技術(shù)重塑未來 創(chuàng)新引領(lǐng)世界

用“淺部”造深井探測儀

過去一個世紀(jì)，我國地震學(xué)在了解地球結(jié)構(gòu)方面取得了很大的進(jìn)展。最早探索地球深部結(jié)構(gòu)的是來自英國的地質(zhì)學(xué)家奧爾德姆，他在1906年時首先利用地震穿過地球的時間來推斷整個地球構(gòu)造。3年后，莫霍洛維奇根據(jù)地震初至波的走時，發(fā)現(xiàn)莫霍界面。1914年，古登堡根據(jù)地震體液“影區(qū)”的進(jìn)一步研究確認(rèn)了地核的存在，測定了核幔間斷面深度，推斷出地核是液態(tài)的。到了1936年，萊曼通過對體液“影區(qū)”的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)了在液態(tài)的地核中還有一個固態(tài)內(nèi)核。51年后，IASPEI（國際地震學(xué)與地球物理學(xué)協(xié)會）推動了新的走時表編制，同時，還推出了IASP91和AK135模型機(jī)相應(yīng)走時表。而我國直到1996年才開始研究地球結(jié)構(gòu)。

“淺部”研究是有關(guān)地球結(jié)構(gòu)研究中的一個重要部分，人們把對地球“淺部”的研究成果應(yīng)用在油氣資源和能源探測方面，并取得了非常大的進(jìn)展。有許多國家開展了以地殼為探測目標(biāo)的大型科學(xué)計劃，如美國大陸反射剖面計劃、英國的辛迪加計劃、加拿大的巖石圈探測計劃等。尤其是近年來美國的EarthScope計劃將政府、高校和產(chǎn)業(yè)部門密切結(jié)合，為基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究提供了一個綜合平臺，取得了較好的結(jié)果。

同時，勘探地震學(xué)者運用對地球“淺部”的研究成果發(fā)明出了深井探測儀器。探測儀器起初只進(jìn)行了簡單激發(fā)接收的探索，后來又進(jìn)行了簡單激發(fā)復(fù)雜處理，并從單道擴(kuò)大到萬道擴(kuò)大，還對疊加、偏移、全波形反演等情況開展了處理研究。

隨著處理難度的不斷擴(kuò)大，越來越多的物理及數(shù)學(xué)精英也加入到了這個行列中來。其中，不乏有人設(shè)想探索復(fù)雜激發(fā)處理的方法，我國科學(xué)家就是其中的精英。2009年，我國首次進(jìn)行了人工水體試驗，沒想到一次性成功。隨后，又通過探測到地下結(jié)構(gòu)的變化，開始啟動“地學(xué)長江計劃”。經(jīng)試驗后發(fā)現(xiàn)，深井探測儀器不僅可以大規(guī)模推廣運用，還可以在煤礦井底利用氣槍的原理解決現(xiàn)有的環(huán)境問題。

新型探測儀器解難題

我國是世界上人口最多的國家，但我國的水資源形勢嚴(yán)峻，尤其是在中北方，干旱半干旱的許多地區(qū)和城市，地下水成為重要的甚至唯一的水源。全國有近400個城市開采地下水作為城市供水水源，300多個城市存在不同程度缺水，其中，嚴(yán)重缺水的城市有188個。為了解決嚴(yán)重的缺水問題，研究人員對井下打水采用了地磁場磁共振探測儀器的方法。

地磁場磁共振探測儀器主要是用于地下水探測水源性質(zhì)災(zāi)害核磁測井，探測獲取水文地質(zhì)參數(shù)。地磁場磁共振探測儀器利用了核磁共振與瞬變電磁波場聯(lián)合成像方法，用瞬變電磁場突破了晨狀孔隙水探測深度150m的技術(shù)瓶頸，勘探達(dá)到了400m，解決了深度淺的難題。同時，研究人員還研發(fā)出了米級天線，它主要利用米級天線理論研究為基礎(chǔ)，不僅能夠完成天線的野外試驗，還適用于目前低場磁核共振，能夠有效獲得地下水核磁共振信號的最小型天線。如今，研究人員在探測天線直徑上分別做到了6米級、4米級、2米級。目前國際上應(yīng)用地下水探測線圈最小尺寸為25米。

地磁場磁共振探測儀器是我國新研發(fā)的地球物理儀器，它在我國國防、資源探測、自然災(zāi)害監(jiān)測和工程質(zhì)量監(jiān)測等領(lǐng)域中起到了不可忽視的作用。目前，國際上的地磁場磁共振探測地球物理儀器主要發(fā)展方向是多功能化、輕便化、智能化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化。

多年來，我國地球物理儀器發(fā)展堅持適當(dāng)引進(jìn)與自主創(chuàng)新相結(jié)合、研產(chǎn)用相結(jié)合，形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、多學(xué)科交叉融合的研制體系，不僅提高了工藝水平，還進(jìn)一步重視地球深部探測、航空物探、海洋探測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和國防工程領(lǐng)域的地球物理儀器開發(fā)和研制；發(fā)揮了學(xué)術(shù)組織的特殊作用，集中力量組織攻關(guān)，在關(guān)鍵領(lǐng)域中形成我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)地球物理技術(shù)。

煤炭行業(yè)需不斷改革創(chuàng)新

人類開采煤炭的歷史相當(dāng)長遠(yuǎn)。煤炭是化石能源家族中數(shù)量最多、品種最多、使用歷史最長的一次性能源。早在山頂洞人時，就開始用煤取暖，古人很早便開采煤炭用作燃料并用它來從事手工冶煉，以繁榮經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)社會發(fā)展。公元2～3世紀(jì)時，羅馬人在英國留下了燒煤的痕跡。煤炭更是英國工業(yè)革命的動力源泉，1760年蒸汽機(jī)的發(fā)明使煤炭替代木材嶄露頭角，成為世界上的主導(dǎo)能源。

1875年，焦炭取代了木材用于煉鋼。1885年前后用于發(fā)電，從此世界進(jìn)入了“煤炭時代”。1975年以后，因需求量在迅速增長，煤炭的開采與應(yīng)用再度活躍，特別是自20世紀(jì)下葉至今發(fā)展迅猛，在世界能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)很重要的地位。至今人類已采掘了2400億噸以上的煤炭，在20世紀(jì)的100年間全球累計生產(chǎn)煤炭達(dá)2282.5億噸。

從古至今，能源在經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)境這3大問題中具有舉足輕重的地位，而科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步卻為人類的能源選擇創(chuàng)造了條件并使能源構(gòu)成不斷趨于合理。當(dāng)今在煤炭能源發(fā)展的征程上，煤炭產(chǎn)出面臨著瓦斯、水體、塌陷“三大殺手”的威脅，在煤炭勘察、開發(fā)和利用方面必須強(qiáng)化向第二深度“挺進(jìn)”，這是能源戰(zhàn)略儲備，也是一個國家民族經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然之路。

面對快速發(fā)展的煤炭消費、更為嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，中國必須大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，特別是潔凈煤發(fā)電技術(shù)，應(yīng)該盡可能地采用先進(jìn)的裝備提高利用率，實行全過程污染控制，以保證在中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時環(huán)境能得到改善，能源利用率得到提高。在煤炭礦井下，可以利用電磁波場響應(yīng)來解決參數(shù)測井的問題。同時，還必須建立起可靠的長期供給的能源戰(zhàn)略后備基地。

如今，我國在煤炭領(lǐng)域中還是缺乏一個較為完善的可預(yù)測能源勘探、開發(fā)、利用和平衡進(jìn)出口量的發(fā)展路線圖。現(xiàn)在，煤炭形勢嚴(yán)峻，煤炭企業(yè)必須要盡快制定一個適合于國情的中、長期能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃與戰(zhàn)略路線圖。煤炭企業(yè)要本著轉(zhuǎn)變理念，本著煤炭產(chǎn)業(yè)安全、高效、清潔、低碳的道路，才是發(fā)展的根本路徑，這樣才能做到山西煤業(yè)低碳引領(lǐng)、創(chuàng)新驅(qū)動，打造國家煤基科技與產(chǎn)能新的高地。

瞬變電磁法可精細(xì)探測

早在20世紀(jì)30代，瞬變電磁法就由前蘇聯(lián)科學(xué)家提出，當(dāng)時，煤礦采用的還是遠(yuǎn)區(qū)工作模式。到了1933年，美國科學(xué)家對不同電導(dǎo)率地層界面之間電磁波反射信號與地震反射波信號的相似性進(jìn)行了大量的實驗和比較，最先提出利用電流脈沖激發(fā)供電偶極形成時域電磁場方法。到了20世紀(jì)50～60年代，蘇聯(lián)科學(xué)家已成功地完成了瞬變電磁法的一維正、反演，建立了瞬變電磁法的解釋理論和野外工作方法。隨后，瞬變電磁法才開始進(jìn)入實用階段。我國研究時已到了20世紀(jì)70年代。

瞬變電磁法技術(shù)主要是用于勘探煤炭礦井、高速公路、橋梁以及高層建筑的選址、地下洞體的工程勘察與入浸等地址方面的調(diào)查。那什么是瞬變電磁法呢？它是指一種時間域的電磁探測方法，介質(zhì)在一次電流脈沖場激勵下會產(chǎn)生渦流，但在脈沖間斷期間渦流不會立即消失，周圍空間會隨時間形成衰減的二次磁場。同時，二次磁場還可以通過接收線圈測量的磁場空間分布形態(tài)來了解異常體的空間。同時，它還將地震勘探儀器及方法引入了進(jìn)來，通過發(fā)展多通道電磁法、陣列式觀測，實現(xiàn)多次空間迭加和多次覆蓋，真正地做到衛(wèi)星定位、同步、大功率管控制技術(shù)、微波通訊技術(shù)等。

在煤礦礦井下采用瞬變電磁法不僅反應(yīng)靈敏、體積效應(yīng)小，還能加快工作效率、探測距離大、施工方便快捷，通過井下現(xiàn)場實驗觀察，還能規(guī)避干擾。其中，設(shè)備器件還具有耐高溫、高寒技術(shù)、多功能化先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及可視化軟件，高溫超導(dǎo)磁探頭和提高磁場探測來提高靈敏度。同時，瞬變電磁法的應(yīng)用領(lǐng)域還突破了煤田奧陶世紀(jì)灰?guī)r深部復(fù)雜含水體、煤礦干擾數(shù)據(jù)觀測、復(fù)雜地形情況下的施工測量及煤礦地下對高電阻特性的目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)探測。