摘　要：以煤为主的能源消费结构、复杂的成煤模式和开采条件决定了中国矿井物探技术的发展具有自身特点。在总结矿井地震法、矿井电磁法为代表的矿井物探技术发展历程的基础上，立足于国内煤炭开采现状，认为当前矿井物探技术需要在全空间、多场耦合方面加强基础研究；在矿井物探装备、观测系统、反演方法等方面，应结合物联网技术、巷道钻孔组合空间，进行技术研发；矿井地震、煤层槽波、直流电法、瞬变电磁法、无线电波坑透法等是矿井物探的主要方法，这些方法需要走勘探、监测并举，多场耦合、协同解释的道路。对复杂采空区、灰岩水、煤与瓦斯突出等灾害源的探测是矿井物探面临的任务和关键问题。
    关键词：矿井物探；煤矿灾害源；矿井地震法；矿井直流电法；矿井瞬变电磁法
    矿井地球物理勘探，简称矿井物探，是特指在矿井地下开采空间进行各类地质勘查的地球物理方法的总称。我国以煤炭为主的能源结构特点决定了矿井物探服务于煤炭安全生产的的重要性；同时我国的含煤地层特征、地质构造模式和开采条件的复杂性，决定了我国矿井物探技术发展历程和内涵的独特性。与地面物探相比，井下物探具有半空间-过度空间-全空间问题，施工环境、观测系统和仪器装备具有特殊要求，使得矿井地球物理场观测的技术瓶颈大、干扰因素多，数据采集、物性反演、地质解释难度大；但同时，矿井物探具有距探测目标近、物探异常明显、探采对比实证性强、运用灵活等优点。我国矿井地球物理勘探主要内容由四大类方法构成(图1)，这些方法已取得了丰硕的成果，也存在理论滞后、研究不足、人员匮乏等问题。笔者以最具代表性的矿井地震法、矿井直流电法和矿井瞬变电磁法为线索，来论述我国矿井物探的发展轨迹，以及目前面临的科学问题和技术关键。

图1　我国矿井地球物理勘探主要方法

1　我国矿井物探技术的发展简况
1.1　矿井地震勘探技术
    矿井地震勘探技术系指针对煤矿开采中的各种地质条件进行的浅层反射波地震勘探(包括巷道底板、侧帮、工作面的反射波地震勘探)、面波勘探、槽波勘探、煤层折射波勘探等的总称。从使用方法与波场源上来看，已经超出地面地震勘探的内容，统称为矿井震波探测技术可能更加合理。井下地震勘探只能利用地下有限空间来开展工作，与地面地震相比，不受上覆松散低速层影响，矿井地震波频带宽、主频高，对小断层、煤层厚度、下组煤隔水层厚度探测十分有利。自20世纪70年代以来，我国矿井地震技术稳步发展，代表性事件如图2所示。

图2　我国矿井地震勘探技术的简要发展轨迹

    20世纪80年代初，原煤炭部和东煤公司都进行了矿井地震研究的立项工作，代表性的研究有：中煤科工集团重庆研究院进行剩余煤层折射波法测厚，安徽理工大学进行剩余煤层浅层反射地震探测，中煤科工集团西安研究院和中国矿业大学进行煤层槽波地震勘探研究，这些研究包含方法和仪器装备的同步开展，为现在的矿井地震技术发展打下了基础。由于槽波地震对于煤层厚度、断层的探测具有直接意义，因此槽波地震勘探是矿井地震技术中的一个特色方法，我国自20世纪70年代末从德国引进槽波地震仪，研究槽波勘探技术，近年来的研究呈上升趋势。将地面三维三分量地震勘探技术推广应用于煤矿井下，利用近源多波技术来探测小构造，是矿井地震勘探的发展方向之一。进入21世纪以来，微震及声发射监测技术也开始应用于矿井，并在煤矿“两带”、“冲击地压”监测中得到了应用。目前矿井地震技术正在面向灾害源精细探测及监测方向发展。
1.2　矿井直流电法勘探技术
    早在20世纪60年代，我国已开展矿井直流电法勘探的试验与研究，80年代后期，引入了高密度电法技术，它是集电测深法和电剖面法于一体的阵列勘探方法，90年代，中煤科工集团西安研究院将直流电透视技术运用到矿井工作面隐伏突水构造探测中，中国矿业大学对矿井直流电法的全空间场和巷道影响进了理论研究，安徽理工大学、河北煤炭科学研究所以及淮北、峰峰、肥城、焦作等矿务局都开展了实验研究。进入21世纪以来，矿井直流电法勘探仪器日趋小巧轻便，精度和抗干扰能力显著提高，网络并行电法技术解决了常规直流电法仪器串行采集的问题，且初步实现实时、远程、动态监测功能；在数据处理方面，中煤科工集团西安研究院、中国科学技术大学等在电阻率反演方面开展了二维、三维反演等研究。直流电法勘探技术发展轨迹如图3所示。

图3　我国矿井直流电法勘探技术及装备的简要发展轨迹

    迄今为止，矿井直流电法勘探技术已在巷道工作面、顶板、底板及工作面富水构造探测等方面发挥了重要作用。直流电阻率法不仅在巷道地质超前探测中发挥重要作用，而且在开采裂隙场发育规律检测方面具有明显效果。自然电场法、充电法等在判断地下水渗流和水害预警方面开始受到重视和初步应用；激发极化法在矿井水害防治中也具有一定的潜力，值得研究。矿井电阻率成像法利用阵列布极、动态采样，提高了直流电法探测的精度和分辨率，扩展了直流电法的应用范围。
    图4为在河南某煤矿工作面中一个仰孔内安装64个测量电极进行直流电阻率法动态勘探，用以监测顶板“三带”发育情况。图4(a)为工作面未进入测量区域时的监测背景场视电阻率剖面图，图4(b)为工作面推进至距钻场21m时的视电阻率剖面图，由图4(b)可清晰看到顶板“冒裂带”的发育特征。进行动态电阻率勘探提升了直流电法的应用范围。

图4　顶板破坏特征视电阻率剖面

1.3　矿井瞬变电磁勘探技术
    地面瞬变电磁法在国外已有60a的研究历史，国内瞬变电磁法研究始于20世纪80年代。矿井瞬变电磁法勘探始于20世纪90年代末，中国矿业大学率先将该方法引入到井下探测工作中，并在全空间瞬变电磁场分布规律、数值模拟、时深转换方面进行了研究，技术方面对关断时间、发射功率、发射线圈匝数、干扰因素等方面开展了试验研究。中科院地质与地球物理所、长安大学、安徽理工大学、中煤科工集团重庆研究院和西安研究院、中国地质大学、吉林大学等单位在数据处理、软件开发、仪器研制和工程应用等方面也进行了大量研究。
    现有的科研成果和实践经验已经表明，矿井瞬变电磁法可用于圈定巷道前方、顶板的富水区、导(含)水断层、采空区等低阻异常等。由于井下电磁场的分布特征及施工环境与地面差异迥然，多匝回线源的暂态过程机理更加复杂，资料处理与解释的基础理论研究尚处于发展阶段，故在技术应用方面需谨慎。
    矿井电磁法中无线电波坑透技术是中国矿井物探的先驱，早在20世纪50年代，我国煤矿就用其探查工作面内的异常构造，特别是对陷落柱、断层的探查。长期以来坑透技术发展平稳，已经成为矿井工作面地质异常探测的常规与必备手段。中煤科工集团重庆研究院、廊坊物化探研究所、河北煤炭科学研究所等单位长期坚持坑透仪器与方法的研究。目前的研究方向是开展多频、变频坑透技术，提出了真场强计算、相位反演等新方法。
2　当前我国矿井物探面临的关键问题
    我国煤炭开发正由浅部走向深部，特别是对开采石炭系煤层的华北型煤田，煤矿受岩溶水的威胁尤为突出，底板高承压岩溶水的通道探查，一直是矿井物探面临的主要任务之一。从2006年国家开展煤炭资源整合工作以来，针对整合煤矿典型多煤层条件开展水害防治工作已经成为一大难题，复杂采空区及其富水性的探查是目前面临的新任务。煤与瓦斯突出是矿井重大灾害，对于构造煤及其煤层小构造的探测是关键问题；近年来，冲击地压灾害也有明显上升趋势。矿井物探在动力灾害预测预警方面具有重大需求。
    煤岩固体、瓦斯气体、水体的三态并存与多场耦合决定了矿井地球物理场的特征，煤岩层的各向异性与地质构造控制了煤矿灾害的类型。矿井物探需要在地下全空间，进行三态并存、多场耦合、各向异性的研究，才能进行面向灾害源的勘探。当前其面临的主要科学问题主要有以下3点。
2.1　加强全空间深部矿井地球物理场的基础性研究
    研究深部地下空间的地球物理场特征，并提出观测和分析方法，指导矿井物探工作的深入开展。要解决这一问题，需要克服现有的理论方法在深部的适用性有限的难题，辨析在高地应力、高地温、高岩溶水压、高瓦斯含量与气压的环境下以及在地应力场、渗流场、地球物理场等多场复杂的耦合作用条件下，深部地质体的物理力学性质与浅部地质体的差异，建立适用于深部全空间的地球物理理论体系。矿井地球物理在向深部拓展时，需要引入现代岩石物理学、流体力学及地质学等基础理论成果，增进学科融合和交叉发展；在固-水-气三相耦合、各向异性作用和非线性条件下，开展三维全空间地球物理场的数值模拟和物理模拟；结合煤矿采掘工程实践，开展裂隙场与地球物理场的耦合研究，形成采动条件下的矿井地球物理场响应规律；这些基础性研究都需要加强。
2.2　进行复杂采空区地球物理场的观测与分析
    针对整合煤矿开采条件复杂、可信地质资料缺失、未知因素较多的困难条件，矿井地球物理场的观测与分析方法在灾害源探测方面至关重要，尤其在解决对未知采空区的圈定及其富水性评价方面尤为迫切。图5为整合煤矿典型多煤层结构剖面及灾害源特征示意图。煤层1和煤层2均为整合之前的残采煤层，大多数被巷采、房柱式或者刀柱式开采所破坏，顶板不易垮落，采空区易积水易连通。整合后的煤矿以综合机械化开采的方式开采深部的煤层3，采场垮落带和断裂带的高度很容易波及上部煤层。实践证明采用钻探探测煤层1的采空区时，钻杆在打入煤层2采空区后，由于没有着力点很容易折断，无法继续有效钻孔；另一方面，由于煤层2采空区的影响，传统的物探方法，探测精度低，解释结果的偏离度和失真度大，很难准确预测煤层1采空区的位置及富水性。

图5　整合煤矿典型多煤层结构及灾害源示意

    要运用地球物理方法解决上述典型问题，需要克服探测空间有限、地质约束条件不明的困难，结合整合煤矿的开采实际，采用巷道与钻孔组合，进行采空区地球物理场的观测系统研究；开展破碎岩体与渗流物理场效应研究，通过震电磁协同观测与综合分析来解决此类问题。
2.3　开展针对灾害源识别的高分辨率矿井物探技术的研究
    煤层厚度是确定矿井灾害源的尺度的标准，认识与煤厚相当的地质异常，才能保障煤矿安全生产。落差与煤厚相当的小断层、软分层、采空巷道、孤岛煤柱等都是主要的隐蔽灾害源。
    提高矿井物探分辨率，首先要在信号上进行提升，研发具有煤矿安全论证“MA”标志的新型装备是基础，矿井地震仪、电磁法仪可结合煤矿物联网技术进行研发。其次在物探方法上进行延拓，如矿井地震可采用更小的空间与时间采样率、岩层激发接收的快速耦合技术；直流电法可采用加密电极距和多尺度观测方法；矿井瞬变电磁法可增加通道、测道数方法等。对于灾害源的识别，矿井物探方法需采用多尺度采集、处理、反演手段，实行长距离超前探测和实时连续跟踪监测相结合的综合物探技术。
    随开采层位的加深，在高地应力、高流体压力条件下，煤岩层中的断层、陷落柱、采动裂隙等异常体即使尺度较小，导通瓦斯富集区和承压水的可能性也在增强。采用矿井物探技术解决这一问题时，需克服低信噪比和常规分辨率极限的问题，解决探测精度有限、勘探周期长等问题，最终得到针对中小尺度灾害源的高分辨矿井物探方法并提出可操作的技术规范。
3　当前矿井物探的工作重点和发展方向
    目前，我国矿井物探虽然积累了大量成果，但许多技术带有明显的经验性，在应用中存在误区。整体来看，理论基础尚不完备，技术方法和探测装备对深部全空间的针对性也并不突出，还需要开展大量的、系统的研究工作。
3.1　针对灾害源的矿井地球物理精细探查技术体系的建立
(1)针对灾害源的矿井地震精细探查技术。
    由于探测空间局限、巷道围岩松动圈的吸收不均匀以及全空间效应等问题，影响矿井地震数据品质，需要在激发接收上有所创新；研究高精度全空间地震反射成像方法和固-水-气三相介质地震属性识别技术，才能给出矿井灾害源的精细地震识别方法。以地震全波场信息为基础，利用多波联合反演为手段进行矿井地震勘探研究是主导方向。
    图6为笔者提出的矿井地震全空间极化偏移成像方法的工业性试验结果，该成像方法基于六分量孔内传 感器技术而提出。试验中，采用地震反射波超前探测技术对掘进巷道前方地层进行连续追踪探测，以查明巷道前方断层赋存情况。对照图6，可见矿井地震全空间极化偏移成像方法比叠前绕射偏移方法收敛，提高了异常体空间分辨率；且图6(b)中指示的R1，R2，R3三个界面探测倾向与实际揭露资料吻合。

图6　矿井地震偏移成像方法对比

(2)针对灾害源的矿井直流电法精细探查技术。
    针对灾害源的矿井直流电法精细探查技术的研究，需要：降低体积效应，校正全空间电场分布与巷道空间的影响；基于已有地电场阵列测试技术，研究深部全空间电法精细成像技术和灾害源识别方法；除电阻率参数以外，研究其他地电场参数对深部渗流场、裂隙场及其灾变的响应规律，以此提出基于地电场的矿井灾害实时预警方法；在矿井应用方面，提高观测系统的抗干扰能力，如改进电极电化学性能，解决电极与岩层的耦合问题等。图7为运用激励电流I来预测皖北某煤矿突水过程中突水水量Q0的变化，可见激励电流I对突水水量Q0的变化趋势具有指示作用。

图7　激励电流I与水量Q0的对应关系

(3)针对灾害源的矿井瞬变电磁精细探查技术。
    研究针对灾害源的深部矿井瞬变电磁精细探查技术，提高感应场的纵向分辨率、消除盲区、剔除干扰是目前矿井瞬变电磁需解决的突出问题。目前在多匝小回线的关断效应、暂态过程、一次场消除、全程全空间视电阻率计算、拟地面大地电磁反演、拟地震处理解释等方面成为研究热点。
    物理模拟方面，需对真实地层结构、复杂异常体特征以及巷道金属体干扰特征进行有效模拟，完成对强干扰条件下各向异性介质中瞬变电磁场全空间效应的研究；数值模拟方面，在考虑到关断效应、巷道空间影响的条件下建立数值模型，并提升算法的稳定性、精确性和时效性；在硬件研发方面，基于小功率、小线圈、大测深等技术要求，优化仪器对异常体的分辨能力、抗干扰能力及关断时间影响等，并掌握收-发线圈的匹配准则、线圈匝数对数据的影响规律；在矿井应用方面重视观测系统的优化和干扰因素的控制及消除。
3.2　基于巷道掘进、钻探工艺的矿井物探新方法研究
    在新的煤炭开采形势下，矿井物探在技术和方法上需要创新。利用岩巷与煤巷等巷道空间、水文钻孔和瓦斯抽放钻孔等钻孔空间，开展孔中物探、跨孔物探和孔巷联合物探，可识别巷道前方及周边的地质异常，精细查明煤层小构造及其物性特征。如研究深部全空间随钻地震勘探技术、深部全空间地电场监测技术和孔中瞬变电磁技术；研究针对每种物探方法的巷道与钻孔空间的组合观测系统等。充分利用巷、孔空间，对矿井物探技术提升具有现实意义。
3.3　矿井全空间地球物理场协同观测及耦合分析
　　在井下全空间，地质、地球物理特征和边界条件更加复杂，协同观测多种地球物理场特征并开展多场耦合研究，可以克服单一地球物理场勘探方法的局限性、降低其多解性。这需要做到：在技术与装备方面，完善深部空间多种物理场的观测方法与手段，研制用于多场协同测试的新装备；在理论研究方面，结合应力场、裂隙场、渗流场和地球物理场的耦合分析，揭示煤岩体工程性质和地质构造特征两个方面问题，提出多物理场耦合的本构关系，形成新的反演理论与算法，预测采动条件下的相应物理场的变化特征。
3.4　其他物探方法在深部矿井勘探中的应用
    除上述论述的3种代表性方法之外，尚有其他矿井地球物理方法也至关重要，如无线电波透视法、地质雷达法、声波及微震监测法、红外热像法、放射性法、微重力法等。在大力发展主动源物探手段的同时，也及时开展了被动源的物探研究，目前声发射、微震监测、电磁辐射、震电技术等研究工作已经在部分矿井灾害预警和勘探工作中发挥出作用。在新的煤炭开采形势下，结合煤矿安全生产需求来深入研究矿井物探技术势在必行。
4　结论
    (1)从发展过程来看，矿井物探技术在近十年来发展迅速，不仅得到煤矿主管部门的重视而且在生产单位已经推广应用。由于矿井物探涉及全空间、强干扰环境，与地面差异大，需要在基础理论、勘探技术和反演方法上有所突破，利用其实证性强的特点，建立矿井地球物理学科体系。
    (2)在新的煤炭开采技术条件下，矿井物探需针对煤矿防治水、煤与瓦斯突出以及冲击地压等开采动力灾害的实际需求，进行专门的灾害地球物理场研究；在建立具有深部全空间特色的理论体系的过程中，结合物联网技术，开发矿用物探新的技术系统。
    (3)为克服现存问题，在提升单一方法水平的同时，需着力发展针对灾害源的矿井地球物理场协同观测与耦合分析技术，同时结合巷道掘进技术和钻探工艺创新物探方法，并重视其他物探方法在深部矿井勘探与监测中的应用，充分发挥矿井地球物理场的灾害预警能力。

摘自《煤炭学报》2014年第39卷第1期