浅谈矿井物探的重要性及相关技术

冼伟东，刘金国

(开滦集团煤业公司地测部，河北唐山 063018)

1．煤矿物探技术的发展

上世纪60年代，资源地质和生产地质都处在从无到有的创建阶段，当时的技术水平较低，地质人员除罗盘、铁锤、尺子、放大镜外，主要手段是钻探，到了70年代，地质勘探部门在不断提高钻探技术水平的同时，大力发展了物探技术，地震、电法、重力、测井等物探技术得到广泛的应用。而矿井生产地质基本上还是以钻探为主要手段，物探技术工作尚处于萌芽状态。到了80年代，资源地质的物探工作得以进一步发展，伴随计算机技术的发展，在物探应用中广泛使用了大型计算机技术，数字测井、数字地震仪等先进的物探设备得到普及推广应用，基本上实现了物探数字化目标。这时以物探为主的勘探方法开始引入物探技术，进入了综合勘探、综合评价的时代。由于物探技术飞速发展，物探技术施工简单、操作方便、探测效果好等特点，更适合于矿井采前探测与分析，由此，矿井生产地质工作中也逐渐引入物探技术方法。矿井物探研究和应用四十多年来，各产煤国家根据自身地质特点发展了不同物探方法。我国矿井物探起步相对较晚，但近二十多年来，矿井物探得到迅速发展，取得了显著的地质效果。实践证明，当前物探技术应用于煤矿井下探测是煤矿生产中必不可少的地质勘探手段，已成为煤矿井下探测的发展方向，可为煤矿的安全生产提地质保障。

2．井下物探技术在煤矿生产中的重要性

随着社会经济与科学技术的发展，尤其是综合机械化设备的应用，极大地促进了矿井开采技术的进步。但矿井开采机械化的主要缺点在于应变能力太差，不能随着地质情况的变化而做出及时地调整。地面物探可对矿区内大的地质构造体进行较好的控制，但在井下遇到地质异常体较多的是较小地质异常体，如果不及时超前探查，不但会造成采掘系统布局的不合理，导致资源浪费，还直接影响工作面的持续开采及矿井水害的有效防治，更甚者危及整个矿井和矿工的生命安全。山西的“王家岭矿难”、内蒙古“骆驼山透水事故”、安徽“桃园煤矿透水事故”、开滦范各庄矿1984年陷落柱透水事故等典型案例，充分说明煤矿井下超前探测的重要性。

当前煤矿生产建设要求高产高效，仅靠传统的地质方法查明矿井地质问题是远远不能满足生产需要的。在矿井生产中，即使利用地面采区高分辨三维地震勘探方法，要全部查明落差小于5米的小断层及其它规模较小的地质异常，也是极其困难的。因此运用各种物探方法，结合地面及井下进行综合勘探，特别是对掘进工作面及回采工作面采用井下物探进行超前探测，是目前矿井地质工作中煤矿安全生产最为有效的地质手段。

2．1 矿井物探在煤矿地质构造预测预报中的作用

在煤矿生产中许多煤矿事故都跟井田的地质构造有着十分密切的联系，由于地质构造的存在，直接控制着煤矿瓦斯及地下水的赋存状况，对煤矿的安全生产构成威胁，同时由于地质构造的变化，现代化的采掘设备很难适应复杂的地质条件，为了实现安全高效的生产目的，就必须采取措施，采用先进的物探技术进行采前探测，查清开采区域内的地质及水文地质条件，为采煤方法的选择及设备的选型提供依据，为生产施工提供超前的地质预测预报。目前，开滦矿区各矿在工作面回采前必须进行无线电波坑道透视，在水平延深、工作面掘进施工中均要求进行超前探测，开滦矿区内应用于探测地质构造的主要物探方法有:无电线波坑透仪、地震波探测仪、瑞利波仪、地质雷达、井下二维地震等，只有利用先进的物探技术，积极与生产地质相结合，才能不断提高地质预测预报技术水平，为煤矿安全生产提供坚实的地质保障。

2．2 物探技术在煤矿水害防治方面的作用

矿井水是煤矿开采中重大隐患之一，在煤矿资源的开采过程中，岩溶水、构造水、顶板水、老空水等均对矿井的开采造成较大的威胁。面对复杂的开采地质条件，矿井物探技术已经成为煤矿水害防治的重要手段，加强矿井物探工作，是保证安全开采的必要条件。在矿井防治水工作中，目前开展的物探方法主要有:直流电法，瞬变电磁法、音频电透视等。要求所有新采区、新水平延深、水文地质条件复杂的回采工作面等均要进行超前探测，结合现场揭露的地质信息进行合理解释，对探测区域进行水文地质条件评价，确定前方的异常区域，然后通过钻探进行验证，为生产施工提供指导，从而保证工程的安全高效。由于矿井物探仪体积小、施工条件简单、操作方便、施工时间短、探测效果好，能及时准确的指导生产，不影响煤矿正常的生产，在煤矿地质及防治水工作中得到了广泛的应用，在煤矿安全生产中已充分体现出了矿井物探的重要性，特别在煤矿水害防治工作中起到了越来越重要的作用。

3．煤矿物探技术的应用

矿井物探方法很多，按物理场分类主要有:地震类、电法类和电磁类。在实践中，目前较为有效和常用的井下探测方法主要有无线电波透视法、瞬变电磁法、矿井直流电法、地质雷达、井下高分辨二维地震探测、瑞利波地震探测等方法。

各类物探手段所反映的物理特征决定了它的适用条件和范围，如:地震手段测量的参数为折射、反射、透射地震波的旅行时，表现的物理特征是地下岩石密度和弹性模量，它们决定地震波传播速度;电法测量地下岩石电阻、电压、电位等参数，表征的物理场是电导率等。因此，应用物探方法时，要深入研究勘查对象的地质物性条件，选用适合的方法。在生产实践中，同一地点要求采用两种以上物探方法探测，探测成果可以互相印证，可以有针对性解决矿井地质物探中的多解性问题，已取得良好的地质效果。

3．1 无线电波坑道透视

无线电波坑透技术的发展及应用已有三十多年的历史，现在煤矿坑透物探仪的应用中，使用较多的是重庆WKT－E型及廊坊的WKT－6型坑透仪。最新又有新的技术突破，如廊坊推出的WKT－7型，可以实现双发双收，即双频发射，双频接收，一次可探测完成两个频率的数据，得到两种不同频率的探测成果，可以实现相互印证的目的，成果解释更准确可靠。福州华虹推出的YDT88无线电波透视仪，采用一发双收，即一频率发射，两个接收机接收，主要特点是减少接收人员往反跑动的路程，缩短工作面探测的时间。

随着计算机技术的发展，目前的仪器设备及解释技术较以前已得到很大的提高，通过CT成像技术对数据进行分析处理，根据视电阻率变化情况，圈定异常区，提高了物探解释精度。开滦矿区各矿均购置有各类型的坑透设备，对所有综采工作面全部要求进行坑透，查清工作面内隐伏构造及煤层变化情况。该项技术为比较成熟的探测技术，在煤矿生产中应用最普遍，效果也是最好的。开滦矿区每年至少进行50－60个工作面的探测工作，保证了矿井的安全生产。但是，探测过程中往往由于井下探测环境的因素，如工作面不停电，在工作面生产的同时进行坑透施工，这样对数据的采集造成较大的影响，从而影响到数据的处理及地质解释，因此，在探测中要尽可能避开生产时段，减少人为因素的影响，以提高探测精度。

3．2 瑞利波探测技术

瑞雷波(R波)是一种面波，是由SV波和P波干涉而形成，而R波的能量主要集中在介质的自由表面附近，根据瑞利波各谐波分量沿垂直自由表面方向衰减不同，测量已频散的瑞利波各分量的传播速度，形成频散曲线。生产实践中，通过采集人工震源激发出地震波，从其中提取所携带的信息来分析地层的内部结构，适用于探测几十米以内地质体的几何形态。岩土分层，断层、洞穴等地质构造或异常。

瞬态瑞利波探测要求是采用纵向观测系统，震源和各接受点排列在一条直线上，通常认为，纵向排列的两个接收点之间的中心位置就是瑞利波勘探的地点以下的位置，相应的频散曲线就是反映该处地表以下的地质结构构造。在探测中，一般来说，当探测较浅部的地层特征时，宜采用较小的x值，可获得较好的结果;当探测较深部的地层特征时，宜采用较大的x值，并用重锤冲击地面，以产生较低频率的信号，使其能反映地下更深处的介质信息。当前，煤矿防治水工作是保障煤矿安全生产的重要工作，作为一种新地球物理探测方法之一的瑞利波探测仪，在矿井建设、生产中扮演着越来越重要的作用。生产实践中，在探测老空、老窑、煤层厚度和掘进巷道前方地质构造、陷落柱、薄煤带等方面取得了良好的效果，使地质预测预报工作由定性上升到定量，资料更加准确及时，能更好地为煤矿安全生产服务。

3．3 电法勘探技术

电法勘探技术是根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质(如导电性、导磁性、介电性)和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法。在煤矿井下主要用于探测工作面附近空间内的煤岩层及地质构造的赋水性及分布情况，解决煤矿开采过程中的水文地质及煤矿安全问题。主要方法有直流电法和交流电法。直流电法用得比较广泛的方法有高密度电阻率法、电测深法、电剖面法。交流电法主要是采用频率测深法。

3．3．1 电阻率法

电阻率法是以岩土介质的导电性为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律从而达到找矿或解决某些地质问题的目的。电阻率法现场工作方法较多，其中高密度电阻率法是新近发展并推广到矿井中的新技术。高密度电阻率法同常规电阻率法相比，除具有测点密度大、多极距和多装置形式同时采样的优点外，还可通过求取不同比值参数而突出异常信息。

3．3．2 电测深法

电测深是以全空间电场分布理论为基础的，通过布置在煤矿巷道内的供电电极在巷道周围岩层中建立起全空间稳定的人工电场，测量该电场的变化规律，从而达到探测巷道周围岩层中的含水异常地质体的目的。主要用于煤矿井下掘进前方及巷道周围一定范围内的含水地质构造的超前探测，评价含水层富水性、预测老窑岩溶及潜在突水点等，最大探测深度一般达80～100m。目前各矿由于仪器设备陈旧，需要更新，开滦地矿公司于2013年引进了西安博深YTD400(A)型矿井全方位探测仪，可对矿区各生产矿井进行探测服务，但更多的采取委托地质勘探物测专业队伍来完成该项工作，一般由煤科总院西安分院、华北科技学院、湖北煤田地质勘探公司等单位来完成。

3．3．3 音频电透视方法

音频电导率透视技术是西安煤科分院物探研究所在直流电法基础上发展起来的一种探测井下岩体富水性的较为有效的技术手段。具有电法和频率测深的特点，该方法利用工作面现有的巷道、切眼等条件，对工作面顶、底板内部的含水构造及掘进头前方、巷道周围的含水、导水构造进行超前探测，确定含水体的空间位置，最大穿透深度320米。可以对巷道下方的含水层位置、界面形态进行探测;同时也能解决独头掘进巷道前方的水文地质异常体探测等问题。在日常生产中主要针对工作面采前探测，查清工作面顶底板岩层中的赋含水分布情况，为钻探泄放水提供方向和目标，对异常明显的区域要提前进行探放水，坚持先治后采的原则，取得较好的效果，开滦矿区内这种探测方法在钱家营矿及东欢坨矿应用得比较多，探测效果比较理想。

3．3．4 矿井瞬变电磁技术

瞬变电磁法(简称TEM)是利用不接地回线向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测由地下介质产生的感应二次涡流场随时间的变化的方法，以探测深度大，对水反应敏感被广泛用来探测水异常，应用效果较好。井下瞬变电磁探测技术已广泛应用于工作面超前探测中，在新采区、水平延深区施工的开拓掘进工程均要求采用两种方法以上的物探超前探测，目前在开滦矿区各矿的掘井、回采及水平延深工作面中已普遍开展超前探测工作。

4．结束语

安全高产高效矿井地质工作，用传统的钻探手段已远远不能满足发展的需求，快捷、准确、及时的物探手段被广泛应用到矿井地质及防治水超前探测工作中，通过物探技术的综合应用，可为高产高效矿井的建设提供有力的支持。新的物探技术在生产实践中得到不断的验证和改进，从而促进了物探技术快速发展和提高。如今，矿井物探已成为矿井地质工作中不可缺少的手段，在煤矿安全高效的生产中将起到越来越重要的作用。特别是对受顶板含水层水、底板奥灰含水层及老空积水严重影响的开滦矿区，祈盼着更加成熟、应用更加方便的物探技术，更好地为煤矿安全生产服务。

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