大地极化子勘探技术在煤矿领域的应用初探

李进宝，梁玉森，柴利娜

大地极化子勘探技术在煤矿领域的应用初探

李进宝1，梁玉森1，柴利娜2

（1.西安荣岩地质勘探有限公司，西安 710021；2.西安源丰城工程咨询有限公司，西安 710021）

大地极化子勘探技术是利用非线性大地极化子场研究岩石应力形成现状的地球物理方法，是一种被动源地球物理勘探新技术。文章通过大地极化子勘探技术在韩城某煤矿的隐伏构造和煤层产状勘测试验成果，分析研究了该勘探技术在煤矿地质领域具有成本低、效率高、对生态环境影响甚微等优势和广阔的应用前景。

地球物理；大地极化子；煤矿；地质构造

近年来随着非传统的电磁勘探技术不断革新，大地极化子勘探技术在地质、矿产领域逐渐被业界所认可。该技术最早被应用于石油天然气的勘探普查工作中，也取得了很好的效果，在煤矿领域的勘查还处于摸索阶段。因此，针对煤矿领域勘查的特点和难点，如何通过大地极化子勘探技术解决煤矿勘查、开发过程中的疑难问题，值得我们深入研究。

大地极化子勘探技术在对地质构造的研究中有其自身的优势，尤其对地层和岩体的受力和破坏情况十分敏锐，可适应复杂地形，勘探深度深且精度高。此研究项目主要查明矿区的地质构造分布（煤层走向、断裂带分布）、奥灰水分布位置、瓦斯气分布位置等。

1 大地极化子勘探技术

大地极化子勘探技术是由著名科学家阿·沃罗毕耶夫提出的“地球天然脉冲电磁场”理论发展而来，为一种被动源地球物理勘探技术（2010，赵东）。并于2000年开始进行野外试验。至今为止在全世界范围内超过25个国家和地区进行了勘测工作，形成了完整的勘测理论与工作方法。

技术的核心原理在于物质的能量释放。物质在受激发的情况下会引起物质热力学状态的损坏。激发一种物质可以通过多种不同的方法，其中包括机械运动。在含有复杂晶格体的固体中，存在着两种类型的机械振动——声振动和光振动（2014，胥值礼,孟庆敏,催志强等）。后者的特征是晶胞中的原子在振动中会相互靠近，因此他们的振动在离子晶格中偶极子晶格变化，也就意味着电磁波的产生。

大量研究和试验证明，任何作用到岩石上的机械运动都会产生电磁辐射现象。介质在地层应力、岩石应力最大的部位，表现的也最为活跃。地壳处于静态压力的作用之下，也就是说随时间缓慢的推移而发生变化的压力。我们所讨论的大部分电磁信号都在这种状态下产生，与此同时，在晶格缺陷产生和消除的时候会随之产生晶格振动，所固有的整条波谱段，从0频率开始。不同频率范围的振动具有不同的耗散因数，并且大部分振动会传到具有平衡热能谱的地表。但是在试验中所观察的电磁波自动加速机制，可以解释电磁波在地壳中的超长传播。技术侧重于辐射产生和传播的非线性过程条件下信号的记录，它可以让我们研究地质和探查矿产资源范围到达更大的深度（基岩、莫霍面）。

2 大地极化子勘探技术在韩城某煤矿中的应用

2.1 矿区概况

韩城某煤矿位于韩城矿区南部，煤矿距韩城市区4km，交通便利。井田走向长15km，倾向长2.5km。含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组，含煤地层总厚106m，含煤12层，可采煤层4层，矿井目前主采3号、5号煤层，主采煤层稳定，煤层结构较为复杂。

韩城某煤矿建于1970年，最初为西安矿业学院教学井，年设计生产能力21万吨。通过多次升级改造，矿井设计能力达240万吨。其中配套建有一座入洗能力为240万吨的选煤厂和一座5×500kW的瓦斯发电厂。矿井地处渭北煤田东部边缘、韩城矿区南侧，井田面积27.2km2，可采储量1.01亿吨，设计服务年限60年。目前开采煤层为3号、5号煤层，以贫煤为主。矿井开拓方式为平峒-暗斜井，开采水平+150m，现有二个综采工作面，三个综掘工作面，采掘机械化程度达到100%。

2.2 试验项目的任务及目的

应用大地极化子勘探技术对韩城市某煤矿的地质构造进行勘查研究，经资料收集、外业数据采集、室内数据分析（数据反演、构造解译）、综合研究，得到该研究区的地层构造、煤层空间分布形态、断层构造分布等，最后通过该区域内已有的钻孔资料对比研究从而验证该方法的优势和不足，为技术的改进提供实践依据。本次试验项目以求达到以下目的：查明该研究区的断层构造分布；查明该研究区的地层空间展布；预测集水区及煤层气聚集位置。

2.3 试验项目的设计和实施

通过前期实地踏勘和煤矿方面的沟通，综合各方面的因素最终选择该煤矿钻孔控制程度较好的区域（161#钻孔和构5钻孔）作为本次勘探试验研究区。本次试验共1个研究试验区域，布置测线3条。1条NW-SE向测线，2条NE-SW向测线，测线总长度约6.6km。2020年10月初对该研究区域进行了数据信息采集，通过无人机搭载大地极化子勘探仪对该研究区进行测线数据采集，按照设计要求共完成3条测线。

2.4 测线剖面及解释

经过室内数据处理和解译获得三条测线剖面图、地层走向图、构造解释剖面图（本文只对测线01进行介绍）。测线01的测线剖面和构造解释剖面见图1、2。

图1 01测线反演成果图

图2 01构造解释图

通过对测线01大地极化子勘探数据的进行计算、反演、解释，并结合该研究区所在区域地质资料和钻孔数据，综合分析从而获得该条测线的地层剖面、地层趋势、地质构造、煤层展布、煤层气聚集区、地下水富集区等地质信息。测线01的成果图显示，该处地层主要为第四系、二叠系、石炭系、奥陶系，地层整体看为北西向缓倾的向斜构造，地层倾角小于10°，3#煤层、5#煤层、11#煤层受断层破坏，煤层地质构造较为复杂；从01测线构造解释图中可以看出，该区域隐伏断层较为发育，多为正断层，这些隐伏断裂多为良好的导水通道；从剖面上看集水区主要向斜构造的核部凹陷的地带，奥灰水位于石炭系和奥陶系地层的交界处，11#煤层距离奥灰水富集区小于20m，由于该处有多处隐伏断裂，因此该部位有透水隐患；而煤层气多聚集于向斜构造两翼的圈闭小构造内。通过对比钻孔柱状图和01测线成果图可以看出煤层的产状和实际一致。

图3 161#钻孔　　　　　　　　　　　图4 构5钻孔

2.5 以往地质成果与大地极化子勘探结果对比

通过161#钻孔和构5钻孔资料显示，5号煤层埋深为455.8～493.7m，煤层厚度为3.01～4.46m，局部含有夹矸，煤层走向为北西向缓倾的单斜构造，倾角小于9°，煤层结构较为复杂（图3、图4）。

测线01解译成果图显示5#煤层厚度在1.3～3.7m之间，煤层埋深在320～510m，煤层走向为北西向缓倾，倾角小于10°，煤层受多组正断层破坏，连续性一般。

韩城矿区NEE向构造是区内的主体构造，既有NEE向高角度逆断层，也有NEE向高角度正断层，二者同区共存，其中以后者为优势（2016a，王辉等；2017b，王辉，范玉海，催胜等）。大地极化子勘探技术解释获得的该矿区断层多为高角度的正断层和该结论一致。

总之，通过以往地质资料和本次解释成果对比，3号、5号煤层产状、构造和煤层结构基本一致。由此可知，大地极化子勘探技术在煤层趋势和隐伏地质构造研究方面可信度较高。

2.6 存在问题及解决方案

2.6.1 存在的问题

从试验过程和研究分析中，发现该试验存在以下几个问题。

（1）从测线成果图中不难看出存在较多的异常干扰，大多数干扰在图中多呈规律的“倒V字”型。这些异常干扰项的存在影响了对研究区的地质构造解译工作。这些干扰的产生主要有两个来源：一方面是无人机对数据采集的干扰；另一方面是地面电力设施对数据采集的干扰。

（2）通过对比试验数据和钻孔资料，煤层厚度与埋深精确度不高。从成果图中可以看出，对煤层的连续追踪同样存在偏差。造成上述偏差的主要原因是采集的信息量不足以及部分异常干扰影响。

2.6.2 解决方案

针对以上问题，提出以下解决方案。

（1）针对异常干扰，通过辨别异常干扰产生的来源，来解决异常干扰的问题。通过大量细致的数据处理工作，可以去除或减弱大部分干扰异常，但仍有些干扰源无法确定且未能去除（如图1）；在近期对另一某煤矿的勘查研究中，在其它条件不变的情况下抬升无人机飞行高度，干扰现象有非常明显的减弱。因此，在今后的布置测线和外业工作时，应该尽量避免干扰的产生，可以通过规避地面干扰源和抬升飞行高度来减少和减弱异常干扰。

（2）针对数据量不足所导致勘探成果存在一定误差的问题，可通过对设备的软硬件升级、无人机性能和GPS定位系统（差分GPS）的升级、增加测线数量和测点密度来提升采集的数据量及资料解释的精准度。

3 大地极化子勘探技术评述

3.1 应用煤矿领域的优势

通过本次大地极化子勘探技术在韩城某煤矿中的试验不难看出，该技术在煤矿勘探、勘查中的优势还是十分明显的。大地极化子勘探技术由于自身的特点和原理在煤矿领域存在着诸多优势。

（1）由于其对地壳应力变化和地质构造的敏感性，可以准确的查明煤矿的各类地质构造，尤其是对煤矿安全生产产生重要影响的隐伏构造。

（2）由于该技术是被动接收“地球天然脉冲电磁场”，因此它不受复杂地形限制，外业勘探工作高效快捷，优有传统地球物理勘探技术。

（3）由于该技术通过无人机进行数据采集，对地表土壤植被基本无任何破坏，高效绿色环保，适应新时期绿色发展理念，符合绿色勘查要求。

3.2 应用煤矿领域的难点和不足

通过本次试验同样可以发现该技术在煤矿领域中的不足和弊端。主要有以下几个方面。

（1）大地极化子技术在煤矿领域勘查的难点在于在目前的技术条件下不能精细的查明较为微小隐伏构造。

（2）该技术在指示地壳岩性和矿体方面存在不足，从该技术的原理可知，其对大多数地层介质无法有定性的判断。

（3）该技术和其他物探技术存在的同样问题就是如何高效的去除和规避干扰源。

4 结语

从本次试验过程和结果中可以发现大地极化子勘探技术存在明显的优缺点。在今后的技术应用和研究方面，如何扬长避短发挥其自身的优势，弥补短板显得至关重要。因此，在今后的应用过程中应发挥其在地质构造解译方面优势，并结合其它地球物理勘探技术（2009，马志飞等），从而达到对地质构造的准确定位和预测。

大地极化子勘探技术虽然存在一些不足和弊端。但总体来说，其在煤矿领域的应用前景还是较为广阔的。如在煤矿的地质构造研究、地下含水层、瓦斯气体赋存、地下采空区等方面都有着巨大的优势，能够为现阶段智慧化矿山和绿色矿山建设作出贡献。

赵东．2010．被动源面波勘探方法与应用[J]．物探与化探，34(6)：761-764．

2009．岩石圈的自然电磁发射问题的状态与数学模型[J]．地球物理杂志，31(4)：(20-33)．

胥值礼，孟庆敏，催志强等．2014．大地极化声子测深技术的调研与试用[J]．物探与化探，38(4)：758-763．

安秀煜，王英，王赟．2012．韩城矿区象山煤矿5号煤层瓦斯地质规律[A]．见：范立民．煤矿瓦斯地质与抽采利用研究[C]．（煤矿瓦斯地质与抽采利用研究——陕西省煤炭学会学术年论文集）．北京：煤炭工业出版社：41-45．

薛喜成，2010．象山煤矿中小型地质构造发育规律及其预测[J]，煤田地质与勘探，38(1)：14-17．

王辉，贺小龙，范玉海．2016a．韩城矿区南中深部隐伏逆冲构造的发现及其地质意义[J]．煤田地质与勘探，44(06)：1-7．

王辉，范玉海，催胜．2017b．韩城矿区南部构造变形特征与构造成因[J]．煤田地质与勘探，45(02)：1-7．

马志飞，王祖平，刘鸿福．2009．应用综合物探方法探测煤矿采空区[J]．四川地质学报，No．97(01)：118-121

A Preliminary Study of the Application of Earthy Geopolaron Exploration Technology in Coal Mine Field

LI Jin-bao1LIANG Yu-sen1CHAI Li-na2

(1-Xi ‘an Rongyan Geological Exploration Co. , Ltd. , Xi’an 710021; 2-Xi'an Yuanfengcheng Engineering Consulting Co. , Ltd., Xi’an 710021)

As a new technique for passive source geophysics exploration, earthy geopolaron exploration technology is a geophysical method to demonstrate the present situation of rock stress formation by use of nonlinear nonlinear geodetic polaron field. This paper has a discussion on the results of the application of earthy geopolaron exploration technology to the exploration of buried structure and coal bed occurrence in a coal mine. The results indicate that this technology has a broad application prospect thanks to its advantages of low cost, high efficiency and little impact on ecological environment.

geophysics, earthy geopolaron, coal mine, geological structure

P631.2

A

1006-0995（2022）01-0150-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.01.029

2021-02-06

李进宝（1987－），男，陕西西安人，工程师，长期从事矿山地质、地质灾害治理方面的工作