高突礦井地質異常體快速精細探測技術

溫亨聰，李學臣，溫英明

（焦作煤業（集團）有限責任公司科學技術研究所，河南焦作 454002）

我國部分礦井為煤與瓦斯突出礦井，水文地質條件復雜，煤層及頂底板巖層內斷層、褶曲、破碎帶等地質構造區不均衡分布，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、應力集中區和構造煤發育區，隨采掘活動的進行，容易發生瓦斯事故[1-2]。為保障煤礦的安全生產，礦井采掘工作面急需探明煤巖層中易發生災害事故的斷層、裂隙等地質異常體，為礦井生產設計、災害治理提供依據[3]。

目前，國內外對礦井地質構造探測通常采用鉆探法、無線電坑透法和地震法等[4]。其中，鉆探法具有結果直接、準確的優點，多應用于各種災害防治工程，缺點是探測距離有限、控制區域多呈點線狀范圍較小、工程量大、施工周期長、費用高、影響礦井生產進度；無線電坑透勘探方法優點是技術成熟、儀器輕便、施工高效、資料處理解釋快速、異常定位效果較好，缺點是只能探查采煤工作面內部的地質構造分布信息，且存在邊緣區域分辨率下降、探測精度一般、異常范圍易擴大化和抗電干擾能力弱等問題；地震勘探方法優點是探測距離大、分辨率高、準確率高、抗電干擾能力強、最終成果直觀，多用于工作面內部及外圍地質構造異常體探查，缺點是隨著瓦斯或高突礦井采區向深部延伸，煤層瓦斯含量增大，物探施工時多次放炮的安全風險和隱患逐步增大，促使地震法在高突礦井勘探時必須減少炮點及炸藥量并嚴格按照礦井相關放炮規程進行作業，導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。地震法對地質異常體的探測屬于反射法地震勘探范疇，通常采用回波測量原理，其原理是在巷道側幫指定的震源點，利用機械或炸藥等震源激發產生地震波，并在煤巖層中以球面波形式傳播，當遇到斷層、巖石破碎帶、煤厚變化帶和巖性界面等物性界面時，一部分信號反射回來、一部分信號折射進入探測方向前方介質，反射回來的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接收。通過分析反射波的能量強弱、相位等各種信息特征即可判斷探測區域內的斷層、破碎帶、巖性界面等的性質及其分布狀況[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）無線電坑透。無線電坑透勘探是基于高頻無線電波在地下不同介質中傳播時的差異性衰減特征來判斷介質特征[10]。電磁波在地下介質中傳播時，斷層、破碎帶和陷落柱等地質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衰減區域，通過分析各衰減區的范圍、強弱等特點并結合地質資料進行綜合判斷，就可推斷和解釋出工作面內部存在的斷裂構造帶位置、圈定陷落柱和薄煤帶等的巖性變化范圍。

2 技術工藝

高突礦井地質異常體快速精細探測技術綜合應用了以錘擊激發為震源、以短排列滾動式探測為基礎的便攜式震法和高密度精細無線電坑透法2 種勘探技術，融合地震勘探靈活、準確率高、分辨率高和無線電坑透勘探施工便捷、快速高效的優點，研發了便攜式震法勘探、保障式全面勘探、精細高效對比勘探等創新工藝。

2.1 便攜式震法勘探工藝

便攜式震法勘探工藝是在傳統礦井地震法的基礎上，結合錘擊激發為震源、滾動式短排列探測為測量方式等震法優化工藝而形成的一種改進勘探方法。以錘擊激發為震源，可以有效解決傳統放炮震源地震勘探技術難以在高突礦井應用的技術瓶頸，消除井下物探施工時放炮給高突礦井帶來的安全隱患，為高突礦井的地質異常體探測領域作出重要突破[11]。滾動式短排列探測方式通過有效的相位對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，在單邊排列的基礎上選定最佳偏移距（即最佳反射窗口），采用多道疊加小步長順移前進觀測系統，同時應用小道間距的偏移成像技術，通過多道接收，在給定速度等參數后將地震時間剖面轉換成空間剖面，實現增強有效波、壓制干擾波的目的，滾動式短排列探測示意圖如圖2。

圖2 滾動式短排列探測示意圖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線電坑透法和便攜式震法為手段精細探查工作面內部及外圍100 m范圍內煤巖層中裂隙、斷層等地質構造分布信息，做到工作面內、外全覆蓋，分析地質異常體（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、煤層異常增厚區和長軸大于15 m 的陷落柱等）對工作面回采的影響性和威脅性，為礦井災害防治方案的制定提供依據。

2.3 精細高效對比勘探工藝

精細高效對比勘探是高密度無線電坑透快速普查式探測和便攜式震法重點精細化探測的高效組合應用，先利用無線電坑透法對整體目標區域進行普查式探測，圈出重點、難點異常區域，再利用便攜式震法對重難點區域實施精細對比探測，可大幅度節省施工時間、提高物探成果的精細度和可靠性，確保地質異常體的高效、精細探測。

高密度精細無線電坑透勘探采用的是坑道電磁波法中的定點法，其具有定點發射，多點接收的特點：探測時發射機的位置在一定的時間內相對固定，接收機在一定的范圍逐點觀測其場強值，是井下常用的觀測方法，尤其對形狀不規則工作面的探測效果明顯，高密度定點法示意圖如圖3。

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

采用這種觀測方法，通過加密發射點距和接收點數，提高射線疊加密度，同時在勘探區首尾兩側區域加密布置探測點，力求勘探射線布滿整個勘探區域，減少空白區，并能運用兩巷定點交匯法，根據坑透綜合曲線圖，具體確定地質異常體的性質和空間位置及大小。

3 技術優勢

1）錘擊為震源，消除安全隱患。便攜式震法以錘擊激發為震源、以滾動式短排列探測為測量方式，可以有效解決傳統放炮震源地震勘探技術難以在高突礦井應用的技術瓶頸，消除井下物探施工時放炮給高突礦井帶來的安全隱患。

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

3）重難點分區探測，保障物探高效、準確。精細高效對比勘探以高密度無線電坑透快速普查式探測和便攜式震法重點精細化探測為抓手，實施重難點分區探測：先利用無線電坑透法對整體目標區域進行普查式探測，圈出重點、難點異常區域，再利用便攜式震法對重難點區域實施精細對比探測，節省施工成本和時間、提高物探成果的精細度和可靠性，確保地質勘探工作更加高效、準確。

4 工程實例

焦作煤業（集團）有限責任公司古漢山礦1704工作面煤層瓦斯含量高，煤巖層附近斷層、裂隙等地質異常體發育。根據1704 工作面巷道掘進資料顯示，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部延伸。工作面回采前急需查明工作面內可能存在的斷層、陷落柱、薄煤帶等地質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，為工作面的災害治理及安全順利回采提供參考依據。

4.1 施工布置

本次1704 工作面地質異常體探測采用重難點分區探測，先利用無線電坑透法對整體目標區域進行普查式探測，圈出重點、難點異常區域，再利用便攜式震法對重難點區域實施精細對比探測。

4.1.1 高密度無線電坑透探測施工布置

高密度無線電坑透勘探加密了發射點距和接收點數，發射點距為30 m，接收點距為10 m，每個發射點對應15 個接收點，完成探測區域為520 m（走向）×190 m（傾向），高密度無線電坑透勘探布置圖如圖4。

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

4.1.2 便攜式震法探測施工布置

針對高密度無線電坑透法圈出的重點、難點異常區域，礦方分別在1704 工作面切眼里幫、回風巷下幫、運輸巷上幫及運輸巷下幫4 處區域實施便攜式震法精細對比探測，施工時采用單邊排列多道疊加小步長順移前進觀測系統，激發點和接收點呈線性排列布置，逐點錘擊激發、多道接收。4 處區域震法施工均采用滾動式短排列探測為測量方式，每個排列布置1 個錘擊點和6 個檢波器點，1 點激發6道同時接收，錘擊點與第1 個檢波器的間距（最小炮間距）為5 m，檢波器間距（道間距）為5 m；1 個排列施工完畢后平移5 m 進行下1 個排列施工，2 個排列錘擊點的間距（移動步距）為5 m，炮檢距、道間距等參數均相同，以此類推完成每處現場數據采集，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 勘探結果

4.2.1 高密度無線電坑透探測結果

古漢山礦1704 工作面的無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依次為紅色、黃色、綠色和藍色等。電磁波衰減越明顯（顏色越藍）表示該處存在斷層、陷落柱、裂隙發育區、薄煤區等地質異常體的可能性越大。可以看出，勘探范圍內存在1 個坑透異常區，標記為K1，屬于電磁波能量較高強度吸收區，異常范圍中等，結合已知地質資料和坑透異常特點分析認為：此異常區主要系煤巖層斷裂破碎、裂隙發育區或煤層變薄區的綜合反映。

圖6 無線電波透視勘探成果圖Fig.6 Results of radio wave perspective exploration

4.2.2 便攜式震法探測結果

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 中顯示了探測范圍內煤巖層各處的地震波能量（振幅）大小，能量（振幅）越大（正相位對應區域的顏色越偏紅色、負相位對應區域的顏色越偏藍色）表示附近存在地質界面或地質異常體（如斷層、裂隙發育區、薄煤帶等）的幾率越大；能量（振幅）越小（對應區域的顏色越偏白色）表示附近煤巖層的巖性越均勻。可以看出，勘探范圍內存在2 個地質異常區，分別標記為D1和D2。這2 個異常區均為條帶狀分布，異常范圍中等，結合已知地質資料和高密度無線電坑透勘探成果分析認為：D1和D2分別為工作面已揭露正斷層F1522、F1521在煤層內部的延伸分布的反映。

4.3 驗證情況

礦方綜合高密度無線電坑透法和便攜式震法的勘探結果，對D1和D22 處異常區采取鉆探驗證，對K1異常區采取回采驗證。結果顯示：在工作面切眼、回風巷、運輸巷靠近地質異常區的對應位置布置鉆機進行探驗，鉆機施工至D1、D2異常區附近時，鉆頭頻發卡鉆，煤層顯著破碎，證實了地質異常體的存在，且經過工作面回采實揭驗證，地質異常體為已揭露斷層F1522、F1521在煤層內部的延伸分布的反映，物探結論準確、可靠，工作面驗證結果圖如圖8。

圖8 工作面驗證結果圖Fig.8 Result diagram of working face verification

5 結 語

1）便攜式震法工藝是在傳統礦井地震法的基礎上改進的勘探方法，其融合了以錘擊激發為震源、以滾動式短排列探測為測量方式等震法優化工藝，可有效消除井下物探施工時放炮給高突礦井帶來的安全隱患。

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

3）高效組合應用高密度無線電坑透快速普查式探測和便攜式震法重點精細化探測，實施重難點分區探測，先利用高密度無線電坑透法對整體目標區域進行普查式探測，圈出重點、難點異常區域，再利用便攜式震法對重難點區域實施精細對比探測，保障地質勘探工作更加高效、準確。