地震勘探技術在礦井突水危險性預測評價中的應用

胡忠平 劉曉莎

（中國礦業大學〈北京〉地球科學與測繪工程學院，中國 北京 100083）

0 概述

我國煤炭資源十分豐富，已探明儲量占到世界的1/3，可采量和出口量均位居世界第二位，產量更是位居世界第一。豐富的煤炭資源的開采利用為我國經濟發展做出了重要的貢獻，解決了數千萬人的就業問題。但是，自建國以來，尤其是改革開放后的三十多年里，隨著經濟、科技的進步，人民生活水平的提高，對煤炭資源的索取也在逐年加大，而我國又人口眾多，環境承載著巨大的壓力，與此同時，我國的煤炭安全問題尤其是煤炭水害問題變得十分嚴重。

我國的煤炭資源主要集中在華北地區的石炭-二疊系煤田，這里的煤炭儲量占到全國儲量的70%，產量也能占到65%，但該地區的淺部上組煤經過幾十年的開采后已基本開采完畢，現在主要開采深部下組煤。隨著開采深度的加大，面臨的地質條件就越復雜，水害發生的頻率就越高，給生產、安全、經濟、管理等方面造成了嚴重的影響。

1 礦床充水條件分析

在自然條件下，煤層一般是不含水的，煤礦發生突水，必須具備一定的條件，這就是要有充足的充水水源、導通水源與煤層的涌水通道和一定的水壓。

1.1 充水水源

礦床充水水源包括自然的大氣降水、地表水、地下水及人為的老窯水等，將大氣降水作為主要充水水源的礦井，突水具有明顯的季節性和周期性特征，而地表水、地下水作為主要充水水源的礦井突水時，突水水量比較穩定，老窯水是指礦床體開采結束后，封存于采礦空間的地下水，屬于酸性的強腐蝕水，能破壞礦山設備，且這種水突水特點是短時間內大盆涌入礦井，具有很大危害性，而且比較隱蔽，不好排查，遇到以這種水為充水水源，則開采成本就要提高。

1.2 涌水通道

涌水通道是溝通水源與煤層的橋梁，主要包括點狀的巖溶陷落柱通道、線狀的斷層線以及窄條狀的隱伏露頭通道等。涌水通道是礦床充水的最主要的因素，也是最難以確定的要素，發生礦床涌水事件的大部分都是由于未探明導水通道導致的。

1.3 水壓

充水水源必須要有一定的水壓才能通過涌水通道進入煤層。

2 煤層突水危險性預測研究現狀

為有效解決礦井水害問題，對煤層突水危險性進行準確及時的預測評價，不同學者從不同角度出發，提出了一些行之有效的方法和理論，其中脆弱性指數法、突水系數法、Bp神經網絡判別法等均在現實中取得了有效的應用[1]，對煤礦的安全開采起到了很好的指導作用。這些方法關鍵都在于將采集到的突水因素數據經過一定的數據模型進行數據挖掘分類，進而判斷是否會發生突水。為準確獲礦井突水因素數據，主要物探方法有鉆井勘探、電法勘探以及地震勘探。其中鉆井勘探能直接獲取一手的詳細的地質數據，但價格高昂，且在井田范圍內分布密度低，無法準確獲取鉆孔之間巖體的變化情況，鉆井與鉆井之間的地質現象只能通過模擬獲得，難以有效、精確地控制井田內整個煤系地層的水文地質條件；目前，主要是利用電磁勘探方法進行煤礦地面水文地質調查工作，主要有電阻率法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)等，可以有效地確定低阻水異常的部位，但是電磁勘探方法存在的主要問題是具有體積勘探效應，無論是縱向分辨率還是橫向分辨率均較低，同時受地面電磁干擾的影響較嚴重，并且在井田范圍內，欲達到足夠高的密度和分辨率是不切實際的；地震勘探具有大面積密集采集信息的優勢，利用縱向高分辨率的測井信息，地震勘探可以從平面和立體角度研究地層的構造、巖性變化，從而對水文地質異常做出判斷，進而研究導水裂隙的分布及發育規律，為防治水提供決策依據[2]。

3 地震勘探技術的應用

3.1 地震勘探原理

在第二節的充水條件分析中可以看到，煤層防治水的關鍵在于探明礦區老窯水及涌水通道的分布。突水前的一個基本征兆是發生震耳的聲響，這是突水通道最終貫通失穩的前兆信息，其實就是該區的巖層斷裂和薄弱區域(已知和未知斷層、陷落柱等)活化，巖石破裂過程的試驗表明，巖體破裂過程是一個能量逐漸釋放的過程，將在巖體中產生彈性波，而對失穩前破裂信號的采集，是我們獲得失穩前兆信息并進行預測預報的物理基礎。地震勘探通過對采動巖體進行大范圍的監測、高精度震源定位和時空序列的描述，可以實時監測并反演破裂發生的空間位置、能量和發展動態，結合水源分布信息，實現突水危險性的預警[3]。

3.2 微地震基本定位方法

忽略深度后，近震三維空間微地震定位可作為平面微地震定位問題，在已知三個監測點坐標和地層介質傳播速度情況下，通過到達三個點的時間，采用三點定位幾何方法，就可確定震源位置。以O0為坐標原點（0，0），以 O1，O2和 O3為圓心 R，R+ΔR1，R+ΔR2，分別為半徑作圓，三圓交點即為震源，震源點的求解方程組為

式中，（x，y）為震源點在坐標系上的坐標；O1，O2和 O3井的坐標分別為（x1，y1），（x2，y2）和（x3，y3）；震源到井底，O1，O2和 O3的直線距離分別為R，R+ΔR1和R+ΔR2；震源點到井底O2和O3的距離與震源到井底O1距離的差值分別為ΔR1和ΔR2，地層中波傳播速度為V（m/s）；O2和O3相對v的時差分別為Δt1和Δt2。

3.3 突水危險臨場預警

由于具有實時監測的優勢，針對既定突水危險區實施臨場預警的最為直接的手段之一即微震監測及突水預測。下圖描述的是突水危險區超前預測與突水危險性臨場預警的研究思路。

4 結語

本文對煤礦開采過程中的水害問題以及目前的煤層水害預測評價技術進行了分析研究，著重介紹了地震勘探技術的原理、定位方法以及突水危險臨場預警的研究思路，目前地震勘探技術的主要問題還是在于精度不太高，但隨著技術的發展，高精度的地震勘探技術在礦井突水危險性預測評價方面的作用也將愈來愈顯要。

[1]武強，張波，趙文德，等.煤層底板突水評價的新型實用方法V：基于GIS的ANN型、證據權型、Logistic回歸型脆弱性指數法的比較[J].煤炭學報，2013,38(1):21-26.

[2]武喜尊.煤礦采區三維地震勘探技術[J].物探與化探，2004,28（1）：19-21.

[3]葉根喜，Peter Hatherly，姜福興，等.地球物理測井技術在煤礦巖體工程勘察中的應用[J].巖石力學與工程學報，2009,28(7)：1342-1351.