張平松，歐元超，李圣林

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

0 引 言

煤炭作為我國主要的化石能源，在經(jīng)濟社會發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化進程中發(fā)揮了重要作用。據(jù)相關(guān)報道，2020年，我國煤炭消費量占能源消費總量的56.8%，并且在未來相當長一段時期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會改變。預(yù)計到2030年、2050年，煤炭占我國一次能源消費的比例仍會在50%、40%以上[1]。在此背景下，煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要[2]，國家層面的具體行動體現(xiàn)在2020年3月八部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出的加快推進科技創(chuàng)新，提高智能化技術(shù)與裝備水平，重點突破精準地質(zhì)探測、重大危險源智能感知、預(yù)警等技術(shù)與裝備[3]。其中，礦井物探作為煤礦智能開采過程中一類重要的精準地質(zhì)勘探及預(yù)警手段，在礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)的構(gòu)建中起到了關(guān)鍵性作用[4-5]。

30年來，礦井物探技術(shù)及裝備發(fā)展水平大幅提升，測試系統(tǒng)空間組合形式極大豐富，多場多參量等綜合勘探技術(shù)系統(tǒng)取得較大突破，實時遠程測控及智能預(yù)警等礦井地質(zhì)勘探信息可視化展控平臺初步構(gòu)建，切實解決了煤礦生產(chǎn)過程中存在的各種復(fù)雜地質(zhì)問題，為煤礦安全高效綠色開采提供了堅實保障。期間，多位學(xué)者從不同角度總結(jié)分析并展望了我國礦井物探等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。陳硯書[6]、孫文濤等[7]回顧了國內(nèi)煤田物探領(lǐng)域的發(fā)展和所做出的貢獻；于景邨等[8]指出當前深部煤炭開采所面臨的主要地質(zhì)問題，并針對性的介紹了不同勘探技術(shù)的應(yīng)用效果；劉盛東等[9]以國內(nèi)幾種主要的礦井物探技術(shù)為線索，圍繞著其發(fā)展歷程、科學(xué)問題及關(guān)鍵技術(shù)等進行了論述和總結(jié)；程建遠等[10]回顧了“十二五”期間地面三維物探、礦井電磁法等煤炭物探技術(shù)所取得的成果，并預(yù)計“十三五”期間將在智能監(jiān)測及預(yù)警等方面有所突破；岳建華等[11]總結(jié)概括了近30年來國內(nèi)煤炭電法勘探不同階段的發(fā)展歷程，并結(jié)合當前煤炭行業(yè)發(fā)展需求，對下一階段的創(chuàng)新再生期發(fā)展重點和趨勢進行了分析；彭蘇萍[4]、袁亮等[5]系統(tǒng)分析了我國智能精準化礦井地質(zhì)保障技術(shù)體系的要素組成、框架構(gòu)建及發(fā)展現(xiàn)狀，為加快其發(fā)展指明了方向。

近2年，智能化、系統(tǒng)化、精準化、透明化、高質(zhì)量、創(chuàng)新性、5G+、大數(shù)據(jù)等詞語已成為包括我國煤炭行業(yè)在內(nèi)的各領(lǐng)域關(guān)注、研究的重點，同時也是“十四五”發(fā)展的必然趨勢。充分認識科技創(chuàng)新、深度參與并贏得新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革競爭，全方位提升礦井物探技術(shù)及裝備發(fā)展水平，已是“十四五”規(guī)劃及2035年遠景目標中實現(xiàn)煤炭工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。值此“十四五”開局之際，筆者總結(jié)回顧了過去30多年來我國礦井物探技術(shù)及裝備的發(fā)展歷程，并從多方面檢索分析了這一時期內(nèi)所發(fā)表的礦井物探類高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，進一步指出當前礦井物探領(lǐng)域發(fā)展及支撐性技術(shù)裝備中仍存在的關(guān)鍵問題，并給出了相應(yīng)認識和對未來發(fā)展的思考。

1 主要物探技術(shù)方法概述

在地球物理勘探的發(fā)展和應(yīng)用方面，地面物探技術(shù)理論與裝備研發(fā)應(yīng)用水平一直高于地下物探，而礦井地球物理勘探(簡稱礦井物探)又因其處在全空間、強干擾場源的地下深部探測環(huán)境中，且工作空間狹小、測試場地及探測時間受限、防爆安全等，一直是地下物探技術(shù)及裝備應(yīng)用研究的難點，需針對井下特殊探測環(huán)境深入開展物探技術(shù)基礎(chǔ)理論、儀器研發(fā)、數(shù)據(jù)處理、成果表達等方面的研究工作。

礦井物探是在煤礦井下針對不同地質(zhì)異常及問題，運用各種合適的地球物理勘探技術(shù)裝備進行探查研究的勘探方法總稱[12]。具體的，其是運用各種主、被動物理場探測裝備通過接觸或非接觸的方式，對井下地質(zhì)體進行無損或微損的地球物理場變化響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集，進而通過物探數(shù)據(jù)分析軟件對測量數(shù)據(jù)進行處理解譯，從而獲得井下測試區(qū)域內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)體中異常區(qū)的空間分布及動態(tài)變化等信息。相對于在地面進行的煤礦地質(zhì)異常探測，礦井物探則具有距離探測目標體近、異常響應(yīng)明顯、探采對比實證性強等諸多優(yōu)點[9]。

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，礦井物探技術(shù)理論突破和儀器裝備研發(fā)加快，其在井下應(yīng)用更加廣泛、測試方式更加豐富、選擇多樣化。國內(nèi)礦井物探方法主要由礦井地震類、礦井直流電法類、礦井電磁法類及其他礦井物探方法構(gòu)成(圖1)，其中，大部分技術(shù)已從最初單一的巷道測試發(fā)展為巷-巷、孔-巷、孔-孔、孔-地、巷-地等井下或井下井上聯(lián)合測試的多樣化組合測量布置形式，同時，測試裝備也已朝著集成化、小型化、智能精準化方向發(fā)展，并且已初步具備隨掘隨探、動態(tài)可視化立體監(jiān)測等能力。筆者對國內(nèi)常用的幾類礦井物探技術(shù)方法進行了總結(jié)分類并簡要概述(表1)。另外，檢索統(tǒng)計了近30年來國內(nèi)發(fā)表的礦井物探領(lǐng)域高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，并從發(fā)表年份、論文作者、機構(gòu)來源、高質(zhì)量期刊等多個角度進一步剖析了我國礦井物探發(fā)展程度及現(xiàn)狀，具體內(nèi)容可參見文末附錄部分。

圖1 礦井地球物理勘探主要方法[9]Fig.1 Main methods of mine geophysicalexploration[9]

2 物探技術(shù)及裝備發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

作為切實解決煤礦生產(chǎn)過程中的地質(zhì)問題以及保障煤炭精準智能化安全開采的重要技術(shù)手段，礦井物探技術(shù)及裝備的發(fā)展應(yīng)用水平直接關(guān)系到“十四五”及之后一段時期煤礦智能化發(fā)展能否順利開展及實現(xiàn)[3]，同時也反映其能否緊跟煤礦智能精準地質(zhì)勘探發(fā)展目標、助力煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、更加科學(xué)精準的服務(wù)我國能源領(lǐng)域綠色發(fā)展的時代要求。

2.1 礦井地震類

20世紀50年代，我國煤炭工業(yè)領(lǐng)域開始采用地震勘探技術(shù)，隨著技術(shù)理論的創(chuàng)新發(fā)展和裝備研發(fā)水平的綜合提升，礦井地震類技術(shù)取得重大突破和進步，發(fā)展形成反射波、面波勘探、巷道震波CT、槽波地震勘探、微震勘探等多種主要的礦井地震方法。

20世紀80年代初，煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院等多個單位聯(lián)合研制出了TYKC-9型槽波地震儀，同時開展了技術(shù)方法性試驗研究工作；隨后，煤炭科學(xué)研究總院西安分院成功研制出DYSD-Ⅰ型槽波數(shù)字地震儀、MRD-Ⅱ/Ⅲ型、YTR(D)型防爆瑞利波探測儀等多款礦井地震儀器裝備，并在國內(nèi)多個礦區(qū)進行了現(xiàn)場試驗；與此同時，中國科學(xué)院、煤炭科學(xué)研究總院、安徽理工大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等多個高校及科研單位對MSP超前探測技術(shù)、高頻地震反射波、巷道震波CT技術(shù)等從理論方法、裝備研發(fā)、工業(yè)應(yīng)用方面開展大量工作，先后研發(fā)出MH-2煤層厚度探測儀、KDZ1114-3地震儀等多款工程應(yīng)用裝備[13-14]。21世紀以前，礦井地震技術(shù)理論初步成熟、儀器裝備體系初步構(gòu)建，這為后來的快速發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。

21世紀以來，我國社會經(jīng)濟飛速發(fā)展、科技水平大幅提高，煤炭行業(yè)發(fā)展也迅速擴大，其中礦井地震類技術(shù)及裝備應(yīng)用[5,15-16]更加豐富、多樣化。近年來，國內(nèi)自主研發(fā)的YTC9.6槽波地震儀、KDZ3113礦井地震勘探儀、YTZ3存儲式無纜遙測地震儀等相繼出現(xiàn)。其中，彭蘇萍[5,17]、朱國維等[18]針對井巷測試空間有限這一實際問題，開展了全空間條件下的地震波場理論與觀測系統(tǒng)及裝備研究；程建遠等[19]基于槽波地震勘探技術(shù)，開發(fā)設(shè)計出采用第三代節(jié)點式地震儀設(shè)計理念的新型槽波地震儀；劉盛東等[20]針對目前礦井多波多分量地震勘探技術(shù)理論研究的不足，提出了基于地震波偏振特性的成像方法，實現(xiàn)了井下全空間多波成像(圖2)；王勃等[21]以突出礦井實際條件為研究背景，系統(tǒng)開展了新型CO2震源槽波勘探研究工作。可見，井下非爆炸地震震源、無線傳感檢波器等關(guān)鍵技術(shù)及裝備有望取得突破性進展。

圖2 反射槽波包絡(luò)偏移成像[20]Fig.2 Enveloped migration imaging of reflected in-seamwave[20]

我國現(xiàn)代化礦井微震監(jiān)測技術(shù)裝備起步較晚，前期主要通過引入國外相關(guān)技術(shù)裝備優(yōu)化改進并進行現(xiàn)場應(yīng)用[22]，隨后，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)、山東科技大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)等高校組建了專業(yè)團隊進行現(xiàn)代化礦井微震監(jiān)測技術(shù)裝備研發(fā)，其中，程久龍等[23]為解決微震傳感器布置而導(dǎo)致的定位精度不高等問題，提出了將微震監(jiān)測測點優(yōu)化布置的震源高精度定位算法并進行優(yōu)化處理；竇林名等[24]選用SOS微震監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對采空區(qū)突水動力災(zāi)害演化特征進行了研究；李術(shù)才等[25]采用高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)獲得了采動影響下底板破壞微震事件發(fā)生特征及巷道破壞機制(圖3)。

圖3 微震事件空間分布[25]Fig.3 Spatial distribution of microseismic events[25]

近些年，礦井地震波CT技術(shù)裝備更多應(yīng)用于對工作面內(nèi)部構(gòu)造、煤礦壓力、巖體變形破壞等[26]探測研究。彭蘇萍等[27]將礦井地震波CT技術(shù)用于對綜放工作面內(nèi)構(gòu)造及結(jié)構(gòu)面的空間展布進行探測，準確掌握了煤層增厚區(qū)及裂隙發(fā)育區(qū)；張平松等[28]設(shè)計出孔-巷間地震波CT觀測系統(tǒng)，開展了煤層頂板變形破壞高分辨率動態(tài)監(jiān)測；竇林名、蔡武等[29-30]利用震波CT探測技術(shù)對沖擊危險性進行了動態(tài)預(yù)測與評價(圖4)。

圖4 LW 25110工作面煤層位置的震動波速度層析成像切片示意[30]Fig.4 Shematic of seismic velocity tomograms of coal seam in No.LW25110 working face[30]

2.2 礦井直流電法類

直流電法在我國地面探查應(yīng)用中較早，但直到20世紀80年代，因國內(nèi)多個礦井接連發(fā)生嚴重的底板突水淹井事故，才得到重視并開展井下災(zāi)害異常礦井直流電法探測等研究工作。其中，中國礦業(yè)大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院西安分院等對礦井直流電法開展了大量的技術(shù)理論研究及裝備研發(fā)工作，先后成功研制出DZ-Ⅰ型防爆直流電法儀、DZ-Ⅱ型井下自動數(shù)字直流電法儀、YT120(A)型防爆音頻電透儀等裝備。與此同時，礦井直流電法技術(shù)的正反演算法、室內(nèi)模擬及現(xiàn)場應(yīng)用等[31-32]研究工作也在同步推進。20世紀末，引入井下的高密度電法探測技術(shù)裝備大幅提高了當時現(xiàn)場測試效率、降低了工作強度[33-35]。但礦井直流電法測試方式仍較為單一，現(xiàn)場主要是在巷道等施工環(huán)境內(nèi)布設(shè)二維測線用于探測巷道頂?shù)装寮俺疤降?，儀器裝備測量參數(shù)及數(shù)據(jù)處理解釋仍然以視電阻率/電阻率等單一地電參數(shù)為主。

21世紀初的煤炭黃金10年，高密度電阻率法在井下的應(yīng)用形式逐漸豐富、儀器測試精度及軟件處理[36-37]能力也有較為明顯的提升。期間，劉盛東等[38]設(shè)計出了分布式并行智能電機電位差信號采集方法和系統(tǒng)，基于此，研發(fā)出首款礦用并行電法儀并投入生產(chǎn)使用。近些年，隨著國內(nèi)電子集成技術(shù)及軟硬件水平的提升，帶動著礦井直流電法技術(shù)裝備的小型輕便化及智能化，測量精度和抗干擾性亦明顯提高，現(xiàn)已初步具備遠程實時動態(tài)監(jiān)測預(yù)警能力[39-40](圖5)，測試系統(tǒng)也由以往巷道內(nèi)二維布設(shè)豐富為巷-巷、孔-巷、孔-孔及井-地等的二維、三維多種測試組合形式[41-42]，另外，對激發(fā)激化、自然電場、充電法、震電一體化方法等的研究工作逐漸受到重視，且儀器裝備可獲得的地電場數(shù)據(jù)信息類型[43-44]更加多樣。圖6為采用并行電法儀測試了砂巖單軸加載至破壞的全程自然電位響應(yīng)變化特征。目前，礦井直流電法已廣泛應(yīng)用于采動影響下煤層頂?shù)装鍘r體破壞、地下水滲流和水害分布、巖體內(nèi)漿液擴散或爆破效果等[45-46]的動態(tài)監(jiān)測，對井下工作面及巷道周圍的地質(zhì)異常等進行精確探測[47]。圖7為對某礦1233工作面底板采用了視電阻率全方位探測及數(shù)據(jù)處理方法后得到的在工作面底板內(nèi)外側(cè)相對低阻區(qū)分布情況。

圖5 多頻連續(xù)電法監(jiān)測系統(tǒng)[40]Fig.5 Comprehensive diagram of multi-frequency continuous electrical resistivity monitoring system[40]

圖6 砂巖樣品破裂自然電位特征[44]Fig.6 SP characteristics in sandstone sample fracture[44]

圖7 1233工作面底板相對低阻區(qū)分布[47]Fig.7 Partition of relative low resistivity in limestone layer under coal seam in No.1233 working face[47]

2.3 礦井電磁法類

相較于礦井地震類和礦井直流電法類等接觸式勘探方法，礦井電磁法類主要是通過無損非接觸式探測方式進行地質(zhì)信息的采集，具有工作強度小、測試速度快、輕便高效且靈活等優(yōu)勢。經(jīng)過30多年的快速發(fā)展，形成了以礦井瞬變電磁、礦井地質(zhì)雷達、無線電波透視等為主的礦井電磁法類勘探方法，并廣泛應(yīng)用于對巷道掘進工作面、圍巖、頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)及富水區(qū)、巖溶陷落柱、導(dǎo)(含)水斷層、煤巖分界面、采空區(qū)等異常進行探測。

早在20世紀70年代，國內(nèi)就已開始對礦井無線電波透視技術(shù)進行了試驗研究，其中，煤炭科學(xué)研究總院重慶分院及河北省煤炭科學(xué)研所等單位針對煤礦井下探測需求及特點，先后研發(fā)出WKT-J型、WKT-F型等系列輕便防爆坑透儀[48]；近些年，該技術(shù)又取得進展，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出WKT-6型、WKT-E型和YDT88型等多款性能更佳的礦用本安無線電波透視裝備并廣泛用于國內(nèi)各大礦井地質(zhì)勘探中；在技術(shù)理論研究、數(shù)值模擬及資料處理等[49-50]方面也同樣取得了一定發(fā)展。吳榮新等[51]為圈定薄煤區(qū)的分布范圍開展了多頻透視探測研究，證實了該方法滿足對工作面地質(zhì)異常的精細探測；張軍[52]提出了煤井孔-巷無線電磁波透視探測方法，基于此，開展了不同異常的數(shù)值模擬響應(yīng)特征研究，并將該探測方法成功用于對山西某礦工作面構(gòu)造精準探測，利用該方法有效解決了探測精度低、測試環(huán)境受限等探測難題(圖8)。

圖8 振幅衰減系數(shù)α數(shù)值模擬[52]Fig.8 Numerical simulation of amplitude attenuation coefficient α[52]

由于礦井地質(zhì)雷達裝備需滿足嚴格的礦井防爆條件，這對于20世紀90年代之前國內(nèi)的研發(fā)水平來說非常困難，當時，主要還是使用加拿大Pulse EKKO系列及瑞典RAMAC系統(tǒng)等國外進口裝備[53]；煤炭科學(xué)研究總院重慶分院在引進國外先進技術(shù)裝備的同時，也在加緊研制國產(chǎn)裝備，經(jīng)過多年持續(xù)攻關(guān)，先后研發(fā)出KDL-3、KDL-4、KDL-8型及KJH-D型等[54]系列國產(chǎn)礦井防爆地質(zhì)雷達。宋勁等[55]通過模擬分析獲得雷達準確探測煤巖中隱伏鉆桿的可行性，在此基礎(chǔ)上，選用KJH-D型防爆地質(zhì)雷達對采煤工作面前方隱伏鉆桿進行了準確探測(圖9)；彭蘇萍團隊[5]在礦井物探系列技術(shù)裝備研發(fā)及應(yīng)用方面取得了諸多成果，其中，該團隊專門針對當前礦井地質(zhì)雷達井下隱伏災(zāi)害源的探測需求，成功研制出新型ZTR12礦用本安型防爆地質(zhì)雷達系統(tǒng)[56-57]。

國內(nèi)針對礦井瞬變電磁法的研究相對較晚，但因其具有施工輕便高效、對水敏感等優(yōu)勢，近二十年發(fā)展迅速，現(xiàn)已廣泛用于巷道圍巖及掘進工作面富水區(qū)、導(dǎo)(含)水斷層、采空區(qū)充水等低阻異常空間分布探測。1998年，于景邨[58]首次對礦井瞬變電磁技術(shù)理論及數(shù)學(xué)模型等進行了系統(tǒng)性研究，并將該方法用于井下對含水構(gòu)造等低阻異常進行勘探，于2001年完成了《礦井瞬變電磁法理論及應(yīng)用技術(shù)研究》博士論文；該時期，中國礦業(yè)大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)、中煤科工集團、中科院及安徽理工大學(xué)等對礦井瞬變電磁技術(shù)及裝備均開展了廣泛深入的研究[59-64]，先后成功研制出YCS40(A)、CUGTEM-8、YCS2000A等多款型號的礦用瞬變電磁儀，并設(shè)計出孔-巷、孔-孔、井-地等多種空間組合探測形式，同時在正反演算法的優(yōu)化改進等方面亦有較大發(fā)展。圖10為基于視電阻率擴散疊加算法得到的現(xiàn)場測試結(jié)果。

圖10 實測瞬變電磁常規(guī)視電阻率及其擴散疊加結(jié)果[62]Fig.10 Results of regular resistivity and its spread stack value calculated by measured transient electromagnetic data[62]

雖然當前國內(nèi)礦井瞬變電磁法相關(guān)研究熱度很高，并且在各方面也取得很大突破，但不可否認依然存在諸多問題和難點需要解決，其在技術(shù)理論與算法研究、巷道內(nèi)金屬構(gòu)件對儀器數(shù)據(jù)信號采集干擾、國產(chǎn)儀器穩(wěn)定性及抗干擾能力、二三維正反演方法研究等方面仍需得到加強，探測的精細程度難以滿足目前高精度地質(zhì)探查需求，通過對礦井瞬變電磁立體線圈及定向發(fā)射技術(shù)等新理論、新技術(shù)的深入研究有望大幅提升其探查能力。

3 存在的關(guān)鍵問題與發(fā)展思考

30年來，伴隨著我國綜合經(jīng)濟實力及科技水平的顯著增強，礦井物探技術(shù)及裝備的整體發(fā)展水平取得了大幅提升，尤其是近10年發(fā)展尤為迅猛。作為透明化地質(zhì)保障系統(tǒng)的重要組成部分，礦井物探技術(shù)及裝備切實解決了一直以來煤礦生產(chǎn)過程中面臨的各種復(fù)雜地質(zhì)問題，為我國煤礦安全高效綠色開采提供了堅實保障。但是也必須清醒的認識到，當前依然面臨著基礎(chǔ)理論不夠完善、應(yīng)用條件拓展不足、儀器裝備智能穩(wěn)定性亟待提升、數(shù)據(jù)反演多解性尚未突破等諸多阻礙和限制礦井物探方法實際應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。針對礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)協(xié)同構(gòu)建及發(fā)展趨勢，筆者從礦井原位試驗平臺建設(shè)、透明化礦井地質(zhì)構(gòu)建、高素質(zhì)礦井技術(shù)人才培養(yǎng)等方面提出了思考和建議。

3.1 當前阻礙礦井物探技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵性問題

3.1.1 基礎(chǔ)理論不夠完善

當前，礦井物探技術(shù)理論框架體系雖已初步建立，但針對國內(nèi)煤炭賦存地質(zhì)條件和發(fā)展趨勢，深埋、復(fù)雜、多場耦合等條件下的煤礦開采安全性問題將更加突出，現(xiàn)有的礦井物探技術(shù)理論及裝備已很難完全適應(yīng)并有效解決此類煤礦生產(chǎn)全生命周期精準開采地質(zhì)保障問題，深入開展深部復(fù)雜地質(zhì)條件下各類地球物理場的全空間傳播特性及規(guī)律等基礎(chǔ)理論研究已迫在眉睫。例如，槽波地震勘探在對煤層工作面內(nèi)的小構(gòu)造等超前探測中具有一定優(yōu)勢，但在考慮黏彈各向異性煤層介質(zhì)中的三維槽波波場及其頻散特性等方面缺乏深入研究，數(shù)值模擬方面亦需構(gòu)建基于實際巷道空間條件下的小構(gòu)造探測三維模型進行正演模擬研究；礦井瞬變電磁法存在線圈分布電容和電感參數(shù)在實際中無法準確測量，導(dǎo)致采用反卷積濾波算法消除接收系統(tǒng)暫態(tài)過程難以實現(xiàn)；金屬干擾問題尚未有效解決，從而導(dǎo)致實際不同角度的探測數(shù)據(jù)存在顯著的差異，進一步影響到視電阻率擴散疊加成像效果，因此對金屬干擾下瞬變電磁場全空間響應(yīng)特征與校正方法還需深入研究；受線圈材料、結(jié)構(gòu)等影響，實際中真正的零磁通線圈無法實現(xiàn)，筆者所在課題組對此問題進行了深入研究，目前研究設(shè)計的零磁通線圈正處在調(diào)試和優(yōu)化階段；掘進工作面煤巖非均質(zhì)條件電法超前探測理論，井下煤巖介質(zhì)含/富水區(qū)域的異常響應(yīng)、典型特征及判定閾值確定等依然需要開展大量的研究工作。

3.1.2 應(yīng)用條件拓展問題

井下深部環(huán)境惡劣，礦井物探實際應(yīng)用也受到諸多限制，例如，傳感器大小、布設(shè)空間、與圍巖介質(zhì)耦合效果，原位觀測區(qū)域及時間不能影響井下正常采掘工作，礦井物探裝備的性能參數(shù)等也都有一定限制等。另外，某些物探技術(shù)方法在有限測試空間下的探測效果存在爭議，仍需深入探討研究。針對當前礦井物探應(yīng)用中仍然面臨的條件受限等問題：①需進一步優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升其全空間信號激發(fā)、接收性能，增強接觸式傳感器與圍巖介質(zhì)間的耦合效果；②有限空間環(huán)境下創(chuàng)新觀測系統(tǒng)多組合布設(shè)及其傳播機理研究，尤其是電磁法類受巷道金屬等干擾嚴重，創(chuàng)新孔-孔、孔-巷或孔-地等觀測系統(tǒng)可有效降低干擾影響，其中，孔中傳感器結(jié)構(gòu)及其性能的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要，同時，需要對此開展大量的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究；③研發(fā)隨鉆/掘/采等的隨探系列礦井物探觀測裝備，構(gòu)建實時快速數(shù)據(jù)信息處理及可視化展控、預(yù)警、決策平臺，研究新型動態(tài)觀測形式下信號激發(fā)和接收過程中的地球物理場三維空間傳播及信號識別等基礎(chǔ)性問題。

3.1.3 儀器裝備智能穩(wěn)定性亟待提升

煤礦井下空間環(huán)境特殊、復(fù)雜且惡劣，其對入井儀器裝備的安全性要求高。目前，國內(nèi)用于井下的礦井物探儀器裝備種類型號繁多，但性能和質(zhì)量參差不齊。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因有3個：①部分廠家研發(fā)能力薄弱，檢驗測試重點是安全而非技術(shù)標準，其生產(chǎn)的儀器裝備穩(wěn)定性及準確性不可對比；②行業(yè)相關(guān)部門缺乏對廠家資質(zhì)以及儀器裝備研發(fā)、生產(chǎn)、出廠銷售等全流程規(guī)范標準等的管理和監(jiān)督；③煤礦企業(yè)存在對測試服務(wù)及儀器性能評估不足，以價格因素確定服務(wù)及購置儀器者居多，不利于產(chǎn)業(yè)的良性競爭與健康發(fā)展。國家相關(guān)部門應(yīng)對當下礦井物探裝備的技術(shù)規(guī)范、產(chǎn)品標準和檢測檢驗進行完善并加強監(jiān)管，解決行管薄弱，標準滯后等問題。

當前，儀器裝備性能方面應(yīng)提高穩(wěn)定性、探測精度、抗干擾能力、多源數(shù)據(jù)信息綜合采集、有效信息提取、干擾數(shù)據(jù)自動甄別剔除等；同時，儀器裝備的測量傳感單元需具備自動定位或可與井下高精度測量、定位系統(tǒng)間數(shù)據(jù)進行共享互通的能力，從而更加精準展示井下勘探三維地質(zhì)環(huán)境以及定位異常體空間分布。井下無人/少人化必將推動未來深部礦井物探儀器裝備向著智能機器人方向發(fā)展，通過接入井下5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)地面遠程實時遙控智能監(jiān)測等，其中，適宜于特殊環(huán)境下作業(yè)的礦井物探機器人可采用履帶或滾輪進行自行移動并通過升降系統(tǒng)對傳感器的觀測姿態(tài)進行動態(tài)調(diào)整等。同時，更要做好測量傳感單元搭載在鉆機、掘進機、割煤機等裝備上進行隨鉆隨探、隨掘隨探、隨采隨探等的系統(tǒng)性技術(shù)裝備研究。當前，相關(guān)科研院所及生產(chǎn)企業(yè)需整合力量，針對性開展重大關(guān)鍵性探測儀器專項研究，集中精力提升智能化礦井物探裝備的整體性能水平，擺脫長期以來對國外裝備的過度依賴。

3.1.4 數(shù)據(jù)反演多解性尚未突破

礦井物探主要是通過有限空間非完全觀測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并結(jié)合地質(zhì)鉆探揭露獲知的有限信息，反演探測區(qū)域內(nèi)部的物性參數(shù)，其結(jié)果通常是非唯一的(尤其是直流電阻率法和電磁法)。非唯一性容易導(dǎo)致反演失真并產(chǎn)生假異常，進而導(dǎo)致錯誤的地質(zhì)解釋及判斷。針對數(shù)據(jù)反演結(jié)果多解性問題，可從以下4個方面進行改善：①壓制干擾信號、提高信噪比。數(shù)據(jù)處理結(jié)果準確的前提是獲得高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，井下深部探測干擾復(fù)雜，故需進一步研究干擾信號的特征以及對原始信號進行校正等；②多尺度、多維度的地球物理場對比觀測分析研究。例如，在對工作面等區(qū)域進行大尺度地球物理場觀測后，進一步對局部疑似異常區(qū)進行小尺度、多維度的精細動態(tài)觀測對比同樣至關(guān)重要；③多物理場協(xié)同觀測，多參量數(shù)據(jù)聯(lián)合反演。多場數(shù)據(jù)綜合探測優(yōu)勢互補，可有效改善單一觀測方法的局限性；聯(lián)合反演能壓制異常干擾，提高探測精度，可實現(xiàn)全空間條件下地質(zhì)異常的精確定位；④基于部分先驗信息約束的地球物理場數(shù)據(jù)反演方法研究。在實際井下地質(zhì)保障中，通過物探、鉆探或化探等技術(shù)手段想要獲得異常體或動力災(zāi)害源的完整邊界或區(qū)域內(nèi)演變?nèi)绦畔⑹欠浅＠щy的，故在僅掌握部分先驗信息的情況下，通過約束反演進而獲得準確的探測結(jié)果是降低反演非唯一性的有效方法，值得深入研究。

3.2 礦井地質(zhì)保障系統(tǒng)協(xié)同構(gòu)建及發(fā)展思考

3.2.1 礦井原位試驗平臺建設(shè)

由于我國礦區(qū)分布廣泛，不同礦區(qū)的地質(zhì)條件、災(zāi)害類型各異，測試環(huán)境及目標亦不相同，通過物探裝備測量獲得的各區(qū)域地質(zhì)地球物理場響應(yīng)信息必然存在差異，在此情況下，若把某一類物探儀器設(shè)備應(yīng)用于差異性較大的不同礦區(qū)后，仍按照固定統(tǒng)一的模式進行測試、數(shù)據(jù)處理分析及解釋，則會存在適用性差、準確性低等問題，尤其是在目前開采地質(zhì)條件日趨復(fù)雜化、深部化，探測要求精準化、智能化的趨勢下，該問題將更加突顯。

據(jù)此，建議在全國選取地質(zhì)條件典型、災(zāi)害類型多樣且危險性較大的若干個具有科研基礎(chǔ)的礦區(qū)進行布局，建設(shè)一批深部礦井原位試驗平臺，有針對性的系統(tǒng)開展各類礦井物探儀器裝備在深部復(fù)雜環(huán)境下的適用性、穩(wěn)定性、靈敏性及精準性等的信號檢測檢驗分析、裝備性能優(yōu)化及智能精準礦井物探科學(xué)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究等工作；另外，通過利用井下原位實驗平臺進行不同類型物探裝備的測試研究，進而明確針對不同地質(zhì)條件類型礦區(qū)中的各種地質(zhì)問題，系統(tǒng)性的總結(jié)分類并給出不同類型物探裝備技術(shù)應(yīng)用標準及其現(xiàn)場測試、數(shù)據(jù)解譯及評價等的指導(dǎo)意見，進一步豐富和完善智能化精準地質(zhì)勘探裝備的研發(fā)與應(yīng)用水平，在此基礎(chǔ)上，開展更加精準可靠的地質(zhì)大數(shù)據(jù)分析、預(yù)警，構(gòu)建透明化靜、動態(tài)三維地質(zhì)模型。礦井原位試驗平臺建設(shè)示例如圖11所示。

圖11 礦井原位試驗平臺建設(shè)流程Fig.11 Chart of mine in-situ experimental platform construction

3.2.2 透明化礦井地質(zhì)構(gòu)建

目前，利用多種礦井物探技術(shù)裝備針對巷道、工作面各時期、各階段進行了大量的地質(zhì)探測及監(jiān)測預(yù)警等工作，但各階段的礦井物探數(shù)據(jù)信息分散，未對海量的多源數(shù)據(jù)信息進行系統(tǒng)性整合研究。急需對當前分散的物探數(shù)據(jù)進行整合、多源物探數(shù)據(jù)進行融合，將礦井工作面地質(zhì)“暗箱”透明化，構(gòu)建包含多源物探數(shù)據(jù)信息的三維工作面透明化靜、動態(tài)地質(zhì)模型，同時需重視基于云數(shù)據(jù)靜、動態(tài)地質(zhì)模型的信息綜合分析研判及診斷預(yù)警等系統(tǒng)性工作，通過加強智能地質(zhì)方面的工作能力水平，從而有力保障和促進煤礦智能化建設(shè)。其中，透明化動態(tài)地質(zhì)模型：基于前期地面大區(qū)域三維物探信息及井下煤層工作面采前精細探測等的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建三維靜態(tài)地質(zhì)模型；進一步，工作面開采過程中利用搭載在綜采、掘進裝備上以及預(yù)先植入于煤巖體內(nèi)、采空區(qū)內(nèi)的多物理場監(jiān)測傳感器對煤層前方一定距離內(nèi)的地質(zhì)信息(煤厚、煤巖分界面及隱伏構(gòu)造等)及隱蔽動力災(zāi)害源發(fā)生的條件和過程(煤與瓦斯突出、沖擊地壓、礦井突涌水、煤層頂?shù)装寮跋锏绹鷰r變形破壞等)進行精準可視化的實時感測；并將獲得的多源物探數(shù)據(jù)信息實時融入至靜態(tài)化地質(zhì)模型中，實現(xiàn)對煤層掘進前方一定距離內(nèi)地質(zhì)信息及隱蔽動力災(zāi)害源發(fā)生過程的實時精細化修正更新及監(jiān)測預(yù)警，從而更加科學(xué)智能精準化指導(dǎo)安全采煤工作。全周期地質(zhì)地球物理數(shù)據(jù)集成分析平臺如圖12所示。

圖12 全周期地質(zhì)地球物理數(shù)據(jù)集成分析平臺Fig.12 Geophysical dataset component analysis platform for full period geology

3.2.3 高素質(zhì)礦井技術(shù)人才培養(yǎng)

當前，礦井地質(zhì)勘探工作者仍是井下物探儀器的操作者、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的獲取者，故，其對物探理論及技術(shù)的認識深度、對儀器裝備的掌握程度在一定程度上決定著原始數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的好壞，影響著后期數(shù)據(jù)處理分析及解釋的準確程度。然而，目前礦井地質(zhì)勘探工作者綜合素質(zhì)參差不齊，很多都沒有經(jīng)過專業(yè)的地質(zhì)勘探等方面課程學(xué)習(xí)，更缺少多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)背景。在這種情況下，礦井地質(zhì)勘探工作者普遍是機械地使用物探設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并按照常規(guī)的處理流程對數(shù)據(jù)進行處理成圖，解譯工作則僅基于所獲得的數(shù)據(jù)圖以及部分驗證資料，更多的是應(yīng)付生產(chǎn)及檢查。因此，針對當前面臨的深部、復(fù)雜條件下礦井物探技術(shù)理論基礎(chǔ)及儀器裝備性能薄弱等嚴峻問題，高校、科研院所及生產(chǎn)單位在集中精力培養(yǎng)組建高素質(zhì)復(fù)合型人才隊伍對其進行科研攻關(guān)的同時，各方面同樣要健全規(guī)范的現(xiàn)場礦井地質(zhì)勘探工作，重點要抓緊培養(yǎng)組建能面向未來智能化煤礦的應(yīng)用型專業(yè)地質(zhì)勘探人才以及云端數(shù)據(jù)處理與解譯智能專家隊伍，為國家加快煤礦智能化發(fā)展中面臨的精準地質(zhì)勘探難題提供可靠的一線技術(shù)人才這一“硬件”支撐。

4 結(jié) 語

隨著國內(nèi)淺部煤炭資源開采趨盡，深部開采已成必然趨勢，不可避免地將會面臨更加復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，然而，僅依靠現(xiàn)有的礦井物探技術(shù)理論及儀器裝備已很難完全適用并有效解決未來深部、復(fù)雜條件下煤礦生產(chǎn)全生命周期精準地質(zhì)保障問題。針對當前礦井物探技術(shù)及裝備在煤礦應(yīng)用中面臨的難題，文章指出從基礎(chǔ)理論、應(yīng)用條件、儀器裝備、數(shù)據(jù)反演、空間表達等方面進行全方位突破和提升，同時要發(fā)揮基于5G技術(shù)的聯(lián)接、計算、云、AI、智能精準礦井物探技術(shù)裝備應(yīng)用等多方協(xié)同的優(yōu)勢，完善深部、復(fù)雜地質(zhì)條件下的全空間地球物理場傳播基礎(chǔ)理論等方面研究，加快創(chuàng)新方法與技術(shù)的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，切實提升智慧礦井安全高效生產(chǎn)能力。

展望“十四五”，礦井物探技術(shù)及裝備在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面必會有大幅突破，在智慧化礦井透明地質(zhì)云監(jiān)控、診斷與保障系統(tǒng)的構(gòu)建中亦將發(fā)揮更大作用。礦井物探技術(shù)與裝備科技創(chuàng)新、人才質(zhì)量不斷提升，共同為煤炭行業(yè)精準智能生產(chǎn)及高效轉(zhuǎn)型發(fā)展提供硬支撐。

致謝：文中引用參考文獻數(shù)量較多，如因疏忽漏注在此表示歉意，并對所有文獻作者表示誠摯的感謝！感謝審稿專家提出寶貴的意見和編輯部的大力支持！限于作者水平和閱歷，不足之處敬請讀者批評指正！

附 錄:

我國礦井物探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀-基于高質(zhì)量科學(xué)文獻的統(tǒng)計分析

文獻計量學(xué)采用數(shù)據(jù)與統(tǒng)計的方法，借助檢索某一領(lǐng)域科學(xué)文獻得到的各種特征數(shù)據(jù)信息，進而描述、評價和分析預(yù)測該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[65]。通過對國內(nèi)礦井物探類高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文的產(chǎn)出情況進行檢索統(tǒng)計及分析，一定程度上能反映我國礦井物探領(lǐng)域技術(shù)及裝備的發(fā)展歷程與規(guī)律、核心科研群體及機構(gòu)、高影響力期刊、研究熱點和方向等問題，對分析國內(nèi)該領(lǐng)域的整體動態(tài)發(fā)展具有重要價值。

本部分圍繞礦井物探專業(yè)領(lǐng)域，以中國知網(wǎng)期刊數(shù)據(jù)庫平臺為檢索來源，根據(jù)礦井物探相關(guān)專業(yè)詞語，設(shè)置了“礦井物探”“礦井電法”“礦井地質(zhì)雷達”“礦井電磁法”“井下槽波”“礦井地震波法”等共13個主題檢索詞，檢索詞邏輯關(guān)系設(shè)置為“或者”，匹配方式設(shè)置為“精確”，檢索對象設(shè)置為“期刊”，來源類別設(shè)置為“核心期刊”“CSCD”“EI來源期刊”“SCI來源期刊”；由于中國知網(wǎng)于1992年第一次發(fā)布中文核心期刊目錄，故本次數(shù)據(jù)檢索起始時間為1992年，檢索時間下限設(shè)定為2020年10月31日。

據(jù)不完全統(tǒng)計，共檢索出符合條件的高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文共計838篇，每年發(fā)表論文量如圖13所示。

圖13 礦井物探論文發(fā)表量統(tǒng)計Fig.13 Document statistics on published papers of mining geophysical

需要說明的是，檢索結(jié)果可能與實際數(shù)量存在偏差，本部分僅以系統(tǒng)檢索識別出的“礦井物探”等相關(guān)文獻量為基礎(chǔ)進行統(tǒng)計分析，以此展示該領(lǐng)域整體的分布趨勢。1992—2005年期間共發(fā)表礦井物探類高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文121篇，年均發(fā)表量不足10篇，而從2006年開始發(fā)表量猛增，至今共發(fā)表714篇，占總發(fā)表量的85.2 %；其中，2006—2012年的發(fā)文量整體保持高速增長，2012—2017年間則基本穩(wěn)定在年均60篇以上的高位水平，但是近3年的論文發(fā)表量則出現(xiàn)一定程度的下降。近30年礦井物探類高質(zhì)量論文發(fā)表量的整體變化規(guī)律及趨勢與國家的經(jīng)濟發(fā)展、行業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型等宏觀政策之間存在較為緊密的聯(lián)系，在一定程度上反映了我國礦井物探技術(shù)及裝備的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。

對作者信息進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，12位作者的發(fā)表量達到了10篇及以上，他們主要來自高校和科研院所，其中，來自中國礦業(yè)大學(xué)的作者最多，達6人，發(fā)文量前10位的作者年齡大部分在50歲左右(見表2)；發(fā)文量達14篇及以上的機構(gòu)有14家，這些機構(gòu)共發(fā)文612篇，占發(fā)文總量的73.0%(見表3)，其中，中國礦業(yè)大學(xué)和中國煤炭科工集團有限公司的發(fā)文量領(lǐng)先，共占比達29.0%，這2所機構(gòu)是我國礦井物探技術(shù)理論及裝備研發(fā)等方面的“領(lǐng)頭羊”(需要說明，作者發(fā)文量并不是以第1作者進行統(tǒng)計)。另外，分析被引用量排名前20的論文研究方向發(fā)現(xiàn)，瞬變電磁、直流電法、槽波地震勘探及微震等礦井物探技術(shù)是目前國內(nèi)井下物探領(lǐng)域中科研群體關(guān)注的重點。

表2 礦井物探發(fā)文量前10作者信息Table 2 Information about top 10 authors by number of published papers

在論文研究層次方面，發(fā)現(xiàn)工程技術(shù)(自科)類論文占比達73.0%，而基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究(自科)類論文占比僅為19.2%，這反映出近30年來在礦井物探方面的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用基礎(chǔ)研究較少，相當一部分的科研人員對工程技術(shù)應(yīng)用研究更感興趣?，F(xiàn)階段，需逐漸從重應(yīng)用研究、輕基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，向三者并重轉(zhuǎn)變，只有這樣才能在礦井物探基礎(chǔ)技術(shù)理論上有新的突破，進而帶動處理軟件、儀器裝備性能等軟硬件質(zhì)量的提升，從而滿足智能化精準地質(zhì)勘探需求。

表3 發(fā)表礦井物探論文較多機構(gòu)Table 3 Units of more published literature

需要強調(diào)的是，《煤炭學(xué)報》(收錄礦井物探類論文51篇，下同)、《煤炭科學(xué)技術(shù)》(收錄104篇)、《煤田地質(zhì)與勘探》(收錄80篇)等作為具有重要國際國內(nèi)影響力的高質(zhì)量行業(yè)期刊，在我國礦井物探技術(shù)及裝備的理論研究、技術(shù)發(fā)展、裝備研發(fā)應(yīng)用等方面的學(xué)術(shù)交流與傳播中發(fā)揮了重要作用。