煤层工作面地质构造及异常透射CT综合成像方法与应用

张平松，胡泽安，吴荣新，郭立全

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

煤层工作面地质构造及异常透射CT综合成像方法与应用

张平松，胡泽安，吴荣新，郭立全

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

煤层工作面中的断层、煤层变薄区等是影响煤矿安全生产的主要地质因素。目前主要采用无线电坑透、地震及槽波CT等方法，实现巷道工作面内的二维层析成像，以查明采前工作面的地质条件及异常特征。多个工作面成像实践表明，受不同探查方法的施工条件所限，通常采用无线电坑透法对工作面进行普查，判断面内基本地质条件；对于构造复杂区域可采用地震类CT方法进行精细探测。根据不同透射CT方法的特点，进一步讨论了其研究和发展方向。

地质构造；透射CT；成像；电磁类透射；地震类透射

煤矿采掘机械化程度在不断提高，采区工作面的布置也更趋向于大面宽和长走向，为了满足煤矿高效开采的技术需求，地质保障技术必须得到进一步提升，特别是对综采工作面内隐伏构造的探查精度要求越来越高，需要在采面开采之前，查清其内部地质构造及异常的赋存状态，确保开采技术措施的提前制定。具体来说，一是要准确查明工作面的开采地质条件，分辨面内落差在3～5m的隐伏断层状况，以及小于1/2采高的煤层变薄区范围，保障综采工作面的顺利回采；二是有效预测面内诸如易发生瓦斯突出、应力集中、富水等灾害异常区域，为煤矿安全生产提供技术支持[1～2]。目前，对于工作面内构造探查主要是以双巷或多巷间透射成像理论及方法应用为主，其中电磁波场、直流电场、弹性波场等透视技术的应用，相关文献较多，基本上涵盖了探查的方法理论、模拟试验与应用实践等方面。无线电波透视和直流电透视是以电磁场类为主体进行透射成像，槽波CT和地震纵横波CT是以地震波场为主的透射成像，结合地震波传播速度、频率及能量等参数变化进行成图与解释，所获得的探查成果对生产具有重要的指导意义[3-8]。本文结合工作面构造探查对方法、技术及应用实践进行阐述，以为同类地质条件评判及研究提供参考。

1 工作面构造探查方法与应用

1.1 电磁类透射CT

电磁类透射CT方法在工作面构造探查中应用广泛，且以无线电波透视成像为主，直流电透视法进行辅助。其中无线电波坑透是利用电磁波在双巷间的煤层中传播，当遇到介质电性变化，电磁波被吸收或屏蔽，接收信号显著减弱或收不到有效信号，产生所谓的透视异常。电磁波能量衰减较快，现有的防爆型坑透仪器中0.3MHz的低频波对工作面的穿透面宽达250 m。其主要应用问题是透视距离有限、走向断层分辨率低和金属干扰因素严重等。直流电透视是利用含、导水构造的低电阻特征，与围岩具有不同的电性条件来进行探测的，其体积效应的测试基础降低了对断层构造等地质异常体的分辨能力。通常对易于形成透视条件的工作面进行布置，辅助探查地质构造。探查中需构建煤岩层电性差异与构造异常间的对应关系，受地电场测试条件所限，其透视程度、构造分辨能力受到影响。

课题组结合淮南矿区13-1、11-2煤层条件进行了40余工作面探查，其中13-1煤层厚大，对于影响程度大于半个煤厚的异常构造特征明显，在实测场强曲线及吸收系数结果图中反应显著。现场需避免金属布置、积水区等干扰。利用0.365MHz低频波探查时获得背景场强值基本在7～12dB；探测工作面斜长120～250m，其接收场强值多在20～70dB，与斜长有一定关系。大于半个煤厚的异常区，其接收场强值通常低于平均值10～30个dB且易于分辨。11-2煤层厚度稳定，均厚2.2m。探查中煤、岩层的空间位置接触关系，巷道顶底板岩层对电磁波吸收较明显。测试的背景场强值基本在8～15dB，其斜长基本在200m以上，接收场强值多在20～55dB，平均为33.6dB。大于半个煤厚的异常区，其接收场强值通常低于平均值10～20个dB，在场强分布图中特征较明显。对影响安全高效生产的大于半个煤层厚度的异常区域区划分开来。因煤层较薄，构造解释时需充分分析巷道实际揭露的地质条件，以及穿越顶底板岩层时对场强的吸收影响。图1为淮南某矿2141(3)工作面13-1煤层电磁波透视CT结果，解释有4个透视异常区，并对断层构造异常区中心位置进行了分析，均得到良好的验证。

(a)场强曲线图

(b)透射场强分布结果图1 工作面电磁波透视CT结果Figure 1 Working face electromagnetic wave penetration CT results

1.2 地震类透射CT

地震类透射CT中，以槽波、地震纵横波为主，对工作面进行探查。其中槽波CT是在1987年从德国引进槽波数字地震仪(SEAMEX-85)后开展起来的，以双巷间透射测量方法为主，由震源在煤层中激发槽波沿煤槽传播，如果工作面中煤层不连续，波导被完全或不完全阻断，槽波遇到阻断面，就会产生反射使槽波不能通过。根据槽波透射状态、到时、能量等，利用射线交汇、速度成像法等处理与解释。槽波CT具有探测距离大、抗电干扰能力强等特点，目前理论上可以探测落差大于1/2煤层厚度的断层。由于槽波的形成有一定的条件，煤层槽波产生具有不确定性，其勘探受到一定限制；当有多组断层相间出现时，槽波分辨率会降低；由于槽波为频散波，时域包络呈椭球状，宏观上容易识别，而具体时刻却难以分辨，其应用解释方法不够完善，探测效果尚达不到理论精度。地震纵横波CT于20世纪90年代开始应用到工作面内构造探测中。通过在工作面上、下两条巷道进行弹性波的激发与接收，对直达纵波、横波到时联合拾取、层析成像与解释，形成多波多参数反演结果剖面，对工作面内的隐伏构造及异常进行分辨。课题组在双巷工作面地震透射层析成像算法、数据采集与观测方法、数据处理、地质成果表达与解释等方面开展了大量实践，已形成以直射线、弯曲射线追踪，联合迭代反演为主的二维成像技术系统，根据纵、横波速度分布以及动弹性模量参数进行煤层地质条件综合解释，并完成多个工作面探查。图2为河南某矿工作面地震纵横波CT时的双巷双切片速度分布图，利用速度差异对上下顺槽的3处煤厚变薄区及断层条件进行解释，取得了良好效果。

1.3 探查方法选择与应用

受方法技术条件所限，现场应用在探查方法选择时，需结合工作面巷道所揭露的地质条件，对工作面地质条件进行初判。如果工作面内构造特征相对简单，且煤层起伏不大、倾角适中，可选择单一的透射成像方法；当工作面构造条件复杂时，可进行综合方法透射CT探查与解释，提高对地质目标体的解释精度和分辨能力。

通常来说，无线电波透视CT法现场施工较为简单，效率高，数据采集密度易控制，可作为工作面构造探查的普查方法。对于调查出的工作面构造复杂区即坑透阴影区可进一步实施地震波场类透视方法。因地震类方法数据采集时需通过放炮来激发地震波，可对重点区进行施工，解决段内的隐伏异常。当工作面穿透距离在250m以上，可采用地震波类方法进行透视。

2 探查方法的发展与思考

受井下测试条件所限，现有的工作面透视探查方法及系统仍需得到深入研究，通过加强面内构造探查基本理论、方法技术、仪器设备、地质解释及成果表达等研究，逐步形成井下面内构造探查的行业规范，更有利于技术的应用与发展。其中值得关注的方向有以下几个方面。

①无线电波透视是一种适用普遍的面内探查技术，需要加强对透视基础理论、异常体电磁波场透视特征、数据采集仪器设备、反演算法等研究，不断提升其对面内走向构造及异常的判识能力。在现有的一发一收数据采集系统基础上，加强大数据量的采集仪器设备研发，形成一发多收系统，一发多分量接收系统等，不断提高数据采集密度、效率和利用程度。

②地震波类透视成像系统中数据采集施工需要放炮激发地震波，其施工过程繁琐，效率低，因此结合井下条件研发高能可控震源，便于进行巷道侧帮及底板激发施工，产生有效地震波。进一步改变观测系统布设，形成任意多炮点激发，提高透射数据量，在成像精度等方面获得突破。

③地震波类透视成像中对波的传播速度、频率、能量、吸收等参数特征进行综合评价，结合纵横波、槽波相关参数及其运算成像，进一步融合电磁及地震类透视数据，进行联合反演方法研究，不断提升对目标体的精确识别能力。

④在透射成像方法研究中需要关注巷道的起伏条件。通过对完成的探查工作面回采资料收集与分析表明，不同煤层条件下，断层构造的延展特征不同，探查的分辨率差异性大，走向断层的判断识别率相对较低；煤层起伏变化大，对断层构造及异常的判断能力降低。目前，用于煤矿井下探测面内构造的地球物理方法多未能结合异常体特征全面认识三维波场响应，数据处理通过建立煤层面二维地质-地球物理模型，结合透射波场数据，利用层拉平技术获得相应的平面属性剖面，其解释准确率受到一定影响[9-12]。

图3为课题组进行地震波三维空间反演方法研究构建的模型及反演结果，测线和炮点分别布置在两个平行巷道内的煤壁上，巷道走向为平行于X轴方向。模型XYZ的尺寸分别为100m×100m×100m，煤层厚度为10m，构建煤层三维非均匀速度模型。可见三维速度反演可清晰勾画煤层的空间形态，显示断层的位置和与煤层的关系。数值模拟实验说明了三维速度反演方法的可靠性和准确性。

(a)三维速度模型 (b)三维反演结果图3 数值模型三维速度反演Figure 3 Numerical model 3D velocity inversion

⑤结合工作面不同走向构造及异常条件，进行模型实验研究，利用三维速度、吸收系数等信息进行地质解释。双巷间透射层析观测系统受巷道布置限制，其现场布置多为不完全和不精确的投影数据，在重建图像时， 波速分布规律与真实的波速分布规律的对应关系不准确，断层构造及其围岩的波速在采用不同的采集系统和重建方法计算时，其波场响应特征以及可分辨程度需进一步研究。建立煤层与围岩波速、能量等属性参数差异标准，进行波速异常追踪与定量，解释可以提高对断层构造延展特征解释判和断精度。另要结合煤岩层条件进行顺层信息提取，研究利用多场参数探索对底板岩层结构、构造、赋水特征等信息的解译。

3 结束语

随着煤炭开采自动化程度的增强，深部开采时地质条件进一步复杂，对矿井物探的安全保障提出了更高的要求。文章围绕煤层工作面内构造探查方法及应用效果分析主线，进一步讨论了综合方法的研究和开发方向。

①煤层工作面内地质条件的透射层析成像方法，利用双巷或多巷条件形成完全或非完全观测系统进行数据采集，结合煤岩层的地球物理场传播规律及数据信息，配合巷道揭露地质信息综合分析，可对面内构造条件进行有效判断。生产应用中可结合工作面具体的地质条件复杂程度，选择电磁或地震波场类合适的透射成像方法。

②依托煤层空间条件进行三维条件下透射层析成像方法研究与实践是关键。电磁及地震波类透射方法的激发(发射)和接收传感器所在的双巷为空间条件，因此考虑煤层工作面的空间条件，依据激发和接收点三维空间坐标进行透射反演成像，所获得的顺煤层速度、吸收系数等参数结果更能反应煤层面内构造的基本特征。

③煤层工作面透射CT方法井下应用中多存在一些制约因素和不足，提升数据采集仪器设备研发能力，改进现场数据采集观测系统方式，提高数据采集数量及效果，综合利用全波场、全空间、多物理参数信息，可提升地质条件探查的精细化程度，进一步提升矿井地球物理方法的勘探能力。

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CoalFaceGeologicalStructureandApplicationofAnomalousBodyTransmittingCTIntegratedImaging

Zhang Pingsong, Hu Zean, Wu Rongxin and Guo Liquan

(School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001)

Fault, coal thinning zone in coal face are main geological factors impacting coalmine safety in production. At present, the radio wave penetration, seismic and channel wave CT are mainly used to realize roadway face 2D tomographic imaging, identified working face geological condition and anomalous features before extraction. Multiple working faces imaging practices have shown that restricted by different prospecting operation conditions, usually through radio wave penetration carries out prospecting to estimate face basic geological condition; as for structurally complex areas can use seismic kind CT to carry out detailed prospecting. According to different transmitting CT peculiarities, have further discussed studies on them and development orientations.

geological structure; transmitting CT; imaging; electromagnetic kind transmitting; seismic kind transmitting

安徽省教育厅自然科学研究重大项目(KJ2016SD17)，安徽省学术和技术带头人科研活动经费资助项目(2016D079)，安徽省高校学科(专业)拔尖人才学术资助重点项目(gxbjZD2016048)。

张平松(1971—)，男，安徽六安人，教授，博士生导师。主要从事地球物理勘探方向教学与科研工作。

2017-08-01

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.10

1674-1803(2017)09-0049-04

A

责任编辑：孙常长