溫亨聰，李學臣，溫英明

（焦作煤業(yè)（集團）有限責任公司科學技術(shù)研究所，河南焦作 454002）

我國部分礦井為煤與瓦斯突出礦井，水文地質(zhì)條件復雜，煤層及頂?shù)装鍘r層內(nèi)斷層、褶曲、破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)不均衡分布，其附近的煤巖體往往破碎、位移、起伏變化、完整性缺失，極易形成瓦斯異常帶、應(yīng)力集中區(qū)和構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)，隨采掘活動的進行，容易發(fā)生瓦斯事故[1-2]。為保障煤礦的安全生產(chǎn)，礦井采掘工作面急需探明煤巖層中易發(fā)生災(zāi)害事故的斷層、裂隙等地質(zhì)異常體，為礦井生產(chǎn)設(shè)計、災(zāi)害治理提供依據(jù)[3]。

目前，國內(nèi)外對礦井地質(zhì)構(gòu)造探測通常采用鉆探法、無線電坑透法和地震法等[4]。其中，鉆探法具有結(jié)果直接、準確的優(yōu)點，多應(yīng)用于各種災(zāi)害防治工程，缺點是探測距離有限、控制區(qū)域多呈點線狀范圍較小、工程量大、施工周期長、費用高、影響礦井生產(chǎn)進度；無線電坑透勘探方法優(yōu)點是技術(shù)成熟、儀器輕便、施工高效、資料處理解釋快速、異常定位效果較好，缺點是只能探查采煤工作面內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造分布信息，且存在邊緣區(qū)域分辨率下降、探測精度一般、異常范圍易擴大化和抗電干擾能力弱等問題；地震勘探方法優(yōu)點是探測距離大、分辨率高、準確率高、抗電干擾能力強、最終成果直觀，多用于工作面內(nèi)部及外圍地質(zhì)構(gòu)造異常體探查，缺點是隨著瓦斯或高突礦井采區(qū)向深部延伸，煤層瓦斯含量增大，物探施工時多次放炮的安全風險和隱患逐步增大，促使地震法在高突礦井勘探時必須減少炮點及炸藥量并嚴格按照礦井相關(guān)放炮規(guī)程進行作業(yè)，導致其在高突礦井適用范圍減小甚至不再適用[5-7]。

1 方法原理

1）地震法。地震法對地質(zhì)異常體的探測屬于反射法地震勘探范疇，通常采用回波測量原理，其原理是在巷道側(cè)幫指定的震源點，利用機械或炸藥等震源激發(fā)產(chǎn)生地震波，并在煤巖層中以球面波形式傳播，當遇到斷層、巖石破碎帶、煤厚變化帶和巖性界面等物性界面時，一部分信號反射回來、一部分信號折射進入探測方向前方介質(zhì)，反射回來的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接收。通過分析反射波的能量強弱、相位等各種信息特征即可判斷探測區(qū)域內(nèi)的斷層、破碎帶、巖性界面等的性質(zhì)及其分布狀況[9]。反射法地震勘探原理圖如圖1。

圖1 反射法地震勘探原理圖Fig.1 Reflection method seismic exploration schematic diagram

2）無線電坑透。無線電坑透勘探是基于高頻無線電波在地下不同介質(zhì)中傳播時的差異性衰減特征來判斷介質(zhì)特征[10]。電磁波在地下介質(zhì)中傳播時，斷層、破碎帶和陷落柱等地質(zhì)異常體界面可造成電磁波的反射和折射，造成能量損耗，形成電磁波能量的強衰減區(qū)域，通過分析各衰減區(qū)的范圍、強弱等特點并結(jié)合地質(zhì)資料進行綜合判斷，就可推斷和解釋出工作面內(nèi)部存在的斷裂構(gòu)造帶位置、圈定陷落柱和薄煤帶等的巖性變化范圍。

2 技術(shù)工藝

高突礦井地質(zhì)異常體快速精細探測技術(shù)綜合應(yīng)用了以錘擊激發(fā)為震源、以短排列滾動式探測為基礎(chǔ)的便攜式震法和高密度精細無線電坑透法2 種勘探技術(shù)，融合地震勘探靈活、準確率高、分辨率高和無線電坑透勘探施工便捷、快速高效的優(yōu)點，研發(fā)了便攜式震法勘探、保障式全面勘探、精細高效對比勘探等創(chuàng)新工藝。

2.1 便攜式震法勘探工藝

便攜式震法勘探工藝是在傳統(tǒng)礦井地震法的基礎(chǔ)上，結(jié)合錘擊激發(fā)為震源、滾動式短排列探測為測量方式等震法優(yōu)化工藝而形成的一種改進勘探方法。以錘擊激發(fā)為震源，可以有效解決傳統(tǒng)放炮震源地震勘探技術(shù)難以在高突礦井應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，消除井下物探施工時放炮給高突礦井帶來的安全隱患，為高突礦井的地質(zhì)異常體探測領(lǐng)域作出重要突破[11]。滾動式短排列探測方式通過有效的相位對比與追蹤可獲得反射界面的位置，其基于反射波勘探原理中的反射共偏移法，在單邊排列的基礎(chǔ)上選定最佳偏移距（即最佳反射窗口），采用多道疊加小步長順移前進觀測系統(tǒng)，同時應(yīng)用小道間距的偏移成像技術(shù)，通過多道接收，在給定速度等參數(shù)后將地震時間剖面轉(zhuǎn)換成空間剖面，實現(xiàn)增強有效波、壓制干擾波的目的，滾動式短排列探測示意圖如圖2。

圖2 滾動式短排列探測示意圖Fig.2 Schematic diagram of rolling short array detection

2.2 保障式全面勘探工藝

保障式全面勘探以高密度無線電坑透法和便攜式震法為手段精細探查工作面內(nèi)部及外圍100 m范圍內(nèi)煤巖層中裂隙、斷層等地質(zhì)構(gòu)造分布信息，做到工作面內(nèi)、外全覆蓋，分析地質(zhì)異常體（如落差大于1/2 平均煤厚的斷層、小于1/2 平均煤厚的煤層變薄區(qū)、煤層異常增厚區(qū)和長軸大于15 m 的陷落柱等）對工作面回采的影響性和威脅性，為礦井災(zāi)害防治方案的制定提供依據(jù)。

2.3 精細高效對比勘探工藝

精細高效對比勘探是高密度無線電坑透快速普查式探測和便攜式震法重點精細化探測的高效組合應(yīng)用，先利用無線電坑透法對整體目標區(qū)域進行普查式探測，圈出重點、難點異常區(qū)域，再利用便攜式震法對重難點區(qū)域?qū)嵤┚殞Ρ忍綔y，可大幅度節(jié)省施工時間、提高物探成果的精細度和可靠性，確保地質(zhì)異常體的高效、精細探測。

高密度精細無線電坑透勘探采用的是坑道電磁波法中的定點法，其具有定點發(fā)射，多點接收的特點：探測時發(fā)射機的位置在一定的時間內(nèi)相對固定，接收機在一定的范圍逐點觀測其場強值，是井下常用的觀測方法，尤其對形狀不規(guī)則工作面的探測效果明顯，高密度定點法示意圖如圖3。

正如陳寶生部長所提出的高等教育要進一步轉(zhuǎn)變理念，做到“四個回歸”。同樣，閱讀推廣的最終目的和歸宿還是應(yīng)該回歸到促進學生的品德修養(yǎng)和思維能力的提高上面。授人以魚不如授人以漁，閱讀推廣也不應(yīng)只是局限于閱讀的圖書的推薦，讓同學們在較多的淺閱讀的同時也能夠深閱讀，而圖書館更有責任讓學生養(yǎng)成良好的深度閱讀習慣。

圖3 高密度定點法示意圖Fig.3 Schematic diagram of high density fixed-point method

采用這種觀測方法，通過加密發(fā)射點距和接收點數(shù)，提高射線疊加密度，同時在勘探區(qū)首尾兩側(cè)區(qū)域加密布置探測點，力求勘探射線布滿整個勘探區(qū)域，減少空白區(qū)，并能運用兩巷定點交匯法，根據(jù)坑透綜合曲線圖，具體確定地質(zhì)異常體的性質(zhì)和空間位置及大小。

3 技術(shù)優(yōu)勢

1）錘擊為震源，消除安全隱患。便攜式震法以錘擊激發(fā)為震源、以滾動式短排列探測為測量方式，可以有效解決傳統(tǒng)放炮震源地震勘探技術(shù)難以在高突礦井應(yīng)用的技術(shù)瓶頸，消除井下物探施工時放炮給高突礦井帶來的安全隱患。

2）內(nèi)外全覆蓋，完善地質(zhì)信息。保障式全面勘探綜合應(yīng)用高密度無線電坑透法和便攜式震法，能夠精細探查工作面內(nèi)部及外圍100 m 范圍內(nèi)煤巖層地質(zhì)異常體的分布情況，做到工作面內(nèi)、外全覆蓋，完善地質(zhì)異常體的延伸分布、發(fā)育變化等地質(zhì)信息，綜合分析地質(zhì)異常體對工作面的影響性和威脅性，保障礦井的安全生產(chǎn)。

3）重難點分區(qū)探測，保障物探高效、準確。精細高效對比勘探以高密度無線電坑透快速普查式探測和便攜式震法重點精細化探測為抓手，實施重難點分區(qū)探測：先利用無線電坑透法對整體目標區(qū)域進行普查式探測，圈出重點、難點異常區(qū)域，再利用便攜式震法對重難點區(qū)域?qū)嵤┚殞Ρ忍綔y，節(jié)省施工成本和時間、提高物探成果的精細度和可靠性，確保地質(zhì)勘探工作更加高效、準確。

4 工程實例

焦作煤業(yè)（集團）有限責任公司古漢山礦1704工作面煤層瓦斯含量高，煤巖層附近斷層、裂隙等地質(zhì)異常體發(fā)育。根據(jù)1704 工作面巷道掘進資料顯示，該工作面切眼已揭露1 條正斷層F1522，傾角70°，落差2.7 m；運輸巷揭露1 條正斷層F1521，傾角32°，落差0.7 m，2 條斷層均向工作面內(nèi)部延伸。工作面回采前急需查明工作面內(nèi)可能存在的斷層、陷落柱、薄煤帶等地質(zhì)異常體的賦存狀況及煤厚變化情況，圈定煤層中異常體的位置與范圍，為工作面的災(zāi)害治理及安全順利回采提供參考依據(jù)。

4.1 施工布置

本次1704 工作面地質(zhì)異常體探測采用重難點分區(qū)探測，先利用無線電坑透法對整體目標區(qū)域進行普查式探測，圈出重點、難點異常區(qū)域，再利用便攜式震法對重難點區(qū)域?qū)嵤┚殞Ρ忍綔y。

4.1.1 高密度無線電坑透探測施工布置

高密度無線電坑透勘探加密了發(fā)射點距和接收點數(shù)，發(fā)射點距為30 m，接收點距為10 m，每個發(fā)射點對應(yīng)15 個接收點，完成探測區(qū)域為520 m（走向）×190 m（傾向），高密度無線電坑透勘探布置圖如圖4。

圖4 高密度無線電坑透勘探布置圖Fig.4 High density radio wave perspective exploration layout

4.1.2 便攜式震法探測施工布置

針對高密度無線電坑透法圈出的重點、難點異常區(qū)域，礦方分別在1704 工作面切眼里幫、回風巷下幫、運輸巷上幫及運輸巷下幫4 處區(qū)域?qū)嵤┍銛y式震法精細對比探測，施工時采用單邊排列多道疊加小步長順移前進觀測系統(tǒng)，激發(fā)點和接收點呈線性排列布置，逐點錘擊激發(fā)、多道接收。4 處區(qū)域震法施工均采用滾動式短排列探測為測量方式，每個排列布置1 個錘擊點和6 個檢波器點，1 點激發(fā)6道同時接收，錘擊點與第1 個檢波器的間距（最小炮間距）為5 m，檢波器間距（道間距）為5 m；1 個排列施工完畢后平移5 m 進行下1 個排列施工，2 個排列錘擊點的間距（移動步距）為5 m，炮檢距、道間距等參數(shù)均相同，以此類推完成每處現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，便攜式震法勘探布置圖如圖5。

圖5 便攜式震法勘探布置圖Fig.5 Portable seismic exploration plan

4.2 勘探結(jié)果

4.2.1 高密度無線電坑透探測結(jié)果

古漢山礦1704 工作面的無線電波透視勘探成果圖如圖6。

圖6 中電磁波能量衰減程度由弱到強依次為紅色、黃色、綠色和藍色等。電磁波衰減越明顯（顏色越藍）表示該處存在斷層、陷落柱、裂隙發(fā)育區(qū)、薄煤區(qū)等地質(zhì)異常體的可能性越大。可以看出，勘探范圍內(nèi)存在1 個坑透異常區(qū)，標記為K1，屬于電磁波能量較高強度吸收區(qū)，異常范圍中等，結(jié)合已知地質(zhì)資料和坑透異常特點分析認為：此異常區(qū)主要系煤巖層斷裂破碎、裂隙發(fā)育區(qū)或煤層變薄區(qū)的綜合反映。

圖6 無線電波透視勘探成果圖Fig.6 Results of radio wave perspective exploration

4.2.2 便攜式震法探測結(jié)果

古漢山礦1704 工作面的便攜式震法勘探成果圖如圖7。

圖7 便攜式震法勘探成果圖Fig.7 Results of portable seismic exploration

圖7 中顯示了探測范圍內(nèi)煤巖層各處的地震波能量（振幅）大小，能量（振幅）越大（正相位對應(yīng)區(qū)域的顏色越偏紅色、負相位對應(yīng)區(qū)域的顏色越偏藍色）表示附近存在地質(zhì)界面或地質(zhì)異常體（如斷層、裂隙發(fā)育區(qū)、薄煤帶等）的幾率越大；能量（振幅）越小（對應(yīng)區(qū)域的顏色越偏白色）表示附近煤巖層的巖性越均勻?？梢钥闯觯碧椒秶鷥?nèi)存在2 個地質(zhì)異常區(qū)，分別標記為D1和D2。這2 個異常區(qū)均為條帶狀分布，異常范圍中等，結(jié)合已知地質(zhì)資料和高密度無線電坑透勘探成果分析認為：D1和D2分別為工作面已揭露正斷層F1522、F1521在煤層內(nèi)部的延伸分布的反映。

4.3 驗證情況

礦方綜合高密度無線電坑透法和便攜式震法的勘探結(jié)果，對D1和D22 處異常區(qū)采取鉆探驗證，對K1異常區(qū)采取回采驗證。結(jié)果顯示：在工作面切眼、回風巷、運輸巷靠近地質(zhì)異常區(qū)的對應(yīng)位置布置鉆機進行探驗，鉆機施工至D1、D2異常區(qū)附近時，鉆頭頻發(fā)卡鉆，煤層顯著破碎，證實了地質(zhì)異常體的存在，且經(jīng)過工作面回采實揭驗證，地質(zhì)異常體為已揭露斷層F1522、F1521在煤層內(nèi)部的延伸分布的反映，物探結(jié)論準確、可靠，工作面驗證結(jié)果圖如圖8。

圖8 工作面驗證結(jié)果圖Fig.8 Result diagram of working face verification

5 結(jié) 語

1）便攜式震法工藝是在傳統(tǒng)礦井地震法的基礎(chǔ)上改進的勘探方法，其融合了以錘擊激發(fā)為震源、以滾動式短排列探測為測量方式等震法優(yōu)化工藝，可有效消除井下物探施工時放炮給高突礦井帶來的安全隱患。

2）保障式全面勘探工藝以高密度無線電坑透法和便攜式震法為手段，能夠精細探查工作面內(nèi)部及外圍100 m 范圍內(nèi)煤巖層中裂隙、斷層等地質(zhì)異常體的分布情況，做到工作面內(nèi)、外全覆蓋，綜合分析地質(zhì)異常體對工作面的影響性和威脅性，保障礦井的安全生產(chǎn)。

3）高效組合應(yīng)用高密度無線電坑透快速普查式探測和便攜式震法重點精細化探測，實施重難點分區(qū)探測，先利用高密度無線電坑透法對整體目標區(qū)域進行普查式探測，圈出重點、難點異常區(qū)域，再利用便攜式震法對重難點區(qū)域?qū)嵤┚殞Ρ忍綔y，保障地質(zhì)勘探工作更加高效、準確。