矿井综合物探技术在隐伏含水构造探测中的应用

李鹏飞， 马玉龙,2*， 张 杰， 高 彬

(1.山西省煤炭地质物探测绘院有限公司，山西晋中 030603； 2.资源环境与灾害监测山西省重点实验室，山西晋中 030603)

0 引言

矿井物探是指在煤矿地下开采空间中开展的地球物理勘探方法。我国引进矿井物探技术始于20世纪50年代。无线电波透视技术是我国矿井物探技术的先驱，20世纪50年代我国煤矿就用其探查工作面内的异常构造。60年代，我国开展矿井直流电法勘探的试验与研究。70年代以来，以槽波地震勘探为代表，我国开始开展矿井地震技术研究。90年代末，中国矿业大学率先将矿井瞬变电磁法引入到矿井探测工作中，并开展了全空间瞬变电磁场分布规律、数值模拟、时深转换研究，技术方面对关断时间、发射功率、发射线圈匝数、干扰因素等方面开展了试验研究[1]。

近年来，伴随着煤矿开采环境由简单向复杂、开采深度逐步增大，电磁干扰逐年增大，煤田地质问题也日趋复杂。传统地面物探手段在复杂背景噪声干扰下，对深层中小型隐伏地质异常体的探查，往往无法达到预期精度。缩短探测距离，降低背景干扰，增加测网密度，矿井物探的研究与应用逐渐成为热点。

程久龙、刘盛东等总结了中国矿井物探技术发展现状和关键问题，从方法原理、研究现状、技术特点和仪器设等方面对地震方法、直流电法、瞬变电磁法、其他物探方法超前探测进行了总结[1-2]；刘磊数值模了无线电波在工作面陷落柱响应并对模拟数据进行反演[3]；胡玉超研究了无线电波透视数据采集过程中的工作模式，形成探测参数计算表指导数据采集，以达到最佳探测效果和最大施工效率[4]；崔伟雄开展了基于透射槽波的工作面煤层厚度高精度反演方法研究[5]；赵云佩采用井下槽波地震进行超前探测，通过克希霍夫偏移对巷道前方地质异常体成像，探测效果取得了较好的成果[6]；蔺国华应用透射槽波方法探测中厚煤层隐伏小断层，依据振幅衰减系数CT成像，解释回采工作面内隐伏地质构造的形态及位置探测探测结果经回采验证有效[7]；王程对国内煤矿井下应用较为广泛的直流电法、瞬变电磁法和音频电透视的理论研究基础进行了论述及评价[8]；韦乖强利用矿井瞬变电磁法对整合矿井内的小窑积水区进行了探测，其探测精度高于地面瞬变电磁[9]；邱浩利用瞬变电磁波场成像技术确定含水异常体边界，波场曲线幅值与出水位置对应较好，含水异常体边界位置同波场成像结果更为吻合[10]。

矿井地质问题往往是一个复杂的系统问题，不仅存在地质目标体尺度大小和探测精度的问题，还存在地质目标体多参数属性和探测方法有效性的问题，显然，对于中小隐伏地质构造，传统地面物探技术无法解决探测精度的问题，而单一的矿井物探方法，无法解决多参数、多属性的矿井综合地质问题[11]。

1 矿井综合物探方法选取

沁水煤田含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组，开采深度通常大于300m，矿区地质构造复杂，除大型断裂构造外，中小型隐伏断裂构造及陷落柱十分发育，开采方式为综采。地面三维地震勘可以识别长轴大于30m的陷落柱以及断距大于5m的断层，地面瞬变电磁法在煤矿水文物探勘查中，受体积效应影响，其解释范围往往与实际有较大的偏差。对于综采工作面，煤层中的中小断裂构造，尤其是导水断裂直接威胁安全生产，现有地面物探技术无法精确识别工作面内的中小型隐伏含水构造。矿井物探由于距离地质目标体距离较近，直接针对均一的煤层进行勘探研究，不受地表地形起伏、其它覆盖地层的影响，因此其勘探精度通常高于地面物探[12-13]。常用的矿井物探技术包含槽波地震勘探、MSP超前地震勘探、矿井二维地震勘探、无线电波透视，音频电透、矿井直流电测深、矿井瞬变电磁等。

(1)槽波地震法

煤层中激发的和传播的槽波能量强、传播距离远、波形特征易于识别，具有明显的频散特征。通过研究槽波沿煤层传播过程中能量的变化来探测煤层中隐伏构造。目前槽波地震法主要用于解释构造体的空间分布，但是对于构造体的几何尺寸和含水性，均无法有效判断。

(2)无线电波透视法

煤层中实体煤与断裂构造存在电性差异，工作面一侧巷道内发射的中高频电磁波在煤层传播过程中遇到构造断面或电磁波耗能介质时，能量会被削弱或者屏蔽，工作面另一侧巷道内的接收机会接收到较弱的场强信号或无信号强度，逐点探测即形成透视阴影区，而透视阴影区即为坑透探测的主要目标，无线电波透视法主要用于断裂构造的探测，尤其是对与工作面走向相同的断裂构造，具有较好的横向探测能力。

(3)矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法和地面瞬变电磁法的基本原理类同，在煤矿水文物探工作中主要探测地层中的水体。但是矿井瞬变电磁的施工环境较地面瞬变电磁更为复杂，施工空间中的采掘设备、锚网、高压环境及多匝小线框装置本身的互感影响，导致矿井的探测深度很受限制，然而矿井瞬变电磁相较地面瞬变电磁法体积效应小，因此对低阻异常的刻画精度更高。

煤层中的隐伏含水断裂构造，通常既有构造本身与围岩较明显的密度、波阻抗和电性差异，又有含水体与围岩的电阻率差异。以波阻抗差异为基础的矿井地震勘探仅可解释构造的有无，却无法解释是否含水，而矿井电磁法则对构造水具有较好的探测效果，因此多方法联合探测的综合物探技术是探查工作面内中小型隐伏含水构造的良好手段。本文拟选取槽波地震法和无线电波透视法探测断裂构造，采用矿井瞬变电磁对构造的含水性进行分析。

2 实例分析

2.1 工作面概况

本次研究区工作面走向长1 100m，宽150m。工作面所采煤层厚度5.7m，属稳定煤层，煤层倾角平均3度。回采过程中局部顶板节理发育，煤体疏松破碎。工作面内三维地震解释陷落柱2个，其中DX100在巷道开拓过程中已揭露，揭露断层SF171和断层SF175，断距分别为5m和6m。工作面内已知构造如表1所示。

表1 工作面内已知构造信息Table 1 Information of known structures in working face

工作面上覆含水层主要为顶板砂岩含水层、及K8砂岩含水层。根据研究矿区回采破坏高度经验可知，该煤层回采后K8砂岩含水层水为采面顶板直接涌水来源。为掌握该工作面内隐伏含水构造的分布信息，指导该工作面的防治水工作，本次勘探工作拟采用透射法槽波地震勘探和无线电波透视法对工作面内的陷落柱及断距小于3m的断层等构造进行探测，并利用矿井瞬变电磁法对工作面内的富水区尤其是断裂构造的含水性和导水性进行探测。本次物探工作沿着工作面南北两条巷道，01巷道和02巷道进行布设，测线编号从停采线方向向切眼方向布设，物探测线长度为1 150m(图1)。

图1 工作面构造分布与物探工程布置Figure 1 Working face structures distribution and geophysical prospecting engineering layout

2.2 槽波勘探成果

本文选用透视法槽波地震勘探，采用双边测量的方式，以提高槽波勘探的精度。沿工作面01、02巷道在距离底板1.5m高的煤层中分别布置炮点、激发点，炮间距20m，道间距为10m，单巷槽波勘探测线长度为1 140m。仪器设备采用德国DMT公司研制的SummitⅡ型防爆槽波地震仪，数据处理采用SCT V2.0槽波地震数据处理软件。

本次探测时，由于该工作面煤质硬、钻孔好，事先打好的检波器孔未出现垮塌、孔内严重变形、孔径太大等问题，检波器安装耦合效果好，数据采集质量高。采集到的原始地震记录主要由频带较窄的中、低频成分直达P、S波，以及频带较宽的高频成分槽波，这些不同频率成分的波具有不同的相速度，槽波地震勘探数据处理的关键技术主要分为三个阶段：首先对原始地震数据进行频谱分析、数字滤波，将直达P、S波切除；其次对槽波进行频散分析和速度分析；最后进行成像处理，其中成像处理分为速度成像处理和频率域相对吸收系数扫描成像处理。本文采用相对吸收系数CT成像技术，利用煤层内的低频区(50～130Hz)与高频区(130～180Hz)槽波能量的比值进行成像，其中吸收系数高值区与煤层内的构造异常相对应，低值区与煤层稳定区相对应(图2)。根据已揭露的DX100陷落柱及SF171和SF175断层的范围确定暖色区域为相对吸收系数大于0.004的高值区，为地质异常体引起的物探异常范围，灰色背景为无构造区。本次槽波地震勘探共圈定6处异常区。

图2 槽波透射地震勘探相对吸收系数成像Figure 2 In-seam seismic transmission prospecting relative absorption coefficient imaging

2.3 无线电波透视勘探成果

无线电波透视探测使用的仪器是由中煤科工集团重庆研究院有限公司开发的WKT-0.03矿用无线电波透视仪。综放工作面宽度约150m，经井下探测频率实验，选用0.5MHz频率进行工作面透视工作，采用双边定点扫描法进行探测，即发射端在一侧巷道位置相对固定，接收端在另一侧对应巷道的一定范围内逐点接收其场强值，完成一侧巷道的测量后，对调收、发位置，完成另一侧巷道的测量。发射点距为50m，测点间距为10m，每个发射点对应11个接收点。综放工作面共布置230个测点，44个发射点。本次探测仪器工作基本稳定，发射场强H0为113.9dB。均匀无构造的煤层对电磁波的吸收率较低，而存在构造时，其对电磁波的吸收率会明显增大，导致接收到的场强低于背景场值。

如图3所示，无线电波透视探测场强介于15～55dB，每个发射点对应一组接收数据用不同的颜色来区分(每组接收数据对应11个接收点)，中部350～900点段场强分布较为均匀，其值位于45～55db范围内，0～350点段、900～1050点段场值变化剧烈，且小于45dB，电磁波能量吸收率较大。为进一步对推断解释，利用原始数据进行了衰减系数的计算，获取了CT成像图(图4)，CT成像图上不同颜色代表电磁波在煤层的衰减系数。结合已知已知的DX100陷落柱，将衰减系数值0.5作为判别地质异常体的阈值，衰减系数小于0.5时表示发射范围内无构造存在，图4中黄色部分，当存在导致电磁波折射、反射、强吸收的地质构造时，其衰减系数大于0.5。基于以上原则，圈定了6个异常体，其横向分布与实测场强异常区以及槽波勘探异常区吻合较好，但是纵向上由于坑透数据缺乏较好的纵向约束，因此其刻画精度不及槽波地震勘探，呈现较为模糊的阴影。

图3 无线电波透视法实测场强散点图Figure 3 Radiowave penetration measured field intensities scatter diagram

图4 无线电波透视法衰减系数成像Figure 4 Radiowave penetration attenuation coefficient imaging

2.4 矿井瞬变电磁勘探成果

瞬变电磁法勘探受仪器系统、施工装置、介质电阻率的影响存在浅部存在一定范围的盲区，本次矿井瞬变电磁充分利用工作面两侧的巷道进行双边联测，综合分析，获取对同一个工作面两侧巷道施测计算的视电阻率断面。选择边长1.5m正方形重叠回线装置，其中激发线圈匝数4匝，接收线圈匝数40匝。供电电流档为60A，供电脉宽10ms，采样率16μS。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性，测点间距为10m。在施工过程中要求工作面所有电器设备停止供电，以减少工业电压对电磁数据的干扰。据图5可知，在两个方向的浅部均存在高阻假异常的盲区，视电阻率断面横向较为稳定，纵向与传统地面瞬变电磁法的HA型断面不同， 矿井瞬变电磁法则是Q型地电断面，因为电磁波的“烟圈”随着探测距离的增大，其半径也会增大，所获得的数据信息不仅有煤层提供的信息还包含有上下围岩的地电信息，而上覆砂岩的电阻率小于煤层，因此矿井瞬变电磁视电阻率断面图呈现了探测距离越远， 视电阻率越低的Q型断面。虽然如此，但是对于局部低阻体，其不仅在纵向，还在横向上呈现有别于Q型断面变化趋势的低阻异常。图5中结合01巷道600m处揭露的顶板淋水位置，以视电阻率值为15Ω·m作为阈值，圈定了6处低阻异常体。

图5 矿井瞬变电磁视电阻率断面Figure 5 Mine transient electromagnetic apparent resistivity section

2.5 综合分析与验证

上文利用槽波地震勘探和无线电波透视法对研究区内的地质构造进行了勘探，同时采用矿井瞬变电磁法对工作面内的富含水区进行了探测，采用上述三种物探方法分别圈定了各自的物探异常。圈定槽波异常6处，无线电波透视异常6处以及瞬变电磁异常6处。尽管在数据采集以及数据处理和解释过程中极尽所能获取了较好的原始数据并进行了较为合理的处理，但是受方法自身特点限制以及矿井空间工作环境的影响，多种方法的解释成果并不完全一致，想要获得更合理、更准确的地质成果，三种物探方法不仅需要相互验证，还需要取长补短。

将三种物探方法圈定的异常进行统计比对，并与已知地质构造进行分析和可靠性评价(表2)。

表2 综合物探异常统计对比分析Table 2 Statistical comparative analysis of integrated geophysical prospecting anomalies

经对比分析认为，共解释构造异常6处，其中含水构造2处。槽波地震勘探和无线电波透视勘探在地质构造解释中，横向解释精度具有较好的一致性，且与已知地质体吻合较好，因此两种矿井物探方法在地质构造勘探中具有较好的横向分辨能力，而纵向上槽波地震勘探的刻画精度更高。矿方在收到资料后利用钻探、探放水工作以及采掘过程中的揭露，对上述地质异常进行了充分的验证。针对陷落柱CB1和CB5两个断裂构造均存在较大水患，矿方进行了排水工作。综上所述，本次利用综合物探对工作面隐伏含水构造的探测不仅较准确地刻画了地质构造的空间位置，还预测了水患水害，为矿方提供了有效的指导信息。

3 结论

1)无线电波透视法对地质构造具有较好的横向分辨能力，槽波地震勘探对地质构造的刻画兼具较好的横向和纵向分辩能力，但是上述两种方法均无法辨别构造的属性。

2)矿井瞬变电磁能够较好地圈定地层中富含水区地位置，指导安全生产，但对含水量无法有效估算。

3)单一的矿井物探方法受限于物性参数的单一，因此无法既解决构造的问题，又解决含水性的问题。煤矿防治水工作中尽可能采用综合物探对隐伏含水构造进行探测，利用多物理参数进行联合解释，以更准确地指导矿井安全生产。