图1 中国煤炭矿井物探主要方法
综述
张鹏
(中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077)
摘要：在总结以槽波地震法、矿井瞬变电磁法、井下钻孔测斜为代表的煤炭矿井物探技术发展历程的基础上，指出在全空间、多场耦合、正反演等方面加强矿井物探方法理论基础研究，从不同物性联合反演、多参数对比识别等方面提高矿井物探精细探查水平，研发满足防爆要求的智能化、轻便化矿井物探装备是矿井物探技术的发展方向。
关键词：矿井物探； 煤炭开采； 槽波地震法； 矿井瞬变电磁法； 井下钻孔测斜
煤炭矿井物探是在煤矿地下开采空间进行各类地质勘查的地球物理方法的总称[1-2]。与煤炭地面物探相比，煤炭矿井物探具有空间理论方法不同、工作环境不同、仪器装备防爆要求不同等特点，面临井下施工困难、数据采集和接收难度大、反演解释理论薄弱、仪器装备研发条件苛刻等不利因素；但同时，煤炭矿井物探具有距勘探目标体近、测量差异较明显等优点[3]。目前中国煤炭矿井物探主要由矿井地震法、矿井电磁法、矿井测井法三大类方法构成[4-5](图1)，笔者以其中较为突出的槽波地震法、矿井瞬变电磁法、井下钻孔测斜为例，论述中国煤炭矿井物探技术的发展进程及发展方向。
图1 中国煤炭矿井物探主要方法
1.1 槽波地震法
相对于顶底板而言，煤层是一个具有低速度、低密度、低波阻抗等特点的“低速槽”，在煤层中激发的地震波在传播过程中，以不同角度入射到顶底板界面后，满足一定条件的各种谐波即在槽内相互干涉，从而形成垂直于煤层面的驻波，且在煤层内不断向前传播，这种波称为“槽波”。依据不同干涉波源形成，槽波分为瑞利型槽波(R波)和洛夫型槽波(L波)。槽波地震法就是利用槽波在煤层中的激发和传播，探查煤层不连续性进而反演其内部构造的一种矿井地震勘探方法，包括透射槽波法和反射槽波法[6]。
槽波地震法于20世纪80年代引入中国，并在20世纪80年代末90年代初得到快速发展，但受限于20世纪末煤炭行业整体陷入困境，以及计算机能力、装备制造水平低下等原因渐趋衰落；伴随煤炭“黄金十年”，在“十一五”时期又逐渐回暖，到“十二五”达到了一个发展高峰。
当前，槽波地震法可查明工作面内落差不小于1/2煤厚的小断层、直径不小于15 m的隐伏陷落柱，井下工作面探测距离超过1 800 m[7]。在新方法研究方面，提出了“包含巷道空腔的3D/3C煤矿井下槽波数值模拟技术”[8]、“基于Z分量的透射槽波高密度快速探测方法”[9]、“瑞利型槽波煤巷小构造超前探测方法”[10]等；在仪器装备研制方面，中煤科工集团西安研究院有限公司等国内多家单位依靠自主研发，实现了槽波地震勘探装备的国产化、小型化，为槽波地震法研究及应用提供了物质保障。
1.2 矿井瞬变电磁法
矿井瞬变电磁法利用不接地回线向巷道围岩或工作面发送一次脉冲磁场，在一次脉冲激励作用下，巷道周围或工作面内部良导地质体产生的感应电流会激励起随时间变化的感应电磁场，即二次场；在一次场停止变化后，对二次场进行接收、处理及解释，实现对巷道周围或工作面内部地质体的探查[11]。
中国地面瞬变电磁法研究始于20世纪80年代。1998年，中国矿业大学率先将该方法引入到井下。“十一五”期间，中国矿业大学、中煤科工集团西安研究院有限公司、河北煤炭科学研究院等单位开展了矿井瞬变电磁法探测技术研究，应用该技术实现了利用已有巷道对相邻工作面未掘巷道的侧向探测、工作面开采前顶底板探测、巷道掘进工作面超前探测、工作面内部隐伏含水构造异常定位[12]。但该方法在井下探查过程中，全空间解释理论有待完善、有效信号提取困难、井下施工环境要求苛刻、井下仪器适应性较差等问题依然存在。
“十二五”期间，中煤科工集团西安研究院有限公司、中煤科工集团重庆研究院有限公司、福州华虹智能科技开发有限公司等单位对矿井防爆瞬变电磁仪进行了深入研发，使仪器在质量、体积、防尘防水、发射接收、井下施工能力方面有了较大提高，为矿井瞬变电磁法精细探查打下了良好的硬件基础。矿井瞬变电磁法在信号采集、处理与反演解释方面也有了一定进展，通过分析矿井瞬变电磁法常规理论与解释方法，推导了多匝方形小回线源瞬变场的阶跃响应公式[13]，提出了采用拟大地电磁正演校正转化瞬变电磁数据，从而降低后续反演难度[14]。目前，矿井瞬变电磁法已成为井下巷道掘进工作面超前探测、工作面内部含水地质异常体超前探测的重要手段。
1.3 井下钻孔测斜技术
煤矿井下瓦斯突出、透水等灾害是矿山建设与生产过程的主要灾害，破坏性巨大。利用井下钻孔抽采煤层瓦斯、探测隐蔽致灾因素是当前国内煤矿最常用且最直接有效的地质保障方法。随着煤矿安全高效开采要求的日益提高，井下钻孔轨迹的精确测量和定向钻进问题逐步产生，井下钻孔测斜技术应运而生。
1986年，中煤科工集团西安研究院有限公司研制了矿井防爆测井系统，首次将地面测斜技术移植到煤矿井下。随着煤矿灾害治理水平的提高，井下钻孔定向钻进技术逐渐发展起来，但受制于测斜装备技术与孔底螺杆马达制造水平，直到“十一五”初期，中国开始自主研制随钻测斜装备，并在“十一五”末期实现随钻测斜装备国产化。这一时期国产多套随钻测斜装备的测斜探管或孔口装置虽有不同，但均属于有缆随钻测斜系统，即在钻机钻进过程中随钻测量数据，并通过中心通缆实现测斜探管和孔口装置的有线通信，实时指导定向钻进，完成煤矿井下精确定向钻进的目标[15-16]。
“十二五”期间，中煤科工集团西安研究院有限公司、北京合康科技发展有限责任公司等单位进一步完善、改进有线测斜技术。2015年，中国成功研发出一套矿用电磁波随钻测斜系统，实现了定向钻进随钻测斜无线传输。该系统随钻测斜时，利用电磁波实现测斜探管与孔口显示器的无线通信，彻底摆脱了通缆钻杆束缚，测量数据通信可靠、高效，钻机钻杆选择更加灵活多样，在山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司、淮北矿业(集团)有限责任公司等煤矿多次进行工程示范，测量倾角误差小于0.2°、方位角误差小于1.2°，单孔测量深度超过500 m，连续工作时间达420 h，能够满足现场需要。
2.1 夯实煤炭矿井物探理论基础，发展井下勘探新技术
在煤炭资源开发、煤矿重大灾害防治领域积极开展基础理论研究，为煤炭矿井物探提供理论支撑与方法应用指导，防止“重实践轻理论”、“重应用轻基础”倾向的蔓延，在煤炭矿井物探领域尽可能去寻找“普适性”，减少“经验性”[7]。
重点研究煤矿井下全空间地球物理场响应特征，大规模开采条件下地质灾害与动力灾害发生机理，深部开采条件下的能量场时空演化规律，应力场、裂隙场、渗流场与地球物理场的耦合关系，进一步夯实矿井物探理论基础，发展新的正反演理论与技术方法。
在槽波地震勘探方面，需要进一步厘清煤矿井下超前探测三维全波场特征，开展基于半空间-全空间传播的弹性波场数值模拟和物理模拟，建立煤矿井下槽波勘探数据资料反演解释的可靠依据并形成规范。在矿井瞬变电磁法方面，应着力提高因场源位置和施工空间所造成的全空间场效应的认识水平，分析工作面中由地质异常体产生的电磁场特征，研究强电磁干扰条件下有效弱信号的提取方法，建立煤矿井下瞬变电磁勘探三维正演模拟，为现场数据采集和资料处理解释提供理论支撑。当前煤矿井下测井以钻孔测斜为主，还未发挥测井技术虽然径向探测距离小(相对于矿井地震法与矿井电磁法)，但对目标体勘探精度高的优势，未来在煤矿井下如何利用测井曲线进行地质导向和钻孔周围的精细勘探，应首先从煤矿井下测井勘探理论层面进行研究。
2.2 提高煤炭矿井物探精细探查水平，适应煤矿开采新形势
“十二五”期间，中国煤矿开采技术有了突破性进展，主要包括：14～20 m厚煤层和0.8～1.3 m薄煤层，以及15～45°大倾角或急倾斜煤层工作面自动化开采；断面积20～30 m2的大断面煤巷快速掘进，实现最大月进尺1 000 m；被誉为“第三次矿业科学技术变革”的切顶卸压沿空成巷无煤柱开采技术，即“110”采煤工法等[17]。现代化的综合机械化采煤依赖于可靠的地质保障，对煤炭矿井物探提出了新的、更高的要求。
进入“十三五”，面对当前煤矿生产形势，煤炭矿井物探技术应首先从方法上进行突破：进一步研究槽波超前探测理论和成像方法；开展全空间瞬变电磁法正反演研究，研究掘进工作面前后方或侧帮异常的分离方法，进一步提高矿井瞬变电磁法探测可靠性、分辨率。与此同时，煤炭矿井物探应从当前煤矿生产实际出发，在井下全空间、地球物理特征边界复杂的情况下，进行地面与巷道、巷道间、孔巷间、孔间等新施工方法技术探索，开展多场耦合研究，加强基于不同物性的联合反演，开发多参数对比解释软件，提高地质异常解释精度，总结综合方法识别标准，为煤矿安全高效开采提供可靠的地质保障。
2.3 加强煤炭矿井物探装备研发，支撑矿井物探新发展
作为煤炭矿井物探目标实现的重要组成部分，在方法指导下的装备研发是一切物探手段实现的物质基础。国外物探装备企业如斯伦贝谢、贝克休斯等均采取承揽勘探项目后用本公司装备实施勘察的营销模式，主流仪器装备不进入销售，严格控制装备制造技术外流，可见其对装备制造的重视程度之高。
煤矿井下既存在瓦斯、煤尘等易燃易爆气体，又是潮湿性的半封闭空间，危险性极高，故认定为Ⅰ类爆炸性环境，因此，对于适用装备的防爆要求级别最高。中国从1990年开始对煤矿矿用设备实行安全标志管理制度(MA认证)，作为其主要依据的GB 3836系列标准的现行版本在“十二五”期间已发布，对于煤矿井下装备的设计和生产给出了新依据，对煤炭矿井物探装备的研制也提出了新的要求和目标。
煤炭矿井物探装备因其任务要求有别于其他井下装备，当前主要的防爆设计大多采取本质安全型，本质安全型设备对于装备自身的能量要求苛刻，须确保装备在煤矿井下本质安全；而当前煤矿安全高效开采要求煤炭矿井物探装备在轻便的基础上，勘探距离大、处理能力强、功能集成多，这是一对矛盾。以矿井瞬变电磁勘探仪器为例，当发射电流小于3 A时，一般探测距离在60 m以内，而发射电流大于50 A时，探测距离可达150～200 m，探测距离最大可提高3倍，但此时已无法采用本质安全型设计，只能采取隔爆或其他防爆型式。另外，工作时间是衡量煤炭矿井物探装备优劣的一个决定性指标，但本质安全型设备的能量要求对工作时间是很大的束缚。因此，“十三五”期间，如何依托“中国制造2025”行动计划，在GB 3836系列标准新版框架内，研制在防爆前提下智能化、轻便化，可实时监测，抗干扰能力强，适用煤炭矿井物探新方法的井下防爆物探装备，无疑是一个重大课题。
作为煤矿安全高效开采重要地质保障和隐蔽致灾因素探查的主要手段，以槽波地震法、矿井瞬变电磁法、井下钻孔测斜为代表的煤炭矿井物探技术在“十二五”期间取得了长足进展。进入“十三五”，应从煤炭矿井物探的基础理论支撑、精细探查水平及装备制造技术等方面开展工作，大力提升煤炭矿井物探的分辨率及其解释精度。
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Status and prospect of coal mine geophysical exploration technology in China
ZHANG Peng
(CCTEG Xi'an Research Institute, Xi'an 710077, China)
Abstract：On the basis of coal mine geophysical exploration technology development represented by channel wave seismic method, mine transient electromagnetic method and underground borehole inclinometry, development directions of mine geophysical exploration technology were indicated, which were strengthening fundamental theory studies of mine geophysical exploration method in respects of whole space, multi-field coupling and forward-inversion, improving fine exploration level of mine geophysical exploration in areas of joint inversion for different physical properties and recognition with multiparameter comparison, and developing intelligent and portable mine geophysical exploration equipment with explosion-proof type.
Key words：mine geophysical exploration; coal mining; channel wave seismic method; mine transient electromagnetic method; underground borehole inclinometry
文章编号：1671-251X(2017)03-0020-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.03.005
收稿日期：2016-10-15；
修回日期：2017-01-22；责任编辑：盛男。
基金项目：“十三五”国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045003-005)；国家自然科学基金资助项目(41374150)。
作者简介：张鹏(1980-)，男，陕西礼泉人，助理研究员，主要从事地球物理勘探方面的研究工作，E-mail:zhangpeng2@cctegxian.com。
中图分类号：TD166
文献标志码：A
网络出版：时间：2017-02-28 16:44
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170301.1509.005.html
张鹏.中国煤炭矿井物探技术现状及展望[J].工矿自动化，2017,43(3)：20-23.