摘要：煤层工作面内部结构及构造条件对生产影响巨大，利用地球物理手段对工作面内地质异常精细探查对煤矿安全生产具有重要意义。论文结合国内外矿井工作面精细探查方法技术的应用与研究现状，详细介绍了地震类、电法类、电磁法类等精细探查方法技术的应用发展，指出了各种方法的不足与改进思路，提出了矿井工作面精细探查方法技术未来的发展方向。
　　关键词：矿井工作面;地质异常;精细探查;进展
　　1 引言
　　在现代化煤矿的生产过程中，随着综合机械化采煤技术的不断发展，对矿井工作面地质构造异常的准确定位、发育程度以及影响范围的认知必须得到相应的提高。同时，伴随着开采水平的延伸和开采深度的不断加大，地质条件变得越来越复杂，诸如突水、瓦斯突出的风险系数越来越越复杂，诸如突水、瓦斯突出的风险系数越来越高。采煤工作面地质异常，尤其是一些小构造，往往与矿井瓦斯和导水通道相关联，煤系地层构造复杂的地方常常也是瓦斯和水易于突出的地方。因此，精细查明工作面地质异常，尤其是含水、导水构造异常具有极大的意义。
　　2 煤层构造探查方法
　　为准确查明矿井工作面地质异常，消除安全隐患，保障工作面安全开采，国内外矿井地质学专家、学者进行了大量的试验研究，形成了一系列的探测方法。针对不同的探测目的，往往采用的具体方法各不相同。笔者根据课题组多年来积累的关于矿井工作面地质异常探查方法的研究成果，查阅了大量国内外相关文献，综合分析各种方法的适用条件和优缺点，对探测目的与对应方法作出分类，力求使矿井工作面地质异常探查更为精确。
　　查明煤层构造的形态和空间位置是开采准备阶段的主要工作，主要勘查手段有三维地震勘探、电法勘探与钻探测井。在充分利用地质资料的基础上，确定井田地质构造的分布规律，并结合其它相关地质条件对不同区域的开采地质条件进行综合评价。
　　在矿井工作面开采前，精细查明工作面内的地质异常，为矿井工作面持续安全开采提供地质保障是井下探测阶段的主要工作。本阶段的主要工作是查明采区工作面范围内的小构造，包括落差小于5m的断层、褶皱、破碎带、夹矸、煤厚变化区、岩浆岩侵入区、陷落柱以及构造应力区等构造。目前国内外关于矿井工作面地质异常的物探探查方法大致分为三大类：矿井地震类、矿井电法类和矿井电磁法类。矿井工作面地震法主要有：地震槽波法、地震透视法、折射波地震法、巷道地震反射法、瑞利波法、震波CT技术等;矿井工作面电法类主要有：电测深法、电剖面法、高密度电阻率法、工作面层透视法、音频电透视法、双巷三维并行电法;矿井工作面电磁法类主要有：无线电波(坑道)透视法、矿井地质雷达法、瞬变电磁法等。
　　2.1地震法探查
　　对于矿井工作面地质异常的精细探查主要利用到的地震方法有以下几种：
　　1)三维地震勘探。三维地震勘探是把沿测线观测的二维地震方法扩展到三维空间，由深度方向Z和构成面积的X、y构成三维空间，通过面积测量技术获得与地质体相适应的三维数据体。大量研究发现利用现有的三维地震数据能够查明煤层中落差大于等于5m的断层，提供落差小于5m的断点，探明直径15m左右的地质异常体(陷落柱、采空区等);但对于煤层里影响安全开采的小构造，尤其是落差在3m左右的断层解释不够。近几年，随着三维地震精细解释方法技术的出现，对煤层小构造的准确圈定率有了很大的提高。
　　2)槽波地震勘探。槽波地震勘探方法起源于德国，它是煤矿探测特有的，在煤层内进行地震探测的一种勘探方法。简单来讲，槽波就是沿着煤层传播的地震波，遇有破坏地质异常体，如断层、陷落柱等就会受到阻挡反射回来，通过收集和处理这种信息，结合相关地质资料，做出相应的地质判断。通常能查明工作面内落差大于1/2煤厚的断层。
　　3)巷道地震反射勘探。巷道二维地震勘探是在巷道走向方向布设的多次覆盖观测系统，通常是在煤层的顶板或底板巷道进行探测。二维测线可以布设于巷道顶底板或两帮。大量工程实例证明，巷道二维地震反射法能够解释出深度100m内落差在3m左右的小断层。
　　4)工作面震波CT探测。20世纪70年代末，英国人在地质勘探领域成功应用CT技术于井下试验。近年来，国内诸多高校对该项技术进行了深入研究，安徽理工大学、中国矿业大学等高校进行了大量的井下试验，积累了大量的理论和实践经验，精细查明了工作面的地质异常，很好地为矿井生产提供科学指导。地震波速度和岩体特性一般都具有良好的对应关系，致密完整的岩体地震波速度较高，疏松破碎的岩体地震波速度较低。工作面震波CT技术正是根据介质诸如速度等的测量数据，依据一定的物理和数学关系来反演工作面内部物理量的分布，重建内部结构，最后得到清晰的、不重复的分布图像，通过图像来评价该工作面的地质情况。
　　关于地质异常的地震勘探方法技术远远不止上述几种，除上述外，用于井下的还有瑞利波探测技术、震波超前探测技术等，但这些技术在解决矿井工作面地质异常的精细探查方面优势不明显，有待进行深入的研究和改进。纵观矿井勘探技术的发展，地震勘探在矿井工作面地质异常的精细探测方面发挥着无可替代的优势，对于解决工作面构造，尤其是断层构造有着良好的效果。通过三维地震可圈出大体的构造分布区域，通过槽波地震通常就能查明工作面内落差大于1/2煤厚的断层。利用工作面震波CT技术能查明工作面巷道已揭露的落差在lm以上的断层在工作面的延展情况，并且可以查明工作面内诸如陷落柱、岩浆侵入区、薄煤区等隐伏构造。同时，利用CT属性参数也可对工作面内瓦斯富集情况进行评价。
　　图1为河北某矿工作面震波CT构造探测结果图，图中的几个较大异常区经回采揭露证实。大量的现场工程应用证实，震波CT在解决矿井工作面构造探查方面发挥着巨大的优势。

 

　　2.2电法探查
　　基于地震勘探技术对于工作面构造异常探查有着相对精确的优势，电法探测对工作面的富水性及其异常评价有着较好的效果。现有的用于工作面地质异常精细探查的方法技术主要有：
　　1)高密度电阻率法。高密度电阻率法是集电测深和电剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行的多装置数据采集系统，通过求取比值参数而突出异常的信息，具有信息多且观察精度高、速度快、探测深度灵活、显示效果明显等特点。通常可采用的装置有：W—α;W一β;W—γ;W—A;W—B等五种装置。对工作面采用高密度电阻率法主要利用组成地下介质各层间不同的电性差异，含煤地层为沉积岩地层，地层横向较稳定，成层性较好，其电阻率具有较好的分层性规律。如果地层破碎富水，由于地层里的水矿化度较高，导电离子丰富活跃，电阻率值大大减小，大大低于正常的不富水地层。因此，高密度电阻率法在预测采煤工作面的开采条件和水文条件中取得了较好的应用效果。
　　2)音频电透视技术。20世纪90年代国内由西安研究院开发了矿井直流电透视方法，进一步升级为矿井音频电透视技术。音频电透视法属于直流电偶极接地探测技术，其电场分布于地下层状全空间，电流沿最小路径流动，属体积勘探。该方法主要用于查明工作面内顶底板一定深度范围内的含水、导水构造及其富水区域分布范围，可进行含水层富水块段探测，工作面底板注浆效果评价。工作方法采用单极一偶极法，A、B为供电电极，用于向岩层供电，M、N为测量电极，MN位于同一巷道，垂直于巷道走向布置，A极位于另一巷道中，B极处于无穷远处(图2)。
　　在资料解释时，探测深度通常由发射频率来决定，不同的发射频率对应不同的探测深度，此深度往往也与工作面宽度有关。

　　3)并行电法。并行电法系统由安徽理工大学率先提出，该系统由测量主机、控制软件、电极阵列和电缆系统4部分组成。目前开发的仪器为集中式64道电极。传统的多道电成像采集系统在每个采样位置只有4个电极在工作，2个电极(A、B电极)供电，2个电极(M、N电极)测量，其余电极均闲置。并行电法系统每一电极都能自动采样，在接受供电状态命令时电极采样部分断开，让电极处于供电状态(即电极A或B)，否则一直处于电压采样状态(即电极M)，并通过通讯线实时将测量数据送回主机，采样过程中无闲置电极。根据大量实验及工程应用探测，探测最大深度范围为AB/2。据观电极测量装置的不同，并行电法数据采集方式分为两种：AM法和ABM法。
　　对于矿井工作面地质异常的精细探测，通常采用双巷并行三维电法。电极布置在煤层底板或顶板通常可反映煤层相应底板或顶板范围的电性分布情况，以达到探测相对富水区分布范围。通常在机巷和风巷中分别沿巷道顶板或底板位置布置电法测线系统(图3)，利用并行电法仪采集各巷道内电法测线的电位变化情况。数据采集用AM法，每站数据测线上各供电电极与对面巷道对应B极形成地电场，从1号电极到64号电极，逐点供电扫描一遍，形成扇形射线区(图3)，其余电极同步测量各点的自然电场、一次场和二次场的电位变化情况，获取大量的参数，达到对探测区域的多次覆盖，大大提高电法探测效率。

　　当探测工作面长度范围大时，每条巷道可布置多站测线，相应移动对面巷道所布置无穷远供电极B。数据反演时，统一编辑各站测线电极坐标，将双巷各站数据进行拼接，进行联合三维电阻率层析成像反演，提取三维数据体的水平切面和垂直剖面，形成直观的电阻率立体图。由于并行电法属于直流电法，探测有效最大深度范围为AB/3～AB/2。因此，通常现场采用的最大AB间距应大于探测目标深度的3倍以上，以确保电流场能够穿透目标层位深度。

　　图4为淮南矿业集团某工作面双巷并行电法顶板lore电阻率切片片，通过该图可以准确地分析出异常区域，进而科学地指导生产。
　　2.3电磁法类
　　1)无线电波透视法(坑透法)。无线电波透视法是利用探测目标体与周围介质之间的电性差异来研究确定目标体空间位置形态，大小及物性参数的一种物探方法。在矿井工作面，当电磁波透射工作面途中遇到断层、陷落柱、煤层变薄区或其它构造时，波能量被吸收或者完全屏蔽，这样在接收巷道接收到微弱信号或收不到电磁波信号，形成透视异常。该方法最初的设想是由前苏联科学院院士A•A•彼得罗夫斯基在20世纪20年代提出的，我国从1976年开始进行无线电波坑道透视法试验。煤科总院重庆研究院及河北煤研所先后研制了多款无线电波坑道透视仪。新型的WKT一6型、WKT—E型仪器轻便，透视距离可达200m以上。

　　图5为某工作面无线电波坑透探测结果。通过大量的现场工程应用证实，无线电波坑透技术对解决矿井工作面内断层、含水裂隙、陷落柱、煤层变薄区以及其它构造等起到很好的作用。
　　2)地质雷达探测法。利用地质雷达在矿井工作面探测时，通过发射天线向工作面某一方向定向发射脉冲电磁波，当脉冲电磁波传播过程中遇到电性差异(电阻率、介电常数和磁导率不同)的界面或目标体，就会发生反射和散射现象，根据接收天线收到的回波信号的波形、振幅、频率等物理参数来分析和推断介质结构和物理特性。地质雷达对煤层厚度，工作面小构造探测有较好的应用效果，在矿井工作面探测中，顶底板岩层电阻率相对较低，高频电磁波衰减大，故探测距离小 (50～60m)。大量的井下实验证明，地质雷达对近距离探测岩体结构性态和大比例尺构造效果较好。
　　3)瞬变电磁法。瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods，TEM)又称时间域电磁法(Time Domain Electromagnetic Methods，TDEM)。它与其它测深方法相比，具有探测深度大、信息丰富、工作效率高等优点。自20世纪50年代以来，该方法得到迅速发展，特别是对探测高阻覆盖层下的良导电地质体取得了显著的地质效果。其探测原理是：在发送回线上供一个电流脉冲方波，在方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况，从而判断地下不均匀体的赋存位置、形态和电性特征。矿井工作面瞬变电磁法在煤矿井下工作面巷道内进行，测点间距2～20m之间。根据线框发射电磁场的方向性，可认为线框法线方向即为瞬变电磁探测方向。因此，将发射、接收线框平面分别对准煤层顶板、底板或平行煤层方向进行探测，就可以反映煤层顶、低板岩层或平行煤层内部的地质异常(图6)。

    瞬变电磁技术具有快速、便捷、对低阻含水体敏感、定位准确等优点，在矿井防治水方面具有良好的应用前景。

　　图7为淮南矿业集团某工作面瞬变电磁法斜向面内顶板45°视电阻率拟断面图。
　　3 探查方法分析
　　3.1存在的问题与改进思路
　　目前，矿井工作面地质异常精细探查的物探方法比较多，各种方法都取得了一定的研究成果。大多数方法都已得到推广应用，但许多方法还不够完善，均有待进一步改进和完善。根据不同矿井的具体地质条件，结合相适应的具体物探方法进行工作面地质异常精细探查。
　　3.1.1地震类的物探方法主要存在的问题及改进思路
　　1)三维地震的精细解释程度还不够，仍有进一步提高的空间。三维地震的三维三分量技术仍有待进一步深入的研究，该技术可进一步提高分辨率，重点是对落差小于5m构造的解释分辨，更加精确地确定深部矿井工作面地质构造的空间形态和位置。
　　2)槽波只有在合适的地质条件下才能产生，现有的探测仪器相对较笨重。大量实验总结出槽波法的适用范围大致如下：①煤层厚度通常要大于0.5m;②夹矸的厚度小于煤层厚度的30%时，不影响槽波的传播;③探查距离：反射法为煤层厚度的100倍，透射法为煤层厚度的1000倍。所以应该进一步在适用条件上做研究，提高更加广泛的适用范围，进一步研发便携式槽波探测仪。
　　3)巷道二维地震反射勘探只有在一定的矿井才能进行，一般在高抽巷和底抽巷进行，现有的一般采用人工锤击激发方式，这就造成了每次激发的能量大小不一，对探测结果造成一定的误差，采用能量一定的机器定量激发震源，尽可能的保证每次等量激发。改造检波器成锥形亦是其改进的一个方面。
　　4)震波CT存在的问题大致有：①二维观测系统的局限性。没有将煤层的地形起伏考虑到具体的处理过程中。②对于同一个重建区域，当采集系统和重建算法不同时，其重建图像的结果可能不一样。③没有将室内模型实验的震波三维层析技术研究成果与工作面现场三维层析实测结果进行对比。
　　针对以上问题可进行如下的相应改进：①构建三维立体观测系统，尽可能的较真实反映工作面的空间位置，从而能够将煤层的地形起伏考虑到层析成像中来。②用三维直射线透射追踪技术进行射线追踪，根据探测目的和客观条件选择最优的反演算法。③选用搭建和工作面相似的物理模型，在室内进行模型模拟实验研究，选用合适的采集、观测系统和重建方法对物理模型进行三维图像重建，通过对重建图像的评价和重建图像中断裂构造带可分辨程度的讨论，寻求对断裂构造带图像重建有利的采集、观测系统和重建方法。
　　3.1.2 电法类探测方法的问题及改进思路
　　1)高密度电阻率法井下施工效率相对较低，测试的视电阻率在一定程度上受巷道空间和全空间电场分布影响，需加以分析校正。最大探查深度一般不超过100m，非接触探测将是该方法的一个研究方向。
　　2)目前，音频电透视只能对地质异常体进行定性分析评价，不能进行定量解释。应该进行大量的现场实验和数值模拟工作，得出音频电透视的探测深度和工作面的宽度存在一定的关系，进而更加深入的对地质异常进行定量计算。
　　3)并行电法采用一次布极，自动采样，未对各个电极间的极化效应进行深人研究，没有给出确定的定量探测深度和穿透距离，仅给出探测有效最大侧向范围为AB/2，没有定量进行煤层正下方或上方的富水评价，只是通过测线正下方或上方的体积效应来推断煤层正下方或上方的富水性。应该深入进行理论分析得出定量的探测深度和测线之间的关系以及煤层正下方或上方的富水与测线空间位置的关系。
　　3.1.3 电磁法类探测方法的问题及改进思路
　　1)无线电波透视对工作环境要求较高，现场工作时不能有任何带电设备。其次，近年来，各大型煤矿普遍采用大面宽工作面，对于大面宽工作面或地质条件复杂区工作面，无线电波不能有效地穿透，造成很大的坑透低品质区，无法准确反映工作面内地质异常形态和空间分布。对于无线电波透视法，提高仪器功率，增大穿透距离将是其改建的核心问题。
　　2)地质雷达法的探测距离短，一般为50～60m，这样对于一般较宽的工作面就无法应用。未来可以通过增加天线长度，提高接发收频率来加大探测距离。
　　3)在进行瞬变电磁探测时，常常把待测的目标体置于探测前方，没有排除探测介面以外，尤其是后方介质的影响，存在全空间影响，全空间磁场效应和巷道影响问题已成为制约矿井瞬变电磁法的关键，这就要求研究者深入开展数值模拟研究巷道、采空区层状围岩介质中瞬变电磁场的分布规律以及二维、三维地质异常体的异常响应特征，以便在理论和方法上进一步完善矿井瞬变电磁法技术体系。探测异常区往往比实际地质异常体大的多，处理算法和解释方法需要进一步改进。同时，矿井瞬变电磁法发射和接收天线的方向性对探测结果的影响有待进一步研究。
　　4)电磁法类探查体积效应较强，对岩层富水特征敏感度高，对地质构造界面分辨能力有限。
　　3.2未来的发展方向
　　对于矿井工作面地质异常精细探查方法技术未来的发展方向主要有：
　　1)研究具体的煤田地质及地球物理特征，根据不同矿井工作面的地质情况及地球物理特征和所要探测的地质问题，确立相应的适用于本矿井的精细探查方法。
　　2)研究适合矿井工作特点的物探仪器，仪器不仅要探测距离大、分辨率高，还要求智能化和轻便，甚至将来可以发展为远程网络控制。
　　3)进行大量的现场实测和室内模拟，得出一套不同方法应用条件及优缺点的体系，以寻求出用于工作面地质异常精细探查针对性强的具体方法技术。
　　4)针对同一工作面进行多方法、多参数的联合技术，建立预测和评价模型，结合采前探测结果，在实采时进行动态监测，进一步保障安全开采。20世纪80年代开始，我国矿井物探进入了快速发展的时期，各种新方法新技术的不断出现，在解决煤田地质问题方面发挥着越来越重要的作用。目前，虽然矿井工作面地质异常精细探查的方法取得了很好的成果，但其在理论研究上仍需进一步突破。工作面地质异常精细探查已经成为煤矿现代化安全生产的助推器，有力推动了煤矿安全生开采技术的进步。因此，需要加大对各种方法技术的深入研究，为矿井安全生产提供更为有力的技术保障。
　　作者简介：
　　程刚，男，安徽六安人，安徽理工大学硕士研究生，主要研究方向：工程地球物理探测技术。
　　张平松，男，安徽六安人，教授，主要从事应用地球物理教学与科研工作。