马玉龙，李鹏飞，赵兴辉，高 彬，张 杰，孙如江

（1.山西省煤炭地质物探测绘院，山西 晋中 030603；2.中国地球学会物理院士专家工作站，山西 晋中 030603；3.资源环境与灾害监测山西省重点实验室，山西 晋中 030603）

煤矿安全是我国安全生产的重中之重。2007年，全国煤炭百万吨死亡率为1.485，是发达国家的40~50倍。煤矿安全生产过程中，由于地质因素引发的事故占比极高。2008—2012年仅矿井顶板，水害、水灾2类地质因素引起的事故占全国煤矿安全各类事故比例达53.4%。2013年国务院办公厅明确要求将“全面普查煤矿隐蔽致灾因素”作为煤矿安全攻坚克难的“七项举措”之一。近年来，针对煤矿水害、顶板灾害、冲击地压等隐蔽致灾因素，地球物理工作者进行了广泛的科学研究和大量的实践，逐渐形成了针对煤矿地质灾害勘查的政策法规、方法理论、工作手段、仪器设备和实践经验。目前煤矿井下灾害探查基本形成了物探勘查，钻探验证的基本思路[1]。

程九龙等认为矿井掘进工作面地球物理方法探测空间小，干扰大，技术要求高，从方法原理、研究现状、技术特点和仪器设备4个方面对物探方法用于超前探测进行了总结[2]；刘胜东等提出当前矿井物探技术需要在全空间、多场耦合方面加强基础研究，在矿井物探装备、观测系统、反演方法等方面，应当结合物联网技术、巷道钻孔组合空间，进行技术研发[3]；韩德品等总结了国内外现有的煤矿矿井物探技术的分类与特点、研究现状与应用成果，详细介绍了主要矿井物探方法技术的研究应用新进展，认为矿井物探是地面勘探技术的重要补充，是矿井地质工作的重要手段，它相对于常规的矿井地质手段而言，具有更准确、更快捷、更方便等特点[4]；程建远等通过分析煤矿高效安全开采地质保障系统中地球物理探测技术的发展现状，指出了目前地球物理探测技术面临老空水害隐患的高精度超前排查、超长超宽工作面内隐伏构造的探查、深部煤层底板隐伏构造的精细探查、煤矿开采动力灾害的预测预警等4大挑战[5-6]；岳建华等对煤矿电法勘探进行了总结与回顾[7]。

随着矿井物探的需求和方法技术的发展，各科研院所和仪器公司研发了矿井专用的瞬变电磁、地震超前探测、直流电法、槽波、无线电波透视等仪器设备和处理软件。各地勘单位采用上述方法技术和仪器设备进行了大量生产实践。然而，由于矿井地质灾害因素多种多样、施工环境恶劣，矿井物探往往存在工作任务复杂，背景干扰严重的问题。单一的物探方法不仅受地质异常体物性特征的局限，而且受到井下环境的强干扰，其勘查和解释精度常常无法达到理想的效果[8-9]。因此，近来各煤炭企业要求勘查单位在开展井下物探工作时采取多方法综合勘查，多参数联合解释。为此，对矿井震电联合解释技术进行论述，并对山西某煤矿工作面进行实例分析，研究矿井联合解释对提高矿井物探解释精度的帮助。

1 矿井地球物理方法与特点

矿井地球物理方法与传统地面地球物理方法在基本原理上并无本质区别，均以地质目标体与围岩的物性差异为基础，建立地球物理场，通过传感器观测地球物理场的变化，结合已知地质资料，推断解释地下介质的性质和赋存状态，以解决矿井地质问题。常用矿井地球物理方法从所依赖的物性类别不同可分为地震勘探类和电法勘探类[4]。

1.1 地震类矿井物探

1）槽波地震勘探。煤层与其顶、底板围岩相比密度小、波速低。根据波的传播特征，地震波从低速层向高速层传播时，由于入射角不同，在速度界面会发生透射、反射和折射，因此当在煤层中激发地震波时，地震子波除在小于临界角会通过透射进入顶底板中，其余大部分能量会以反射和折射的形式多次反射、相互叠加和干涉被封锁在煤层中并向前传播，形象地被称之为槽波[10]。常用的槽波地震勘探施工方法包括透射法和反射法。前者将激发点与接收点布设于工作面不同的巷道内，根据槽波信号的强度来判别透射扇区有无构造异常，是槽波地震勘探中最常用、最稳定的方法[11-12]；后者是将激发点与接收点布设于工作面的同一侧，通过分析构造的反射信号来判别构造的空间位置与展布范围。透射槽波地震勘探施工时应具备2条煤巷或岩巷。槽波可用于查明落差大于1/2煤厚的小断层，长轴大于10 m的陷落柱、采空区、变薄带等构造的范围，其勘探精度往往优于地面三维地震。透射法槽波地震勘探原理图如图1。

图1 透射法槽波地震勘探原理图Fig.1 Schematic diagram of channel wave seismic exploration

2）其它地震类方法。除槽波地震勘探外，矿井地震类勘探方法还包括二维地震勘探、微动地震勘探、瑞雷（Rayleigh）波勘探以及针对迎头（掘进工作面）的矿井震波超前探测技术（MSP）。矿井地震勘探主要用于探查一定范围内、一定规模的中小型隐蔽地质构造如：断层、陷落柱、挠曲、空洞、岩溶等，但无法判别构造中是否存在会对矿井安全产生重大影响的地层水。同时，地震勘探施工时，往往要求附近的机械停止作业，但是这种工作要求在实际中往往难以完全满足。

1.2 电法勘探

1.2.1 无线电波透视（坑透）

电磁波具有趋肤效应，电磁波在传播过程中会伴随传播路径上电性参数的改变，煤层及其地质异常体对电磁波吸收衰减程度发生变化，具体的衰减程度用路径积分表示：

式中：H0、Hθ分别为发射端和接收端的磁场强度；R为收发距；θ为发射径向与收发连线之间的夹角；β为介质的波数[14]；L为积分路径；x、y分别为电磁波的传播位置；d r为积分路径上的区段。

通常来讲煤层中电磁波的吸收衰减系数为0.3 dB/m，断裂构造的吸收系数为0.4 dB/m[13]。无线电波透视勘探示意图如图2。

图2 无线电波透视勘探示意图Fig.2 Schematic diagram of radio wave perspective exploration

通过在工作面一侧巷道发射固定频率、固定能量的电磁波，在另一侧巷道接收衰减的电磁波，通过对原始数据进行反演解释，获取煤层中地质异常体的空间展布。与一般宽频带电磁法以找水为目的，无线电波透视法则是发射同一个固定频率的中高频电磁波，用于探测直径≥10 m的陷落柱，断距≥1/2煤层厚度的断层、产状变化带等构造[14]。

1.2.2 矿井瞬变电磁勘探

同地面磁性源瞬变电磁法类似，矿井瞬变电磁满足麦克斯韦方程组，通过对接收到的“二次场”进行处理分析，定性或半定量解释地层中具有电磁性差异的地质异常体的空间展布和规模，尤其对低阻的矿井水体较为灵敏[15]。与地面瞬变电磁不同的是，矿井瞬变电磁的物理模型属于全空间模型，且巷道空腔无法像屏蔽地震波那样屏蔽电磁波[16]。同时，矿井巷道内往往存在大量锚网、锚杆、运输铁轨、掘进设备以及高电压噪声信号以及多匝线圈的互感。因此矿井瞬变电磁的数据整理、数据处理和资料解释与地面磁性源瞬变电磁法有很大的区别[17-18]。矿井瞬变电磁超前探示意图如图3。

图3 矿井瞬变电磁超前探示意图Fig.3 Diagram of advance exploration by mine transient electromagnetic method

矿井工作面瞬变电磁勘探通过在巷道中同一点以一定角度对顶板、顺层、底板方向进行测量，获取同一测点观测到的顶板、煤层、底板的电磁场值，再沿着巷道移动，最终获得获取不同点位、不同层位的地电断面。

矿井瞬变电磁主要用于探测煤系地层中的富含水区、采空积水区，以及地层中的隐伏含水构造，如含水断层、含水破碎带、含水陷落柱等[19-20]。

2 矿井震电联合解释

地下地质模型是1个复杂系统，地下介质中同1种地质体在不同的地球物理异常上的反应不尽相同，其数据采集的干扰源也不尽相同。针对矿井电法和地震等地球物理方法各自的特点及其之间的相互联系，通过运用综合地球物理多参数联合解释技术，将各类物探资料有机结合并有所侧重地运用，充分发挥各种方法的长处，对异常出现的矛盾有1个合理的解释，从而全面认识目标地质体。

影响槽波地震勘探的因素很多，如震源激发的能量强弱、煤层与其顶、底板围岩的弹性差异、煤层厚度、煤层内构造和非构造地质破坏情况、裂隙发育程度等。透射波法探测可以判断煤层中地质构造异常的有无，但还无法实现异常性质和类型的识别。无线电波透视具备较好的横向分辨能力，但是由于缺乏纵向约束，因此纵向分辨率并不理想，但是由于其施工成本远低于槽波地震勘探，因此是对槽波地震勘探的补充和验证。瞬变电磁法以介质的电性差异为基础，对低阻体敏感，对于不含水的高阻体地质构造分辨能力较差，具有不同程度的体积效应，容易受到不同频率成分的电磁干扰。

由此可见，矿井地震勘探与矿井电磁法对于矿井防治水物探工作是理想“合作伙伴”，前者提供地质构造的空间位置，后者提供构造中流体的属性。两者相互补充，互相验证，利用不同的参数对同一地质目标体进行综合解释，对于提高解释精度，避免地球物理方法多解性具有实质性的意义。

3 实例分析

3.1 工作面概况

某工作面设计回采走向（东西向）长1 050 m，宽195 m，西侧为工作面切眼，东侧为终采线，所采煤层平均厚度为5.7 m。工作面地质构造较为复杂，在掘进过程及邻近工作面开采过程中共揭露断距小于1.5 m的断层6条，以及长轴大于50 m的陷落柱2个。煤层上覆含水层主要为煤层顶板砂岩含水层、上覆砂岩含水层、基岩风化带裂隙含水层。在陷落柱及断层等构造附近，含水层中的地层水可能会通过陷落柱和断层下渗至两巷道及工作面，同时开采时形成的顶板导水裂隙，可能沟通上覆含水层，使其成为煤层开采的间接充水含水层。勘查研究工作的地质任务：探查工作面内中小型陷落柱、断层等地质构造；探查工作面内富水性情况。

3.2 工作方法与工程布置

勘查工作采用透射法槽波勘探技术及无线电波透视法对陷落柱、断层等中小断裂地质构造进行勘查，利用矿井瞬变电磁法对工作面构造的含水性进行分析。数据采集工作在工作面开拓的2条巷道空间进行，上巷为01巷，下巷为02巷。本次物探工作剖面长度为1 050 m，探测深度（宽度）为195 m，测点间距为10 m，工作面地质构造分布与地球物理勘探工程布置图如图4。

图4 工作面地质构造分布与地球物理勘探工程布置图Fig.4 Geological structure distribution of working face and geophysical exploration engineering layout

3.3 槽波勘探成果

槽波地震采用透射法槽波观测系统，勘探设备为“KDZ3114型矿井槽波勘探装置”。为提高勘查精度，采用双边测量的工作方式，分别在工作面两侧01巷道和02巷道内布设炮点和检波点，先后在一侧巷道激发，另一侧接收。炮孔深2 m，高度距底板1.5 m，方向垂直于煤壁，药量200 g。传感器利用检波器延长钢钎嵌入到煤层内部，高度距底板1.5 m。

通过对采集到的地震数据进行数据整理，频谱、时频、频散分析后发现时间在230～390 ms，频率在90～210 Hz中能量比较集聚，埃里相在90～250 Hz区间，且主要在135 Hz附近，槽波大部分能量分布均集中埃里相附近，埃里相速度集中在800～1 100 m/s。通过提取槽波，并进行速度分析和速度层析成像，获取的槽波透射地震勘探速度分布图如图5。

由图5可以看出，暖色（红-黄色）代表高速槽波分布区，图中可见多处条带状高速异常区，高速异常区处反映槽波穿过岩层或应力集中区，构造发育或应力集中。据此工作面槽波速度分布图确定10处构造异常，并分别命名为CB1~CB10。

图5 槽波透射地震勘探速度分布图Fig.5 Velocity distribution of channel wave transmission seismic exploration

3.4 无线电波透视

无线电波透视探测采用“WTK-0.03型无线电波透视仪”。工作面宽度约195 m，经探测频率试验，选用0.5 MHz频率进行工作。工作方法采用分辨率较高的定点扫描法进行探测。一侧巷道的发射机相对固定，另一侧对应巷道的接收机在一定范围内逐点接收其场强值。本次勘查接收点间距设定为10 m，发射点间距设定为50 m，每个发射点对应11个接收点。

将实测数据进行成像处理，获得的无线电波透视勘探衰减系数图如图6。

图6 无线电波透视勘探衰减系数图Fig.6 Attenuation coefficient diagram of radio wave perspective exploration

由图6可以看出，衰减系数成像图上不同颜色代表电磁波在煤层的衰减系数不同。衰减系数小于0.38时表示发射范围内无构造存在（黄色部分）。当存在导致电磁波折射、反射、强吸收的地质构造时，其衰减系数大于0.38（紫色部分）。本次无线电波透视共解释推断4处构造异常，命名为KT1~KT4。

3.5 矿井瞬变电磁勘探

矿井瞬变电磁法采用“YCS200矿用瞬变电磁仪”，考虑到瞬变电磁勘探在早期（浅部）存勘探盲区，因此本次矿井瞬变电磁亦采用双边测量法开展施工，沿01巷道巷和02巷道分别布置测线，对向测量，综合分析解释。对实测数据进行整理和处理，进行获取工作面视电阻率值，工作面瞬变电磁视电阻率断面图如图7。

图7 工作面瞬变电磁视电阻率断面图Fig.7 Transient electromagnetic apparent resistivity diagram of working face

由图7可以看出，视电阻率横向较为稳定，纵向随着勘探距离增大，电阻率逐渐减小，是因为瞬变电磁的体积效应，在近处主要是煤层的电阻率，而在远处则结合了顶底板砂岩的电阻率，因此会逐步降低，结合已揭露的矿井巷道淋水位置信息，以15Ω·m为阈值圈定了低阻异常区5处，分别命名为SB1~SB5。

3.6 综合分析

对于同一研究区，不同物探方法的解释精度和解释成果往往不尽相同，为此，不仅需要进行多方法相互佐证，还应结合地质规律进行联合解释，对物探异常的地质属性及可靠性进行综合描述。工作面物探异常区特征分析如下：

1）0~350 m解释区段。透射槽波获得的构造异常为CB1和CB2，无线电波透视无构造异常，瞬变电磁获得的构造异常为SB1，巷道揭露断层SF339；对比分析情况为构造异常CB1与断层SF339重叠。

2）350~650 m解释区段。透射槽波获得的构造异常为CB3、CB4、CB5、CB6，无线电波透视获得的构造异常为KT1和KT2，瞬变电磁获得的构造异常为SB2和SB5，巷道揭露断层SF338、SF325、SF320和陷落柱SX87、SX90；对比分析情况为构造异常CB3、KT1、陷落柱SX87重合，且在西侧存在瞬变电磁低阻反应SB5；构造异常CB4与KT2重合；构造异常CB5与断层SF325重合；构造异常CB6与断层SF340重合。

3）650~1 120 m解释区段。透射槽波获得的构造异常为CB7、CB8、CB9、CB10，无线电波透视获得的构造异常为KT3和KT4，瞬变电磁获得的构造异常为SB3和SB4，巷道揭露陷落柱SX90和断层SF337、SF336；对比分析情况为构造异常CB7、KT4、陷落柱SX90重合，在附近存在瞬变电磁低阻反应SB3和SB4；构造异常CB9与断层SF336重合。

通过与已知地质构造进行对比，槽波地震勘探法对地质构造刻画精度较高，并且与已知的陷落柱和断距小于2 m的断层吻合度极高，因此本次勘探以槽波地震勘探为主，同时分析槽波异常特征上的无线电波透视衰减系数异常和瞬变电磁视电阻率异常，从而圈定工作面内的隐伏地质构造，并对工作面内所有构造及其围岩的富含水性进行分析，最终解释推断了隐伏断层3条（TF01~TF03），含水区5处（HS1~HS5），获得的工作面矿井震电联合解释推断成果图如图8。

图8 工作面矿井震电联合解释推断成果图Fig.8 Results of joint interpretation of mine seismic and electric geophysical exploration in working face

含水区有明显连通，但是陷落柱SX87与含水区HS3毗邻，SX90与HS4和HS5毗邻在开采过程中随着断裂构造的增加或应力释放，可能会引起含水区中的地层水进入工作巷道，引发安全事故。

成果资料提交后，矿方通过探放水工作及后续工作面采掘对本次矿井震电联合勘查进行了详细验证。解释含水区中，HS3和HS5在巷道中出现顶板淋水现象，HS2和HS4通过钻探工作得到了验证，并组织了相关探放水工作；解释的TF03和TF01均为断距小于2 m的隐伏小断层，在采掘过程中其位置与槽波解释推断基本一致，TF02为SX90引起的假异常，在采掘过程中未发现该构造。

4 结 语

1）透射法槽波地震勘探能够灵敏地识别陷落柱，并可以识别断距小于2 m的隐伏断裂构造，刻画精度优于地面地震。

2）无线电波透视法具有较好的横向分辨率，能够较准确地确定地质构造沿侧线方向的几何分布，但是无法解释刻画断裂构造的纵向空间展布。

3）矿井瞬变电磁法秉持了电磁法对低阻体敏感的优势，同时由于离目标体较近，体积相对效应较小，因此解释推断的富水区更接近于真实地质情况。

4）通过3种矿井地球物理方法对矿井中小隐伏断裂构造进行了探测并进行了含水性分析，探测结果得到了较好的验证。煤矿工作面地质预报中应综合利用各种物性、多方法勘探和联合解释，才能尽可能更真实地反映地质异常体的分布和属性特征，从而有效指导煤矿安全生产。