劉盛東，劉 靜，岳建華

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

中國礦井物探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題

劉盛東1,2，劉 靜1,2，岳建華2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的成煤模式和開采條件決定了中國礦井物探技術(shù)的發(fā)展具有自身特點(diǎn)。在總結(jié)礦井地震法、礦井電磁法為代表的礦井物探技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，立足于國內(nèi)煤炭開采現(xiàn)狀，認(rèn)為當(dāng)前礦井物探技術(shù)需要在全空間、多場(chǎng)耦合方面加強(qiáng)基礎(chǔ)研究；在礦井物探裝備、觀測(cè)系統(tǒng)、反演方法等方面，應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、巷道鉆孔組合空間，進(jìn)行技術(shù)研發(fā)；礦井地震、煤層槽波、直流電法、瞬變電磁法、無線電波坑透法等是礦井物探的主要方法，這些方法需要走勘探、監(jiān)測(cè)并舉，多場(chǎng)耦合、協(xié)同解釋的道路。對(duì)復(fù)雜采空區(qū)、灰?guī)r水、煤與瓦斯突出等災(zāi)害源的探測(cè)是礦井物探面臨的任務(wù)和關(guān)鍵問題。

礦井物探；煤礦災(zāi)害源；礦井地震法；礦井直流電法；礦井瞬變電磁法

礦井地球物理勘探，簡(jiǎn)稱礦井物探，是特指在礦井地下開采空間進(jìn)行各類地質(zhì)勘查的地球物理方法的總稱。我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]決定了礦井物探服務(wù)于煤炭安全生產(chǎn)的的重要性；同時(shí)我國的含煤地層特征、地質(zhì)構(gòu)造模式和開采條件的復(fù)雜性，決定了我國礦井物探技術(shù)發(fā)展歷程和內(nèi)涵的獨(dú)特性。與地面物探相比，井下物探具有半空間-過度空間-全空間問題，施工環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)和儀器裝備具有特殊要求，使得礦井地球物理場(chǎng)觀測(cè)的技術(shù)瓶頸大、干擾因素多，數(shù)據(jù)采集、物性反演、地質(zhì)解釋難度大；但同時(shí)，礦井物探具有距探測(cè)目標(biāo)近、物探異常明顯、探采對(duì)比實(shí)證性強(qiáng)、運(yùn)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。我國礦井地球物理勘探主要內(nèi)容由四大類方法構(gòu)成(圖1)，這些方法已取得了豐碩的成果，也存在理論滯后、研究不足、人員匱乏等問題。筆者以最具代表性的礦井地震法、礦井直流電法和礦井瞬變電磁法為線索，來論述我國礦井物探的發(fā)展軌跡，以及目前面臨的科學(xué)問題和技術(shù)關(guān)鍵。

圖1 我國礦井地球物理勘探主要方法Fig.1 Main methods of Chinese mining geophysical technologiy

1 我國礦井物探技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)況

1.1 礦井地震勘探技術(shù)

礦井地震勘探技術(shù)系指針對(duì)煤礦開采中的各種地質(zhì)條件進(jìn)行的淺層反射波地震勘探(包括巷道底板、側(cè)幫、工作面的反射波地震勘探)、面波勘探、槽波勘探、煤層折射波勘探等[2-3]的總稱。從使用方法與波場(chǎng)源上來看，已經(jīng)超出地面地震勘探的內(nèi)容，統(tǒng)稱為礦井震波探測(cè)技術(shù)可能更加合理[4]。井下地震勘探只能利用地下有限空間來開展工作，與地面地震相比，不受上覆松散低速層影響，礦井地震波頻帶寬、主頻高，對(duì)小斷層、煤層厚度、下組煤隔水層厚度探測(cè)十分有利。自20世紀(jì)70年代以來，我國礦井地震技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，代表性事件如圖2所示[4-9]。

圖2 我國礦井地震勘探技術(shù)的簡(jiǎn)要發(fā)展軌跡Fig.2 Brief development track of mine seismic technology in China

20世紀(jì)80年代初，原煤炭部和東煤公司都進(jìn)行了礦井地震研究的立項(xiàng)工作，代表性的研究有：中煤科工集團(tuán)重慶研究院進(jìn)行剩余煤層折射波法測(cè)厚，安徽理工大學(xué)進(jìn)行剩余煤層淺層反射地震探測(cè)，中煤科工集團(tuán)西安研究院和中國礦業(yè)大學(xué)進(jìn)行煤層槽波地震勘探研究，這些研究包含方法和儀器裝備的同步開展，為現(xiàn)在的礦井地震技術(shù)發(fā)展打下了基礎(chǔ)。由于槽波地震對(duì)于煤層厚度、斷層的探測(cè)具有直接意義，因此槽波地震勘探是礦井地震技術(shù)中的一個(gè)特色方法，我國自20世紀(jì)70年代末從德國引進(jìn)槽波地震儀，研究槽波勘探技術(shù)，近年來的研究呈上升趨勢(shì)[4,7]。

將地面三維三分量地震勘探技術(shù)推廣應(yīng)用于煤礦井下，利用近源多波技術(shù)來探測(cè)小構(gòu)造，是礦井地震勘探的發(fā)展方向之一。進(jìn)入21世紀(jì)以來，微震及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)也開始應(yīng)用于礦井[10]，并在煤礦“兩帶”、“沖擊地壓”監(jiān)測(cè)中得到了應(yīng)用。目前礦井地震技術(shù)正在面向?yàn)?zāi)害源精細(xì)探測(cè)及監(jiān)測(cè)方向發(fā)展。

1.2 礦井直流電法勘探技術(shù)

早在20世紀(jì)60年代，我國已開展礦井直流電法勘探的試驗(yàn)與研究，80年代后期，引入了高密度電法技術(shù)，它是集電測(cè)深法和電剖面法于一體的陣列勘探方法，90年代，中煤科工集團(tuán)西安研究院將直流電透視技術(shù)運(yùn)用到礦井工作面隱伏突水構(gòu)造探測(cè)中[11]，中國礦業(yè)大學(xué)對(duì)礦井直流電法的全空間場(chǎng)和巷道影響進(jìn)行了理論研究[12-13]，安徽理工大學(xué)、河北煤炭科學(xué)研究所以及淮北、峰峰、肥城、焦作等礦務(wù)局都開展了實(shí)驗(yàn)研究[12-14]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，礦井直流電法勘探儀器日趨小巧輕便，精度和抗干擾能力顯著提高，網(wǎng)絡(luò)并行電法技術(shù)解決了常規(guī)直流電法儀器串行采集的問題，且初步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能[12,15]；在數(shù)據(jù)處理方面，中煤科工集團(tuán)西安研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等在電阻率反演方面開展了二維、三維反演等研究[16-17]。直流電法勘探技術(shù)發(fā)展軌跡如圖3所示。

圖3 我國礦井直流電法勘探技術(shù)及裝備的簡(jiǎn)要發(fā)展軌跡Fig.3 Brief development track of Chinese mine DC exploration technology and equipments

迄今為止，礦井直流電法勘探技術(shù)已在巷道工作面、頂板、底板及工作面富水構(gòu)造探測(cè)等方面發(fā)揮了重要作用。直流電阻率法不僅在巷道地質(zhì)超前探測(cè)中發(fā)揮重要作用，而且在開采裂隙場(chǎng)發(fā)育規(guī)律檢測(cè)方面具有明顯效果。自然電場(chǎng)法、充電法等在判斷地下水滲流和水害預(yù)警方面開始受到重視和初步應(yīng)用[18-22]；激發(fā)極化法在礦井水害防治中也具有一定的潛力，值得研究[19]。礦井電阻率成像法利用陣列布極、動(dòng)態(tài)采樣，提高了直流電法探測(cè)的精度和分辨率，擴(kuò)展了直流電法的應(yīng)用范圍。

圖4為在河南某煤礦工作面中一個(gè)仰孔內(nèi)安裝64個(gè)測(cè)量電極進(jìn)行直流電阻率法動(dòng)態(tài)勘探，用以監(jiān)測(cè)頂板“三帶”發(fā)育情況。圖4(a)為工作面未進(jìn)入測(cè)量區(qū)域時(shí)的監(jiān)測(cè)背景場(chǎng)視電阻率剖面圖，圖4(b)為工作面推進(jìn)至距鉆場(chǎng)21m時(shí)的視電阻率剖面圖，由圖4(b)可清晰看到頂板“冒裂帶”的發(fā)育特征。進(jìn)行動(dòng)態(tài)電阻率勘探提升了直流電法的應(yīng)用范圍。

圖4 頂板破壞特征視電阻率剖面Fig.4 Apparent resistivity profile of roof damage

1.3 礦井瞬變電磁勘探技術(shù)

地面瞬變電磁法在國外已有60a的研究歷史，國內(nèi)瞬變電磁法研究始于20世紀(jì)80年代。礦井瞬變電磁法勘探始于20世紀(jì)90年代末，中國礦業(yè)大學(xué)率先將該方法引入到井下探測(cè)工作中，并在全空間瞬變電磁場(chǎng)分布規(guī)律、數(shù)值模擬、時(shí)深轉(zhuǎn)換方面進(jìn)行了研究，技術(shù)方面對(duì)關(guān)斷時(shí)間、發(fā)射功率、發(fā)射線圈匝數(shù)、干擾因素等方面開展了試驗(yàn)研究[23-25]。中科院地質(zhì)與地球物理所、長(zhǎng)安大學(xué)、安徽理工大學(xué)、中煤科工集團(tuán)重慶研究院和西安研究院、中國地質(zhì)大學(xué)、吉林大學(xué)等單位在數(shù)據(jù)處理、軟件開發(fā)、儀器研制和工程應(yīng)用等方面也進(jìn)行了大量研究[26-27]。

現(xiàn)有的科研成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，礦井瞬變電磁法可用于圈定巷道前方、頂板的富水區(qū)、導(dǎo)(含)水?dāng)鄬?、采空區(qū)等低阻異常等[23]。由于井下電磁場(chǎng)的分布特征及施工環(huán)境與地面差異迥然，多匝回線源的暫態(tài)過程機(jī)理更加復(fù)雜，資料處理與解釋的基礎(chǔ)理論研究尚處于發(fā)展階段，故在技術(shù)應(yīng)用方面需謹(jǐn)慎。

礦井電磁法中無線電波坑透技術(shù)是中國礦井物探的先驅(qū)，早在20世紀(jì)50年代，我國煤礦就用其探查工作面內(nèi)的異常構(gòu)造，特別是對(duì)陷落柱、斷層的探查。長(zhǎng)期以來坑透技術(shù)發(fā)展平穩(wěn)，已經(jīng)成為礦井工作面地質(zhì)異常探測(cè)的常規(guī)與必備手段。中煤科工集團(tuán)重慶研究院、廊坊物化探研究所、河北煤炭科學(xué)研究所等單位長(zhǎng)期堅(jiān)持坑透儀器與方法的研究[13,28]。目前的研究方向是開展多頻、變頻坑透技術(shù)，提出了真場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算、相位反演等新方法。

2 當(dāng)前我國礦井物探面臨的關(guān)鍵問題

我國煤炭開發(fā)正由淺部走向深部，特別是對(duì)開采石炭系煤層的華北型煤田，煤礦受巖溶水的威脅尤為突出[29]，底板高承壓巖溶水的通道探查，一直是礦井物探面臨的主要任務(wù)之一。從2006年國家開展煤炭資源整合工作以來，針對(duì)整合煤礦典型多煤層條件開展水害防治工作已經(jīng)成為一大難題，復(fù)雜采空區(qū)及其富水性的探查是目前面臨的新任務(wù)。煤與瓦斯突出是礦井重大災(zāi)害，對(duì)于構(gòu)造煤及其煤層小構(gòu)造的探測(cè)是關(guān)鍵問題；近年來，沖擊地壓災(zāi)害也有明顯上升趨勢(shì)。礦井物探在動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警方面具有重大需求。

煤巖固體、瓦斯氣體、水體的三態(tài)并存與多場(chǎng)耦合決定了礦井地球物理場(chǎng)的特征，煤巖層的各向異性與地質(zhì)構(gòu)造控制了煤礦災(zāi)害的類型。礦井物探需要在地下全空間，進(jìn)行三態(tài)并存、多場(chǎng)耦合、各向異性的研究，才能進(jìn)行面向?yàn)?zāi)害源的勘探。當(dāng)前其面臨的主要科學(xué)問題主要有以下3點(diǎn)。

2.1 加強(qiáng)全空間深部礦井地球物理場(chǎng)的基礎(chǔ)性研究

研究深部地下空間的地球物理場(chǎng)特征，并提出觀測(cè)和分析方法，指導(dǎo)礦井物探工作的深入開展。要解決這一問題，需要克服現(xiàn)有的理論方法在深部的適用性有限的難題，辨析在高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓、高瓦斯含量與氣壓的環(huán)境下以及在地應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、地球物理場(chǎng)等多場(chǎng)復(fù)雜的耦合作用條件下，深部地質(zhì)體的物理力學(xué)性質(zhì)與淺部地質(zhì)體的差異[30]，建立適用于深部全空間的地球物理理論體系。礦井地球物理在向深部拓展時(shí)，需要引入現(xiàn)代巖石物理學(xué)、流體力學(xué)及地質(zhì)學(xué)等基礎(chǔ)理論成果，增進(jìn)學(xué)科融合和交叉發(fā)展；在固-水-氣三相耦合、各向異性作用和非線性條件下，開展三維全空間地球物理場(chǎng)的數(shù)值模擬和物理模擬；結(jié)合煤礦采掘工程實(shí)踐，開展裂隙場(chǎng)與地球物理場(chǎng)的耦合研究，形成采動(dòng)條件下的礦井地球物理場(chǎng)響應(yīng)規(guī)律；這些基礎(chǔ)性研究都需要加強(qiáng)。

2.2 進(jìn)行復(fù)雜采空區(qū)地球物理場(chǎng)的觀測(cè)與分析

針對(duì)整合煤礦開采條件復(fù)雜、可信地質(zhì)資料缺失、未知因素較多的困難條件，礦井地球物理場(chǎng)的觀測(cè)與分析方法在災(zāi)害源探測(cè)方面至關(guān)重要，尤其在解決對(duì)未知采空區(qū)的圈定及其富水性評(píng)價(jià)方面尤為迫切。圖5為整合煤礦典型多煤層結(jié)構(gòu)剖面及災(zāi)害源特征示意圖。煤層1和煤層2均為整合之前的殘采煤層，大多數(shù)被巷采、房柱式或者刀柱式開采所破壞，頂板不易垮落，采空區(qū)易積水易連通。整合后的煤礦以綜合機(jī)械化開采的方式開采深部的煤層3，采場(chǎng)垮落帶和斷裂帶的高度很容易波及上部煤層。實(shí)踐證明采用鉆探探測(cè)煤層1的采空區(qū)時(shí)，鉆桿在打入煤層2采空區(qū)后，由于沒有著力點(diǎn)很容易折斷，無法繼續(xù)有效鉆孔；另一方面，由于煤層2采空區(qū)的影響，傳統(tǒng)的物探方法，探測(cè)精度低，解釋結(jié)果的偏離度和失真度大，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層1采空區(qū)的位置及富水性。

圖5 整合煤礦典型多煤層結(jié)構(gòu)及災(zāi)害源示意Fig.5 Multiple coal seam structure of integrated coal mine

要運(yùn)用地球物理方法解決上述典型問題，需要克服探測(cè)空間有限、地質(zhì)約束條件不明的困難，結(jié)合整合煤礦的開采實(shí)際，采用巷道與鉆孔組合，進(jìn)行采空區(qū)地球物理場(chǎng)的觀測(cè)系統(tǒng)研究；開展破碎巖體與滲流物理場(chǎng)效應(yīng)研究，通過震電磁協(xié)同觀測(cè)與綜合分析來解決此類問題。

2.3 開展針對(duì)災(zāi)害源識(shí)別的高分辨率礦井物探技術(shù)的研究

煤層厚度是確定礦井災(zāi)害源的尺度的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)識(shí)與煤厚相當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)異常，才能保障煤礦安全生產(chǎn)。落差與煤厚相當(dāng)?shù)男鄬?、軟分層、采空巷道、孤島煤柱等都是主要的隱蔽災(zāi)害源。

提高礦井物探分辨率，首先要在信號(hào)上進(jìn)行提升，研發(fā)具有煤礦安全論證“MA”標(biāo)志的新型裝備是基礎(chǔ)，礦井地震儀、電磁法儀可結(jié)合煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。其次在物探方法上進(jìn)行延拓，如礦井地震可采用更小的空間與時(shí)間采樣率、巖層激發(fā)接收的快速耦合技術(shù)；直流電法可采用加密電極距和多尺度觀測(cè)方法；礦井瞬變電磁法可增加通道、測(cè)道數(shù)方法等。

對(duì)于災(zāi)害源的識(shí)別，礦井物探方法需采用多尺度采集、處理、反演手段，實(shí)行長(zhǎng)距離超前探測(cè)和實(shí)時(shí)連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)相結(jié)合的綜合物探技術(shù)。

隨開采層位的加深，在高地應(yīng)力、高流體壓力條件下，煤巖層中的斷層、陷落柱、采動(dòng)裂隙等異常體即使尺度較小，導(dǎo)通瓦斯富集區(qū)和承壓水的可能性也在增強(qiáng)。采用礦井物探技術(shù)解決這一問題時(shí)，需克服低信噪比和常規(guī)分辨率極限的問題，解決探測(cè)精度有限、勘探周期長(zhǎng)等問題，最終得到針對(duì)中小尺度災(zāi)害源的高分辨礦井物探方法并提出可操作的技術(shù)規(guī)范。

3 當(dāng)前礦井物探的工作重點(diǎn)和發(fā)展方向

目前，我國礦井物探雖然積累了大量成果，但許多技術(shù)帶有明顯的經(jīng)驗(yàn)性，在應(yīng)用中存在誤區(qū)。整體來看，理論基礎(chǔ)尚不完備，技術(shù)方法和探測(cè)裝備對(duì)深部全空間的針對(duì)性也并不突出，還需要開展大量的、系統(tǒng)的研究工作。

3.1 針對(duì)災(zāi)害源的礦井地球物理精細(xì)探查技術(shù)體系的建立

(1)針對(duì)災(zāi)害源的礦井地震精細(xì)探查技術(shù)。

由于探測(cè)空間局限、巷道圍巖松動(dòng)圈的吸收不均勻以及全空間效應(yīng)等問題，影響礦井地震數(shù)據(jù)品質(zhì)，需要在激發(fā)接收上有所創(chuàng)新；研究高精度全空間地震反射成像方法和固-水-氣三相介質(zhì)地震屬性識(shí)別技術(shù),才能給出礦井災(zāi)害源的精細(xì)地震識(shí)別方法。以地震全波場(chǎng)信息為基礎(chǔ)，利用多波聯(lián)合反演為手段進(jìn)行礦井地震勘探研究是主導(dǎo)方向。

圖6為筆者提出的礦井地震全空間極化偏移成像方法的工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果，該成像方法基于六分量孔內(nèi)傳感器技術(shù)而提出[31]。試驗(yàn)中，采用地震反射波超前探測(cè)技術(shù)對(duì)掘進(jìn)巷道前方地層進(jìn)行連續(xù)追蹤探測(cè)，以查明巷道前方斷層賦存情況。對(duì)照?qǐng)D6，可見礦井地震全空間極化偏移成像方法比疊前繞射偏移方法收斂，提高了異常體空間分辨率；且圖6(b)中指示的R1,R2,R3三個(gè)界面探測(cè)傾向與實(shí)際揭露資料吻合。

(2)針對(duì)災(zāi)害源的礦井直流電法精細(xì)探查技術(shù)。

針對(duì)災(zāi)害源的礦井直流電法精細(xì)探查技術(shù)的研究，需要：降低體積效應(yīng)，校正全空間電場(chǎng)分布與巷道空間的影響；基于已有地電場(chǎng)陣列測(cè)試技術(shù)，研究深部全空間電法精細(xì)成像技術(shù)和災(zāi)害源識(shí)別方法；除電阻率參數(shù)以外，研究其他地電場(chǎng)參數(shù)對(duì)深部滲流場(chǎng)、裂隙場(chǎng)及其災(zāi)變的響應(yīng)規(guī)律，以此提出基于地電場(chǎng)的礦井災(zāi)害實(shí)時(shí)預(yù)警方法；在礦井應(yīng)用方面，提高觀測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力，如改進(jìn)電極電化學(xué)性能，解決電極與巖層的耦合問題等。

圖7為運(yùn)用激勵(lì)電流I來預(yù)測(cè)皖北某煤礦突水過程中突水水量Q0的變化，可見激勵(lì)電流I對(duì)突水水量Q0的變化趨勢(shì)具有指示作用[20]。

圖7 激勵(lì)電流I與水量Q0的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Relation between primary current I and water yield Q0

(3)針對(duì)災(zāi)害源的礦井瞬變電磁精細(xì)探查技術(shù)。

研究針對(duì)災(zāi)害源的深部礦井瞬變電磁精細(xì)探查技術(shù)，提高感應(yīng)場(chǎng)的縱向分辨率、消除盲區(qū)、剔除干擾是目前礦井瞬變電磁需解決的突出問題。目前在多匝小回線的關(guān)斷效應(yīng)、暫態(tài)過程、一次場(chǎng)消除、全程全空間視電阻率計(jì)算、擬地面大地電磁反演、擬地震處理解釋等方面成為研究熱點(diǎn)。

物理模擬方面，需對(duì)真實(shí)地層結(jié)構(gòu)、復(fù)雜異常體特征以及巷道金屬體干擾特征進(jìn)行有效模擬，完成對(duì)強(qiáng)干擾條件下各向異性介質(zhì)中瞬變電磁場(chǎng)全空間效應(yīng)的研究；數(shù)值模擬方面，在考慮到關(guān)斷效應(yīng)、巷道空間影響的條件下建立數(shù)值模型，并提升算法的穩(wěn)定性、精確性和時(shí)效性；在硬件研發(fā)方面，基于小功率、小線圈、大測(cè)深等技術(shù)要求，優(yōu)化儀器對(duì)異常體的分辨能力、抗干擾能力及關(guān)斷時(shí)間影響[26-27]等，并掌握收-發(fā)線圈的匹配準(zhǔn)則、線圈匝數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的影響規(guī)律；在礦井應(yīng)用方面重視觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化和干擾因素的控制及消除。

3.2 基于巷道掘進(jìn)、鉆探工藝的礦井物探新方法研究

在新的煤炭開采形勢(shì)下，礦井物探在技術(shù)和方法上需要?jiǎng)?chuàng)新。利用巖巷與煤巷等巷道空間、水文鉆孔和瓦斯抽放鉆孔等鉆孔空間，開展孔中物探、跨孔物探和孔巷聯(lián)合物探，可識(shí)別巷道前方及周邊的地質(zhì)異常，精細(xì)查明煤層小構(gòu)造及其物性特征。如研究深部全空間隨鉆地震勘探技術(shù)、深部全空間地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和孔中瞬變電磁技術(shù)；研究針對(duì)每種物探方法的巷道與鉆孔空間的組合觀測(cè)系統(tǒng)等。充分利用巷、孔空間，對(duì)礦井物探技術(shù)提升具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 礦井全空間地球物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)及耦合分析

在井下全空間，地質(zhì)、地球物理特征和邊界條件更加復(fù)雜，協(xié)同觀測(cè)多種地球物理場(chǎng)特征并開展多場(chǎng)耦合研究，可以克服單一地球物理場(chǎng)勘探方法的局限性、降低其多解性。這需要做到：在技術(shù)與裝備方面，完善深部空間多種物理場(chǎng)的觀測(cè)方法與手段，研制用于多場(chǎng)協(xié)同測(cè)試的新裝備；在理論研究方面，結(jié)合應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)、滲流場(chǎng)和地球物理場(chǎng)的耦合分析，揭示煤巖體工程性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造特征兩個(gè)方面問題，提出多物理場(chǎng)耦合的本構(gòu)關(guān)系，形成新的反演理論與算法，預(yù)測(cè)采動(dòng)條件下的相應(yīng)物理場(chǎng)的變化特征。

3.4 其他物探方法在深部礦井勘探中的應(yīng)用

除上述論述的3種代表性方法之外，尚有其他礦井地球物理方法也至關(guān)重要，如無線電波透視法、地質(zhì)雷達(dá)法、聲波及微震監(jiān)測(cè)法、紅外熱像法、放射性法、微重力法等。在大力發(fā)展主動(dòng)源物探手段的同時(shí)，也及時(shí)開展了被動(dòng)源的物探研究，目前聲發(fā)射、微震監(jiān)測(cè)、電磁輻射、震電技術(shù)等研究工作已經(jīng)在部分礦井災(zāi)害預(yù)警和勘探工作中發(fā)揮出作用[28]。在新的煤炭開采形勢(shì)下，結(jié)合煤礦安全生產(chǎn)需求來深入研究礦井物探技術(shù)勢(shì)在必行。

4 結(jié) 論

(1)從發(fā)展過程來看，礦井物探技術(shù)在近十年來發(fā)展迅速，不僅得到煤礦主管部門的重視而且在生產(chǎn)單位已經(jīng)推廣應(yīng)用。由于礦井物探涉及全空間、強(qiáng)干擾環(huán)境，與地面差異大，需要在基礎(chǔ)理論、勘探技術(shù)和反演方法上有所突破，利用其實(shí)證性強(qiáng)的特點(diǎn)，建立礦井地球物理學(xué)科體系。

(2)在新的煤炭開采技術(shù)條件下，礦井物探需針對(duì)煤礦防治水、煤與瓦斯突出以及沖擊地壓等開采動(dòng)力災(zāi)害的實(shí)際需求，進(jìn)行專門的災(zāi)害地球物理場(chǎng)研究；在建立具有深部全空間特色的理論體系的過程中，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)礦用物探新的技術(shù)系統(tǒng)。

(3)為克服現(xiàn)存問題，在提升單一方法水平的同時(shí)，需著力發(fā)展針對(duì)災(zāi)害源的礦井地球物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)與耦合分析技術(shù)，同時(shí)結(jié)合巷道掘進(jìn)技術(shù)和鉆探工藝創(chuàng)新物探方法，并重視其他物探方法在深部礦井勘探與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，充分發(fā)揮礦井地球物理場(chǎng)的災(zāi)害預(yù)警能力。

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DevelopmentstatusandkeyproblemsofChinesemininggeophysicaltechnology

LIU Sheng-dong1,2,LIU Jing1,2,YUE Jian-hua2

(1.StateKeyLaboratoryofDeepGeomechanics&UndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.SchoolofResourceandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

The development of Chinese mining geophysical technology is shaped jointly by the coal-oriented energy consumption structure,the complicated coal-forming patterns and various mining conditions.On the basis of mine geophysical technology development represented by mine seismic method and mine electromagnetic method,it is found that the fundamental studies have to be strengthened in the respects of whole space and multi-field coupling problems in accordance with the current status of Chinese domestic coal mining.It is also necessary to research and develop new technologies to combine with Internet of things techniques and tunnel and borehole space in areas of mining geophysical equipment,recording geometry,inversion methods,etc.The main methods of Chinese geophysical prospecting,which are mine seismic method,channel wave method,mine direct current method,mine transient electromagnetic method,and radio-wave penetration method,should make improvements in both exploration and monitoring,with multi-field coupling detection and joint interpretation as research emphasis.At present，the main task and key problem for us is the detection of disaster sources,such as complex goafs,limestone water and gas outburst.

mining geophysical technologiy;coal mine disaster sources;mine seismic method;mine direct current method;mine transient electromagnetic method

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0587

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)與神華集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1261202)；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(SQ2012BAJY3504-01)

劉盛東(1962—)，男，安徽安慶人，教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:liushengdong@126.com

P631,P315

A

0253-9993(2014)01-0019-07

劉盛東，劉 靜，岳建華.中國礦井物探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵問題[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):19-25.

Liu Shengdong,Liu Jing,Yue Jianhua.Development status and key problems of Chinese mining geophysical technology[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):19-25.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0587