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孙庆先1，2，3，安晋松3，牟义1，2，3，孙志强4
(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；
2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学技术研究院有限公司)，北京100013；
3.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司物探工程分公司，山西晋城048006；
4.福州华虹智能科技股份有限公司，福建福州350003) 摘 要：多年实践经验总结表明，地面物探成果对于了解煤层赋存状态、矿井主要构造等宏观内容十分有益，但对于规模较小的地质异常体的判断存在较大误差。在地面物探成果的指导下，开展井下物探，可以达到对小型地质异常体的精细探测，提高准确率，降低误报率和漏报率，减少盲目性，对于保证安全生产起到重要作用。根据矿井环境条件，采用不同原理的物探技术组合开展井下综合物探，有利于分析判断物探成果。以实例说明地面三维地震与井下瞬变电磁法、地震波法联合物探对于探测隐伏小型构造十分有效。
关键词：地面三维地震；矿井瞬变电磁法；矿井震波超前探测技术；小型断层构造
随着机械化水平的提高以及人们对物探理解认识的提高，物探技术已经逐渐被煤矿企业所接受。很多煤矿企业利用物探技术在地面或井下开展了老空区调查、地质构造调查和水害预测预报等工作，物探成果在一定程度上为矿山企业的安全生产提供了保障。
由于地质采矿条件复杂多变、施工时干扰因素的不可排除等原因，无论地面和井下，都存在岩性差异被淡化或完全屏蔽的情况，给工作人员造成难以辨识的假象。此外，由于经验认识不足造成主观淡化或强调地质异常体存在的情况不可避免。这就造成了物探成果误报率高、准确率低的局面，有时还存在漏报现象。特别是对小型构造的预测预报，地面和井下单一物探都难以达到良好的效果。在对沁水煤田开展多年的物探工作的基础上研究发现，地面和井下物探联合，能提高小型构造预测预报的准确率，降低了误报率和漏报率。
1 煤矿地质条件和物探地质条件
某矿隶属于晋煤集团有限责任公司，设计生产能力为0.9Mt/a。矿井含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。物探区域内井田构造为单斜构造，3号煤和15号煤为全区可采煤层。号煤层位于山西组下部，煤层厚0.35～6.61m，平均厚4.26m。15号煤层位于太原组一段底部，煤层厚0.40～5.30m，一般厚3.05～5.30m，平均厚2.83m。3号煤和15号煤间距平均为86.6m。
测区为山地丘陵地貌。表浅层黄土厚度或基岩风化差异较大，浅层地层结构对地震波的激发与接收不利，地震地质条件较差。3号、15号煤层与其上下围岩弹性差异明显，是良好的波阻抗界面，地震深层地质条件较好。15号煤层由于受3号煤层屏蔽作用影响，在部分地段15号煤反射波能量偏弱。综合分析，测区地面地震物探地质条件中等复杂［1］。
测区内各地层之间(垂向上)均有较明显的电性差异。沿走向方向上测区内地层沉积稳定，横向电性差异较小。井下电法和震波法物探地质条件比较理想［2］。
2 设备选型与施工方案设计
2.1 地面地震法设备选型及施工方案设计
选用法国SERCEL公司生产的428XL多道遥测数字地震仪。8线8炮制规则束状观测系统，测线线束方向近似垂直于地层走向［1］。观测系统主要参数如表1。
对大面积难施测障碍物，采取了多种变观技术方案，如并线和偏移结合接收、隔束纵向观测、远端加密炮排等［1］。
遵循单一因素变化原则，在物探区域开展了浅层地震地质条件试验。根据试验结果及周边矿井以往开展工作的经验确定，在基岩裸露区，机钻成井，井深3m；薄黄土沉积区，人工钻具成井，以基岩顶界面为井底，浮动井深，一般4～8m；厚黄土沉积区，人工钻具成井，井深为10～12m。药量均为1.0kg［1］。
表1 428XL地震仪观测系统主要参数表 
2.2 井下超前探测设备选型及施工方案设计
在井下物探施工时曾选用直流电法、瞬变电磁法和震波法多种仪器进行组合超前探测实验［2～3］。最终选择瞬变电磁法和矿井震波超前探测技术组合。
2.2.1 瞬变电磁法
选用YCS256矿用本安型瞬变电磁仪，采用重叠回线装置。施工时硬件主要技术指标和参数设置如表2。
表2 瞬变电磁仪主要技术指标和参数表   在作业地点条件允许时，瞬变电磁法超前探测共布置横向探测方向14个(图1)，分别是左侧帮6个(间隔15°)、正前方2个、右侧帮6个(间隔15°)；每个横向探测方向布置3个纵向探测角度(图2)：与巷道顶板呈45°夹角向前方顶板探测、正前方探测、与巷道底板呈45°夹角向前方底板探测，14个水平探测方向共计42个测点数据。根据现场条件、探测目的和矿方的需要，可增加或减少探测方向或调整探测角度［2］。
 图2 瞬变电磁法探测角度示意
选用KDZ1114-6B30矿用巷道地质探测仪，采用人工锤击激发震源，2个接收传感器(检波器)。施工时硬件主要技术指标和参数设置见表3。
表3 矿用地质探测仪主要技术指标和参数表   图3 矿井震波超前探测施工方案示意
为达到地面和井下物探成果互相补充以提高物探成果准确率的目的，地面和井下物探均在同一采区进行。地面物探区域面积约2.8k㎡，井下巷道每掘进约100m进行一次物探。地面物探先于井下物探。在井下物探时，对地面物探解释的地质异常体进行重点跟踪。以小型断层的探测为例，对联合物探进行说明。
3.1 地面三维地震物探
资料解释采用以叠后时间偏移剖面为主，以常规叠加剖面、叠前时间偏移剖面为辅的方式进行，并综合运用属性处理成果。落差为5～7m左右的小断层在时间剖面上同相轴仅错扭2～3ms，落差小于5m的断层或断点仅错扭不足2ms。目的层反射波同相轴的强烈扭曲或两侧倾向急剧变化甚至相反是识别小断层的基本标志。在时间剖面上表现为反射波同相轴的错断、扭曲、分叉、合并及反射波振幅的突变、同相轴指示的倾向相反等；在水平切片上表现为同相轴即错开等。图4所示为一地面三维地震物探解释的小型断层。推断该断层走向N45°E，倾向S45°E，倾角60～70°，仅切割3号煤层，最大控制落差在3号煤层中为5m，区内断层延展长度近170m［1］。
 图4 地面三维地震法某小型正断层在时间剖面和水平切片上的显示
在地面三维地震解释异常区内，使用YCS256矿用本安型瞬变电磁仪进行探测。瞬变电磁法现场施工完全按照施工设计进行。正前方探测视电阻率拟断面结果如图5所示。横坐标0点位置对应掘进头位置，纵坐标轴为掘进工作面前方的探测深度；横坐标轴负坐标方向对应掘进工作面位置左侧帮的探测深度，正坐标方向对应掘进工作面位置右侧帮的探测深度。从图5可以看出，正前方偏左侧存在高阻异常。在不结合地面三维物探成果时，推断为构造或老空巷。右侧帮80m以外存在低阻异常，推断为干扰所致［2］。
3.3 矿井震波超前探测
与瞬变电磁法同一位置同时施工。测线布置在右帮上，锤击点17个，激发点间距1.2m；偏移距2.4m；道间距1.2m。有效探测深度125m，已揭露区23m，未揭露区102m。图6为巷道前方地震横波深度偏移成像结果，深度偏移剖面反映了巷道前方弹性差异界面在空间的位置关系。横坐标为巷道正前方探测深度，0点位置为C2接收传感器位置。纵坐标表示巷道侧帮探测深度，左侧帮正值，右侧帮负值，0点位置为巷道中线。可以看出，自迎头向巷道前方80m范围内存在有较为明显的反射相位，其中有2组反射相位能量强，分别为R1、R2。R1位于迎头前方置13～15m，推断为采掘活动导致的围岩松动圈的影响；R2位于迎头前方41～46m，推断为断层构造等地质异常体的影响［2］。
 图6 矿井震波超前探测深度偏移剖面
通过巷道内向断层方向的钻探初步确定，巷道与断层大致平行，最短间距约25m。在掘进过程中，巷道围岩略破碎，伴有短时淋滴水。断层的落差约为5m，倾角约70°。
成果比较分析表明，井下瞬变电磁法和MSP法探测地质异常体的位置十分接近，且比较准确，但判断地质异常体属于何种构造类型以及规模程度比较困难。地面地震法探测地质异常体的位置有较大误差，约为20m，但可以比较明确地判断地质异常体属于何种构造类型以及规模程度。地面与井下联合物探成果联合，通过比较分析，对于小型构造的判断可以取得较好的效果。
4 结论
(1)对煤矿小型断层的探测，采用地面和井下单一物探方法都难以取得良好的效果，只有采用地面与井下物探结合的综合勘探技术，才能提高探测的准确率。
(2)地面三维地震勘探在宏观上对断层的位置判断及其性质比较准确，而井下物探在微观上，即精细化探测上更具优势。
(3)不同的物探方法均有一定的适用性，只有在对一个矿区进行大量试验，充分了解该区地质条件的基础上，选择适合该区的物探方法，避开岩层物性差异和地电干扰，才能取得好的效果。
参考文献：
［1］中国煤炭地质总局水文物测队.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司赵庄二号井西盘区三维地震勘探报告［R］.2011.
［2］山西省晋煤集团技术研究院物探工程分公司.山西晋煤集团赵庄二号井308泄水巷1057m处超前物探成果报告［R］.2013.
［3］山西省晋煤集团技术研究院有限责任公司物探工程分公司.晋煤集团技术研究院物探工程分公司矿井物探工作总结［R］.2014.
［4］吴建宇,张创业.平煤十二矿矿井震波超前探测技术(MSP)应用研究［J］.煤炭工程,2010.
［5］王晶,张建州,范庆荣,等.综合物探技术在整合煤矿复杂采空区勘探中的应用［J］.煤矿开采,2012.
［6］李宏杰.浅层地震和瞬变电磁法在采空区探测中的应用研究［J］.煤矿开采,2013.
［7］王喜宾,赵文强.综合物探技术在天祝煤矿中的应用［J］.煤,2013.
［8］罗成果.矿井超前探测综合物探方法的研究与应用［D］.成都:成都理工大学,2013.
［9］刘衍高.矿井瞬变电磁法探测底板导(含)水构造［J］.煤矿开采,2008.
［10］尚中磊.瞬变电磁法在煤矿矿井中的应用研究［D］.太原:太原理工在学,2012.
［11］胡水根,张平松,严家平.综合地球物理勘探技术保障煤矿深部资源的科学开采［J］.煤矿开采,2011.
［12］刘盛东,刘静,岳建华.中国矿井物探技术发展现状和关键问题［J］.煤炭学报,2014.
［13］夏青,袁媛.复杂地表条件下煤矿改建中瞬变电磁勘探应用［J］.西部探矿工程,2011.
［14］牟义.矿井超前精细探测技术方法与应用［J］.煤矿安全,2012.
［15］张华伟,刘鸿福,包乃利.纳米瞬变电磁法在煤矿浅层采空区探测中的应用［J］.煤矿开采,2013.
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