張平松，胡澤安，吳榮新，郭立全

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤層工作面地質(zhì)構(gòu)造及異常透射CT綜合成像方法與應(yīng)用

張平松，胡澤安，吳榮新，郭立全

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

煤層工作面中的斷層、煤層變薄區(qū)等是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素。目前主要采用無線電坑透、地震及槽波CT等方法，實現(xiàn)巷道工作面內(nèi)的二維層析成像，以查明采前工作面的地質(zhì)條件及異常特征。多個工作面成像實踐表明，受不同探查方法的施工條件所限，通常采用無線電坑透法對工作面進行普查，判斷面內(nèi)基本地質(zhì)條件；對于構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域可采用地震類CT方法進行精細(xì)探測。根據(jù)不同透射CT方法的特點，進一步討論了其研究和發(fā)展方向。

地質(zhì)構(gòu)造；透射CT；成像；電磁類透射；地震類透射

煤礦采掘機械化程度在不斷提高，采區(qū)工作面的布置也更趨向于大面寬和長走向，為了滿足煤礦高效開采的技術(shù)需求，地質(zhì)保障技術(shù)必須得到進一步提升，特別是對綜采工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造的探查精度要求越來越高，需要在采面開采之前，查清其內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造及異常的賦存狀態(tài)，確保開采技術(shù)措施的提前制定。具體來說，一是要準(zhǔn)確查明工作面的開采地質(zhì)條件，分辨面內(nèi)落差在3～5m的隱伏斷層狀況，以及小于1/2采高的煤層變薄區(qū)范圍，保障綜采工作面的順利回采；二是有效預(yù)測面內(nèi)諸如易發(fā)生瓦斯突出、應(yīng)力集中、富水等災(zāi)害異常區(qū)域，為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持[1～2]。目前，對于工作面內(nèi)構(gòu)造探查主要是以雙巷或多巷間透射成像理論及方法應(yīng)用為主，其中電磁波場、直流電場、彈性波場等透視技術(shù)的應(yīng)用，相關(guān)文獻較多，基本上涵蓋了探查的方法理論、模擬試驗與應(yīng)用實踐等方面。無線電波透視和直流電透視是以電磁場類為主體進行透射成像，槽波CT和地震縱橫波CT是以地震波場為主的透射成像，結(jié)合地震波傳播速度、頻率及能量等參數(shù)變化進行成圖與解釋，所獲得的探查成果對生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[3-8]。本文結(jié)合工作面構(gòu)造探查對方法、技術(shù)及應(yīng)用實踐進行闡述，以為同類地質(zhì)條件評判及研究提供參考。

1 工作面構(gòu)造探查方法與應(yīng)用

1.1 電磁類透射CT

電磁類透射CT方法在工作面構(gòu)造探查中應(yīng)用廣泛，且以無線電波透視成像為主，直流電透視法進行輔助。其中無線電波坑透是利用電磁波在雙巷間的煤層中傳播，當(dāng)遇到介質(zhì)電性變化，電磁波被吸收或屏蔽，接收信號顯著減弱或收不到有效信號，產(chǎn)生所謂的透視異常。電磁波能量衰減較快，現(xiàn)有的防爆型坑透儀器中0.3MHz的低頻波對工作面的穿透面寬達250 m。其主要應(yīng)用問題是透視距離有限、走向斷層分辨率低和金屬干擾因素嚴(yán)重等。直流電透視是利用含、導(dǎo)水構(gòu)造的低電阻特征，與圍巖具有不同的電性條件來進行探測的，其體積效應(yīng)的測試基礎(chǔ)降低了對斷層構(gòu)造等地質(zhì)異常體的分辨能力。通常對易于形成透視條件的工作面進行布置，輔助探查地質(zhì)構(gòu)造。探查中需構(gòu)建煤巖層電性差異與構(gòu)造異常間的對應(yīng)關(guān)系，受地電場測試條件所限，其透視程度、構(gòu)造分辨能力受到影響。

課題組結(jié)合淮南礦區(qū)13-1、11-2煤層條件進行了40余工作面探查，其中13-1煤層厚大，對于影響程度大于半個煤厚的異常構(gòu)造特征明顯，在實測場強曲線及吸收系數(shù)結(jié)果圖中反應(yīng)顯著。現(xiàn)場需避免金屬布置、積水區(qū)等干擾。利用0.365MHz低頻波探查時獲得背景場強值基本在7～12dB；探測工作面斜長120～250m，其接收場強值多在20～70dB，與斜長有一定關(guān)系。大于半個煤厚的異常區(qū)，其接收場強值通常低于平均值10～30個dB且易于分辨。11-2煤層厚度穩(wěn)定，均厚2.2m。探查中煤、巖層的空間位置接觸關(guān)系，巷道頂?shù)装鍘r層對電磁波吸收較明顯。測試的背景場強值基本在8～15dB，其斜長基本在200m以上，接收場強值多在20～55dB，平均為33.6dB。大于半個煤厚的異常區(qū)，其接收場強值通常低于平均值10～20個dB，在場強分布圖中特征較明顯。對影響安全高效生產(chǎn)的大于半個煤層厚度的異常區(qū)域區(qū)劃分開來。因煤層較薄，構(gòu)造解釋時需充分分析巷道實際揭露的地質(zhì)條件，以及穿越頂?shù)装鍘r層時對場強的吸收影響。圖1為淮南某礦2141(3)工作面13-1煤層電磁波透視CT結(jié)果，解釋有4個透視異常區(qū)，并對斷層構(gòu)造異常區(qū)中心位置進行了分析，均得到良好的驗證。

(a)場強曲線圖

(b)透射場強分布結(jié)果圖1 工作面電磁波透視CT結(jié)果Figure 1 Working face electromagnetic wave penetration CT results

1.2 地震類透射CT

地震類透射CT中，以槽波、地震縱橫波為主，對工作面進行探查。其中槽波CT是在1987年從德國引進槽波數(shù)字地震儀(SEAMEX-85)后開展起來的，以雙巷間透射測量方法為主，由震源在煤層中激發(fā)槽波沿煤槽傳播，如果工作面中煤層不連續(xù)，波導(dǎo)被完全或不完全阻斷，槽波遇到阻斷面，就會產(chǎn)生反射使槽波不能通過。根據(jù)槽波透射狀態(tài)、到時、能量等，利用射線交匯、速度成像法等處理與解釋。槽波CT具有探測距離大、抗電干擾能力強等特點，目前理論上可以探測落差大于1/2煤層厚度的斷層。由于槽波的形成有一定的條件，煤層槽波產(chǎn)生具有不確定性，其勘探受到一定限制；當(dāng)有多組斷層相間出現(xiàn)時，槽波分辨率會降低；由于槽波為頻散波，時域包絡(luò)呈橢球狀，宏觀上容易識別，而具體時刻卻難以分辨，其應(yīng)用解釋方法不夠完善，探測效果尚達不到理論精度。地震縱橫波CT于20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用到工作面內(nèi)構(gòu)造探測中。通過在工作面上、下兩條巷道進行彈性波的激發(fā)與接收，對直達縱波、橫波到時聯(lián)合拾取、層析成像與解釋，形成多波多參數(shù)反演結(jié)果剖面，對工作面內(nèi)的隱伏構(gòu)造及異常進行分辨。課題組在雙巷工作面地震透射層析成像算法、數(shù)據(jù)采集與觀測方法、數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)成果表達與解釋等方面開展了大量實踐，已形成以直射線、彎曲射線追蹤，聯(lián)合迭代反演為主的二維成像技術(shù)系統(tǒng)，根據(jù)縱、橫波速度分布以及動彈性模量參數(shù)進行煤層地質(zhì)條件綜合解釋，并完成多個工作面探查。圖2為河南某礦工作面地震縱橫波CT時的雙巷雙切片速度分布圖，利用速度差異對上下順槽的3處煤厚變薄區(qū)及斷層條件進行解釋，取得了良好效果。

1.3 探查方法選擇與應(yīng)用

受方法技術(shù)條件所限，現(xiàn)場應(yīng)用在探查方法選擇時，需結(jié)合工作面巷道所揭露的地質(zhì)條件，對工作面地質(zhì)條件進行初判。如果工作面內(nèi)構(gòu)造特征相對簡單，且煤層起伏不大、傾角適中，可選擇單一的透射成像方法；當(dāng)工作面構(gòu)造條件復(fù)雜時，可進行綜合方法透射CT探查與解釋，提高對地質(zhì)目標(biāo)體的解釋精度和分辨能力。

通常來說，無線電波透視CT法現(xiàn)場施工較為簡單，效率高，數(shù)據(jù)采集密度易控制，可作為工作面構(gòu)造探查的普查方法。對于調(diào)查出的工作面構(gòu)造復(fù)雜區(qū)即坑透陰影區(qū)可進一步實施地震波場類透視方法。因地震類方法數(shù)據(jù)采集時需通過放炮來激發(fā)地震波，可對重點區(qū)進行施工，解決段內(nèi)的隱伏異常。當(dāng)工作面穿透距離在250m以上，可采用地震波類方法進行透視。

2 探查方法的發(fā)展與思考

受井下測試條件所限，現(xiàn)有的工作面透視探查方法及系統(tǒng)仍需得到深入研究，通過加強面內(nèi)構(gòu)造探查基本理論、方法技術(shù)、儀器設(shè)備、地質(zhì)解釋及成果表達等研究，逐步形成井下面內(nèi)構(gòu)造探查的行業(yè)規(guī)范，更有利于技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。其中值得關(guān)注的方向有以下幾個方面。

①無線電波透視是一種適用普遍的面內(nèi)探查技術(shù)，需要加強對透視基礎(chǔ)理論、異常體電磁波場透視特征、數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)備、反演算法等研究，不斷提升其對面內(nèi)走向構(gòu)造及異常的判識能力。在現(xiàn)有的一發(fā)一收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加強大數(shù)據(jù)量的采集儀器設(shè)備研發(fā)，形成一發(fā)多收系統(tǒng)，一發(fā)多分量接收系統(tǒng)等，不斷提高數(shù)據(jù)采集密度、效率和利用程度。

②地震波類透視成像系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集施工需要放炮激發(fā)地震波，其施工過程繁瑣，效率低，因此結(jié)合井下條件研發(fā)高能可控震源，便于進行巷道側(cè)幫及底板激發(fā)施工，產(chǎn)生有效地震波。進一步改變觀測系統(tǒng)布設(shè)，形成任意多炮點激發(fā)，提高透射數(shù)據(jù)量，在成像精度等方面獲得突破。

③地震波類透視成像中對波的傳播速度、頻率、能量、吸收等參數(shù)特征進行綜合評價，結(jié)合縱橫波、槽波相關(guān)參數(shù)及其運算成像，進一步融合電磁及地震類透視數(shù)據(jù)，進行聯(lián)合反演方法研究，不斷提升對目標(biāo)體的精確識別能力。

④在透射成像方法研究中需要關(guān)注巷道的起伏條件。通過對完成的探查工作面回采資料收集與分析表明，不同煤層條件下，斷層構(gòu)造的延展特征不同，探查的分辨率差異性大，走向斷層的判斷識別率相對較低；煤層起伏變化大，對斷層構(gòu)造及異常的判斷能力降低。目前，用于煤礦井下探測面內(nèi)構(gòu)造的地球物理方法多未能結(jié)合異常體特征全面認(rèn)識三維波場響應(yīng)，數(shù)據(jù)處理通過建立煤層面二維地質(zhì)-地球物理模型，結(jié)合透射波場數(shù)據(jù)，利用層拉平技術(shù)獲得相應(yīng)的平面屬性剖面，其解釋準(zhǔn)確率受到一定影響[9-12]。

圖3為課題組進行地震波三維空間反演方法研究構(gòu)建的模型及反演結(jié)果，測線和炮點分別布置在兩個平行巷道內(nèi)的煤壁上，巷道走向為平行于X軸方向。模型XYZ的尺寸分別為100m×100m×100m，煤層厚度為10m，構(gòu)建煤層三維非均勻速度模型。可見三維速度反演可清晰勾畫煤層的空間形態(tài)，顯示斷層的位置和與煤層的關(guān)系。數(shù)值模擬實驗說明了三維速度反演方法的可靠性和準(zhǔn)確性。

(a)三維速度模型 (b)三維反演結(jié)果圖3 數(shù)值模型三維速度反演Figure 3 Numerical model 3D velocity inversion

⑤結(jié)合工作面不同走向構(gòu)造及異常條件，進行模型實驗研究，利用三維速度、吸收系數(shù)等信息進行地質(zhì)解釋。雙巷間透射層析觀測系統(tǒng)受巷道布置限制，其現(xiàn)場布置多為不完全和不精確的投影數(shù)據(jù)，在重建圖像時， 波速分布規(guī)律與真實的波速分布規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系不準(zhǔn)確，斷層構(gòu)造及其圍巖的波速在采用不同的采集系統(tǒng)和重建方法計算時，其波場響應(yīng)特征以及可分辨程度需進一步研究。建立煤層與圍巖波速、能量等屬性參數(shù)差異標(biāo)準(zhǔn)，進行波速異常追蹤與定量，解釋可以提高對斷層構(gòu)造延展特征解釋判和斷精度。另要結(jié)合煤巖層條件進行順層信息提取，研究利用多場參數(shù)探索對底板巖層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、賦水特征等信息的解譯。

3 結(jié)束語

隨著煤炭開采自動化程度的增強，深部開采時地質(zhì)條件進一步復(fù)雜，對礦井物探的安全保障提出了更高的要求。文章圍繞煤層工作面內(nèi)構(gòu)造探查方法及應(yīng)用效果分析主線，進一步討論了綜合方法的研究和開發(fā)方向。

①煤層工作面內(nèi)地質(zhì)條件的透射層析成像方法，利用雙巷或多巷條件形成完全或非完全觀測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合煤巖層的地球物理場傳播規(guī)律及數(shù)據(jù)信息，配合巷道揭露地質(zhì)信息綜合分析，可對面內(nèi)構(gòu)造條件進行有效判斷。生產(chǎn)應(yīng)用中可結(jié)合工作面具體的地質(zhì)條件復(fù)雜程度，選擇電磁或地震波場類合適的透射成像方法。

②依托煤層空間條件進行三維條件下透射層析成像方法研究與實踐是關(guān)鍵。電磁及地震波類透射方法的激發(fā)(發(fā)射)和接收傳感器所在的雙巷為空間條件，因此考慮煤層工作面的空間條件，依據(jù)激發(fā)和接收點三維空間坐標(biāo)進行透射反演成像，所獲得的順煤層速度、吸收系數(shù)等參數(shù)結(jié)果更能反應(yīng)煤層面內(nèi)構(gòu)造的基本特征。

③煤層工作面透射CT方法井下應(yīng)用中多存在一些制約因素和不足，提升數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)備研發(fā)能力，改進現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)方式，提高數(shù)據(jù)采集數(shù)量及效果，綜合利用全波場、全空間、多物理參數(shù)信息，可提升地質(zhì)條件探查的精細(xì)化程度，進一步提升礦井地球物理方法的勘探能力。

[1]謝和平,錢鳴高,彭蘇萍,等.煤炭科學(xué)產(chǎn)能及發(fā)展戰(zhàn)略初探[J].中國工程科學(xué),2011,13(6):44-50.

[2]朱國維.深部礦井工作面地質(zhì)條件及其地球物理勘探技術(shù)[J].煤炭工程,2008,(3):66-68.

[3]崔若飛,孫學(xué)凱,崔大尉.基于地震反演方法的奧陶系頂部含隔水層探測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2009,28(2):319-323.

[4]肖玉林.煤礦綜采工作面無線電波透視技術(shù)研究[D].安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[5]王偉,高星,李松營,等.槽波層析成像方法在煤田勘探中的應(yīng)用—以河南義馬礦區(qū)為例[J].地球物理學(xué)報,2012,55(3):1054-1062.

[6]王季,李建政,吳海,等.透射槽波能量衰減系數(shù)成像與陷落柱探測[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2015,43(1):108-111.

[7]張平松,劉盛東,李培根.煤礦井巷間地質(zhì)構(gòu)造及其異常多波聯(lián)合探測技術(shù)與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進展,2007,22(2):598-603.

[8]張平松,劉盛東.斷層構(gòu)造在礦井工作面震波CT反演中的特征顯現(xiàn)[J].煤炭學(xué)報,2006,31(1):35-39.

[9] Jackson M J, Friedel M J, Tweeton D R, et al. Three-Dimensional Imaging of Underground Mine Structures Using Seismic Tomography[J]. Digital Library Home, 1995,221-230.

[10] Lurka A. Location of high seismic activity zones and seismic hazard assessment in Zabrze Bielszowice coal mine using passive tomography[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008,18(2):177-181.

[11] Luxbacher K, Westman E, Swanson P, et al. Three-dimensional time-lapse velocity tomography of an underground longwall panel[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2008,45(4):478-485.

[12] 蔡武,竇林名,李振雷,等.礦震震動波速度層析成像評估沖擊危險的驗證[J].地球物理學(xué)報, 2016,59(1):252-262.

CoalFaceGeologicalStructureandApplicationofAnomalousBodyTransmittingCTIntegratedImaging

Zhang Pingsong, Hu Zean, Wu Rongxin and Guo Liquan

(School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan, Anhui 232001)

Fault, coal thinning zone in coal face are main geological factors impacting coalmine safety in production. At present, the radio wave penetration, seismic and channel wave CT are mainly used to realize roadway face 2D tomographic imaging, identified working face geological condition and anomalous features before extraction. Multiple working faces imaging practices have shown that restricted by different prospecting operation conditions, usually through radio wave penetration carries out prospecting to estimate face basic geological condition; as for structurally complex areas can use seismic kind CT to carry out detailed prospecting. According to different transmitting CT peculiarities, have further discussed studies on them and development orientations.

geological structure; transmitting CT; imaging; electromagnetic kind transmitting; seismic kind transmitting

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重大項目(KJ2016SD17)，安徽省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人科研活動經(jīng)費資助項目(2016D079)，安徽省高校學(xué)科(專業(yè))拔尖人才學(xué)術(shù)資助重點項目(gxbjZD2016048)。

張平松(1971—)，男，安徽六安人，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事地球物理勘探方向教學(xué)與科研工作。

2017-08-01

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.10

1674-1803(2017)09-0049-04

A

責(zé)任編輯：孫常長