煤矿深部开采地质保障中的综合物探技术应用

吴有信¹，韩东亚²，王琦²
(1.安徽省煤田地质局物探测量队，宿州234000;
2.淮北矿业(集团)有限责任公司，淮北235000)

    摘 要：在煤矿深部开采阶段，运用综合物探技术开展地质保障工作，避免煤矿发生矿井地质灾害，建设和谐社会和提高煤矿经济效益意义重大。文章分析了煤矿深部开采中地质灾害与地质风险的地球物理特征，对正确运用综合物探技术和地质灾害防治进行了阐述，简述了采区地震勘探、电法勘探等方法的基本概念与勘探效果。展望了综合物探技术的应用前景。通过勘探实例阐述了综合物探方法在煤矿深部探测中实用性和有效性。
    关键词：煤矿深部开采;地质保障;综合物探;地质灾害;三维地震勘探;瞬变电磁
    1 引言
　　伴随着煤矿采掘机械化、开采规模、开采强度和深度的加大，煤矿地质灾害防治问题显得尤为突出，更为重要的是一个大型、高度机械化的煤矿如发生矿井地质灾害其社会影响和经济损失将是巨大的。煤矿矿井地质灾害复杂多样，在煤炭开采过程中，断层、陷落柱、含水层(体)、岩浆岩、采空区、煤层结构变化等是不可忽视的灾害性地质异常体，它们破坏了煤层的连续性，严重降低机械化采煤的效率，甚至可以引发透水，瓦斯突出等事故，给煤矿的安全生产带来威胁^[1]。
　　综合物探技术以其独具的信息量大、分辨率高、物性参数多、控制网度密等优点，使得较准确地探测小规模断层、陷落柱、含水体等地质体成为可能。单一物探方法在防治煤矿地质灾害与地质风险过程中往往取得不了好的地质效果，综合物探方法防治煤矿地质灾害与地质风险的优势明显。
　　据国家开发行与中国煤炭地质总局联合调查资料^[2]，地球物理勘探可以查明矿井地质构造(断层、陷落柱等)、老采空区及含水层分布等，为矿井工作面布置、开采方式和防治水创造条件，避免淹井事故，提高矿井煤层开采上限，增加资源回收率，同时，地球物理勘探可消除多种地质风险^[3]。
    2 煤矿地质灾害的地球物理特征分析
　　煤层与其顶底板地层在密度、速度和岩性上差异较大，能够产生在一定区域可连续追踪的地震反射波。
　　由于构造、陷落柱、岩浆岩、采空区等原因煤层在空间上的连续性被打破，根据采区三维地震资料，煤层反射波的中断、扭曲、振幅和频率特征等变化可用来识别煤层构造和异常体^[4，5]。
　　运用电法来研究水文地质问题的物性依据是观测对象之间的电性差异。岩石随着孔隙、裂隙、湿度或饱和度的增加，电阻率急剧下降;同时，水分含量相同的不同岩石的电阻率可能有很大差别，其原因在于水分有不同的矿化度;断层、陷落柱、采空区等地质体的电阻率取决于其本身的大小、破碎程度及其含水的饱和度;含水断层的电阻率远小于周围不含水围岩的电阻率。
　　对于华北型地层，第四系电性层多，单层厚度小，电阻率从十几到几十欧姆米;煤系地层以各种砂岩互层为主，致密均一，电阻率在几十到一百欧姆米;奥陶系灰岩其电阻率在三百至一千欧姆米之间变化，有明显的高阻特征，为一电性标志层。在横向上，沉积地层的电性正常情况下是均一的或变化不大。当存在富水性的断层构造或其它良导电地质体时(如断层破碎带富水，灰岩内的充水溶洞、裂隙、陷落柱等)都将打破水平方向电性均一性。当其在三维空间上具有一定规模时可改变纵向电性的变化规律，表现为局部的、区域性的电性异常。总之，覆盖层、煤系地层及下伏奥陶系灰岩层沉积序列清晰、稳定。纵向上视电阻率依次增高，而横向上电性差异较小。当有富水的断层、裂隙存在时，视电祖率呈现良导电体的特征，破坏了地层电性在横向上的均匀性和纵向上的正常递变规律，为使用电磁法探测富水地质体，并研究它们的纵横向水力联系提供了条件^[6]。
　　陷落柱破坏了煤层的连续性，并经常诱发矿井水患发生，导致矿井生产安全事故，华北型煤田由此而导致淹井时有发生。一般认为，煤田陷落柱形成与奥陶系灰岩溶裂隙有关，由于岩溶裂隙的发育和扩大，周围地层受重力作用而塌落下沉，因此，陷落柱内部充填物常常成分复杂，比较松散，正常的地层沉积层序被打乱，陷落柱与煤层的接触边界两测存在着明显的密度、速度、电性、放射性等物性差异^[7]。
　　煤层采空区因岩体垮落破碎，电阻率值明显增大，而当采空区完全充水后，水体不仅充填了采空区，而且也充填了冒落裂隙带，因而在岩体破坏区，其电阻率又明显降低。正常岩层中若裂隙发育，不含水时其电阻率增大，含水时其电阻率降低。据此，通过探测地下岩层的电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和含水状况。
    3 常用综合物探方法
    3.1 采区三维地震勘探
　　三维地震是从三维空间了解地下地质构造情况，利用炮点和接收点网格灵活组合的面积接收技术而获得分布均匀的地下数据点网格及所要求的覆盖次数。特点是高密度的数据采集、准确的空间成像和归位。提供剖面的、平面的和立体的地下地质图构造图象，提高了对地下地质构造复杂多变地区地震勘探的精确度。可完成如下煤矿采区勘探任务：查出埋深1000m以内，落差大于3～5m的断层;主要煤层起伏大于5m的褶曲，主要可采煤层底板深度解释误差小于1%～1.5%;查出直径大于20m的主要煤层陷落柱;解释主要可采煤层厚度变化;预测主要可采煤层的分叉、合并带、冲刷缺失带;查明主要可采煤层的地下露头位置;划分奥陶系灰岩岩溶裂隙发育带;圈定主要可采煤层的自燃火烧区范围;对岩浆岩影响可采煤层的范围、焦化带进行划分;查明新生界厚度，对底部含隔水层作出评价等。
    3.2 可控源音频大地电磁法
　　可控源音频大地电磁(CSAMT)，是利用接地水平电偶源为信号源的一种频率域电磁测深法，CSAMT采用了大功率的人工场源，具有信号稳定、信噪比高、穿透能力强、探测深度大等特点^[8]。可用下面公式：来估计探测深度，由公式可以看出，探测深度(H)与视电阻率(ρs)的平方根成正比，与频率(f)的平方根成反比，所以在频率一定的情况下，探测深度的大小取决于电阻率的大小。与直流电测深相比，具有丰富的频谱，能穿透高阻屏蔽层，等值范围小。由于CSAMT法采用人工场源激励，与天然场源相比产生了一系列的影响因素，如：场源附加效应、近区效应、静态效应等。强化了异常的复杂性，增加了异常解释的难度。
    3.3 瞬变电磁法
　　瞬变电磁法是是利用一不接地回线发射一次磁场，在一次磁场的问歇期问利用不同回线接收二次感应磁场，该二次电磁场是由地下良导体受激励引起的涡流所产生的非稳磁场^[9]。与其它测深方法相比，它具有探测深度大、信息丰富、工作效率高等优点。
　　涡旋场在大地主要以扩散形式传播，电磁能量直接在导电介质中传播而消耗。由于趋肤效应，高频部分主要集中在地表附近，且其分布范围是源下面的局部，较低频部分传播到深处，且分布范围逐渐扩大。瞬变电磁的探测深度与发送磁距、覆盖层电阻率及最小可分辨电压有关。
    4 综合物探研究的内容与勘察实例
    4.1 三维电性数据体的形成与数据分析
　　通过对外业采集的在二维平面上或三维空间中的随机分布的数据进行网格化(线性插值、距离加权插值、径向基函数插值等)。得到空间或平面网格数据，对三维电性数据体进行信息分析^[10]，如边缘检测的方法来确定出空间三维体的变化率最大的突变位置，这些位置往往也是勘探工作者感兴趣的部位，如断层，破碎带等。还可以对三维电性数据进行滤波、三维相干等数据处理(图4、图5、图6)。

　　

图4 三维电性体相干切片            图5 三维电性体边缘检测　   
　

    4.2 三维地震资料的切片解释技术识别构造与异常体
　　切片技术是三维地震勘探有别于二维地震的重要技术特点，切片技术有利于揭示矿井开拓过程中迫切要求解决的小断层、陷落柱异常、小褶曲及相关精细构造与岩性问题(图7)^[11，12]。

　　

　　切片解释技术是全三维地震解释的主要方法之一，它们基于“体”的解释概念，优越于传统的地震解释方法，为煤矿采区三维地震构造解释与岩性分析提供了强有力的手段。
    4.3 相干体与方差体技术的应用
　　相干体与方差体技术是研究三维数据体中的不连续性特征及相邻道地震信号之间相似性的解释性处理技术^[13]，该技术充分利用了三维资料中每个CDP点的信息，避免了因常规抽线解释而遗漏小断层。利用相干体与方差体技术，可通过新的数据体切片、层切片或透视图等手段，展示地下断层展布及断面的特征，实现断层等地质现象的全三维解释(图8)。

　　

    4.4 地震资料的反演技术
　　地震反演利用地表观测的地震资料，以已知地质规律和钻井、测井资料为约束，对地下岩层空间结构和物理性质进行成像(求解)的过程，是反演地层波阻抗(或速度)的地震特殊处理解释技术。得到既有较高垂向分辨率又有较好横向连续性的反演剖面，同时，反演对地震资料进行高频和低频恢复，将地震有限频带扩展为宽带，进行以煤岩层为单元的地质解释，把界面性的地震资料转换成可与测井资料对比，具有岩性特征的波阻抗资料(图9)，有助于煤层厚度预测，圈定采空区范围、火烧区、火成岩体等异常体边界。

　　

    5 结语
　　根据有关资料，我国煤矿绝大多数是井工矿井，地质条件复杂，灾害类型多，分布面广，在世界各主要产煤国家中开采条件最差、灾害最严重。
　　煤矿深部开采地质保障中的综合物探技术是煤炭工业和煤炭企业发展的保证。近年来国有或地方煤矿连续发生重、特大灾害事故的惨痛教训表明，安全投入和因灾害事故造成的经济损失已成为煤矿生产成本中不可忽略的重要组成部分。在提倡科学发展和建设和谐社会的今天，提高煤矿安全生产保障程度，防治煤矿地质灾害与地质风险已成为煤矿企业安全工作的重点^[7]。
　　我国东部许多老矿区的开采深度均在-800m以下，某些新建矿井覆盖层厚度便达500m以上，开采深度为-1000m左右。深部开采矿井均为高产高效矿井，对地质保障工作提出了更高的要求，包括查明煤层中落差3～5m左右的断层、幅度3～5m左右的褶曲、陷落柱和采空区的空间分布形态，同时查明与水文地质条件与瓦斯突出条件密切相关的煤层顶、底板岩性等。
　　运用综合物探手段开展煤矿深部开采地质保障技术的研究工作，对于煤矿地质灾害防治与地质风险超前预测有着非常重要的意义，特别是采掘机械化程度的迅速提高，以及随着煤矿开采规模、开采强度和深度的加大，矿井地质灾害和地质风险日益增大，应用综合物探方法研究矿井地质灾害和地质风险有着重要的现实和经济意义。
　　在工程实践中，必须全面系统地分析煤矿地质灾害与地质风险防治中的地球物理特征，合理布置综合物探方法，从不同物性特征研究煤矿煤层结构与岩性、水文地质、陷落柱与煤层的小构造，通过对三维电性数据体观测技术、信息相干技术、三维滤波技术、边缘检测技术等进行实践与研究;对三维地震数据体运用切片解释技术、全三维解释技术和反射波动力学特性参数的提取与成图技术的运用，利于精细地质现象的解释，才能取得较好的地质效果。
　　实践证明，在煤矿地质灾害防治中使用综合地球物理勘探方法对引起地质灾害的地质原因进行查明，只要物性前提具备，工作方法选择恰当，在理论上是可行的，实际工作成果也表明，综合物探可以为地质灾害防治提供可靠的地质资料。
　　由于华北型地层区煤炭资源大多被200～400m的松散层所覆盖，覆盖层的良导电性和对高频弹性波的吸收与衰减作用，单一地球物理方法往往在勘探对象、勘探深度、分辨能力与解决问题的全面性上存在某些弊端，因此，综合物探方法的优势互补在煤矿灾害防治中具有极大优势。
    参考文献：
[1]袁亮,张炳光.淮南煤矿地质工作的回顾与展望.中国煤炭,2000.
[2]魏子荣,杜兴亚,方正,等.我国煤矿采区高分辨率地震勘探的成果.煤田地质与勘探,2000.
[3]王永红,沈文.中国煤矿水害预防及治理.北京：煤炭工业出版社,1996.
[4]俞寿朋.高分辨率地震勘探.北京：石油丁业出版社,1994.
[5]王怀洪.山东煤矿采区物探综合物探方法研究.徐州：中国矿业大学出版社,2003.
[6]刘树才,岳建华,刘志新.煤矿水文物探技术与应用.徐州：中国矿业大学出版社,2005.
[7]程建远.三维地震资料微机解释性处理技术.北京：石油工业出版社,2002.
[8]石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用.北京：科学出版社,1999.
[9]蒋邦远.实用近区磁源瞬变电磁法勘探.北京：地质出版社,2000.
[10]吴有信.宜万铁路马鹿箐隧道瞬变电磁法勘察效果.工程地球物理学报,2007.
[11]吴有信.综合物探方法在煤矿采空区及其含水性勘察中的应用.工程勘察,2005.
[12]吴有信.煤矿采区三维地震资料解释中的切片技术及其应用.中国煤田地质,2005.
[13]吴有信,方含珍.相干体与方差体技术在全三维地震资料解释中的应用.安徽地质,2006.