地球物理勘探技術(shù)在煤炭勘探領(lǐng)域中的應(yīng)用

周鋒

摘要：針對(duì)當(dāng)前煤田地球物理勘探的技術(shù)、方法、特點(diǎn)等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)多波多分量地震勘探、礦井高密度直流電法、礦井瞬變電磁法及地質(zhì)雷達(dá)多種技術(shù)和方法進(jìn)行了說(shuō)明，以更好的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)致災(zāi)地質(zhì)因素。

關(guān)鍵詞：煤炭開采;深部礦井;致災(zāi)地質(zhì);地球物理勘探

1 地面地震勘探

20 世紀(jì) 80 年代，我國(guó)在煤田勘探技術(shù)方面獲得突破，在技術(shù)方面引入 1 000 m 深鉆以及高分辨數(shù)字地震勘探技術(shù)，極大的促進(jìn)了我國(guó)煤炭技術(shù)的革新。隨后，物探工作者通過(guò)不懈的努力，又在 AVO 反演技術(shù)、三維三分量地震勘探技術(shù)等領(lǐng)域中取得成果，使我國(guó)在煤炭勘探技術(shù)方面逐漸形成了高分辨率三維地震勘探為主的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)體系。不過(guò)，這些技術(shù)相較于發(fā)達(dá)國(guó)家仍然存在差距，多數(shù)勘探技術(shù)都局限于對(duì)煤田的淺層勘探，而對(duì)深層勘探則仍然不夠精準(zhǔn)，勘探的深度通常不超過(guò) 800 m，埋深也多在 600 m以內(nèi)，對(duì)煤炭深層勘測(cè)仍然處于較低的水平，導(dǎo)致這種情況發(fā)生的原因在于深部地震數(shù)據(jù)的缺失，并且在深部地震的精度方面也存在薄弱環(huán)節(jié)，因而這些技術(shù)亟待進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行完善和改進(jìn)。

2 礦井地震勘探

1）井巷二維地震勘探。

井巷二維測(cè)線主要置于巷道的底板下面，以及巷道的兩側(cè)，在地震數(shù)據(jù)的采集和處理等方面與地面二維地震勘探技術(shù)相類似。

在具體進(jìn)行操作的過(guò)程中，必須要根據(jù)頂?shù)装迓暡▽傩詠?lái)進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，而后對(duì)檢波距與偏移距進(jìn)行選定，并按照測(cè)線的數(shù)據(jù)來(lái)放置炮點(diǎn)與檢波點(diǎn)，進(jìn)行有序的調(diào)整和排列，通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地震數(shù)據(jù)的采集。

2）震波超前探測(cè)。

如今，國(guó)內(nèi)外地震超前預(yù)報(bào)技術(shù)中，通常所采用的是繁盛地震法，并且這種方法在隧道工程中的應(yīng)用較為廣泛。我國(guó)國(guó)內(nèi)在超前預(yù)報(bào)技術(shù)方面的方法也較多，有水平剖面法、負(fù)視速度法等。國(guó)外在震波超前探測(cè)技術(shù)方面相對(duì)更加完善，并且很多技術(shù)都已經(jīng)在全球范圍內(nèi)進(jìn)行推廣，比如瑞士的 TSP203 技術(shù)、美國(guó)的 TRT，TSP 技術(shù)等，這些地震偏移成像技術(shù)都是利用了地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)等方面的知識(shí)原理，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)施更加準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)。由于在煤礦勘探中，井下條件復(fù)雜多變，能夠進(jìn)行觀測(cè)的空間受到極大的限制，因而必須要在有限的空間來(lái)完成勘探工作，在巷道的內(nèi)部需要盡量多安置激發(fā)和接收點(diǎn)，從而能夠使相關(guān)的數(shù)據(jù)信息更加全面而豐富，提高煤炭勘探偵測(cè)的效果，從而更加全面的為煤礦開采提供便利條件。

3）瑞利波勘探。

瑞利波在激發(fā)界面周圍進(jìn)行傳播的面波，其工作方法是發(fā)出瑞利面波的信號(hào)，并對(duì)反饋回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)對(duì)已經(jīng)采集獲得的資料進(jìn)行處理，從而通過(guò)頻率面波來(lái)獲得相應(yīng)的速度 VR 與波長(zhǎng) λA，并根據(jù)離散分布曲線獲得巖層的土質(zhì)分析，使巖層分布結(jié)構(gòu)以及土層分析等相關(guān)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)。為了能夠更好的實(shí)施上述工作，在激發(fā)采集的方式上存在兩種類型，一是瞬態(tài)法，二是穩(wěn)態(tài)法。如今，在礦井作業(yè)的過(guò)程中通常所采用的都是瞬態(tài)瑞雷波法。通過(guò)瑞雷波勘探技術(shù)，能夠?qū)Φ叵?30 m 以內(nèi)的巖層構(gòu)造以及地質(zhì)分布情況完成更好的成像，并且能夠有效彌補(bǔ)反射波勘探表層分辨能力弱的缺陷。

4）槽波勘探。

槽波地震勘探技術(shù)的原理是通過(guò)煤層中來(lái)進(jìn)行激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，能夠?qū)γ簩拥倪B續(xù)性進(jìn)行更加科學(xué)的勘探。槽波地震勘探的測(cè)距較大，并且精度非常高，同時(shí)擁有良好的抗電干擾能力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在槽波探測(cè)技術(shù)方面以及旁側(cè)構(gòu)造探測(cè)技術(shù)方面都取得了很多成績(jī)。此外，在 CT 成像技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)等方面也取得了階段性的進(jìn)展。

3 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)勘探主要是通過(guò)電性參數(shù)的差異性來(lái)進(jìn)行勘探的一項(xiàng)技術(shù)，由于地下介質(zhì)的介電常數(shù)、電阻率等電性參數(shù)有所不同，采用高頻電磁脈沖波的反射，來(lái)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行勘探，從而能將地下巖層、水體、空洞等不均勻介質(zhì)的分布情況清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。20 世紀(jì) 90 年代至今，礦井地質(zhì)雷達(dá)已經(jīng)相繼在我國(guó)開灤、大同、平頂山等大型煤礦實(shí)施勘探作業(yè)，對(duì)近距離的巖體結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行勘測(cè)分析更加直觀，獲得了良好的效果。

4 高密度電阻率法

電阻率法主要是基于巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性所形成的一項(xiàng)勘探技術(shù)，通過(guò)對(duì)地中穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行分析，從而能夠更加準(zhǔn)確的將一些地質(zhì)問(wèn)題呈現(xiàn)出來(lái)。高密度電阻率法是以電阻率法為核心所形成的，相較于常規(guī)電阻率法所具有的優(yōu)勢(shì)在于其測(cè)點(diǎn)的密度更大，在極距和裝置形式方面相對(duì)更多，同時(shí)還能夠根據(jù)相關(guān)參數(shù)的比值來(lái)對(duì)異常信息進(jìn)行判定。比較常見(jiàn)的比值參數(shù)主要有兩種，一是采用溫納三電位電極系的 α，β，γ 裝置進(jìn)行測(cè)量后，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行組合所形成的;二是采用聯(lián)合三級(jí)裝置來(lái)進(jìn)行測(cè)量，而后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行組合所形成的。這兩種比值參數(shù)能夠?qū)⒏鞣N異常特征更加直觀的呈現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)通過(guò)這些比值參數(shù)，還能夠?qū)Ω鞣N異常狀況進(jìn)行更好的判斷，具有一定的抑制干擾能力，對(duì)分解復(fù)合異常也能夠有所體現(xiàn)，這些也是常規(guī)電阻率法所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

5 礦井瞬變電磁技術(shù)

礦井瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁法，這種探測(cè)技術(shù)同時(shí)也是非接觸式探測(cè)技術(shù)中的一種，其探測(cè)原理首次用電磁波來(lái)對(duì)空間斷面的大小進(jìn)行探測(cè)，第二次勘測(cè)使信號(hào)強(qiáng)度增加，也就是提高電磁波發(fā)射功率，使瞬變電磁法的強(qiáng)度增加，加大對(duì)順層以及垂直勘探的深度。不過(guò)，由于受到全空間磁場(chǎng)效應(yīng)以及巷道內(nèi)空間分布的影響，對(duì)瞬變電磁法形成極大的制約，因而需要通過(guò)數(shù)值模擬才能夠?qū)ΧS、三維地質(zhì)異常體所形成的響應(yīng)特征更加清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，因而對(duì)于瞬變電磁技術(shù)的研究仍然有待進(jìn)一步深化。

6 無(wú)線電波透視技術(shù)

無(wú)線電波透視法也被叫做坑透法，指的是向地下地質(zhì)體發(fā)射高頻無(wú)線電波，由于受到地質(zhì)介質(zhì)的影響，無(wú)線電波的強(qiáng)度逐漸衰減，通過(guò)這種方式來(lái)對(duì)地質(zhì)異常體的位置和形態(tài)進(jìn)行勘探的方法。

無(wú)線電波透視技術(shù)主要是在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷之間實(shí)施的，在巷道中設(shè)置接收體，對(duì)穿透地面的電磁波信號(hào)進(jìn)行接收，如果電磁波在穿透地下介質(zhì)的過(guò)程中，尤其是水構(gòu)造時(shí)，在接收點(diǎn)處所接收到的信號(hào)衰弱顯著。在采用多發(fā)射點(diǎn)以及多接收點(diǎn)的情況下，能夠較好的對(duì)地下地質(zhì)異常體的位置以及形態(tài)有更加清晰的認(rèn)識(shí)。坑透法在當(dāng)前我國(guó)礦井中的使用比較普遍，在操作上也更為簡(jiǎn)單，對(duì)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)如斷層、含水裂隙、陷落柱、煤層變薄區(qū)等的探測(cè)效果非常顯著。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，每天地球物理勘探技術(shù)所取得的成果非常顯著，對(duì)地下地質(zhì)的勘探精度更高，依托于我國(guó)強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，無(wú)論是勘探技術(shù)還是勘探人員的素質(zhì)都得到了大幅的提升，這些使勘探技術(shù)中的科技含量有所增加。如今，我國(guó)各大煤礦都在結(jié)合自身的實(shí)際情況來(lái)選擇更加合適的物探方法，對(duì)地下地質(zhì)進(jìn)行勘探也更加精準(zhǔn)，采用地震勘探手段能夠?qū)睖y(cè)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)育狀況、頂?shù)装鍘r性、煤層厚度等進(jìn)行更加全面的定位并成像，而采用磁法勘探技術(shù)則能夠?qū)γ簩踊馃齾^(qū)邊界進(jìn)行精準(zhǔn)的勘測(cè)。盡管我國(guó)物探技術(shù)在不斷發(fā)展，并且已經(jīng)進(jìn)入相對(duì)成熟的階段，然而與發(fā)達(dá)國(guó)家的物探技術(shù)相比仍然存在較大差距，在未來(lái)仍然需要進(jìn)行較高的投入，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)不斷嘗試新的方法，并使之形成完整的技術(shù)體系，從而使地球物理勘探技術(shù)能夠更趨成熟，為煤田勘探和其他領(lǐng)域的地質(zhì)勘探提供更加全面的服務(wù)，并以此創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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（作者單位：新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì)）