1、工程概况
　　金三角煤矿所属矿区构造及其发育，在-200探巷(即探测点号1#、2#、3#处)前掘过程中短短几十米内遇到多条断层，导致煤层连续性与空间布展受到极大影响，无法具体判断煤层发育情况，根据以往资料推断探巷上部应该存在2、2-1等多层煤，与-200回风大巷上部煤层分布情况基本相同，但-200探巷处发育多条断层，使得顶板煤层赋存位置无法确定，故希望通过物探与钻探相结合的方式进行科学找煤，确保达到经济与安全效益，为下一步生产提供更多可靠的地质资料，故于2014年1月2日上午应用福州华虹智能科技股份有限公司生产的KDZ1114-6A30矿井地质探测仪在-200探巷、-200回风大巷顶板分别进行了矿井震波探测。
　　此外，本次探测的另一个主要任务就是对-200中央水仓富水情况进行探测分析，也是对福州华虹智能科技股份有限公司生产的YCS256矿用本案型瞬变电磁仪适用性进行校验，故于2014年1月2日下午对-200中央水仓进行瞬变电磁探测，该水仓分为甲、乙两仓，且两仓目前均处于充水状态，水深在1.5米左右，水仓底板标高-212，探测大巷位置底板标高-207。
　　 2、原理及设备简介
    2.1 高分辨震波单点探测技术原理及设备
　　单点探测技术是源于反射地震波勘探中的自激自收方式，即反射波中偏移距为零的垂直反射形式，它是通过接收岩、煤层界面的地震波垂直反射信号，来解析计算目的层距离或厚度的。因其采用单个检波器来接收单次锤击所反射回来的震波，并对此数据进行解析得到相应的结果，因此称之为单点探测。一般情况下，在矿井地质中，煤层的密度多分布在1.3～1.5 ，波速在0.8～1.5 ，而岩层的密度在2.4～3.0 ，波速在2.5～3.5 ，所以，煤、岩界面反射系数一般比较大，多在0.6以上，是一个强反射界面(波阻抗差异界面)，有利于震波反射法进行探测介质分层或煤厚探测。波在煤岩层分界面，即波阻抗差异界面(富含水低电阻带)表面发生反射、折射现象，使得发射回来的波发生变化，经多次垂直叠加消除干扰波采集原始信号，再进行室内回放进一步细化处理，并抽取单道记录进行信号叠加处理、形成叠加记录，从而推出波形的相位特征和幅值特征变化。利用地震波解析计算目的层距离或厚度时，由反射波时距曲线方程：4h²+x²=v²t²，其中h表示目标体介质深度，x表示偏移距，v表示探测介质的地震波速，t表示地震波旅行时间。单点探测时，偏移距近似为零，即令x=0 ，则 h=1/2vt。

图2-1 单点探测简易原理图

　　本次探测设备采用福州华虹智能科技股份有限公司生产的KDZ1114-6A30矿井地质探测仪，该设备可用于顶底煤厚探测、巷道侧帮面内构造追踪探测(面内断层展布情况)、工作面内断层及隐伏构造探测、陷落柱探测、掘进工作面超前探测、采空区探测、巷道揭煤距离探测、锚喷大巷安全性评价等。
　　2.2 瞬变电磁技术原理及设备
　　矿井瞬变电磁法是一类非接触式探测技术，属于时间域电磁法，它利用不接地回线向采掘空间周围的煤岩体中发射一次场，通过在发射间歇测量煤岩体中电性不均匀体感应产生的二次场随时间的变化，来达到查明各种地质目标体的目的。我们通过记录地下涡流变化(即磁场变化率dB/dT)，然后在室内进行数据处理，通过数值计算求得视电阻率随时间的变化，这种曲线表示了不同时刻所对应的视电阻率，之后进行反演解释，将视电阻率随时间的变化转化为电阻率随深度变化，从而计算出地下地层物理性质的视电阻率ρa，来达到了解地下电阻率的目的。对每个测点都进行反演后，根据反演结果沿测线方向和垂直测线方向构成视电阻率拟断面图。

 

图2-2 良导体瞬变电磁感应原理

　　本次使用福州华虹智能科技股份有限公司生产的YCS256型矿用本安型瞬变电磁仪，该设备是自2008年华虹公司推出国内第一款矿用瞬变电磁仪YCS40(A)以来，又研发出的第二代矿用本安型瞬变电磁仪器。可用于探明采区主要控水构造及岩溶、裂隙发育带、陷落柱的位置，并对其富水性进行评价;探明采煤工作面顶、底板岩层或掘进巷道前方隐伏导水通道和含水体的位置;探明老窑采空区，圈定采空区积水范围;防治水工程质量评价等等，为煤矿生产过程中防治水工作提供了强有力技术保障。
　　3、施工方案及成果解析与验证
　　3.1 震波技术对顶板煤层赋存的探测
　　3.1.1施工方案
　　本次针对-200探巷构造发育及施工环境，在该探巷顶板布置3个物理测点，分别为施工平面图中标记的1#、2#、3#处，并在-200回风大巷顶板布置2个物理测点，分别为平面图中4#、5#位置处，采用震波单点探测技术对上部煤层赋存进行探测，采用2个检波器进行接收，每个探测点分别用增益24DB、36DB、48DB，每个增益激发5次，每个测点共采集30道地震波，具体施工见图3-1至图3-2：

　　
图3-1 施工示意图

图3-2 施工平面图

　　3.1.2 成果分析及验证

　　本次将5#点作为样本点，进行打钻获取柱状，并根据此钻探实际柱状结果进行震波速度调试，经分析与调试将探测位置上部地震波岩层速度划为2km/s、煤层中速度划为1.5km/s，进行震波探测成果解析，然后又分别对1#、2#、3#、4#进行打钻验证，具体验证情况见以下成果对比验证表及物探与钻探成果对比图：

　　表3-1 成果对比验证表

　　以下个图为高分辨震波单点探测结果与钻探验证结果对比图，与成果对比验证表顺序相互对应：

　　
图3-3 5#探测位置物探与钻探成果对比图
　
图3-4 1#探测位置物探与钻探成果对比图
　　
图3-5 2#探测位置物探与钻探成果对比图
　　
图3-6 3#探测位置物探与钻探成果对比图
　
图3-7 4#探测位置物探与钻探成果对比图

　　综述：通过-200探巷及回风大巷以上5个位置的物探与钻探成果对比图可以看出，震波探测成果与钻探验证结果基本上都是相符的，能够反映出煤层赋存位置、煤厚，并可对多层介质进行探测分层(≤5)，从以上探测成果对比验证表及成果图中可以看出，-200探巷位置(即(1#、2#、3#位置)顶板上方4.5-6m位置左右为第一层煤，即2-1#层煤的赋存位置，9m左右与19m左右可能为2#层赋存位置，但受多处断层影响呈现不规律现象，所以还需在生产过程中进行二次解析。
　　3.1.3 影响因素分析
　　本次探测结果基本上均与打钻验证结果相符，但仍然存在些许误差，现从以下几点就影响本次探测效果的主要因素进行说明：
　　1)巷道喷浆影响。由于探测位置均已经进行喷浆，一方面，浆与煤壁不完全接触，可能存在离层，对地震波起到屏蔽作用，影响地震波向前传播效果;另一方面，由于喷浆完全覆盖了巷道煤壁，现场无法清晰掌握煤岩层的走向、倾角，不能掌握明确的探测方向，敲锤与检波器放置方向存在误差，从而所探测的煤岩层厚度不一定为真厚度，会有些许偏差;
　　2)其他探测条件影响。由于顶板较高，特别在1#、2#、3#位置，巷道存在较大倾角，4#、5#位置，拉底造成顶板过高，探测顶板时需要借助人梯，但仍然存在施工困难，敲击力度不够，方向性不精确，从而对探测效果造成影响。而底板都存在浮货，激发地震波能量不够，高频在表部松散层严重吸收，使得分辨率降低;
　　3)分析时所采用的地震波速度参数影响。由于地震波探测中速度参数的选择，直接决定探测距离、异常位置距离、各介质与异常带厚度，而不同的地质环境下、岩矿石的密度、结构、组成成分、形成时期、孔隙度等特征也不相同，地震波在不同岩矿石中的速度选择就无法十分精确，本次经过4#、5#位置实际钻孔柱状对地震波速度校正后，速度参数V煤=1.5km/s、V岩=2.0km/s，尽管如此，采用的仍然是综合波速，所以会使解析距离与位置存在些许误差;
　　4)人为因素影响。由于本装置在本次应用中主要采用人工激发地震波、人工扶检波器，因此人为因素对探测效果起到了至关重要的作用。比如，有时检波器指向和锤击方向与探测目标体方向不一致;有时由于手扶检波器不够细心，使得检波器没有与探测介质完全耦合，导致地震信号无法被接收，或接收不完整;有时在敲锤时会产生二次锤击，使得信号发生二次起跳，并且击锤最好要同一个人采用同样的力度，本次由于探测点较多，多个人替换击锤，使得激发能量、波形效果不同等。
　　3.2 瞬变电磁技术对水仓富水情况及位置的探测
　　3.2.1 施工方案

　　本次在-200大巷针对水仓空间布置特点进行施工探测，在大巷距10-20#孔1.4米开始布置5个测点，点距2米，每个测点探测9个方向，分别为上倾30°、上倾20°、上倾10°、0°、下倾10°、下倾20°、下倾30°、下倾40°、下倾50°，具体见一下施工方案图3-8与图3-9：

 　　
图3-8 施工平面图
　　
图3-9 施工剖面图

　　3.2.2 结论及验证
　　以下是TEM探测视电阻率拟断面图与对应的色标。图中不同的颜色表示不同的视电阻率值，并呈从冷色调到暖色调升高的规律分布，变化顺序为深蓝→浅蓝→绿色→黄色→红色，代表视电阻率值不断加大。一般情况下，在同一条件下岩石的电阻率不会发生变化，但如果岩石出现裂隙或者充水那么岩石的电阻率就会发生大的变化，水仓在充水状态下相对巷壁属于低阻体，据此可以探测出水仓位置，本次以视电阻率在4Ω•m以下区域为富含水区域，即水仓可能存在位置。 　　

图3-10 1#视电阻率拟断面图   图3-11 2#视电阻率拟断面图 　　

图3-12 3#视电阻率拟断面图   图3-13 4#视电阻率拟断面图 　　

图3-14 5#视电阻率拟断面图   图3-15 综合验证对比结果图

　　综述：通过图3-10至图3-14综合分析可知，水仓所在位置在探测位置下俯7-8°左右、横向24-42米左右，纵向深度4-5米左右，具体位置见图中红线圈定的蓝色区域。但由于本次水仓存在甲乙仓，且距离较近，由于瞬变电磁技术特点，单从本次施工方案来说，未能将两个水仓单独显示出来，而是将两个水仓全部显示为1个异常区域。同时通过结合地质资料处理呈现了综合验证对比结果图如图3-15，可以看出本次探测所圈定异常位置与水仓位置吻合，并可粗略看出乙仓位置视电阻率值较小且，推断乙仓相对甲仓充水较多。
　　4、建议
　　1)《煤矿地质工作规定》明确规定物探方法只作为煤矿现场工作的辅助手段，不能代替钻探，物探结果不能作为矿方安全生产的唯一依据，必须与钻探结果、地质资料相结合分析，才能提高其安全与经济价值;
　　2)针对震波探测异常情况进行打钻验证过程中，1#、3#震波解释深度大于打钻深度，且未打到位置存在似煤层异常区，故仍需要进一步验证，钻孔深度不能小于震波解释距离，并将验证信息反馈给福州华虹公司，及时进行二次解析;
　　3)由于该两类物探设备均属于首次在黑河地区使用，仪器参数、各岩层的速度、视电阻率值界定等有待继续校正，从而可进一步提高探测精度;
　　4)通过震波探测成果与钻探成果对比图及瞬变电磁探测水仓综合验证对比结果图可以看出，KDZ1114-6A30矿井地质探测仪与YCS256型矿用本安型瞬变电磁仪能够在某些领域辅助指导煤矿生产，对煤矿生产具有较高的经济与安全价值。
    作者简介：
    白永利，男，中国矿业大学资源与环境科学学院地球物理学专业，福州华虹东北办事处物探技术员。