徐常青

（山西汾西礦業(yè)（集團） 有限責(zé)任公司 曙光煤礦，山西 孝義 032000）

0 引 言

我國煤炭資源豐富，但開采地質(zhì)條件復(fù)雜，在礦井工作面回采施工過程中時常會遇到可引發(fā)突水及瓦斯突出事故的小型斷層、陷落柱等不良地質(zhì)構(gòu)造[1]。大量工程實踐證明，物探技術(shù)的應(yīng)用可提前探明煤層小構(gòu)造發(fā)育狀況，提升煤礦開采安全性[2-3]。

煤層中小構(gòu)造規(guī)模各異隱蔽性強，且在物探施工過程中易受復(fù)雜地質(zhì)條件、施工干擾等因素影響，無論何種地面或井下物探方法對小構(gòu)造的判斷均存在較大誤差。地面三維地震勘探技術(shù)是查明煤礦構(gòu)造的主要技術(shù)手段[4-6]，其主要通過辨別反射波同相軸是否存在錯扭從而判斷構(gòu)造存在與否，但小構(gòu)造在地震數(shù)據(jù)剖面上引起的異常較小，肉眼難以識別，且該方法無法確定構(gòu)造的含水特性。

探地雷達方法具有高效率、高精度、高便攜性的探測特點，已被逐步應(yīng)用于對井下小構(gòu)造的探測。崔凡等借助雷達正演響應(yīng)特征對迎頭前方50 m 內(nèi)小構(gòu)造進行了精確識別[7]。該方法對小構(gòu)造的探測精度高，能準確識別工作面內(nèi)小構(gòu)造的性質(zhì)與空間展布，但在探測距離及抗干擾方面有著一定的不足。瞬變電磁法施工效率高，對低阻異常體響應(yīng)靈敏、體積效應(yīng)小，因而該方法目前已成為探測工作面內(nèi)部富水區(qū)的首選方法；但該方法易受巷道周邊鐵軌、錨網(wǎng)等金屬干擾且存在淺部勘探盲區(qū)，對小構(gòu)造形態(tài)的探測精度難以滿足實際生產(chǎn)需求[8]。

為充分挖掘各物探方法優(yōu)勢，本文通過工程實例介紹了地面地震屬性聯(lián)合井下探地雷達及瞬變電磁的工作面內(nèi)小構(gòu)造展布形態(tài)及其富水性探測技術(shù)，并利用煤層回采信息驗證了該方法的可行性。

1 研究區(qū)概況

曙光煤礦1230 工作面其東西向運輸巷及材料巷長度為1 960 m，南北向切眼寬度為175 m，高度為3.5 m。該工作面內(nèi)主采煤層為位于二疊系下統(tǒng)山西組中部的2 號煤層，為大部穩(wěn)定可采煤層，厚度0 ～3.25 m。該區(qū)屬黃土臺塬地貌，區(qū)內(nèi)地表高差大，地層結(jié)構(gòu)對地震波的激發(fā)和接收十分不利，其表層地震地質(zhì)條件較差。目標工作面內(nèi)地層之間電性差異明顯，但各地層沉積穩(wěn)定橫向電性差異較小，井下電法探地質(zhì)條件比較理想。

2 勘探原理及方法

為查明工作面內(nèi)小構(gòu)造的展布形態(tài)及其富水性，首先使用地震進行處理，通過地震屬性方法確定工作面內(nèi)部構(gòu)造異常區(qū)；將其解釋成果作為井下物探方法的指導(dǎo)依據(jù)，針對性地開展探地雷達及瞬變電磁探測，最終確定工作面內(nèi)構(gòu)造的空間展布形態(tài)及其含水特征。

2.1 地震屬性分析

地震屬性通過對疊前或疊后地震數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)變換導(dǎo)出可定量化的表征參數(shù)，充分挖掘隱藏在地震資料中的有用信息，從而能夠?qū)γ簩有?gòu)造進行更為精確的識別解釋[9]?；谇叭搜芯砍晒?，并進行多次實驗對比，此次探測使用相干體、均方根振幅及傾角3 種屬性以提高對工作面內(nèi)小構(gòu)造的預(yù)測精確度（圖1）。

圖1 斷層在地震時間剖面上的反應(yīng)特征Fig.1 Response characteristics of faults on seismic time section

2.2 探地雷達法

探地雷達方法可根據(jù)雷達波的波形、能量強度、時頻及雙程走時等特征對雷達反射信號進行處理分析，綜合推斷探測前方目標體的展布形態(tài)[10]。

此次探測選用主頻為50 MHz 天線進行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，采樣時窗為800 ns，采樣點數(shù)1 024，疊加次數(shù)2 次。井下探測過程如圖2 所示，技術(shù)人員在工作面?zhèn)葞筒荚O(shè)采集測線，拖動雷達天線沿測線勻速移動，完成數(shù)據(jù)采集。

圖2 探地雷達工作面?zhèn)葞拖騼?nèi)探測示意Fig.2 The diagram of working face side inward detection by ground penetrating radar

2.3 井下瞬變電磁法

瞬變電磁法通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到工作面向內(nèi)不同深度的地電特征，并對得到的視電阻率數(shù)據(jù)進行反演分析即可獲得煤層構(gòu)造信息及其相應(yīng)的富水特征。

此次探測使用YCS512 礦用本安型瞬變電磁儀，分別在1230 工作面運輸巷及材料巷布設(shè)2 條測線，長度均為1 960 m。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，測點間距設(shè)置為10 m；回風(fēng)巷及運輸巷內(nèi)各存在測點196 個，探測方向分別為向上30°、順層0、向下45°，如圖3 所示。

圖3 瞬變電磁法工作面探測橫剖面示意Fig.3 The cross section diagram of working face detection by transient electromagnetic method

3 探測成果解釋及驗證情況

3.1 地震屬性解釋結(jié)果

使用Jason 地震數(shù)據(jù)處理軟件獲得各地震屬性切片圖。在傾角屬性切片圖中（圖4），地層傾角數(shù)值變化程度越大，代表該處存在斷裂構(gòu)造的可能性越大，該屬性可將斷層微小變化放大；在均方根振幅屬性切片中（圖5），振動幅值越大代表著此處地層巖性變化越大；在相干體屬性切片圖中（圖6），正常地層中斷層、破碎帶或巖性變化的存在將引起相干值的突變。

圖4 1230 工作面傾角屬性水平切片圖Fig.4 Horizontal slice diagram of dip angle attribute of No.1230 face

圖5 1230 工作面均方根振幅屬性水平切片圖Fig.5 Horizontal slice diagram of mean-square-root amplitude attribute of No.1230 face

圖6 1230 工作面相干體屬性水平切片F(xiàn)ig.6 Horizontal slice diagram of coherent body attribute of No.1230 face

基于上述特征并結(jié)合垂直地震剖面錯扭程度，分別對屬性切片圖進行解釋。最終，通過傾角屬性共預(yù)測構(gòu)造異常區(qū)5 個；通過均方根振幅屬性共預(yù)測構(gòu)造異常區(qū)4 個；通過相干體屬性共預(yù)測構(gòu)造異常區(qū)4 個。對比觀察各屬性圈定的構(gòu)造異常區(qū)可發(fā)現(xiàn)，3 種屬性所得結(jié)果大致吻合，其解釋可信度較高。

3.2 探地雷達解釋結(jié)果

以1230 工作面地震屬性解釋圈定成果作為指導(dǎo)依據(jù)，對該工作面內(nèi)小構(gòu)造開展雷達探測解釋。其局部探測成果如圖7 所示。在圖中水平方向50 ～80 m 處，存在1 個電磁波異常區(qū)，該處反射信號能量呈帶狀區(qū)域化雜亂分布且、同相軸不連續(xù)，整體呈傾斜狀分布，其深部電磁波能量衰減較快；圖中水平方向125 ～200 m 處，異常區(qū)域表現(xiàn)為強反射并伴有多次震蕩信號，其形態(tài)分布為圓弧狀，深部數(shù)據(jù)能量并未產(chǎn)生較強的吸收衰減，推斷該處構(gòu)造內(nèi)部不導(dǎo)水。

圖7 材料巷雷達探測解釋剖面Fig.7 The profile of material roadway radar detection interpretation

參考地震屬性解釋成果，并結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)條件，排除了上述異常的存在是因探測干擾所致。最終將上述電磁波異常解釋為D08 斷層、X02 陷落柱。以上述解釋依據(jù)為參考，同時借鑒地震屬性解釋成果，完成對1230 工作面雷達探測結(jié)果的數(shù)據(jù)解釋，最終在工作面內(nèi)部共解釋斷層12 條，分別為D01 ～D11；陷落柱2 個，分別為X01 及X02（圖8）。

圖8 1230 工作面雷達探測解釋剖面Fig.8 The profile of radar detection interpretation in No.1230 face

3.3 瞬變電磁解釋結(jié)果

采用數(shù)據(jù)處理軟件對井下瞬變電磁數(shù)據(jù)進行解釋，可得到工作面頂板、順層及底板視電阻率等值線圖，結(jié)合該區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)情況可判斷測區(qū)巖層的電性分布特點。圖9 為1230 工作面順層瞬變電磁探測切片，圖中可見X02 陷落柱附近阻值相對偏低，但結(jié)合雷達數(shù)據(jù)解釋成果可知，該陷落柱構(gòu)造內(nèi)部富水性差。綜上可知，該區(qū)內(nèi)部未見明顯低阻異常區(qū)，推斷其富水性相對較差。

圖9 1230 工作面瞬變電磁探測解釋剖面Fig.9 The profile of transient electromagnetic detection interpretation in No.1230 face

3.4 綜合解釋成果及回采驗證情況

通過地面—井下聯(lián)合物探方法對該工作面進行探測，并進行綜合解釋。其中，使用地震屬性方法與探底雷達方法結(jié)合對曙光煤礦1230 工作面內(nèi)小構(gòu)造展布形態(tài)進行精細預(yù)測，共預(yù)測斷層12 條、陷落柱2 個，除斷層D01、D07 及D11 外，上述雷達解釋構(gòu)造均在地震屬性切片圖中有所顯示；利用瞬變電磁方法對工作面內(nèi)部構(gòu)造富水性進行探測，結(jié)合雷達解釋成果，在排除X02 陷落柱存在成為導(dǎo)水通道的可能后，推斷該工作面整體富水性較差。

為驗證該聯(lián)合物探方法的有效性，使用實際揭露信息對其進行對比驗證。截至當前，1230 工作面已回采約610 m，將回采揭露情況與綜合解釋成果進行對比，如圖10 所示。

圖10 1230 工作面綜合物探成果與工作面回采揭露對比Fig.10 The comparison between comprehensive geophysical exploration result and revealed result in mining of No.1230 face

觀察圖10 可發(fā)現(xiàn)，對于X02 陷落柱、D10 及D11 斷層，其解釋成果的水平位置與形態(tài)均與揭露情況相差無幾，且回采過程中均無淋水情況出現(xiàn)；對于D09 及D12 斷層，其實際揭露水平位置相較于物探解釋成果存在3 ～5 m 偏差，構(gòu)造展布形態(tài)相近，且在回采過程中均無淋水情況出現(xiàn)，經(jīng)分析可知D09 及D12 斷層在巷道中均被直接揭露，因而其側(cè)幫表層巖體較破碎，雷達信號受此影響存在信號震蕩，因而對斷層的延展長度及水平位置的判斷存在少許偏差；對于材料巷1 925 m 處斷層，其在地震屬性及雷達數(shù)據(jù)上均無明顯響應(yīng)，對該處回采信息進行分析可知，該處斷層斷距較小未將煤層切斷，因而雷達波在此處傳播過程中未發(fā)生明顯異常反射。

4 結(jié) 論

工作面內(nèi)小構(gòu)造展布形態(tài)及其富水特征的精確掌握對煤層的安全開采有著重要意義。為解決單一物探方法探測能力存在局限這一問題，本文以曙光煤礦1230 工作面為例，采用地面—井下聯(lián)合物探方法，即以地面三維地震數(shù)據(jù)屬性解釋成果作為指導(dǎo)，開展井下探地雷達及瞬變電磁探測，以達到對小構(gòu)造性質(zhì)的精確判斷，之后利用回采信息對其應(yīng)用效果進行評價，證明了該方法的有效性。

（1） 可利用地震屬性成果對小構(gòu)造的總體分布特征進行摸底，從而減小因雷達“盲探”而造成的誤判及漏判現(xiàn)象。

（2） 若構(gòu)造規(guī)模較小，常規(guī)物探方法對其識別能力有限，因而仍需對現(xiàn)有技術(shù)進行改進以提高對小構(gòu)造的探測能力。