矿井防治水中的地球物理勘探技术

  一、物探技术介绍

  矿井防治水工作是一项长期艰巨的系统工程，总体可分为规划、预防及治理三部分，主要工作内容是要查清水源、通道、水量这三个问题。在防治水工作过程中，常常要采取计算、测试、试验、化探、钻探、遥感以及物探手段为整体规划提供分析基础资料，在这些手段中，物探技术的应用尤其是电磁法技术对水体的反应程度最大，已成为探测水源、通道首选的方法之一。

  物探技术不是物体探测，而是物理性质探测，它是利用探测的目标体对某种物理参数的差异来分辨目标体的存在。煤矿生产建设过程中的断层、溶洞、陷落柱、褶曲、破碎带、采空区等都可以划为探测目标，而物理参数则可以分为波速、电阻率、介电常数、极化强度、电场强度、频率、磁场强度等。各种目标体都具有一些固有的物理特征，比如矿井水具有很低的电阻率特性、灰岩的波速高于砂岩、破碎带吸收电磁场的能力强等等，我们通过一定的观测方式获取矿井中目标体的电阻率、波速、场强等物理参数，结合地层对比、趋势分析、统计分析等手段就可以推断解释地质异常，得到需要的地质成果。

  常用的物探技术分为重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震法勘探以及放射性勘探五种，每一种勘探方法依据观测装置的变化和解释方法的侧重又细分为若干种类，像地震勘探技术有单点地震、二维地震、三维地震、折射波勘探、反射波勘探、面波勘探等，我们经常接触的高密度、瞬变电磁、地质雷达、坑道无线电波透视、天然场等则属于电法勘探的范畴。

  物探技术不应该独立于地质行业之外。现代化矿井地质是一个多元信息的集成系统，物探技术可以应用于煤炭资源勘探，解决有没有煤层，有多少煤层的问题；应用于构造地质方面则可以判断煤层的赋存状况及构造的复杂程度，为工作面的设计和采煤方式的选择提供资料；煤矿的安全离不开地质的保障，要探测水源、瓦斯、火区等灾害，物探技术贡献最大；现代化矿井注重安全，同时要求快速、高效，而要达到这一要求，必须依靠物探技术来预测预报更小的构造、破碎带等地质现象。所以无论钻探、物探、测井、地应力监测、瓦斯监测等都是和地质工作分不开的。

  防治水工作坚持“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的十六字原则，在传统的地质勘探概念中，钻探是大家最容易想到的手段，也是最有效、最直接的探测手段，所以“有疑必探，先探后掘”的“探”字，往往大家想到的就是钻探，实际不应如此片面理解。“探”的意义在于做预报验证工作，既可以是钻探，也可以是物探、化探等其它探测，与物探技术相比，钻探仅是一孔之见，而且必须破坏岩石的当前状态，同时还需要更多的时间成本，而物探则可以做到无损探伤、体积勘探、便捷与快速勘探。在两者的关系上，应该做到“物探先行，提供靶区，钻探验证，综合处理”。

  二、老空区探测技术方法

  老空区积水对煤矿安全生产的危害十分巨大，因其历史久远，资料真实性不高，其影响范围单靠地质调查及部分钻探手段几乎难以圈定，尤其是在各煤层的浅部露头区域，老空区内可能存在水体、瓦斯、一氧化碳、硫化氢等，而且由于其连通方式往往以巷道纵横交错为主，一旦非预期揭露，突水或突气的速度很快，就可能造成人员伤亡或淹井事故，必须采取有效的物探手段预测预报，并根据预报结果进行隐患治理。

  老空区本身不是一种物体，它是人类活动后留存的空间，其本身没有固定的地球物理特征，但是我们可以通过三维地震的物探技术来寻找区域内的煤层反射波，在遭到采掘破坏后的采空区，其煤层反射波将减弱或消失；如果采空区长时间积水后，利用高密度电法或瞬变电磁勘探方法探测，就可以观测到积水区的低电阻率反映；有些采空区长时间和空气接触，会发生残留煤层煤柱燃烧，燃烧后就有剩磁现象，通过高精度磁法勘探，亦可以圈定空区范围。

  高密度直流电法勘探是探测浅部积水采空区最有效的办法之一，其原理为通过打入地层的一对正负电极把电流供入地层，在一定的距离范围之内测量地表的电压，随着供电电极距离的变大，相应的勘探深度随之增加。高密度是指同时布置60组左右的电极，仪器通过自动化控制编程按照设定的次序选择供电电极和接收电极组合，完成多个测点的测量工作，效率较高。一般适用地表高差较小、采空区深度200米以浅的地区，深度越小，其探测效果越好。当需要探测的采空区深度小于50米时，无论是否充水，都有较明显的反映。孤立老巷道的探测因为其规模较小，探查清楚非常困难，需要采取比较特殊的施工方式并结合钻探验证分析。

  当采空积水区域深度超过200米时或者地表起伏较大，直流高密度探测效果普遍受到影响，这时需要采用另外一种探测水体的电磁阀技术，那就是瞬变电磁法勘探。其探测原理是在地表布置200米以上边长的发送回线，发送回线中通以稳恒电流，这样在回线中及周围包括深度方向一定区域内便产生了一次稳定磁场。稳定磁场使大地具有了势场能量，根据电磁感应原理，当地表的电流关断后，在大地中感应出二次涡流，二次涡流的衰减会产生微弱的二次磁场。经过分析研究，良导体内部所激发的涡流较强、二次磁场衰减会持续较长时间，不良导体中的涡流较弱，二次磁场衰减只能维续很短时间，这时，地下不同的岩层分布情况就会在地表布置的接收线圈中产生不同的电磁响应，积水采空区符合良导体的特征，因此可以通过分析二次场随时间的衰变规律，来探测地下地质体的分布情况。目前国际上瞬变电磁法勘探系统有V8系列、PROTEM系列、GDP32系列、RH4系列等较通用的设备。在国内深度达1000米的灰岩含水体和几十到几百米深度的积水采空区都有成功探测的先例，在一些地表条件复杂的地方，像沙漠、戈壁、山区也取得了满意的探测效果，应用的地方逐年扩大，在煤矿、冶金、公路、铁路等行业应用效果也非常好。虽然如此，该技术的使用还是应该注意压制电磁干扰，避开铁器等金属体，同时应继续研究深度分辨率问题和地形精确校正技术。

  另外一种探测采空区的有效方法当属地震勘探了，地震勘探的基本原理是通过炸药等方式产生一定频率范围的震动信号，该震动的能量会沿着地层向远处包括地下传播，致密的介质波传播的速度快，松散的介质却有较慢的波动传播速度，同时，波动信号碰到有差异的界面时会产生反射、透射、频散等现象，反射信号会向地面传播，我们在地面按照设计位置放置信号接收器，就可以接收到来自地下深处的界面反射信号，较浅深度的界面反射信号只需要很短的时间，而深部的界面反射却需要更长的传播时间，经过研究试验发现，煤层和岩层的分界面会产生强烈的界面反射信号，经过分析处理，我们就可以追踪煤层的分布。在采掘破坏后的采空区，煤层反射波将减弱或消失，我们通过剖面追踪将发生中断，在平面上采空区范围内反射波的能量谱将消弱，在采空区便捷裂缝的地方将发生如同断层反映的绕射波组，这些特征都有助于发现采空区；应用地震勘探技术需要明确以下问题，一是要有足够的接收能量，一般通过多次叠加技术来保证，二是多层采空区存在时会增加解释难度，三是采空区积水性不能直接在反射信号的强度上体现，需要继续研究。

  还有一些探测采空区的技术，如磁法圈定的剩磁异常、重力异常变化、磁偶源频率测深技术等，在具备物性显着差异的情况下，会产生较好的探测结果。但同时我们应客观清醒的知道，依据目前物探技术的现有科学水平，仅仅只能探测到有一定规模影响的采空区和一些埋藏深度较浅的采空巷道，仍然有相当一部分采空区探测不到，采空区带来的潜在威胁仍然很大，还需要继续在生产实践中加强防范，在探测治理技术上持续研究。

  三、掘进巷道超前探测技术与手段

  统计结果显示，掘进巷道期间发生的突水事故占整个煤矿突水事故的75%以上，原因在于掘进工作是整个采煤工作的最前沿工作，它会最先碰到各种含水隐患，水体来源可能包括采空区积水、断层含水、溶洞含水、以及顶底板含水层的富水带，同时，由于施工空间的限制，可供有效使用的超前探测手段也十分有限。归结起来谈，地震技术有TSP超前、瑞利波勘探，电磁法技术有直流超前探测技术、地质雷达技术、瞬变电磁等。

  矿井直流电法超前探测属全空间电法勘探。它以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建场，使用全空间电场理论，处理和解释有关矿井水文地质问题。是研究掘进头前方地层电性变化规律，预测掘进头前方含、导水构造的分布和发育情况的一种井下电法探测新技术。

  根据点电源场理论分析，点电源在均匀全空间的电力线呈射线发散，等电位面呈以供电点为球心的球面，电位差则是以供电点为球心的同心球壳，球壳厚度应为测量电极间距。三点源法超前探测技术同时在掘进工作面后方布设3个以上供电点，利用在巷道后方不同供电电源所产生的电位差，经过视电阻率计算，得出不同极距的视电阻率异常，经过各种处理，消除巷道影响、后方异常影响、侧方异常影响。通过空间交汇，可以准确对前方异常进行定位。仪器具有自动快速处理功能，超前探测对掘进头前方顺煤层巷道探测范围可达100米，在岩巷道探测范围可达80米出现的含水断层、裂隙带、底鼓、渗滴水、潮湿、老窑积水等异常均有成功探测实例，但应注意以下问题，一是必须要有不小于超前探测距离的已经掘好的巷道，二是视电阻率相对值是掘进头前方某一段探测范围内的视电阻率相对值大小，与富水性的大小存在一定必然关系，但不是绝对比例关系，应结合地质资料具体分析，三是会出现一定数量的“虚假”含水体，但不会出现漏报现象。

  TSP超前探测技术采用回声测量原理。通过小药量炸药在巷道后方岩层中产生地震信号，地震波在煤岩中以球面波形式向各方向传播，一部分信号会传到掘进面前方，当遇到即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带、陷落柱等构造时，一部分地震信号反射回来，被高灵敏度的三分量地震检波器接收。根据放炮的次序，会发现和地震波初至强能量方向相反的同相轴，这些和前方的反射界面有关。

  TSP超前探测技术主要对构造反射界面的位置进行控制，至于岩性及含水性分析还处于探索阶段，资料处理方式和地震技术基本一致，对专业性要求较高，适合于探测区前方具备陡立分界面的区域，在煤矿水平层状介质为主的普遍情况下，其探测应用还需要继续加大研究力度，尤其是处理技术的提高。

  另外一种有意义的超前探测技术当属矿井瞬变技术的开发应用了，瞬变电磁勘探技术在地面的应用越来越普及，取得了明显的效果，克服了许多直流方法的缺陷，实现了快速大面积勘探。同样，该技术在解决了设备的防爆问题以后，可以应用于矿井巷道中。

  该技术目前研究应把重点放在探测深度和盲区大小上来，根据理论原理，虽然利用较小的工作装置也可以探测很深的目标体，但实践表明要取得可靠的观测数据除了提高接收设备的分辨率外，还必须要有较大的能量，如何在强铁器干扰的环境中取得有效的地质体信息目前还不明确，实际的应用也存在效果上的巨大差异。但可以预测，该技术会在探测顶底板、工作面内部含导水异常方面发挥重要作用，在超前探测掘进工作面时还存在很多问题。

  另外一种超前探测技术是矿井多波勘探，包括地质雷达探测技术和面波探测技术。地质雷达是向前方发射高频电磁脉冲，前方介质因介电常数的差异会产生反射能量，接收这些信息可以预测前方介质结构，在煤系地层中，一般其穿透深度会受到限制，而在花岗岩等地层中可以穿透150米距离。面波勘探技术以瑞利波勘探为主，它是利用了岩矿层分界面对不同频率的信号会发生频率散射作用的原理来探测前方的地质构造，一般其探测深度可达50米，条件适合的地段也有100米以上的成功实例。

  四、工作面内及巷道顶底板探测技术

  在煤矿生产工作中，工作面四周巷道的贯通是一个标志性阶段，在巷道内勘探的防治水探测治理工作也很多，比如顶板水疏放工作、瓦斯抽采工作、底板注浆加固工作等均离不开巷道。这时可采用的物探技术也比较多，常用的有高密度直流电法探测顶底板含水层破碎带、富水区，有无线电波透视技术和槽波透视技术探测工作面内构造分布及断层的延展方向，有音频电透视技术探测工作面顶底板内隐伏陷落柱及采空积水区技术等。

  矿井高密度直流电法的原理和地面完全一致，但要适用煤矿井下的设备必须进行本质安全型防爆检验，其发射功率将受到很大限制，导致探测有效深度一般在150米以内，处理资料的方式也和地面使用有差别，但剖面对比解释的方法仍然可以使用。当我们需要探测巷道顶板的富水异常时，往往把供电装置固定在煤层顶板中，并经过良好的接地处理，由于煤层的排斥电流能力远远大于顶板砂岩，可近似认为探测的空间以顶板内构造为主。相反，如果想了解底板内含水层的破碎位置或导升高度，则需要把供电装置布置在底板岩层中。

  无线电波透视技术和槽波透视技术均适用于从巷道内探测煤层内的构造或冲刷体，两种方法都是从风巷（机巷）内发射信号，而在对面机巷（风巷）内接收穿透的信号。无线电波透视技术俗称“坑透”，通过线圈发射的是高频率电磁波，电磁波的能量将沿煤层衰减传播，不同的介质吸收电磁波的能力不同，通过处理计算，可以发现煤层内的构造。但是因为频率很高，衰减很快，当工作面宽度大于200米时，接收仪器很难获得有效信号。同时，当煤层导电能力很强时，如无烟煤或含水体，电磁波也很难具备大的穿透能力。槽波的激发是靠炸药震动，震动波会向各方向传播，当到达煤层顶底板时会发生反射和折射，如此相互干涉叠加会形成一种波导，在煤层内向远处传播。当我们在一个巷道内激发出槽波以后，如果在对面巷道内接收到这种波导，则可以推断煤层是连续的，否则会存在断层等破坏煤层连续的构造存在。但槽波勘探技术仍然需要研究其反射、绕射及能量振幅特性，以确定落差较小的断层或冲刷带。

  矿井音频电透视技术是为了了解工作面顶底板含水性的一种电磁法勘探技术，该技术采用低频电磁波，可以穿透顶底板岩层较大深度，工作方式是在风巷（机巷）内发射信号，而在对面机巷（风巷）内接收穿透的信号，信号采用接地点电源形式，在需要分析工作面顶底板含水区域分布情况或探放水体或注浆改造隔水层时，该技术非常有效。矿井音频电透视可以穿透300米宽的工作面，同时顶底板的勘探深度也可以达到工作面宽度的一半左右，需要继续研究的问题仍然不少，如勘探深度界定、施工方式的简化等。