浅谈深部开采中地球物理勘探技术的应用状况及特点摘要：矿井深部延拓是解决我国东部煤田资源紧张的必然途径, 深部开采中地质构造、矿井水、煤层瓦斯和顶底板条件等是矿井生产的主要致灾地质因素。
分析论述了当前煤田地球物理勘探主要技术方法的应用状况及特点, 指出多波多分量地震勘探、矿井高密度直流电法、矿井瞬变电磁法及地质雷达等新技术方法及其综合应用将在深部矿井致灾地质因素预测预报中发挥重要作用。
关键词：深部矿井地球物理勘探
在影响矿井开采的诸多地质因素中, 构造因素是最主要的, 构造裂隙发育带往往是底板隔水层遭受破坏形成承压水导通突水的
通道; 煤层中瓦斯的富集区往往也与构造作用有关, 其构造作用
强烈区常形成发生瓦斯突出的危险带; 煤层顶底板完整性变差,
发生顶底板事故地段也常与构造作用有关。
因此, 查明煤岩层中构造特别是大比例尺构造是高产高效现代化矿井建设的主要工作。
煤田地质勘探工作主要策略是物探先行, 钻探与物探相结合, 对于
煤田物探主要包括两大方面, 一是地面物探, 主要为三维地震勘
探和电法勘探、钻孔测井; 另一方面是矿井物探, 主要有矿井地震勘探(包括瑞雷波与槽波勘探)、直流电法勘探、瞬变电磁法、无线电坑透等。
1.地面地震勘探
20世纪80年代末以来, 从我国煤田地质条件出发, 通过引进1000m 深钻和高分辨数字地震勘探技术, 使我国煤田勘探水平有
了很大提高, 之后, 物探工作者在三维三分量地震勘探技术、avo
反演技术研究方面进行了大量探索,促使了三维地震勘探技术在全
国煤田勘探中的推广应用,初步建立了中国煤矿采区高分辨率三维
地震勘探为主的地质构造探测体系。
但其成果主要集中在煤田浅部, 埋深仅100~ 600m, 一般不超过800m, 深部精细构造探测技术体系至今尚未建立, 主要是在提高深部地震数据分辨率和地震数据品质、深部高精度地震成像等方面的一些科学问题没有得到很好解决。
2.矿井地震勘探
由于煤矿井下特殊环境和工作条件, 井下开展地震波勘探的理
论方法与装备技术等与地面三维地震勘探区别甚大, 只能利用井
巷有限空间, 并根据全空间下波场分布特点, 开展独具特色的矿
井地震勘探工作。
1) 井巷二维地震勘探。
井巷二维地震勘探是在巷道走向方向布设的多次覆盖观测系统, 此种观测系统是目前地震反射波法中使
用最广泛的, 但在井下煤系地层中进行近源全空间多分量勘探时, 需要根据煤岩层分布与震波传播规律合理设计其观测系统参数,
以使不同波类与空间旅行途径的地震波在不同分量上得到突显,
并避免波场混响。
井巷二维测线可以布设于巷道底板或两帮, 其地震数据采集、处理与解释等主导环节和地面二维地震勘探基本相同。
现场工作时, 根据煤层及其顶底板声波属性经正演计算选定偏移距和检波距之后, 沿测线布置炮点和检波点排列, 按照观测系
统设计进行地震数据采集。
2) 震波超前探测。
目前国内外的地震超前预报技术主要以反射地震方法为主, 且在隧道工程中应用研究比较多,国内已有的超前预报技术有负视速度法、水平剖面法等,国外开发的方法有瑞士的tsp203、美国的trt技术, tsp、trt技术都是基于地震偏移成像技术, 同时利用地震波运动学和动力学信息, 进行复杂地质条件下超前地质预报。
由于煤矿井下条件限制, 可供观测的空间十分有限,必须充分利用有限的空间条件, 在巷道空间内尽可能多的布置激发与接收点, 采集尽可能多的地震数据供处理分析,才能提高探测效果, 更好地为矿井生产服务。
为此, 中国矿业大学在巷道掘进工作面试验设计了rst ( roadwayse ism ic tomography)技术, 它采用巷道全空间布置的观测方式, 即全面利用巷道空间, 合理布设炮点和检波点, 三分量检波器接收, 炮点附近布设检波点接收源信号, 采集数据结合地震源信号记录开展在全空间坐标下多波反射信号提取与处理分析, 包括波速分析、反射走时成像与深度偏移成像等。
3) 瑞利波勘探。
瑞利波是在激发界面附近传播的面波, 其工作方法主要包括, 一是激发和采集瑞利面波的信号, 另一方面是从已采集的资料中, 经过处理得出各种频率面波相对应的速度vr 和波长..r, 并绘制其离散分布曲线, 进而通过反演得出有关表层岩土分层的地质解释。
为了完成上述两个方面的工作, 可采用不同激发采集方式,目前有瞬态法和稳态法两类。
现在矿井工程中常用的
是瞬态瑞雷波法。
瑞雷波勘探在距离30m 范围内对煤岩层与构造分辨较好, 可弥补反射波勘探表层分辨能力的不足。
4) 槽波勘探。
槽波地震勘探是利用在煤层( 作为低速波导) 中激发和传播的导波, 以探查煤层不连续性的一种地球物理方法。
槽波地震勘探具有探测距离大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较易识别, 以及最终成果直观的优点。
国内外学者在利用槽波进行工作面及其旁侧构造探测方面做了很多探索, 并取得不少成功例证, 同时, 在数值模拟及ct 成像技术等方面的研究中, 也取得一定的进展。
地震勘探随着在石油和煤田开发中的广泛应用, 其装备与技术方法发展迅猛, 新近发展的多波多分量地震勘探新技术是在地质条件复杂地区提高地震勘探精度和解决诸多工程地质问题的有效手段, 在已开展的地面三维三分量石油或煤田采区地震勘探中, 人们已尝试进行小构造、岩性、裂隙带、地应力、岩层含气与含水性等方面的研究,并取得一定成果, 证明了其多参数反演的有效性。
将这一新技术推广应用于煤矿井下, 开展近源多波探测小构造、矿井瓦斯与突水性必将矿井地震勘探的发展趋势, 因此,需开发研制适合于矿井多波多分量勘探的仪器装备与方法,形成矿井多波地震勘探成套技术, 充分利用地震全波场信息, 通过多波联合勘探来解决诸多矿井地质问题。
3.地质雷达
地质雷达勘探是基于地下介质的电阻率、介电常数等电性参数
的差异, 利用高频电磁脉冲波的反射, 探测目标体及地质现象的一种物探方法。
该方法能十分清楚地显现探测面前方一定范围内的岩石、空洞、水体等不均匀体的分布情况和岩性变化情况。
矿井地质雷达自90年代以来,先后在开滦、兖州、阳泉、大同、平顶山、松藻、中梁山、焦作九里山、广东南岭煤矿等矿山进行过应用, 对于近距离探测岩体结构性态和大比例尺构造效果较好。
4.高密度电阻率法
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中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。
常用的比值参数主要有两类: 一类是利用温纳三电位电极系α、β、γ装置的测量结果加以组合而构成的, 另一类比值参数则是利用联合三极装置的测量结果加以组合而成的。
这两类比值参数以更醒目的方式再现原有异常的特征, 而且某些比值参数在一定程度上还具有抑制干扰和分解复合异常的能力, 从而大大改善常规电阻率法反映地质对象赋存状况的能力。
5.矿井瞬变电磁技术
矿井瞬变电磁法是一类非接触式探测技术, 属于时间域电磁法。
井下瞬变电磁探测时, 其发射和接收回线边长需依据采掘空间
断面的大小选择, 可通过加大发射功率和接收回线匝数的方法增强二次场信号的强度, 从而增大瞬变电磁法的顺层或垂直勘探深度。
但矿井全空间磁场效应和巷道影响问题已成为制约矿井瞬变电磁法的关键, 需开展数值模拟研究巷道、采空区层状围岩介质中瞬变电磁场的分布规律以及二维、三维地质异常体的异常响应特征,以便在理论和方法上进一步完善矿井瞬变电磁法技术体系。
6.无线电波透视技术
无线电波透视法(也称为坑透法)是向地下地质体发射高频无线电波, 通过观测电磁波在传播过程中场强的衰减情况, 以确定地质异常体的位置和形态的一种勘探方法。
坑透法在两条巷道(回风巷和运输巷)之间进行, 接收透过被探测地质体的电磁波信号, 当电磁波在穿过煤层途中遇到地质异常区(特别是含水构造)时, 在相应的接收点处能观测到无线电波场强的明显衰减, 通过改变发射点或接收点位置多次观测, 即可确定地质异常体的位置和形态。
坑透法在我国矿井中使用较多, 对解决工作面内断层、陷落柱、含水裂隙、煤层变薄区或其它构造等起到很好的作用。
结论
深部矿井开采影响矿井高产高效安全生产的地质因素多, 需要构建一套科学适用的预测预报装备技术来为矿井地质工作服务, 从煤田物探发展现状看, 各种物探技术在理论方法、装备性能和探测精确度与可靠性方面仍有待于进一步提高。
地震勘探波场信息丰富, 地下介质性态的变化将引起震波运动学与动力学参数的变化, 利用多种地震波进行联合勘探即多波多分量地震勘探是其发展方向。
由于井下作业空间极其有限, 难以根据地质任务布置常规观测系统,只能在空间限制下灵活进行观测, 这就要求我们开展全空间下地震波场理论与观测方法研究, 针对不同地质任务形成相应的探测方法。
井下电磁法勘探, 干扰因素多, 矿井全空间下电场和电磁波场与地面半空间场理论有所不同, 矿井高密度电法测试的视电阻率一定程度上受全空间电场分布与巷道空间影响, 需加以分析校正; 矿井地质雷达和矿井瞬变电磁法同样存在全空间电磁场效应影响, 因此, 应增强它们的发射和接收天线的方向性, 提高空间定位准确度。
无线电波透视法则需要提高仪器功率, 增大穿透距离。