大地極化子勘探技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用初探

李進(jìn)寶，梁玉森，柴利娜

大地極化子勘探技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用初探

李進(jìn)寶1，梁玉森1，柴利娜2

（1.西安榮巖地質(zhì)勘探有限公司，西安 710021；2.西安源豐城工程咨詢有限公司，西安 710021）

大地極化子勘探技術(shù)是利用非線性大地極化子場研究巖石應(yīng)力形成現(xiàn)狀的地球物理方法，是一種被動(dòng)源地球物理勘探新技術(shù)。文章通過大地極化子勘探技術(shù)在韓城某煤礦的隱伏構(gòu)造和煤層產(chǎn)狀勘測試驗(yàn)成果，分析研究了該勘探技術(shù)在煤礦地質(zhì)領(lǐng)域具有成本低、效率高、對生態(tài)環(huán)境影響甚微等優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

地球物理；大地極化子；煤礦；地質(zhì)構(gòu)造

近年來隨著非傳統(tǒng)的電磁勘探技術(shù)不斷革新，大地極化子勘探技術(shù)在地質(zhì)、礦產(chǎn)領(lǐng)域逐漸被業(yè)界所認(rèn)可。該技術(shù)最早被應(yīng)用于石油天然氣的勘探普查工作中，也取得了很好的效果，在煤礦領(lǐng)域的勘查還處于摸索階段。因此，針對煤礦領(lǐng)域勘查的特點(diǎn)和難點(diǎn)，如何通過大地極化子勘探技術(shù)解決煤礦勘查、開發(fā)過程中的疑難問題，值得我們深入研究。

大地極化子勘探技術(shù)在對地質(zhì)構(gòu)造的研究中有其自身的優(yōu)勢，尤其對地層和巖體的受力和破壞情況十分敏銳，可適應(yīng)復(fù)雜地形，勘探深度深且精度高。此研究項(xiàng)目主要查明礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造分布（煤層走向、斷裂帶分布）、奧灰水分布位置、瓦斯氣分布位置等。

1 大地極化子勘探技術(shù)

大地極化子勘探技術(shù)是由著名科學(xué)家阿·沃羅畢耶夫提出的“地球天然脈沖電磁場”理論發(fā)展而來，為一種被動(dòng)源地球物理勘探技術(shù)（2010，趙東）。并于2000年開始進(jìn)行野外試驗(yàn)。至今為止在全世界范圍內(nèi)超過25個(gè)國家和地區(qū)進(jìn)行了勘測工作，形成了完整的勘測理論與工作方法。

技術(shù)的核心原理在于物質(zhì)的能量釋放。物質(zhì)在受激發(fā)的情況下會(huì)引起物質(zhì)熱力學(xué)狀態(tài)的損壞。激發(fā)一種物質(zhì)可以通過多種不同的方法，其中包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在含有復(fù)雜晶格體的固體中，存在著兩種類型的機(jī)械振動(dòng)——聲振動(dòng)和光振動(dòng)（2014，胥值禮,孟慶敏,催志強(qiáng)等）。后者的特征是晶胞中的原子在振動(dòng)中會(huì)相互靠近，因此他們的振動(dòng)在離子晶格中偶極子晶格變化，也就意味著電磁波的產(chǎn)生。

大量研究和試驗(yàn)證明，任何作用到巖石上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象。介質(zhì)在地層應(yīng)力、巖石應(yīng)力最大的部位，表現(xiàn)的也最為活躍。地殼處于靜態(tài)壓力的作用之下，也就是說隨時(shí)間緩慢的推移而發(fā)生變化的壓力。我們所討論的大部分電磁信號(hào)都在這種狀態(tài)下產(chǎn)生，與此同時(shí)，在晶格缺陷產(chǎn)生和消除的時(shí)候會(huì)隨之產(chǎn)生晶格振動(dòng)，所固有的整條波譜段，從0頻率開始。不同頻率范圍的振動(dòng)具有不同的耗散因數(shù)，并且大部分振動(dòng)會(huì)傳到具有平衡熱能譜的地表。但是在試驗(yàn)中所觀察的電磁波自動(dòng)加速機(jī)制，可以解釋電磁波在地殼中的超長傳播。技術(shù)側(cè)重于輻射產(chǎn)生和傳播的非線性過程條件下信號(hào)的記錄，它可以讓我們研究地質(zhì)和探查礦產(chǎn)資源范圍到達(dá)更大的深度（基巖、莫霍面）。

2 大地極化子勘探技術(shù)在韓城某煤礦中的應(yīng)用

2.1 礦區(qū)概況

韓城某煤礦位于韓城礦區(qū)南部，煤礦距韓城市區(qū)4km，交通便利。井田走向長15km，傾向長2.5km。含煤地層為石炭系太原組和二疊系山西組，含煤地層總厚106m，含煤12層，可采煤層4層，礦井目前主采3號(hào)、5號(hào)煤層，主采煤層穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

韓城某煤礦建于1970年，最初為西安礦業(yè)學(xué)院教學(xué)井，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力21萬噸。通過多次升級改造，礦井設(shè)計(jì)能力達(dá)240萬噸。其中配套建有一座入洗能力為240萬噸的選煤廠和一座5×500kW的瓦斯發(fā)電廠。礦井地處渭北煤田東部邊緣、韓城礦區(qū)南側(cè)，井田面積27.2km2，可采儲(chǔ)量1.01億噸，設(shè)計(jì)服務(wù)年限60年。目前開采煤層為3號(hào)、5號(hào)煤層，以貧煤為主。礦井開拓方式為平峒-暗斜井，開采水平+150m，現(xiàn)有二個(gè)綜采工作面，三個(gè)綜掘工作面，采掘機(jī)械化程度達(dá)到100%。

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目的任務(wù)及目的

應(yīng)用大地極化子勘探技術(shù)對韓城市某煤礦的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行勘查研究，經(jīng)資料收集、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)數(shù)據(jù)分析（數(shù)據(jù)反演、構(gòu)造解譯）、綜合研究，得到該研究區(qū)的地層構(gòu)造、煤層空間分布形態(tài)、斷層構(gòu)造分布等，最后通過該區(qū)域內(nèi)已有的鉆孔資料對比研究從而驗(yàn)證該方法的優(yōu)勢和不足，為技術(shù)的改進(jìn)提供實(shí)踐依據(jù)。本次試驗(yàn)項(xiàng)目以求達(dá)到以下目的：查明該研究區(qū)的斷層構(gòu)造分布；查明該研究區(qū)的地層空間展布；預(yù)測集水區(qū)及煤層氣聚集位置。

2.3 試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施

通過前期實(shí)地踏勘和煤礦方面的溝通，綜合各方面的因素最終選擇該煤礦鉆孔控制程度較好的區(qū)域（161#鉆孔和構(gòu)5鉆孔）作為本次勘探試驗(yàn)研究區(qū)。本次試驗(yàn)共1個(gè)研究試驗(yàn)區(qū)域，布置測線3條。1條NW-SE向測線，2條NE-SW向測線，測線總長度約6.6km。2020年10月初對該研究區(qū)域進(jìn)行了數(shù)據(jù)信息采集，通過無人機(jī)搭載大地極化子勘探儀對該研究區(qū)進(jìn)行測線數(shù)據(jù)采集，按照設(shè)計(jì)要求共完成3條測線。

2.4 測線剖面及解釋

經(jīng)過室內(nèi)數(shù)據(jù)處理和解譯獲得三條測線剖面圖、地層走向圖、構(gòu)造解釋剖面圖（本文只對測線01進(jìn)行介紹）。測線01的測線剖面和構(gòu)造解釋剖面見圖1、2。

圖1 01測線反演成果圖

圖2 01構(gòu)造解釋圖

通過對測線01大地極化子勘探數(shù)據(jù)的進(jìn)行計(jì)算、反演、解釋，并結(jié)合該研究區(qū)所在區(qū)域地質(zhì)資料和鉆孔數(shù)據(jù)，綜合分析從而獲得該條測線的地層剖面、地層趨勢、地質(zhì)構(gòu)造、煤層展布、煤層氣聚集區(qū)、地下水富集區(qū)等地質(zhì)信息。測線01的成果圖顯示，該處地層主要為第四系、二疊系、石炭系、奧陶系，地層整體看為北西向緩傾的向斜構(gòu)造，地層傾角小于10°，3#煤層、5#煤層、11#煤層受斷層破壞，煤層地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜；從01測線構(gòu)造解釋圖中可以看出，該區(qū)域隱伏斷層較為發(fā)育，多為正斷層，這些隱伏斷裂多為良好的導(dǎo)水通道；從剖面上看集水區(qū)主要向斜構(gòu)造的核部凹陷的地帶，奧灰水位于石炭系和奧陶系地層的交界處，11#煤層距離奧灰水富集區(qū)小于20m，由于該處有多處隱伏斷裂，因此該部位有透水隱患；而煤層氣多聚集于向斜構(gòu)造兩翼的圈閉小構(gòu)造內(nèi)。通過對比鉆孔柱狀圖和01測線成果圖可以看出煤層的產(chǎn)狀和實(shí)際一致。

圖3 161#鉆孔　　　　　　　　　　　圖4 構(gòu)5鉆孔

2.5 以往地質(zhì)成果與大地極化子勘探結(jié)果對比

通過161#鉆孔和構(gòu)5鉆孔資料顯示，5號(hào)煤層埋深為455.8～493.7m，煤層厚度為3.01～4.46m，局部含有夾矸，煤層走向?yàn)楸蔽飨蚓弮A的單斜構(gòu)造，傾角小于9°，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（圖3、圖4）。

測線01解譯成果圖顯示5#煤層厚度在1.3～3.7m之間，煤層埋深在320～510m，煤層走向?yàn)楸蔽飨蚓弮A，傾角小于10°，煤層受多組正斷層破壞，連續(xù)性一般。

韓城礦區(qū)NEE向構(gòu)造是區(qū)內(nèi)的主體構(gòu)造，既有NEE向高角度逆斷層，也有NEE向高角度正斷層，二者同區(qū)共存，其中以后者為優(yōu)勢（2016a，王輝等；2017b，王輝，范玉海，催勝等）。大地極化子勘探技術(shù)解釋獲得的該礦區(qū)斷層多為高角度的正斷層和該結(jié)論一致。

總之，通過以往地質(zhì)資料和本次解釋成果對比，3號(hào)、5號(hào)煤層產(chǎn)狀、構(gòu)造和煤層結(jié)構(gòu)基本一致。由此可知，大地極化子勘探技術(shù)在煤層趨勢和隱伏地質(zhì)構(gòu)造研究方面可信度較高。

2.6 存在問題及解決方案

2.6.1 存在的問題

從試驗(yàn)過程和研究分析中，發(fā)現(xiàn)該試驗(yàn)存在以下幾個(gè)問題。

（1）從測線成果圖中不難看出存在較多的異常干擾，大多數(shù)干擾在圖中多呈規(guī)律的“倒V字”型。這些異常干擾項(xiàng)的存在影響了對研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造解譯工作。這些干擾的產(chǎn)生主要有兩個(gè)來源：一方面是無人機(jī)對數(shù)據(jù)采集的干擾；另一方面是地面電力設(shè)施對數(shù)據(jù)采集的干擾。

（2）通過對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)和鉆孔資料，煤層厚度與埋深精確度不高。從成果圖中可以看出，對煤層的連續(xù)追蹤同樣存在偏差。造成上述偏差的主要原因是采集的信息量不足以及部分異常干擾影響。

2.6.2 解決方案

針對以上問題，提出以下解決方案。

（1）針對異常干擾，通過辨別異常干擾產(chǎn)生的來源，來解決異常干擾的問題。通過大量細(xì)致的數(shù)據(jù)處理工作，可以去除或減弱大部分干擾異常，但仍有些干擾源無法確定且未能去除（如圖1）；在近期對另一某煤礦的勘查研究中，在其它條件不變的情況下抬升無人機(jī)飛行高度，干擾現(xiàn)象有非常明顯的減弱。因此，在今后的布置測線和外業(yè)工作時(shí)，應(yīng)該盡量避免干擾的產(chǎn)生，可以通過規(guī)避地面干擾源和抬升飛行高度來減少和減弱異常干擾。

（2）針對數(shù)據(jù)量不足所導(dǎo)致勘探成果存在一定誤差的問題，可通過對設(shè)備的軟硬件升級、無人機(jī)性能和GPS定位系統(tǒng)（差分GPS）的升級、增加測線數(shù)量和測點(diǎn)密度來提升采集的數(shù)據(jù)量及資料解釋的精準(zhǔn)度。

3 大地極化子勘探技術(shù)評述

3.1 應(yīng)用煤礦領(lǐng)域的優(yōu)勢

通過本次大地極化子勘探技術(shù)在韓城某煤礦中的試驗(yàn)不難看出，該技術(shù)在煤礦勘探、勘查中的優(yōu)勢還是十分明顯的。大地極化子勘探技術(shù)由于自身的特點(diǎn)和原理在煤礦領(lǐng)域存在著諸多優(yōu)勢。

（1）由于其對地殼應(yīng)力變化和地質(zhì)構(gòu)造的敏感性，可以準(zhǔn)確的查明煤礦的各類地質(zhì)構(gòu)造，尤其是對煤礦安全生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響的隱伏構(gòu)造。

（2）由于該技術(shù)是被動(dòng)接收“地球天然脈沖電磁場”，因此它不受復(fù)雜地形限制，外業(yè)勘探工作高效快捷，優(yōu)有傳統(tǒng)地球物理勘探技術(shù)。

（3）由于該技術(shù)通過無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對地表土壤植被基本無任何破壞，高效綠色環(huán)保，適應(yīng)新時(shí)期綠色發(fā)展理念，符合綠色勘查要求。

3.2 應(yīng)用煤礦領(lǐng)域的難點(diǎn)和不足

通過本次試驗(yàn)同樣可以發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在煤礦領(lǐng)域中的不足和弊端。主要有以下幾個(gè)方面。

（1）大地極化子技術(shù)在煤礦領(lǐng)域勘查的難點(diǎn)在于在目前的技術(shù)條件下不能精細(xì)的查明較為微小隱伏構(gòu)造。

（2）該技術(shù)在指示地殼巖性和礦體方面存在不足，從該技術(shù)的原理可知，其對大多數(shù)地層介質(zhì)無法有定性的判斷。

（3）該技術(shù)和其他物探技術(shù)存在的同樣問題就是如何高效的去除和規(guī)避干擾源。

4 結(jié)語

從本次試驗(yàn)過程和結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)大地極化子勘探技術(shù)存在明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。在今后的技術(shù)應(yīng)用和研究方面，如何揚(yáng)長避短發(fā)揮其自身的優(yōu)勢，彌補(bǔ)短板顯得至關(guān)重要。因此，在今后的應(yīng)用過程中應(yīng)發(fā)揮其在地質(zhì)構(gòu)造解譯方面優(yōu)勢，并結(jié)合其它地球物理勘探技術(shù)（2009，馬志飛等），從而達(dá)到對地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確定位和預(yù)測。

大地極化子勘探技術(shù)雖然存在一些不足和弊端。但總體來說，其在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用前景還是較為廣闊的。如在煤礦的地質(zhì)構(gòu)造研究、地下含水層、瓦斯氣體賦存、地下采空區(qū)等方面都有著巨大的優(yōu)勢，能夠?yàn)楝F(xiàn)階段智慧化礦山和綠色礦山建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

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A Preliminary Study of the Application of Earthy Geopolaron Exploration Technology in Coal Mine Field

LI Jin-bao1LIANG Yu-sen1CHAI Li-na2

(1-Xi ‘a(chǎn)n Rongyan Geological Exploration Co. , Ltd. , Xi’an 710021; 2-Xi'an Yuanfengcheng Engineering Consulting Co. , Ltd., Xi’an 710021)

As a new technique for passive source geophysics exploration, earthy geopolaron exploration technology is a geophysical method to demonstrate the present situation of rock stress formation by use of nonlinear nonlinear geodetic polaron field. This paper has a discussion on the results of the application of earthy geopolaron exploration technology to the exploration of buried structure and coal bed occurrence in a coal mine. The results indicate that this technology has a broad application prospect thanks to its advantages of low cost, high efficiency and little impact on ecological environment.

geophysics, earthy geopolaron, coal mine, geological structure

P631.2

A

1006-0995（2022）01-0150-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.01.029

2021-02-06

李進(jìn)寶（1987－），男，陜西西安人，工程師，長期從事礦山地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害治理方面的工作