煤炭地質(zhì)勘探中多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)應(yīng)用

陳亞萍 孔 冉

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

在對煤炭礦產(chǎn)資源進(jìn)行開采時(shí)，必要的礦井掘進(jìn)施工是十分必要的，而一旦掘進(jìn)過程中遇到充水的斷層結(jié)構(gòu)或者是充泥充水的溶洞結(jié)構(gòu)，都極有可能造成開采安全問題[1]。在地質(zhì)構(gòu)造中，由于地下水作用形成的陷落柱、破碎帶等軟弱地質(zhì)層是造成煤炭資源開采安全事故的主要因素之一[2]。因此，在施工前對礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確的勘查是十分必要的。通過對現(xiàn)有的地質(zhì)勘探技術(shù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，主要采用地質(zhì)學(xué)方法與物探方法相結(jié)合手段實(shí)現(xiàn)該過程，在超前鉆探等方法的輔助下，對地質(zhì)中的主要構(gòu)成進(jìn)行分析[3-5]。為此，本文提出煤炭地質(zhì)勘探中多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)應(yīng)用研究，在合理設(shè)置勘測點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對勘測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到對應(yīng)的地質(zhì)信息，并通過實(shí)例分析測試了本文設(shè)計(jì)勘探技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。通過本文的研究，也希望可以為相關(guān)礦產(chǎn)資源開采初期的地質(zhì)勘探工作提供有價(jià)值的參考。

1 勘測點(diǎn)布置及施工方法

1.1 勘探區(qū)域勘測點(diǎn)布置。在勘探區(qū)域采用多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)對地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析時(shí)，其是在掘進(jìn)面附近以扇形的方式推進(jìn)的，也就是從測試區(qū)域的一側(cè)到邊界再到另一側(cè)，因此本文在布置勘測點(diǎn)時(shí)，以邊界及左右側(cè)的實(shí)際勘探需求為基礎(chǔ)進(jìn)行[6]。按照實(shí)際勘探習(xí)慣，本文按照從左側(cè)到右側(cè)的方式進(jìn)行設(shè)置，具體探測點(diǎn)布置過程如下。

首先，將機(jī)械震源按照垂直左側(cè)的方式逐漸推進(jìn)，分別以按30°、45°、60°的標(biāo)準(zhǔn)在左側(cè)與勘探邊界的拐角處進(jìn)行勘探。在完成該步驟的操作后，將機(jī)械震源按照垂直邊界的方式繼續(xù)推進(jìn)，同樣按30°、45°、60°的標(biāo)準(zhǔn)在邊界與右側(cè)的拐角處進(jìn)行勘探。此時(shí)就可以得到垂直勘探時(shí)，各個(gè)勘探點(diǎn)之間的距離，以此為基礎(chǔ)將勘探區(qū)域劃分為若干個(gè)具象化的空間結(jié)構(gòu)。具體的探測點(diǎn)設(shè)置如圖1 所示。

圖1 勘測點(diǎn)布置方式

按照圖1 所示的方式，逐個(gè)在每個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行勘探時(shí)，調(diào)整機(jī)械震源天線的法線與底板的夾角，按照向上45°、水平、向下45°的基準(zhǔn)，在三條勘測線采集對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。在此基礎(chǔ)上，在每個(gè)測點(diǎn)周圍設(shè)置具有一定波形電流的發(fā)射線圈，確保其可以屏蔽周圍空間產(chǎn)生一次磁場信號波。此時(shí)測點(diǎn)周圍的導(dǎo)電巖礦體只產(chǎn)生對應(yīng)其接收到機(jī)械震源的感應(yīng)電流，避免了雜波的干擾，降低后續(xù)分析計(jì)算的誤差。機(jī)械震源斷電后，在熱損耗的作用下，測點(diǎn)的感應(yīng)電流也會隨著時(shí)間呈現(xiàn)出衰減的趨勢，并按照衰減的速度分為衰減早期、衰減中期以及衰減晚期。借助這一特征，實(shí)現(xiàn)對不同深度地質(zhì)的分析。

1.2 技術(shù)參數(shù)設(shè)置。采用重疊回線裝置實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)信息的采集，重疊回線裝置作為瞬變?nèi)鹄撞ㄌ赜械慕M合形式，其與地質(zhì)環(huán)境的耦合度最高，且得到的瑞雷波具有更高的橫向分辨率，能夠更加清晰地展示多道瞬態(tài)瑞雷波的異常變化。在具體的勘探時(shí)，將機(jī)械震源的發(fā)射線圈沿著1.1 設(shè)置的測點(diǎn)逐漸移動，實(shí)現(xiàn)對盲區(qū)的有效規(guī)避。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于發(fā)射波矩和接收波矩的設(shè)置，以目標(biāo)勘探深度為基礎(chǔ)，當(dāng)勘探深度較大時(shí)，則適當(dāng)增加發(fā)射波矩和接收波矩的設(shè)置值。在此基礎(chǔ)上，考慮靠探測勘探區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)地貌具有多樣化的特征，且有可能存在各種金屬影響瑞雷波的反饋結(jié)果。將發(fā)射線圈和接收線圈的邊長控制在1.5m 以內(nèi)，匝數(shù)在5 匝以上。此時(shí)根據(jù)不同的探測深度需要求，對采樣頻率進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，以4sμ 為單位步長，疊加次數(shù)以30 次為單位次數(shù)。電流值的設(shè)置以多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)應(yīng)用環(huán)境的勘探深度為基礎(chǔ)設(shè)置，多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)原理如圖2 所示。

圖2 多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)原理

2 地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)分析

2.1 時(shí)間道選擇。首先是對最小時(shí)間道的選取，本文秉持著反饋地質(zhì)特征的原則進(jìn)行選取，在具體的實(shí)施過程中，避開互感段的信號，選取最小時(shí)間道的數(shù)據(jù)，也就是瑞雷波曲線的拐點(diǎn)處的數(shù)據(jù)信息。其次就是對最大時(shí)間道的選取，對此本文秉持避免噪聲信號段的原則進(jìn)行選取，在具體的實(shí)施過程中，選擇的數(shù)量以采集到的瑞雷波曲線實(shí)際情況設(shè)置，選取終止的節(jié)點(diǎn)是曲線為衰減趨勢。為了降低多道選擇帶來的冗余計(jì)算，最終的道數(shù)以12-24 道為宜。

2.2 數(shù)據(jù)誤差計(jì)算。在確定用于計(jì)算的信號段后，需要對采集數(shù)據(jù)中存在的誤差進(jìn)行計(jì)算，以此避免由于出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤造成的勘探結(jié)果異常。假設(shè)某道勘探的瑞雷波數(shù)據(jù)為x，其對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)為xi，復(fù)測的勘探值為xi'，經(jīng)歸一化處理后計(jì)算出其對應(yīng)的電動勢，其可以表示為

其中，e（x）表示為對應(yīng)時(shí)間道勘探瑞雷波的電動勢，e（xi）和e（xi'）分別表示原始數(shù)據(jù)的電動勢和復(fù)測勘探值的電動勢，那么原始數(shù)據(jù)和復(fù)測勘探值的電動勢相對誤差和平均相對誤差可以表示為

其中，ε 表示電動勢的相對誤差，ε 表示電動勢的平均相對誤差。N在不同情況下的意義也不同，當(dāng)以勘探區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)計(jì)算時(shí)，N 表示同一個(gè)測區(qū)或同一個(gè)剖面參與計(jì)算的某一時(shí)間道的數(shù)據(jù)總數(shù)；當(dāng)以勘探點(diǎn)為基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，N 表示同一個(gè)測點(diǎn)參與計(jì)算的時(shí)間道總數(shù)。

通過這樣的方式，得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)誤差，當(dāng)存在ε<1.00，ε<0.50 時(shí)，則默認(rèn)其不需要進(jìn)行校正處理，否則，則需要對采集數(shù)據(jù)中的誤差進(jìn)行校正，以此提高勘探結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.3 數(shù)據(jù)校正處理。假設(shè)某一測點(diǎn)的第f時(shí)間道對應(yīng)的斜率為k，數(shù)據(jù)在斜率上分布的離散程度較高，則以所有選中時(shí)間道的斜率的均值為過濾基準(zhǔn)過濾離散數(shù)據(jù)，其計(jì)算方式可與表示為

通過這樣的方式，實(shí)現(xiàn)對多道瞬態(tài)瑞雷波數(shù)據(jù)的校正處理。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造分析。在得到可靠的多道瞬態(tài)瑞雷波數(shù)據(jù)后，即可利用其實(shí)現(xiàn)對勘探區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的分析。

首先，對于表現(xiàn)出不連續(xù)感應(yīng)電動勢的瑞雷波衰減曲線，表明在間斷位置出現(xiàn)了非實(shí)體的空間結(jié)構(gòu)，結(jié)合重疊回線裝置的運(yùn)行速率，計(jì)算其寬度，其可以表示為

其中，d 表示中空構(gòu)造的寬度，v 表示重疊回線裝置的運(yùn)行速率，t 和t0分別表示不連續(xù)感應(yīng)電動勢出現(xiàn)的起止時(shí)間，z表示轉(zhuǎn)換系數(shù)。當(dāng)其寬度較小時(shí)，則認(rèn)為是小面積的溶洞，中空結(jié)構(gòu)，當(dāng)其寬度較大時(shí)，則認(rèn)為其是斷裂構(gòu)造，對應(yīng)的厚度即為構(gòu)造的實(shí)際裂縫距離。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同構(gòu)造的瑞雷波與采集結(jié)果的一致性，實(shí)現(xiàn)對勘探區(qū)域個(gè)測點(diǎn)構(gòu)成的分析判斷。

3 工程應(yīng)用分析

為了測試本文提出的地質(zhì)勘探技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測試。

3.1 工程概況

本文展開測試的位置為某礦區(qū)的中心區(qū)域，在近南北向方向上與一條近東西向的煤礦脈交匯。為了提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先分析了礦區(qū)的基礎(chǔ)信息。

3.1.1 基礎(chǔ)自然條件

首先是礦區(qū)的自然地理?xiàng)l件，測試區(qū)域位于東經(jīng)102°05′-102°07′，北緯36°10′～37°02′之間，是所在省區(qū)中部，有高原構(gòu)造的東斜坡上以平鋪的形式存在。從全國角度分析，測試區(qū)域?qū)儆谶^渡區(qū)間，是西部高原與東部平原的交匯，并表現(xiàn)出了過渡地帶明顯的地勢特征。其次是礦區(qū)的地形地貌特征，測試位置處于整個(gè)礦區(qū)向斜北部，在區(qū)域的揚(yáng)起端軸部，接近邊界的位置有溶蝕殘丘出現(xiàn)，在測試區(qū)域的東面有溶蝕盆地出現(xiàn)，就整個(gè)礦區(qū)而言，測試區(qū)域的構(gòu)造更加傾向于盆地中心區(qū)的構(gòu)造特征，并在其中伴隨有噴水池巖。從地面的走勢分析，測試區(qū)域的地面呈現(xiàn)出北高南低的特點(diǎn)，由于其位于礦區(qū)的中心位置，因此地面的高程相對穩(wěn)定，在1010.85m～1014.15m 之間，最大高差約為4.3m。

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造特征

對于測試區(qū)域的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征，通過分析測試區(qū)域的歷史地質(zhì)資料信息，發(fā)現(xiàn)測試區(qū)域的地層主要包括淺表第三系覆蓋層和下伏四疊系基巖兩部分。具體如圖3 所示。其中，第三系覆蓋層的巖體構(gòu)成主要是花崗巖、顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的碎石巖漿巖以及隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的火山巖，對于具體的厚度，下伏基巖起伏對其表現(xiàn)出來明顯的控制作用，因此差異較大。而下伏基巖為四疊系中統(tǒng)松子坎組一段（T2sz1）中，主要構(gòu)成為厚層狀泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)石灰?guī)r，二者互層交匯的方式共生；在四疊系下統(tǒng)安順組二段和三段（T1a2+3）中，主要是厚層的狀白云巖，并出現(xiàn)的不同程度風(fēng)化，包括強(qiáng)風(fēng)化巖石和中風(fēng)化巖石兩種。

圖3 測試區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

在區(qū)域的NEE-NE 走向上，出現(xiàn)了張扭性的斷層結(jié)構(gòu)，橫穿測試區(qū)域，并形成了具有一定寬度的斷層破碎帶構(gòu)造，在基巖中以下伏四疊系SWW 的形式存在，表現(xiàn)出緩傾的可溶性。具體的斷層信息如表1 所示。

表1 測試區(qū)域斷層信息統(tǒng)計(jì)表

在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)白云巖和中厚層狀白云巖中伴隨有裂隙、溝槽、石芽、溶洞等溶蝕構(gòu)造，且發(fā)育程度較高，引起了基巖頂面的形變，有顯著的凹凸起伏變化趨勢。在巖溶空區(qū)，有充填物以富水的形式承載周圍構(gòu)造的壓力，導(dǎo)致開挖部分礦區(qū)的巖溶伴隨有明顯的突水現(xiàn)象。

3.1.3 地下水分布信息

最后測試區(qū)域的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，由于礦區(qū)位于巖溶富水地帶，因此地下水含量較為豐富。受區(qū)域向斜構(gòu)造的影響，地下水對東西向斷層造成了破壞，并且?guī)r體在長期的地下水沖擊下形成了貯水構(gòu)造，這為地下水的活動提供了良好的通道，并進(jìn)一步加速了巖溶裂隙的發(fā)育。從整體上進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)地下水流在向南傾伏的盆地中呈現(xiàn)出明顯的由北往南發(fā)展的趨勢。

3.2 勘查結(jié)果

在上述基礎(chǔ)上，本文采用多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)在測試區(qū)域設(shè)置了共計(jì)10 個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，以此進(jìn)行地質(zhì)勘探，并分析其勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性，其結(jié)構(gòu)如表2 所示。

表2 多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)探測結(jié)果

從表2 中可以看出，本文提出方法可以實(shí)現(xiàn)對煤炭礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的有效探測。

4 結(jié)論

煤炭資源需求的不斷增加使得對其的探測和開采研究受到了越來越多的關(guān)注，在實(shí)施開采工作前，對礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確的勘探分析對于提高施工的安全性具有重要意義。本文提出煤炭地質(zhì)勘探中多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了對礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，地下水以及煤炭資源分布情況的準(zhǔn)確獲取，為實(shí)際的開采施工工作的開展提供了重要保障。