半，受水威脅煤炭?jī)?chǔ)量近百億噸。為此，20 世紀(jì)80 年代末原煤炭工業(yè)部要求下屬科研機(jī)構(gòu)和高校積極開展煤層底板突水構(gòu)造探測(cè)方法研究。1988 年底，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦井物探研究室結(jié)合淮北楊莊煤礦2617 突水工作面復(fù)采論證工作，前后歷時(shí)近3 年，提出了非對(duì)稱裝置多極距礦井電剖面法和活動(dòng)MN 法三極裝置斷面測(cè)深技術(shù)，發(fā)明了壓制井下工業(yè)游散電強(qiáng)不規(guī)則干擾的 “方波比較讀數(shù)法”；根據(jù)煤層宏觀電各向異性特征，開發(fā)了適應(yīng)不同探測(cè)需求的裝置形式和觀測(cè)方式；在煤礦井下率先開展了高密度電阻率法試驗(yàn)[7]。1993 年，中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司(簡(jiǎn)稱西安研究院)推出國(guó)內(nèi)首臺(tái)防爆數(shù)字直流電法儀，并針對(duì)太原組灰?guī)r注漿改造效果評(píng)價(jià)需求開發(fā)了礦井音頻電透視技術(shù)[8]。在基礎(chǔ)理論研究方面，1991?2004 年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在國(guó)家自然基金和煤炭科學(xué)基金資助下，從提出1D 層狀介質(zhì)全空間電流場(chǎng)數(shù)字濾波法正演算法，到開發(fā)含巷道層狀介質(zhì)模型3D 有限差分法和邊界元算法，結(jié)合井下實(shí)踐和室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了巷道影響下全空間電流場(chǎng)理論框架，系統(tǒng)研究了巷道頂?shù)装咫姕y(cè)深曲線、層測(cè)深曲線特征，給出了巷道空間畸變影響的校正公式等[9-18]。西安研究院則系統(tǒng)研究了礦井音頻電透視方法原理與解釋方法[19]，桂林理工大學(xué)等以金屬礦山為背景豐富和完善了坑道電阻率法理論成果[20-23]。2004 年，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司(簡(jiǎn)稱重慶研究院)等單位研制出防爆多功能高密度電法儀[24]，安徽理工大學(xué)研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)并行電法儀并應(yīng)用于底板水探測(cè)工作[25-27]。國(guó)外開展同類研究的主要是匈牙利重工業(yè)大學(xué)，á.Gyulai 等[28-29]給出了煤層頂?shù)装咫姕y(cè)深和層測(cè)深曲線視電阻率核函數(shù)表達(dá)式，給出了3 層和4 層介質(zhì)模型視電阻率級(jí)數(shù)公式。

20 世紀(jì)90 年代，綜采放頂煤技術(shù)在我國(guó)推廣應(yīng)用。這種高效采煤方式的導(dǎo)水裂縫帶異常發(fā)育，致使采場(chǎng)涌水量增大、頂板砂巖水問題凸顯，山東兗礦集團(tuán)率先提出頂板紅層砂巖水探測(cè)需求。鑒于綜采放頂煤巷道斷面大、頂板布設(shè)電極困難，1998 年底中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在濟(jì)寧二號(hào)煤礦進(jìn)行井下瞬變電磁試驗(yàn)，之后陸續(xù)在安徽皖北煤電、江蘇徐州礦務(wù)局開展應(yīng)用工作[30-31]。2003 年起，中科院地質(zhì)地球物理研究所在冀中能源集團(tuán)開展底板水害探測(cè)[32-33]。于景邨[30]給出了基于地表半空間中心回線晚期視電阻率公式的全空間視電阻率公式，探討了礦井瞬變電磁法時(shí)?深轉(zhuǎn)換問題；白登海等[32]提出了時(shí)間域瞬變電磁法中心回線全程視電阻率的數(shù)值計(jì)算方法，并開發(fā)了礦用瞬變電磁處理軟件。在國(guó)家自然基金項(xiàng)目資助下，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)為礦井瞬變電磁數(shù)值模擬算法和理論研究做出積極貢獻(xiàn)，先后開發(fā)了礦井瞬變電磁法2D 和3D 有限元、有限差分、邊界元數(shù)值模擬算法，系統(tǒng)研究了巷道影響下全空間瞬變電磁場(chǎng)分布變化規(guī)律和典型地電體響應(yīng)特征，探討了礦井瞬變電磁資料定性、定量解釋方法[34-38]。截至目前，國(guó)外關(guān)于礦井瞬變電磁法的文獻(xiàn)僅限于一維層狀介質(zhì)全空間場(chǎng)分布規(guī)律研究[39]。

2005 年我國(guó)實(shí)行煤炭資源整合開發(fā)政策后，因整合礦井的地質(zhì)資料欠缺曾一度造成老窯采空積水事故頻發(fā)。為提高多層采空積水探測(cè)能力，2011 年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)提出了地面發(fā)射、井下巷道接收的瞬變電磁新技術(shù)[40-41]。2016 年劉瑞軍[42]通過數(shù)值模擬論證了該項(xiàng)技術(shù)的可行性。同年李術(shù)才等[43]對(duì)電性源地面?巷道瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，提出了利用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線晚期響應(yīng)幅值和尖點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間判斷含水體位置、規(guī)模的方法。2019 年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在山西朔州應(yīng)用地面?巷道瞬變電磁探測(cè)采空區(qū)取得成功[44]，同時(shí)開展了井上井下雙磁性源探測(cè)煤層頂板含水構(gòu)造的技術(shù)試驗(yàn)[45]，為克服井下施工空間局限性、提高采空積水區(qū)分辨率和擴(kuò)大礦井電法探測(cè)范圍進(jìn)行了積極探索。

圖1?圖3 為某采煤工作面綜合地球物理探測(cè)成果，相繼開展了底板直流電測(cè)深、頂?shù)装逅沧冸姶乓约肮ぷ髅婷簩右纛l電透視測(cè)量工作。

圖1 某工作面2105 巷道綜合電磁法探測(cè)視電阻率擬斷面Fig.1 Apparent resistivity pseudosection of comprehensive electromagnetic method measured at 2105 roadway of a working face

圖2 某工作面音頻電透視電導(dǎo)率剖面Fig.2 Conductivity section of audio-frequency electrical penetration for a mine working face

圖3 某工作面5105 巷道頂?shù)装逅沧冸姶乓曤娮杪蕯M斷面Fig.3 Apparent resistivity pseudosection of transient electromagnetic method measured at 5105 roadway roof and floor of a working face

1.2 掘進(jìn)工作面超前探測(cè)

掘進(jìn)突遇含導(dǎo)水構(gòu)造極易造成人身傷害，所以掘進(jìn)工作面超前探測(cè)問題歷來備受關(guān)注。1992 年河北煤炭研究所李學(xué)軍[46]提出了煤礦井下超前探測(cè)的點(diǎn)源梯度法(又稱單極偶極法)，給出了超前探測(cè)資料的半定量解釋方法；1998 年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)利用超前鉆孔二極法成功評(píng)價(jià)了注漿封堵效果。程久龍[47]、劉青雯[48]、韓德品[49-50]等提出了多點(diǎn)測(cè)量、聯(lián)合解釋的點(diǎn)源梯度法技術(shù)，發(fā)展了基于幾何交匯原理的資料解釋方法。為簡(jiǎn)化異常形態(tài)，增大超前探測(cè)距離，桂林理工大學(xué)、中南大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)等多家單位開發(fā)了聚焦電極系超前探測(cè)方法，對(duì)異常特征、反演解釋方法等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[51-57]。李術(shù)才院士團(tuán)隊(duì)將聚焦電極系超前探測(cè)方法應(yīng)用于隧道工程，研究了隧道同性源陣列聚焦電阻率法超前探測(cè)技術(shù)[58-62]。中國(guó)科技大學(xué)和長(zhǎng)安大學(xué)分別開發(fā)了巷道超前探三維數(shù)值模擬算法，研究了巷道空間對(duì)超前探測(cè)結(jié)果的影響[63-64]，西安研究院則長(zhǎng)期堅(jiān)持電阻率法超前探工作，為推廣該方法做出了不懈努力[65]。

2006 年，長(zhǎng)安大學(xué)李貅率先將瞬變電磁應(yīng)用于隧道超前探測(cè)[66]；河南焦作礦務(wù)局和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)則同期發(fā)展了煤礦井下巷道掘進(jìn)過程中連續(xù)跟蹤探測(cè)的瞬變電磁法，建立了環(huán)形測(cè)深和方位測(cè)深2 種超前探測(cè)模式[67-69]。2008 年后，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、西安研究院、安徽理工大學(xué)等單位在老空積水、封閉不良鉆孔勘查中豐富和發(fā)展了礦井瞬變電磁超前探測(cè)技術(shù)，提出了基于定向鉆孔的超長(zhǎng)距離水害超前探測(cè)方法，并開發(fā)出智能立體成像技術(shù)[70-72]。山東大學(xué)則在隧道超前預(yù)報(bào)中提出了瞬變電磁平行磁場(chǎng)響應(yīng)方法[73-74]。

在理論研究方面，除2008 年姜志海通過物理模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬初步闡釋了瞬變電磁超前探測(cè)機(jī)理外[35]，其他理論研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

1) 超前探測(cè)瞬變電磁資料處理與解釋方法

程久龍等[75-76]提出了礦井瞬變電磁波場(chǎng)轉(zhuǎn)換和合成孔徑成像法，張平松等[77]基于不同角度測(cè)點(diǎn)煙圈效應(yīng)特征提出了視電阻率擴(kuò)散疊加處理方法，在突出掘進(jìn)前方地電異常體響應(yīng)方面取得成效。

2) 多匝小回線裝置電感效應(yīng)和視電阻率計(jì)算問題

部分學(xué)者提出了礦井瞬變電磁視電阻率轉(zhuǎn)換方法，開發(fā)了全區(qū)視電阻率計(jì)算的平移算法、核函數(shù)算法、二分搜索算法和全域解釋方法等[78-84]；李飛等[85]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為發(fā)?收線圈間強(qiáng)互感作用是造成全空間視電阻率嚴(yán)重偏低的原因并給出了校正方法；為消除收、發(fā)線圈互感影響，孫懷鳳等[86]提出了斜階躍電流校正方法，楊海燕等[87-91]則設(shè)計(jì)了一種錐形發(fā)射裝置，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和反演解釋方法。然而，多匝小回線裝置瞬變電磁視電阻率讀數(shù)低于煤巖體本征電阻率幾個(gè)數(shù)量級(jí)的問題一直未能很好的解決。圖4 為分別采用半空間和全空間視電阻率轉(zhuǎn)換公式獲得的視電阻率擬斷面，圖中反映出的異常范圍和深度差異較大。

圖4 晚期視電阻率擬斷面[78]Fig.4 Section of apparent resistivity in later stage[78]

2020 年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)岳建華團(tuán)隊(duì)采用理論推導(dǎo)、Simulink 數(shù)值仿真、室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)和井下技術(shù)試驗(yàn)等綜合手段，查明接收回路暫態(tài)過程造成多匝小回線瞬變電磁曲線整體后移(井下瞬變電磁的有效信號(hào)記錄時(shí)間一般在數(shù)毫秒至數(shù)十毫秒，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百毫秒)，這是礦用瞬變電磁儀視電阻率讀數(shù)比巖石本征電阻率低幾個(gè)數(shù)量級(jí)的真實(shí)原因。對(duì)于礦井瞬變電磁而言，接收回路暫態(tài)過程造成的時(shí)間延遲不僅影響到視電阻率計(jì)算，而且極易在時(shí)?深轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生“解釋距離大于實(shí)際探測(cè)距離”的誤導(dǎo)。類似現(xiàn)象在地面勘探中也有發(fā)現(xiàn)，西方學(xué)者曾提出“有效時(shí)間”概念，通過時(shí)間校正獲取較為可靠的解釋深度[92-93]。該團(tuán)隊(duì)于2020 年在山西晉能控股集團(tuán)同忻煤礦組織了多種電法方法的綜合技術(shù)試驗(yàn)，檢驗(yàn)了新建立的多匝小回線裝置瞬變電磁視電阻率計(jì)算和時(shí)?深轉(zhuǎn)換公式的有效性，與井下205 個(gè)探放水孔的檢驗(yàn)結(jié)果一致，實(shí)現(xiàn)了重大突破。此項(xiàng)成果被列入2020 年度地球物理和空間物理國(guó)家自然基金結(jié)題項(xiàng)目10 項(xiàng)代表性成果之一[94]。

1.3 采煤工作面內(nèi)小構(gòu)造探測(cè)

工作面內(nèi)小構(gòu)造直接影響采煤效率并可能誘發(fā)頂板事故，俄羅斯、烏克蘭和匈牙利主要采用礦井直流電阻率法，美國(guó)、澳大利亞以無線電波透視法為主，2 種方法在我國(guó)均有使用。

1986 年全蘇礦山地質(zhì)力學(xué)和礦山測(cè)量研究所全面總結(jié)了各種裝置直流電透視法探測(cè)小構(gòu)造的方法與技術(shù)[95]，匈牙利重工業(yè)大學(xué)則發(fā)展了單一巷道層測(cè)深法和礦井電法與三分量槽波地震聯(lián)合反演煤層小構(gòu)造的方法[96-99]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開發(fā)了直流層測(cè)深1D 線性濾波法和3D 邊界元數(shù)值模擬算法[100-101]，系統(tǒng)研究了各種裝置直流電透視法的理論曲線特征[102]；焦作工學(xué)院將直流層測(cè)深法推廣應(yīng)用于煤與瓦斯突出[103]，西安研究院則重點(diǎn)研究了直流層測(cè)深法在小斷層探測(cè)中的應(yīng)用及資料解釋方法[104-105]。

值得注意的是，20 世紀(jì)70、80 年代國(guó)外即開始地面直流電阻率張量測(cè)量，在提高2D 和3D 含水構(gòu)造勘探精度方面取得良好效果[106-108]，H.M.Bibby 等[109]從理論上分析論證了視電阻率張量不變性在確定異常體空間方位和流體各向異性特征方面所具備的優(yōu)勢(shì)，行列式平方根形式的張量不變量給出了三維地電體的最佳表征。俄羅斯莫斯科國(guó)立大學(xué)研究了矢量電阻率法探測(cè)地下地質(zhì)構(gòu)造電各向異性的方法原理，并在地下滲流場(chǎng)、傾斜巖層、三維地質(zhì)體和淺層高分辨勘查中得到廣泛應(yīng)用[110-112]，其他歐美學(xué)者則在應(yīng)用矢量或張量電阻率法進(jìn)行考古或工程與環(huán)境物探方面開展了系列工作，有效提高了勘探精細(xì)程度[113-119]。就含煤地層而言，煤層裂隙及采掘誘發(fā)的各種致災(zāi)因素電各向異性特征顯著，只有張量測(cè)量才能客觀準(zhǔn)確地反映采動(dòng)巖體電性變化的時(shí)空演變規(guī)律。在長(zhǎng)期應(yīng)用過程中，井下電法勘探只是利用含煤地層宏觀電各向異性特征優(yōu)化觀測(cè)系統(tǒng)布置，在定向探測(cè)方面雖然取得一定成效，但卻忽略了井下空間易于開展電阻率張量測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。

20 世紀(jì)70—90 年代，層析成像技術(shù)在美國(guó)和澳洲煤礦小構(gòu)造探測(cè)中取得成功應(yīng)用[120-124]。美國(guó)Stolar Horizon Inc.公司開發(fā)了電磁波全波形觀測(cè)技術(shù)，但儀器工作原理和全波形反演算法一直未對(duì)外公布，只是在文獻(xiàn)中報(bào)道了所開發(fā)儀器的性能和全波形反演的優(yōu)越性[125-127]。

國(guó)內(nèi)北京大學(xué)在無線電波透視法理論研究方面曾發(fā)揮重要作用，重慶研究院、廊坊物化探所等開發(fā)多種型號(hào)坑透儀[128]，安徽淮北礦務(wù)局與原地礦部北京計(jì)算中心聯(lián)合開發(fā)電磁波層析成像軟件[129]，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、山東科技大學(xué)和中南大學(xué)等進(jìn)一步優(yōu)化成像算法，分別或聯(lián)合開發(fā)了更為先進(jìn)的層析成像軟件[130-132]。劉鑫明等[133]根據(jù)電磁波入射角度對(duì)衰減常數(shù)進(jìn)行修正，張輝[134]、肖玉林[135]等提出初始場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法，改善了吸收系數(shù)的計(jì)算精度。為提高工作效率，肖玉林等[136]開發(fā)了回采工作面多頻率無線電波透視技術(shù)。然而，當(dāng)電磁波穿透多個(gè)地質(zhì)異常體時(shí)，現(xiàn)有振幅衰減層析成像方法很難區(qū)分其疊加異常[131]。岳蕾[137]采用虛實(shí)分量檢測(cè)法研究了電磁波振幅和相位參數(shù)對(duì)地質(zhì)體的靈敏度，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1) 當(dāng)2 個(gè)異常體間距小于菲涅爾半徑時(shí)，相位參數(shù)仍有一定的空間分辨能力且對(duì)低阻異常反應(yīng)靈敏；(2) 相位延遲實(shí)驗(yàn)曲線及其成像結(jié)果不僅能夠精準(zhǔn)圈定單個(gè)異常體，而且可以有效區(qū)分多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造的疊加異常；(3) 定點(diǎn)連續(xù)測(cè)量的全波形曲線同時(shí)包含透射電磁波的振幅和相位信息，全波形反演算法能夠降低反演結(jié)果對(duì)初始模型的依賴度和對(duì)電磁噪聲的敏感度，也可實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)和電導(dǎo)率的同步反演。圖5 為隨機(jī)模型及其全波形反演結(jié)果。

圖5 基于隨機(jī)模型的全波形反演Fig.5 Full waveform inversion based on Stochastic Model

1.4 礦井電法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

1999 年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)李德春等[138]通過測(cè)定巖石形變破壞的電性變化規(guī)律，揭示了巖體電阻率法預(yù)報(bào)頂板失穩(wěn)的依據(jù)；程久龍等[139-140]進(jìn)一步研究煤層覆巖變形破壞視電阻率響應(yīng)特征并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，劉盛東等[141]采用孔中高密度電法開展了采后覆巖“上三帶”高度探測(cè)試驗(yàn)。

2005 年起，在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973 計(jì)劃)連續(xù)資助下，煤礦突水機(jī)理研究，采場(chǎng)頂?shù)装鍘r層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)問題得到重視。山東科技大學(xué)翟培合[142]率先在山東新汶開展了井下試驗(yàn)，通過預(yù)埋電極、電纜，利用單一巷道三極電測(cè)深和雙巷道偶極電透視，定時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)滯后突水。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)劉樹才等[143]在安徽和山西省內(nèi)的部分礦井采用高密度電阻率法預(yù)測(cè)采動(dòng)底板裂隙發(fā)育演化特征取得成功。安徽理工大學(xué)利用上仰孔視電阻率法研究了回采工作面頂板巖層垮落過程與特征[144-145]。在國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAK06B00)支持下，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)等聯(lián)合研發(fā)了煤礦突水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，開發(fā)了在線式電阻率法、瞬變電磁和微震動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)，提出了環(huán)工作面瞬變電磁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[146-149]，開發(fā)了電性變化區(qū)域自動(dòng)快速追蹤的成像算法[150]。近期，重慶研究院開發(fā)了礦井在線式電法勘探儀[151]；安徽惠洲公司礦用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀增加了接入物聯(lián)網(wǎng)的功能，西安研究院則開發(fā)了井下偽隨機(jī)序列礦井電法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[152]。

雖然國(guó)外未見煤礦井下電法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)道，但在20 世紀(jì)60、70 年代，西方學(xué)者即開始關(guān)注巖石變形、破裂及富水性變化的電性特征[153]。2000 年初以來，時(shí)延電阻率法在歐美國(guó)家工程與環(huán)境地學(xué)研究中的應(yīng)用迅速普及。早期多使用傳統(tǒng)電阻率儀進(jìn)行間歇式重復(fù)觀測(cè)，后期則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和工作目標(biāo)，研發(fā)專用成套設(shè)備以連續(xù)方式進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。與之對(duì)應(yīng)，早期資料處理與解釋多采用正、反演計(jì)算為核心的成像算法，通過改進(jìn)數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)預(yù)處理和反演優(yōu)化算法等提高成像分辨率，而現(xiàn)階段則重點(diǎn)開發(fā)能夠突出電性變化特征的快速處理與解釋軟件，真正從 “探測(cè)”走向“監(jiān)測(cè)”[154-160]。時(shí)延電阻率成像技術(shù)在CO2封存、地?zé)豳Y源開發(fā)、地下水位監(jiān)測(cè)、海水倒灌和分水嶺遷徙、垃圾填埋場(chǎng)和冶金堆體污染物及非水相液體擴(kuò)散、永凍土融化和建(構(gòu))筑物變形、儲(chǔ)層壓裂等與巖體結(jié)構(gòu)變形和流體運(yùn)移有關(guān)的諸多應(yīng)用中都取得良好效果[161-176]。2019 年，法國(guó)IRIS 公司推出Fullwaver矢量電阻率觀測(cè)系統(tǒng)，將Wifi 技術(shù)與分布式矢量電阻率觀測(cè)模式完美結(jié)合，增強(qiáng)了對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)性，提升了對(duì)地下介質(zhì)電各向異性特征的研究能力。圖6 為工作面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)框架。

圖6 工作面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架Fig.6 Framework of dynamic monitoring system for a working face

2 礦井電法勘探發(fā)展趨勢(shì)

2.1 多源信息融合

單一物探方法可以滿足工作面內(nèi)特定探測(cè)任務(wù)的需要，但是難以達(dá)到透明礦山對(duì)多源物探信息的要求，只有綜合多種物探技術(shù)手段來建立地質(zhì)、鉆探以及采掘等信息的橋梁，才能達(dá)到多源異構(gòu)信息融合的目的。要充分挖掘多源數(shù)據(jù)中隱藏的有用信息，多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演是其中重要一環(huán)。聯(lián)合反演的關(guān)鍵是根據(jù)巖石物性耦合關(guān)系指導(dǎo)不同物性模型的轉(zhuǎn)換，也可以將巖石物性耦合關(guān)系寫入物探技術(shù)聯(lián)合反演的目標(biāo)函數(shù)中，使其在物性模型的迭代更新過程中發(fā)揮作用?；谶@種理論可以將煤礦工作面的鉆孔、地質(zhì)和采掘信息融入物探數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演中。

在聯(lián)合反演技術(shù)研究中，利用測(cè)井資料確定電阻率、速度和密度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，進(jìn)而運(yùn)用順序反演的方法可以識(shí)別地質(zhì)情況復(fù)雜的逆沖斷層帶[177]?；贕odfrey 公式和Gardner 公式建立速度與密度之間的物性耦合關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)地震和重力的聯(lián)合反演[178-179]。陳曉等[180-182]提出了寬范圍巖石物性約束技術(shù)，將巖石物性約束與模擬退火算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了大地電磁法(Magnetotelluric Method，MT) 和地震的聯(lián)合反演。在MT 和重力聯(lián)合反演方面，Zhang Lei 等[183]檢驗(yàn)了電阻率和密度之間物性約束在MT 和重力聯(lián)合反演中的可行性，張磊[184]擴(kuò)展了寬范圍巖石物性技術(shù)，提出了基于隨機(jī)正、反比例關(guān)系的寬范圍巖石物性約束技術(shù)。

減少多源數(shù)據(jù)聯(lián)合反演的多解性是制訂反演方案必須考慮的問題之一，應(yīng)用Gardner 公式和測(cè)井資料來確定速度、密度和電阻率之間的耦合關(guān)系，利用地震、重力和MT 數(shù)據(jù)重建速度分布并進(jìn)行疊前深度成像的策略實(shí)現(xiàn)了減少多解性的目標(biāo)[185-186]。此外，模糊聚類算法和模糊C-均值聚類算法等反演算法可以將巖石物性約束融入地球物理聯(lián)合反演，提高聯(lián)合反演的效率與精確性[187-188]。而在聯(lián)合反演應(yīng)用中，M.S.Zhdanov 等[189]提出了Gramian 矩陣約束方式，將其作為一種穩(wěn)定泛函加入聯(lián)合反演目標(biāo)函數(shù)，這種方法已應(yīng)用于重和磁、磁和電磁的聯(lián)合反演中[190-194]。

與傳統(tǒng)的巖石物性約束聯(lián)合反演方法相比，Gramian 矩陣約束對(duì)先驗(yàn)信息要求低，僅需要確定巖石物性參數(shù)之間滿足的物性關(guān)聯(lián)特征，而不必事先確定關(guān)聯(lián)表達(dá)式中的系數(shù)，這種聯(lián)合反演技術(shù)對(duì)煤礦多源數(shù)據(jù)非常適用。

2.2 工作面透明化

針對(duì)數(shù)字礦山的三維地質(zhì)建模與應(yīng)用研究已開展了多年，其研究?jī)?nèi)容集中在地質(zhì)建模、采礦設(shè)計(jì)、境界規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估等方面[195]，多種成熟的商業(yè)軟件(Surpac、Micromine、DiMine 等)可以實(shí)現(xiàn)這一功能。與此同時(shí)，在煤礦與非煤礦領(lǐng)域針對(duì)地質(zhì)體模型和煤層動(dòng)態(tài)更新的討論時(shí)有出現(xiàn)[196-199]，但距離透明工作面的要求還比較遠(yuǎn)。

地質(zhì)條件的復(fù)雜性是制約工作面透明化的技術(shù)瓶頸，陸斌[200]提出了基于孔間地震細(xì)分動(dòng)態(tài)探測(cè)方法對(duì)工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)，以推動(dòng)透明化工作面的建設(shè)；程建遠(yuǎn)等[201]提出了透明工作面建設(shè)的地質(zhì)模型梯級(jí)構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)；田建川[202]提出了基于工作面內(nèi)地質(zhì)異常透明化的自動(dòng)化采煤系統(tǒng)和方法。隨著物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤礦行業(yè)的普及以及智能精準(zhǔn)開采的運(yùn)行，袁亮[203]、王存飛[204]等提出工作面透明化既要以精準(zhǔn)化的地質(zhì)勘探成果為基礎(chǔ)，也要實(shí)現(xiàn)工作面周圍環(huán)境的全面感知以及多源數(shù)據(jù)的集成、對(duì)稱與透明。

透明工作面模型包含幾何模型和屬性模型[205]。幾何模型構(gòu)建包括地層面和斷層面空間形態(tài)拓?fù)潢P(guān)系的網(wǎng)格化重構(gòu)等，主要采用插值方法，以已知樣點(diǎn)和地質(zhì)規(guī)律為約束，對(duì)未知區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)[206-209]。工作面屬性建模主要采用隨機(jī)建模方法，以區(qū)域化變量分布函數(shù)和變差函數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行隨機(jī)模擬，同時(shí)結(jié)合蒙特卡羅方法，以屬性特征概率分布為基礎(chǔ)，對(duì)地層屬性空間復(fù)雜變化進(jìn)行模擬[208-210]。在工作面回采過程中，不斷融入精細(xì)探測(cè)和采掘揭露數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)標(biāo)定工作面范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)體，通過局部搜索定義推采前方更新范圍，對(duì)該范圍內(nèi)的幾何模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，提高工作面幾何模型精度。

隨著勘探、物探、巷道掘進(jìn)、煤層回采等工作的開展，獲得的數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)應(yīng)用于物探方法的聯(lián)合反演，進(jìn)而對(duì)透明工作面的構(gòu)建信息進(jìn)行增加和更新。

2.3 礦井智慧化

作為礦產(chǎn)資源開發(fā)利用大國(guó)，我國(guó)的礦山開發(fā)建設(shè)技術(shù)與工業(yè)應(yīng)用水平已位于世界前列。充分運(yùn)用5G、人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山智慧化與數(shù)字化是現(xiàn)代礦山高質(zhì)量發(fā)展的主題。

在煤炭安全領(lǐng)域，“互聯(lián)網(wǎng)+煤礦”將物理網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能與煤炭行業(yè)深度結(jié)合，全方位提升了煤礦生產(chǎn)安全和監(jiān)控管理能力，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出、沖擊地壓、煤炭自燃、水災(zāi)以及煤礦關(guān)鍵采礦設(shè)備故障預(yù)警[211]。為了應(yīng)對(duì)“數(shù)字礦山”對(duì)煤礦工業(yè)信息化帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，結(jié)合信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)建立一體化監(jiān)督管理系統(tǒng)，將“3S”技術(shù)和三維地質(zhì)模型綜合應(yīng)用于礦山領(lǐng)域，滿足了地測(cè)數(shù)據(jù)信息管理需求(圖7)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合開元數(shù)據(jù)構(gòu)建了煤礦地測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)體系[212]。

圖7 地電先兆特征在線辨識(shí)與智能提取Fig.7 On-line identification and intelligent extraction of geoelectrical premonitory characters

目前，4G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在礦山建設(shè)中得到普遍應(yīng)用，對(duì)于煤礦數(shù)字化、智能化新標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)延時(shí)更低、寬帶更大、連接更廣的“5G+礦山”成為當(dāng)前任務(wù)。以現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)支撐礦井5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可以在5G 智能綜合采礦工作面、5G 智能掘進(jìn)工作面、礦井固定區(qū)域無人值守、智能機(jī)器人與裝備、智能一體化綜合管控等方面取得重要成效[213]。隨著人工智能時(shí)代的到來，以先進(jìn)計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的智能技術(shù)將在新一代能源智能化無人開采裝備和無人采礦新技術(shù)新工藝等方面引領(lǐng)未來智能礦山建設(shè)[214]。當(dāng)前，礦井物探裝備、觀測(cè)系統(tǒng)以及資料處理方法已開始應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)等開展的新一輪技術(shù)研發(fā)為深地空間智慧化提供技術(shù)保障[215]。

3 結(jié)語

a.人工智能和信息技術(shù)的飛速發(fā)展給礦井電法勘探理論創(chuàng)新與技術(shù)革新帶來巨大契機(jī)，在實(shí)現(xiàn)煤炭智能化精準(zhǔn)開采過程中，礦井電法勘探將起到更為重要的作用。

b.利用巖體變形和流體運(yùn)移產(chǎn)生顯著電性變化的有利因素，進(jìn)一步研究煤巖動(dòng)力災(zāi)害電各向異性特征，通過改進(jìn)激勵(lì)源與觀測(cè)方式，最大限度地提升監(jiān)測(cè)方法精準(zhǔn)描述采動(dòng)巖體時(shí)空演化規(guī)律的能力，必將成為礦井電法勘探的未來發(fā)展趨勢(shì)。

c.在我國(guó)深地探測(cè)和地下空間開發(fā)利用戰(zhàn)略推進(jìn)過程中，礦井電法勘探的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫酱蠓妊由欤浒l(fā)展前景也會(huì)更為廣闊。

致謝：感謝《煤田地質(zhì)與勘探》執(zhí)行主編晉香蘭的支持，感謝編輯們對(duì)本文給予的幫助！