高突礦井地質(zhì)異常體快速精細(xì)探測(cè)技術(shù)

溫亨聰，李學(xué)臣，溫英明

（焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究所，河南焦作 454002）

我國(guó)部分礦井為煤與瓦斯突出礦井，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層及頂?shù)装鍘r層內(nèi)斷層、褶曲、破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)不均衡分布，其附近的煤巖體往往破碎、位移、起伏變化、完整性缺失，極易形成瓦斯異常帶、應(yīng)力集中區(qū)和構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，隨采掘活動(dòng)的進(jìn)行，容易發(fā)生瓦斯事故[1-2]。為保障煤礦的安全生產(chǎn)，礦井采掘工作面急需探明煤巖層中易發(fā)生災(zāi)害事故的斷層、裂隙等地質(zhì)異常體，為礦井生產(chǎn)設(shè)計(jì)、災(zāi)害治理提供依據(jù)[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)礦井地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)通常采用鉆探法、無(wú)線電坑透法和地震法等[4]。其中，鉆探法具有結(jié)果直接、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于各種災(zāi)害防治工程，缺點(diǎn)是探測(cè)距離有限、控制區(qū)域多呈點(diǎn)線狀范圍較小、工程量大、施工周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、影響礦井生產(chǎn)進(jìn)度；無(wú)線電坑透勘探方法優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、儀器輕便、施工高效、資料處理解釋快速、異常定位效果較好，缺點(diǎn)是只能探查采煤工作面內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造分布信息，且存在邊緣區(qū)域分辨率下降、探測(cè)精度一般、異常范圍易擴(kuò)大化和抗電干擾能力弱等問(wèn)題；地震勘探方法優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)距離大、分辨率高、準(zhǔn)確率高、抗電干擾能力強(qiáng)、最終成果直觀，多用于工作面內(nèi)部及外圍地質(zhì)構(gòu)造異常體探查，缺點(diǎn)是隨著瓦斯或高突礦井采區(qū)向深部延伸，煤層瓦斯含量增大，物探施工時(shí)多次放炮的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患逐步增大，促使地震法在高突礦井勘探時(shí)必須減少炮點(diǎn)及炸藥量并嚴(yán)格按照礦井相關(guān)放炮規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，導(dǎo)致其在高突礦井適用范圍減小甚至不再適用[5-7]。

1 方法原理

1）地震法。地震法對(duì)地質(zhì)異常體的探測(cè)屬于反射法地震勘探范疇，通常采用回波測(cè)量原理，其原理是在巷道側(cè)幫指定的震源點(diǎn)，利用機(jī)械或炸藥等震源激發(fā)產(chǎn)生地震波，并在煤巖層中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到斷層、巖石破碎帶、煤厚變化帶和巖性界面等物性界面時(shí)，一部分信號(hào)反射回來(lái)、一部分信號(hào)折射進(jìn)入探測(cè)方向前方介質(zhì)，反射回來(lái)的地震信號(hào)被高靈敏度的地震檢波器接收。通過(guò)分析反射波的能量強(qiáng)弱、相位等各種信息特征即可判斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)的斷層、破碎帶、巖性界面等的性質(zhì)及其分布狀況[9]。反射法地震勘探原理圖如圖1。

圖1 反射法地震勘探原理圖Fig.1 Reflection method seismic exploration schematic diagram

2）無(wú)線電坑透。無(wú)線電坑透勘探是基于高頻無(wú)線電波在地下不同介質(zhì)中傳播時(shí)的差異性衰減特征來(lái)判斷介質(zhì)特征[10]。電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，斷層、破碎帶和陷落柱等地質(zhì)異常體界面可造成電磁波的反射和折射，造成能量損耗，形成電磁波能量的強(qiáng)衰減區(qū)域，通過(guò)分析各衰減區(qū)的范圍、強(qiáng)弱等特點(diǎn)并結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行綜合判斷，就可推斷和解釋出工作面內(nèi)部存在的斷裂構(gòu)造帶位置、圈定陷落柱和薄煤帶等的巖性變化范圍。

2 技術(shù)工藝

高突礦井地質(zhì)異常體快速精細(xì)探測(cè)技術(shù)綜合應(yīng)用了以錘擊激發(fā)為震源、以短排列滾動(dòng)式探測(cè)為基礎(chǔ)的便攜式震法和高密度精細(xì)無(wú)線電坑透法2 種勘探技術(shù)，融合地震勘探靈活、準(zhǔn)確率高、分辨率高和無(wú)線電坑透勘探施工便捷、快速高效的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)了便攜式震法勘探、保障式全面勘探、精細(xì)高效對(duì)比勘探等創(chuàng)新工藝。

2.1 便攜式震法勘探工藝

便攜式震法勘探工藝是在傳統(tǒng)礦井地震法的基礎(chǔ)上，結(jié)合錘擊激發(fā)為震源、滾動(dòng)式短排列探測(cè)為測(cè)量方式等震法優(yōu)化工藝而形成的一種改進(jìn)勘探方法。以錘擊激發(fā)為震源，可以有效解決傳統(tǒng)放炮震源地震勘探技術(shù)難以在高突礦井應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，消除井下物探施工時(shí)放炮給高突礦井帶來(lái)的安全隱患，為高突礦井的地質(zhì)異常體探測(cè)領(lǐng)域作出重要突破[11]。滾動(dòng)式短排列探測(cè)方式通過(guò)有效的相位對(duì)比與追蹤可獲得反射界面的位置，其基于反射波勘探原理中的反射共偏移法，在單邊排列的基礎(chǔ)上選定最佳偏移距（即最佳反射窗口），采用多道疊加小步長(zhǎng)順移前進(jìn)觀測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)用小道間距的偏移成像技術(shù)，通過(guò)多道接收，在給定速度等參數(shù)后將地震時(shí)間剖面轉(zhuǎn)換成空間剖面，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)有效波、壓制干擾波的目的，滾動(dòng)式短排列探測(cè)示意圖如圖2。

圖2 滾動(dòng)式短排列探測(cè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of rolling short array detection

2.2 保障式全面勘探工藝

保障式全面勘探以高密度無(wú)線電坑透法和便攜式震法為手段精細(xì)探查工作面內(nèi)部及外圍100 m范圍內(nèi)煤巖層中裂隙、斷層等地質(zhì)構(gòu)造分布信息，做到工作面內(nèi)、外全覆蓋，分析地質(zhì)異常體（如落差大于1/2 平均煤厚的斷層、小于1/2 平均煤厚的煤層變薄區(qū)、煤層異常增厚區(qū)和長(zhǎng)軸大于15 m 的陷落柱等）對(duì)工作面回采的影響性和威脅性，為礦井災(zāi)害防治方案的制定提供依據(jù)。

2.3 精細(xì)高效對(duì)比勘探工藝

精細(xì)高效對(duì)比勘探是高密度無(wú)線電坑透快速普查式探測(cè)和便攜式震法重點(diǎn)精細(xì)化探測(cè)的高效組合應(yīng)用，先利用無(wú)線電坑透法對(duì)整體目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行普查式探測(cè)，圈出重點(diǎn)、難點(diǎn)異常區(qū)域，再利用便攜式震法對(duì)重難點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┚?xì)對(duì)比探測(cè)，可大幅度節(jié)省施工時(shí)間、提高物探成果的精細(xì)度和可靠性，確保地質(zhì)異常體的高效、精細(xì)探測(cè)。

高密度精細(xì)無(wú)線電坑透勘探采用的是坑道電磁波法中的定點(diǎn)法，其具有定點(diǎn)發(fā)射，多點(diǎn)接收的特點(diǎn)：探測(cè)時(shí)發(fā)射機(jī)的位置在一定的時(shí)間內(nèi)相對(duì)固定，接收機(jī)在一定的范圍逐點(diǎn)觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)值，是井下常用的觀測(cè)方法，尤其對(duì)形狀不規(guī)則工作面的探測(cè)效果明顯，高密度定點(diǎn)法示意圖如圖3。

正如陳寶生部長(zhǎng)所提出的高等教育要進(jìn)一步轉(zhuǎn)變理念，做到“四個(gè)回歸”。同樣，閱讀推廣的最終目的和歸宿還是應(yīng)該回歸到促進(jìn)學(xué)生的品德修養(yǎng)和思維能力的提高上面。授人以魚不如授人以漁，閱讀推廣也不應(yīng)只是局限于閱讀的圖書的推薦，讓同學(xué)們?cè)谳^多的淺閱讀的同時(shí)也能夠深閱讀，而圖書館更有責(zé)任讓學(xué)生養(yǎng)成良好的深度閱讀習(xí)慣。

圖3 高密度定點(diǎn)法示意圖Fig.3 Schematic diagram of high density fixed-point method

采用這種觀測(cè)方法，通過(guò)加密發(fā)射點(diǎn)距和接收點(diǎn)數(shù)，提高射線疊加密度，同時(shí)在勘探區(qū)首尾兩側(cè)區(qū)域加密布置探測(cè)點(diǎn)，力求勘探射線布滿整個(gè)勘探區(qū)域，減少空白區(qū)，并能運(yùn)用兩巷定點(diǎn)交匯法，根據(jù)坑透綜合曲線圖，具體確定地質(zhì)異常體的性質(zhì)和空間位置及大小。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）錘擊為震源，消除安全隱患。便攜式震法以錘擊激發(fā)為震源、以滾動(dòng)式短排列探測(cè)為測(cè)量方式，可以有效解決傳統(tǒng)放炮震源地震勘探技術(shù)難以在高突礦井應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，消除井下物探施工時(shí)放炮給高突礦井帶來(lái)的安全隱患。

2）內(nèi)外全覆蓋，完善地質(zhì)信息。保障式全面勘探綜合應(yīng)用高密度無(wú)線電坑透法和便攜式震法，能夠精細(xì)探查工作面內(nèi)部及外圍100 m 范圍內(nèi)煤巖層地質(zhì)異常體的分布情況，做到工作面內(nèi)、外全覆蓋，完善地質(zhì)異常體的延伸分布、發(fā)育變化等地質(zhì)信息，綜合分析地質(zhì)異常體對(duì)工作面的影響性和威脅性，保障礦井的安全生產(chǎn)。

3）重難點(diǎn)分區(qū)探測(cè)，保障物探高效、準(zhǔn)確。精細(xì)高效對(duì)比勘探以高密度無(wú)線電坑透快速普查式探測(cè)和便攜式震法重點(diǎn)精細(xì)化探測(cè)為抓手，實(shí)施重難點(diǎn)分區(qū)探測(cè)：先利用無(wú)線電坑透法對(duì)整體目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行普查式探測(cè)，圈出重點(diǎn)、難點(diǎn)異常區(qū)域，再利用便攜式震法對(duì)重難點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┚?xì)對(duì)比探測(cè)，節(jié)省施工成本和時(shí)間、提高物探成果的精細(xì)度和可靠性，確保地質(zhì)勘探工作更加高效、準(zhǔn)確。

4 工程實(shí)例

焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司古漢山礦1704工作面煤層瓦斯含量高，煤巖層附近斷層、裂隙等地質(zhì)異常體發(fā)育。根據(jù)1704 工作面巷道掘進(jìn)資料顯示，該工作面切眼已揭露1 條正斷層F1522，傾角70°，落差2.7 m；運(yùn)輸巷揭露1 條正斷層F1521，傾角32°，落差0.7 m，2 條斷層均向工作面內(nèi)部延伸。工作面回采前急需查明工作面內(nèi)可能存在的斷層、陷落柱、薄煤帶等地質(zhì)異常體的賦存狀況及煤厚變化情況，圈定煤層中異常體的位置與范圍，為工作面的災(zāi)害治理及安全順利回采提供參考依據(jù)。

4.1 施工布置

本次1704 工作面地質(zhì)異常體探測(cè)采用重難點(diǎn)分區(qū)探測(cè)，先利用無(wú)線電坑透法對(duì)整體目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行普查式探測(cè)，圈出重點(diǎn)、難點(diǎn)異常區(qū)域，再利用便攜式震法對(duì)重難點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┚?xì)對(duì)比探測(cè)。

4.1.1 高密度無(wú)線電坑透探測(cè)施工布置

高密度無(wú)線電坑透勘探加密了發(fā)射點(diǎn)距和接收點(diǎn)數(shù)，發(fā)射點(diǎn)距為30 m，接收點(diǎn)距為10 m，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)15 個(gè)接收點(diǎn)，完成探測(cè)區(qū)域?yàn)?20 m（走向）×190 m（傾向），高密度無(wú)線電坑透勘探布置圖如圖4。

圖4 高密度無(wú)線電坑透勘探布置圖Fig.4 High density radio wave perspective exploration layout

4.1.2 便攜式震法探測(cè)施工布置

針對(duì)高密度無(wú)線電坑透法圈出的重點(diǎn)、難點(diǎn)異常區(qū)域，礦方分別在1704 工作面切眼里幫、回風(fēng)巷下幫、運(yùn)輸巷上幫及運(yùn)輸巷下幫4 處區(qū)域?qū)嵤┍銛y式震法精細(xì)對(duì)比探測(cè)，施工時(shí)采用單邊排列多道疊加小步長(zhǎng)順移前進(jìn)觀測(cè)系統(tǒng)，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)呈線性排列布置，逐點(diǎn)錘擊激發(fā)、多道接收。4 處區(qū)域震法施工均采用滾動(dòng)式短排列探測(cè)為測(cè)量方式，每個(gè)排列布置1 個(gè)錘擊點(diǎn)和6 個(gè)檢波器點(diǎn)，1 點(diǎn)激發(fā)6道同時(shí)接收，錘擊點(diǎn)與第1 個(gè)檢波器的間距（最小炮間距）為5 m，檢波器間距（道間距）為5 m；1 個(gè)排列施工完畢后平移5 m 進(jìn)行下1 個(gè)排列施工，2 個(gè)排列錘擊點(diǎn)的間距（移動(dòng)步距）為5 m，炮檢距、道間距等參數(shù)均相同，以此類推完成每處現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，便攜式震法勘探布置圖如圖5。

圖5 便攜式震法勘探布置圖Fig.5 Portable seismic exploration plan

4.2 勘探結(jié)果

4.2.1 高密度無(wú)線電坑透探測(cè)結(jié)果

古漢山礦1704 工作面的無(wú)線電波透視勘探成果圖如圖6。

圖6 中電磁波能量衰減程度由弱到強(qiáng)依次為紅色、黃色、綠色和藍(lán)色等。電磁波衰減越明顯（顏色越藍(lán)）表示該處存在斷層、陷落柱、裂隙發(fā)育區(qū)、薄煤區(qū)等地質(zhì)異常體的可能性越大?？梢钥闯?，勘探范圍內(nèi)存在1 個(gè)坑透異常區(qū)，標(biāo)記為K1，屬于電磁波能量較高強(qiáng)度吸收區(qū)，異常范圍中等，結(jié)合已知地質(zhì)資料和坑透異常特點(diǎn)分析認(rèn)為：此異常區(qū)主要系煤巖層斷裂破碎、裂隙發(fā)育區(qū)或煤層變薄區(qū)的綜合反映。

圖6 無(wú)線電波透視勘探成果圖Fig.6 Results of radio wave perspective exploration

4.2.2 便攜式震法探測(cè)結(jié)果

古漢山礦1704 工作面的便攜式震法勘探成果圖如圖7。

圖7 便攜式震法勘探成果圖Fig.7 Results of portable seismic exploration

圖7 中顯示了探測(cè)范圍內(nèi)煤巖層各處的地震波能量（振幅）大小，能量（振幅）越大（正相位對(duì)應(yīng)區(qū)域的顏色越偏紅色、負(fù)相位對(duì)應(yīng)區(qū)域的顏色越偏藍(lán)色）表示附近存在地質(zhì)界面或地質(zhì)異常體（如斷層、裂隙發(fā)育區(qū)、薄煤帶等）的幾率越大；能量（振幅）越?。▽?duì)應(yīng)區(qū)域的顏色越偏白色）表示附近煤巖層的巖性越均勻?？梢钥闯?，勘探范圍內(nèi)存在2 個(gè)地質(zhì)異常區(qū)，分別標(biāo)記為D1和D2。這2 個(gè)異常區(qū)均為條帶狀分布，異常范圍中等，結(jié)合已知地質(zhì)資料和高密度無(wú)線電坑透勘探成果分析認(rèn)為：D1和D2分別為工作面已揭露正斷層F1522、F1521在煤層內(nèi)部的延伸分布的反映。

4.3 驗(yàn)證情況

礦方綜合高密度無(wú)線電坑透法和便攜式震法的勘探結(jié)果，對(duì)D1和D22 處異常區(qū)采取鉆探驗(yàn)證，對(duì)K1異常區(qū)采取回采驗(yàn)證。結(jié)果顯示：在工作面切眼、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷靠近地質(zhì)異常區(qū)的對(duì)應(yīng)位置布置鉆機(jī)進(jìn)行探驗(yàn)，鉆機(jī)施工至D1、D2異常區(qū)附近時(shí)，鉆頭頻發(fā)卡鉆，煤層顯著破碎，證實(shí)了地質(zhì)異常體的存在，且經(jīng)過(guò)工作面回采實(shí)揭驗(yàn)證，地質(zhì)異常體為已揭露斷層F1522、F1521在煤層內(nèi)部的延伸分布的反映，物探結(jié)論準(zhǔn)確、可靠，工作面驗(yàn)證結(jié)果圖如圖8。

圖8 工作面驗(yàn)證結(jié)果圖Fig.8 Result diagram of working face verification

5 結(jié) 語(yǔ)

1）便攜式震法工藝是在傳統(tǒng)礦井地震法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的勘探方法，其融合了以錘擊激發(fā)為震源、以滾動(dòng)式短排列探測(cè)為測(cè)量方式等震法優(yōu)化工藝，可有效消除井下物探施工時(shí)放炮給高突礦井帶來(lái)的安全隱患。

2）保障式全面勘探工藝以高密度無(wú)線電坑透法和便攜式震法為手段，能夠精細(xì)探查工作面內(nèi)部及外圍100 m 范圍內(nèi)煤巖層中裂隙、斷層等地質(zhì)異常體的分布情況，做到工作面內(nèi)、外全覆蓋，綜合分析地質(zhì)異常體對(duì)工作面的影響性和威脅性，保障礦井的安全生產(chǎn)。

3）高效組合應(yīng)用高密度無(wú)線電坑透快速普查式探測(cè)和便攜式震法重點(diǎn)精細(xì)化探測(cè)，實(shí)施重難點(diǎn)分區(qū)探測(cè)，先利用高密度無(wú)線電坑透法對(duì)整體目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行普查式探測(cè)，圈出重點(diǎn)、難點(diǎn)異常區(qū)域，再利用便攜式震法對(duì)重難點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┚?xì)對(duì)比探測(cè)，保障地質(zhì)勘探工作更加高效、準(zhǔn)確。