煤矿深部开采中的地球物理技术现状及展望.pdf

第 2 2卷 第 2期 2 0 0 7年 4月 页 码 5 8 6 ～5 9 2 地球物理学进展 PR0GRESS I N GEOPHYSI CS VoI _ 22 No ．2 A p r ． 2 0 07 煤矿 深部 开采 中的地球 物理技术现状及展 望 于景邮， 刘志新， 岳建华， 刘树才 中国矿业 大学资 源与地球科学学 院， 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 简要介 绍 了我 国煤矿生产的发展趋势 ， 说 明地质构 造及煤 层顶 、 底板 水 问题 是 当前煤矿 深部 开采 中所 面临 的主要 地质 问题． 综合论述 了煤矿 深部开采 中所 用地球物 理技 术的发展 现状 ， 介 绍 了地震勘探 技 术、 矿 井直 流 电法、 矿井瞬变 电磁 法及地质雷达等勘探技 术的 应用情 况 ， 并提 出了综合 地球 物理勘 探技 术在 煤矿 深部 开采 中的发展 趋 势 ． 关 键 词 深 部 开 采 ， 矿 井 电 阻 率 成像 技 术 ， 地 震 勘 探 中图分类号P 6 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 2 9 0 3 2 0 0 7 0 2 0 5 8 6 0 7 De v e l o p me n t a n d p o s pe c t o f g e o ph y s i c a l t e c h n o l o g y i n d e e p m i ni n g YU J i n g c u n， LI U Z h i x i n ， YUE J i a n h u a， LI U S h u c a i S c h o o l o f Re s o u r c e s G e o s c i e n c e ．C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g T e c h n o l o g y。Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a Abs t r a c t Thi s p ap e r i n t r o du c e s t he d e ve l op me nt s i t u a t i on o f c oa l mi ne i n our c ou nt r y，a n d i nd i c at e s t ha t ge o l ogi c a l s t r u c t u r e s a n d f l o o r wa t e r a r e t h e ma j o r g e o l o g i c a l p r o b l e ms i n d e e p mi n i n g ．I t s u mma r i z e s t h e p r e s e n t s i t u a t i o n o f g e op hy s i c a l me t ho ds whi c h a r e us e d i n de e p mi n i n g，a nd gi ve s an i nt r odu c t i o n t o s o me me t ho ds． s uc h as s e i s m e xpl or a t i on，mi ne di r e c t cu r r e nt me t h od，mi ne t r a n s i e nt el e ct r oma gne t i c me t ho d a nd g e ol og i c al r a d ar e xpl or a t i on． Fi na l l y i t put f or wa r ds t h e t e nde nc y of s y nt h e t i c a l ge o phy s i c a l met ho d i n de e p mi n i n g i n c o al mi ne ． Ke y wo r ds de e p mi n i n g，mi n e r e s i s t i v i t y t omo gr ap hy，s e i s m ex pl or a t i on 0 引 言 煤 炭是 我 国主体 能源 ， 是 能 源安 全 的基石 ． 煤 炭 在 我 国一次 能 源 生 产 和 消 费结 构 中 一 直 占 7 0 以 上 ， 预计 2 0 5 0年 仍将 占 5 O 以上． 以 煤 炭为 主 要 能 源的局 面 ， 在今后 相 当长 的 时 间 内不 会 有 根 本性 的 变化． 中国东部 主要矿 区经 过多 年 的开采 ， 浅部 资 源 已亮红 灯 ， 迫 切需 要开 采深 部地 区的煤炭 资源 ． 据 第 三次 全 国煤 炭 预 测 ， 仅 东 部 的 山 东 、 河 北 、 河 南 、 安 徽 、 江苏 、 江西 、 山 西 等 七 省 在 埋 深 在 6 0 0 ～ l O 0 0 m 区间 的煤 炭 资 源 预测 储 量 约 1 8 2 2 ． 6 8亿 吨 ， 埋 深 在 1 0 0 0 1 5 0 0区 问 的 煤 炭 资 源 预 测 储 量 约 2 4 9 4 ． 1 1 亿吨， 二者累计为 4 3 1 6 ． 7 9亿吨． 为了合理、 有效利 用 这 一不 可再 生 的资 源 ， 并 有 效地 克 服煤 炭 消 耗 对 环境 的污 污染 染问题 ， 国家制订 了稳定 东部 ， 发展 中 部 、 适度西 部 、 调整 煤 炭 产业 结 构 和面 向 2 1世 纪 发 展 洁净煤 技术 的发 展 战略 ] ． 这 一 战略 的布 署 ， 已经 大 大地 推动 了地 球物 理技 术 在煤 炭行 业 的应用 与进 展 ， 尤其 是在 2 0世 纪 的 最 后 十几 年 间． 2 1世 纪 ， 将 相对 成熟 的石油 地球 物理 勘探 方 法技 术应 用 于煤 炭 工 业 ， 并 结 合煤 炭资源 开发 的特 殊性 ， 开展 煤 田地球 物 理勘 探在 井下 、 地 面 的推广 应用 ， 为煤 炭 的生产 提 供 精细 的地 质结 构 和瓦斯 、 突水 出预 测 ， 是 煤 炭工 业 发 展 的关 键 和 必 然 趋 势 [ 1 ． 随 着 开 采 程 度 的 加 大 ， 勘 探 区将逐 步 向深部 发 展 ， 如何 提高 深部 地质 成 果 的精 度 ， 在深 部 实 现高 产 高效 是 我 国东 部 今 后 的 主要勘 探 目标 ． 1 深部 开采 中的地 质 问题 1 ． 1地质 构 造 问题 国内外资料及有关数据表明 ， 随着开采深度 的 增 加 ， 矿井 可 能 出现 的情 况 主 要 有 地 温 增 高 、 瓦斯 收稿 日期 2 0 0 6 0 9 一 i 0 ； 修回 日期 2 0 0 6 1 2 - 2 0 ． 基金项 目博士点基金项 目 2 0 0 5 0 2 9 0 5 0 1 和国家 自然科学基金项 目 No ． 4 0 6 7 4 0 7 4 联 合资助． 作者简介于景部 ， 1 9 6 6生 ， 男， 安徽省无 为县人 ， 中国矿业大学副教授 ， 主要从事地球探测与信息技术 的研究与教学工作． E - ma i l L i u z h x c u mt ． e du ． c n 维普资讯 2期 于景 邮， 等 煤 矿深部开采中的地球物理技术现状 及展望 5 8 7 涌 出量 增加 、 矿压 增大 、 底 板水 压增 大 等． 其 中瓦斯 、 水 的 富存条 件经 常 伴 随 有 异 常 的地 质 构 造 ． 在现 代 化 高 产高 效矿井 的建 设 和 生 产 过程 中 ， 综 采 工作 面 的合理 布 置 、 综 采机 组高 产 高效 的发 挥 矿工 以至 整 个矿 井 的安全 ， 依赖 于矿 井 地质 条件 的查 明程 度 ． 另 外 ， 瓦斯 含量 与煤层 埋 藏深 度有 极其 重要 的关 系 ， 因 为煤 化作 用 的程度 与煤 层 埋 藏 深 度 密 切 相关 ， 煤 层 埋藏深度增加 ， 透气性降低 ， 气体 穿层逸散就会 减 少 ， 再加 之 随着 深度 的增 加原 岩应力 增 大 ， 瓦斯 的压 缩 量增 大 ． 因此 ， 开 采 深 部 井 田时 ， 瓦斯 涌 出量 一 般 比较大 ， 但 又不 完全 受开 采深 度 的影响 ， 经 常与 煤层 赋存 条件 和地 质构造 有 关 ， 在 不 同矿 区有很 大差 别 ． 随着开 采 深度 的增 加 ， 煤 层底 板 水的 承压 越来越 大 ， 对煤 矿 的安全 生产 存 在 着 潜 在 的威 胁 ． 针对 以 上 问 题 ， 对煤 矿地 质工作 提 出了更 高 的要 求 ， 即建立 高 产 高效地质保障条件系统 ， 利用综合探测技术查 明落 差 5 m左右的断层及幅度 5 m左右的褶曲； 查清陷落 柱 、 老窑 及采 空 区的空 间分 布形 态 ； 解 决 煤层 分叉 与 合并、 煤层厚度变化、 火成岩侵入等一系列地质构造 问题 ， 为煤 矿 的安 全 生产提 供技 术 资料 ． 1 ． 2煤层 顶底板 突 水 问题 华 北型 煤 田煤 矿 底 板 突水 的研 究 表 明 ， 9 0 以 上 的底 板突 水 与底 板 断 层或 裂 隙 有 关 ， 煤 矿 底 板 突 水 可 归结 为裂 隙在 地 应 力 、 工 程应 力 和水 压 力 的联 合 作 用下 的裂 隙扩展 破 坏 问题 ． 峰峰集 团有 限 公 司 梧 桐庄 矿 1 8 2 1 0 2首 采 工 作 面煤层底板仍然发生 了两次底板 突水事故 ， 严重影 响 了矿井安 全 生产 和经济 效 益． 河 北金 牛 能源 东 庞 矿 在 2 9 0 3工作 面掘 进 过 程 中发生了 2 煤层奥灰陷落柱特大突水灾害 ， 因突水 量远 远超 过矿 井最 大排 水能 力 ， 5天 后 矿井被 淹． 许 多突 水 实 例分 析 说 明 ， 煤 层底 板 突 水 是一 种 复杂 的地 质 及采 动影 响 现 象 ， 是 煤 层 下 伏 承 压水 冲 破 底 板隔水 层 的阻 隔 ， 以突发 、 缓 发或 滞发 的形 式进 入工 作面 ， 造 成矿井 涌水 量增 加 或淹 井 的 自然灾 害 ． 实践 证 明 ， 影 响煤 层底 板 突水 的 主要 因素 为地 质 构 造 、 矿 山压力 、 水压 力 、 底板 隔水 层 的特征 、 承压 水 的 富水性及开采空间等． 特别是在太原统灰岩或奥 陶 系灰 岩作 为煤 系地 层 基 底 时 ， 一 般 都 存 在 含 水层 富 水性 强 、 水压 高 ， 隔水层 薄 ， 区 内张裂性 、 张剪性 断 裂 及陷 落柱 较 发 育 的情 况 叫 ． 在 煤 矿 开 采 时 ， 灰 岩 水往 往借 助 于小 断层 或 岩溶 陷 落 柱 等 导 水通 道 ， 突 破 煤层 底板 涌 入矿井 ． 突水 一旦 发 生 ， 不 但会 对人 民 生命 和 国家 财产构 成 严 重 威 胁 ， 而且 给 矿 井 带 来 难 以挽回的损失 ， 遗留下诸多难以消除的安全隐患． 因 此， 煤矿生产部 门迫切需要解决灰岩水赋存情况、 岩 溶裂隙发育程度、 隔水层厚度等 ， 为矿井防治水提供 水文地质依据 ， 对可能突水点进行预报． 2 煤矿深部开采 中的地球 物理技 术 高产高效矿井地质条件保障系统是以地质量化 预 测 的物探 技术 为 先导 ， 钻 探 、 巷探 等 基础地 质手 段 加以配合 ， 同时依托计算机技术实现生产地质工作 的动 态管 理． 其 工作 模式 可分 为 二个层 面 1 井 田范 围 主 要 可 采 煤 层 开 采 地 质 条 件 评 价 ； 2 综采 工 作 面 地 质 条 件 探 测 ． 影 响煤 层 开 采 地质 条件 的 因素很 多 ， 如构造 、 水 文 、 瓦斯 、 煤层 顶底 板条件等． 其 中构造因素是最主要的， 构造裂隙发育 带 是水 与瓦斯 突 出 的 危 险带 ， 也 是 顶 底 板 管 理 的 重 点地 带 ． 因此 ， 查 明煤 层构 造 是本 阶段 的 主要工作 ， 主要 勘 查手 段为 三维 地震 勘探 、 电法 勘 探与 钻孔 控制 ． 在 充 分利 用地 质 资料 的 基 础 上 ， 确 定 井 田地 质 构 造 的 分 布规 律 ， 并 结 合其 它地 质条 件 煤 层 、 水文地 质 、 瓦 斯 地 质等 的分 析研 究成 果 ， 对不 同块段 的开采地 质 条 件进 行综 合评 价 ． 在综 采 设 备 安装 或 开 采前 ， 查 明工 作 面 内一 切 地 质 异常 现象 ， 为工 作 面持 续 开 采 提 供 地 质保 障 是 本 阶段 的主要工作． 现有的成熟探测技术有很多种 ， 其共同点是在井下 而不是在地面完成勘测工作 的． 本阶段的主要工作是查 明采 区范围内的小构造 ， 包 括落 差 5 m 左 右 的断层 、 陷 落柱 、 老 窑 及采 空 区 的 空 间 分布形 态 ， 根 据 采 区衔 接 的 要 求 ， 应 提 前 布 置 实 施． 现 已成熟 的探 测技 术包 括 1 三 维 地 震 勘 探 在 地 面 查 明煤 层 中 落 差 5 m左右的断层 和直径 1 5 IT I 左右 的地 质异常体 陷 落 柱 、 采 空 区等 ； 2 槽 波 地 震勘探 ， 查 明工 作 面 内落 差大 于 1 ／ 2 煤厚 的断层 ； 3 瑞利 波地 震 勘 探 ， 在掘 进 工 作 面 迎 头 、 巷 道 两 帮 、 顶 底板 对岩 性分 界 面 、 断 层 面 、 陷 落柱 、 岩溶 空 洞 、 小 间距下 伏 煤 层 赋 存 情 况 可进 行 3 0 I T I 范 围 内 的 跟踪探 测 ； 4 矿井 直 流电法 和矿 井瞬 变 电磁法 在 巷道 内 探测煤层工作 面底板下导水 、 含水构造 、 隔水层厚 度 、 巷道掘进前方超前预测预报 、 煤层内已知陷落柱 维普资讯 5 8 8 地球物理学进展 含 导 性探 测 等 ； 5 矿井地 质 雷 达 ， 探 测 工 作 面 内地 质 异常 体 ， 但探 测距 离较 小 ； 6 无线 电 波 透 视 ， 圈 定 工 作 面 内 地 质 异 常 区 特别是 含水 构造 ； 7 钻探 及 随钻测 井技 术 ， 沿 煤 层定 向钻 探 1 0 0 ～ 3 0 0 m 探 测 工作 面 内 构造 及煤 厚 ， 重 点 验证 物 探 探 测结 果 ， 提高地 质解 释精 度 ； 8 室 内测试 ， 对 有底 板 突 水 危 险 的 工作 面 ， 采 集煤 样测 定煤层 构 造 破 碎度 ， 判 断 底板 隔水 层 构 造 破坏 程度 ． 2 ． 1 地 震勘探 技 术 地震 采集 装备 是取得 高 品质地 震数 据 的重 要保 证 ， 震源激发和信号接收的效果是影响地震数据质 量 与采集 成本 的两 个 主要 因素 。 1 震源 对地表条件复杂的地 区， 激发震源一般采用 可 控 震源 、 聚 能弹等 ． 可控 震源 已从 早期 的小 吨位 震源 发展到 目前 的 2 8吨级 的大 吨位 震源 ， 从而 大 大提高 了激发 能量 ． 多 台组 合 同 步控 制 精 度 达 到 微 秒 级 水 平 ， 平均 相 位误差 不 到 1 度 ， 从 而提高 了组 合激 发 的 效果． 2 地 震记 录仪 随着 机 械 制造 业 和计 算 机 技 术 的 发展 ， 地 震 仪 从 2 0世纪 5 0年 代前 最早 的 光点 记 录方 式 、 5 O年 代 的磁 带模 拟记 录方 式 发 展 到 7 0年代 的数 字 记 录 方 式 ； 从 7 0年代的 2 4道地震记 录仪 、 9 0年代 的千道 地震记 录 仪发展 到 今 天 的万 道 地 震 记 录 仪 ， 地 震 记 录仪的每一步发展都推动 了地震勘探技术的进步和 发展 ． 为 了满足 高精 度地震 勘探 的要 求 ， 地震 仪器 向 着超 多道 、 遥测 、 高 位模 数 转 换 从 2 4位 到 3 2位 、 完善 的质 量控 制 系统 方 向发 展 ． 主 要 的地 震 仪 器 生 产 厂 家 有 S E R C E I I ／ O、 GE OX、 F AI RF I E L D 等 ， 主 要产 品包 括 S N3 8 8 、 S N4 0 8 UL 、 S YS T E M2 、 S YS TEM 2 0 0 0、 I M AGE、 ARAM 24、 ARA M ARI ES、 TE L S E I S B O X等 ． 3 采 集及 处理 软件 目前 普遍应 用 于野外 施 工设计 的软 件 主要有 美 国绿 山 地 球 物 理 服 务 公 司 的 绿 山 软 件 、 加 拿 大 的 O mn i 软件 、 法 国 C GG公 司 的 C GG 软件 、 北 京 科 浪 公 司的科 浪软件 等 ， 它 们 所 用 的 模 型模 拟 技 术 大 多 为射 线追 踪技 术． 地 震 资料 处 理 技 术 的发 展 与 计 算 机 技术 的发 展息息 相关 ． 从模 拟 处理 到数字 处理 ， 从 二维处理到三维处理 ， 从简单陆上处理到复杂 山区 处理 ， 从 常规 叠后 处 理 到 处理 解 释一 体 化 的叠 前 深 度偏移处理 ， 每一次地球物理技术进步都离 不开计 算 机技 术 的进 步 和应 用软 件 的发展 ． 2 ． 2非 地震 勘探 技 术 非 地震 勘探 技 术主要 包 括重 力勘 探 、 磁法 勘探 、 矿 井直 流 电法 、 矿 井 瞬变 电磁 法 、 矿 井地 质 雷 达 、 无 线 电波 透 视技术 和 音频 电透 视技 术等 地球 物理 勘 探 技术． 随着电子技 术的飞速 发展 和计算机技术的广 泛 应用 ， 重 、 磁 、 电 等非 地 震物 探 技 术 得 到 了较 大 发 展 ． 目前 ， 重 、 磁 、 电采 集 仪 器 的 体 积 已大 大 地 缩 小 ， 记 录方 式 开始 采用 自动 记 录 、 自动存 储 ， 特别 是 观测 精度 得 到大 幅度提 高． 1 重力 勘探 技术 重 力 资料 采 集方 面 ， 从 采集 精 度 到 记 录格 式 都 有较 大 的发展 ， I a c o s t e D型 重力 仪 精 度 达 到 7 ～ 1 0 C a l ， 比 2 0世纪 5 0 ～6 0年 代提 高 了近 百 倍． G8 5 6磁 力仪 的精 度 达到 0 ． 0 0 5 n T， 与早 期 几 个甚 至 几 十个 n T的磁 力仪 相 比提 高 了近千 倍 ， 并 且 采用 连续 记 录 方式 ． 2 磁法 勘探 技 术 电磁 勘探 仪 器 的 更 新 更快 ， 主要 得 益 于 地 震记 录仪成 熟技 术 的大 量移植 ． 目前 ， 电磁 勘探 仪 器 的精 度可达到 0 ． 1 V， 其动态范围、 采样率与地震仪器没 有 差别 ， 如 2 4位 模数 转换 、 无线 电或 G P S同步 方 式 等 技术 与地 震 仪 器 相 同． 全 球 卫 星 定 位 系 统 GP S 技 术 的应用 促进 了非地 震物 探仪 器 及采 集方法 的根 本性 革 命． 3 矿 井 电阻率 成像 技术 矿井电阻率成像技术主要应用在普通直流电法 层 析成 像 、 高密 度直 流 电法层 析 成像 、 微 电 阻率层 析 成像测 井 、 岩样 电阻 率 成像 系统 研究 等方 面 ． 从方 法 上主要可以分为直流电法电阻率成像 和测井电阻率 成 像． 另外 ， 仪 器设 备研 究 和数据 采集 技 术研 究也 是 电阻率 层 析成像 系统 的重要 内容． 在 近 十几 年 内 ， 这 两方 面也取 得 了巨大 的进步 ， 仪 器 日趋 小巧轻 便 ， 仪 器 的精度 和抗 干扰 能 力 显 著 提 高 ， 数 据 采 集 过 程 的 自动化 和 实时 监控 程 度 得 到 提 高 ， 三维 数 据 采 集 技 术逐渐 完 善 ] ． 图 1为某 矿巷 道底 板矿 井 直流 电法 视 电阻率 断 面 图 ， 从 图 中可知 ， 该方 法对 断层 等 含水 构造 异 常体 反映较 明显． 但是矿井电阻率成像技 术有别 于地面 电阻率成像 ， 其主要问题在于 ①巷 道 、 采 空 区影 响下 ， 矿 井电 阻率法 全 空间稳 恒 电流场 的分 布规 律较 为复 杂 ， 电流场 全 空间分 维普资讯 2 期 于景邮， 等 煤矿深部开采中的地球物理技术 垦垦望 5 8 9 图 1 矿井直 流电法视电阻率断面图 Fi g ．1 Ap p ar e nt r e s i st i v i t y ps e u d os e c t i on o f M i ni n g e l e c t r i c a l DC me t h od 图 2 矿井瞬变 电磁法视 电阻率断面图 Fi g． 2 Ap pa r e nt r e s i s t i v i t y ps e u do s e c t i on o f M i ni ng TEM me t h od 布趋 势和 巷道 、 采 空 区 等不 导 电空 间 的 影 响 相互 迭 加 ， 成为 困扰 矿井 电 阻 率法 资料 处 理 与解 释 的 主 要 难 题 ； ② 从理 论 上 讲 ， 矿 井 电 阻率 法 的 观测 结 果 是 三 维 空 间内任 意方 位地 电体 异 常 响 应 的 迭 加场 ， 当 不 同方位地 电异常 体 的影 响 同 时存 在 时 ， 现 有 方 法 在 大 多数情 况 下无 法单 一地 确定 地 电异常 体 的空 间位 置 ； ③ 目前 ， 数 据采 集在 巷道 内有 限空 间进 行 ， 施工 过程受巷道空间条件影响较大 ， 得到的数据只是巷 道某 一方 位 断面 的数 据 ， 无法采 集 三维 数据体 ， 特 别 是 在处 理巷 道超 前 探 测 等 特殊 问题 时 ， 施 工 空 间 更 狭 小． 4 矿 井瞬 变 电磁 技 术 矿 井 瞬 变 电磁 法 是 一 类非 接 触 式 探测 技 术 ， 属 于时 间域 电磁法 ． 它利 用 不 接 地 回线 向 采 掘 空 间周 围的 煤岩体 中发射 一 次 场 ， 通 过 在 发 射 间 歇 测 量煤 岩体 中电性不 均匀 体感 应产 生 的二 次场随 时 间的变 化 ， 来 达 到查 明各种 地 质 目标 体 的 目的． 由于根据 采 掘空 间断 面的 大小 选 择 发 射 和接 收 回线边 长后 ， 仍 维普资讯 5 9 O 地球物理学进展 2 2卷 可 通过 加大 发射 功率 和接 收 回线 匝数 的方法 增强 二 次 场信 号 的强度 ， 从 而 增 大 瞬 变 电磁 法 的顺 层 或 垂 直 勘探 深度 ， 因此 该 方 法 在 克 服井 下 施 工 空 间 的 局 限性 方面具 有 明显 的优 势． 但 是 ， 在矿井 瞬 变 电磁法 技 术 发展 中存 在许 多 难 题 ， 特 别 是 因 场 源位 置 和施 工 空 间特 殊性 所造 成的 全空 间场 效应 和巷 道影 响 问 题 ， 已成 为制 约矿井 瞬变 电磁 法 资 料 解 释 和应 用 的 “ 瓶 颈” ， 急需通 过数 值模 拟 系统研 究巷 道／ 采空 区层 状 围岩介 质 中瞬 变 电磁 场 的分 布 规律 以 及 二维 、 三 维地质异常体 的异常响应特征 ， 以便建立一套完善 的矿井 瞬变 电磁法 资料 处理 与解 释 系统_ 3 ” ] ． 图 2为某 矿一 工作 面煤 层底 板 瞬变 电磁 法探 测 含 水构 造 的视 电阻率 断面 图 ， 为该 工 作 面 的底 板 防 治 水工 作提供 了祥 细 的水 文 地 质 资 料 ． 其 基 本 原 理 与地 面瞬 变电磁 法 一样 ， 采 用 仪 器 和测 量 数 据 的 各 种 装 置形式 和 时间 窗 口也 相 同． 由 于矿 井 瞬变 电磁 法勘 探环境 的 限制 ， 测 量线 圈 大小 有 限 ， 其勘 探 深度 不如 地 面 深 ， 一 般 深 度 在 1 2 0 m 左 右 ． 地 面 瞬 变 电 磁法 为半 空间 瞬变 响 应 ， 这 种 瞬 变 响 应来 自于地 表 以下 半空 间地 层 ；而 矿井 瞬变 电磁 法 为全 空 间 瞬变 响 应 ， 这 种 瞬 变 响 应 是 来 自于 回线 平 面 上 下 或 两 侧 地 层 ， 这对 确定 异 常 体 的 位 置带 来 困难 ． 实 际资 料解 释 中 ， 必须 结 合具 体 地 质 和 水 文 地 质 情况 综 合 分 析． 但 是 ， 矿 井 瞬变 电磁法 与地 面 瞬变 电磁法 相 比 具 有 以下几个 方 面的特 点 ① 由于井 下测 量 环境 不 同与地 表 ， 不 可能 采用 地 表测 量时 的大线 圈 边 长 大于 5 0 m 装 置 ， 只能采 用边 长 小 于 3 m 的 多 匝小线 框 ， 因此 数据 采 集 劳 动 强 度小 ， 测量 设备 轻便 ， 工作 效率 高 ， 成本低 ； ② 由于采用 小线 圈测 量 ， 点 距更 密 一般 为 2 ～ 2 0 m ， 降低体积效应的影响 ， 提 高勘探分辨率 ， 特 别 是横 向分 辨率 ． ③ 井 下测 量装 置距 离 异常 体 更近 ， 大 大提 高 测 量 信号 的信 噪 比 ， 实际 测量 结果 说 明 ， 井 下测 量信 号 的强度 比地 面 同样有效 面 积的 相 同装置测 量 的信 号 强 1 0 ～1 0 0倍． 井下 的干 扰 信 号相 对有 用 信 号 近 似 等于零 大 于 3 0 ms时间 段 ， 而地 面测 量 信 号 在 衰 减 到一 定 时间段 一 般小 于 1 5 ms 就 被 干扰 信号 覆 盖 ， 无 法识别 有用 异常 信号 ； ④ 地 面 瞬 变 电磁 法勘 探一 般 只能 将 线 圈 平 置 于地 面测量 ， 而 井下 瞬 变 电 磁 法 可 以将 线 圈置 于 巷 道 底板 测 量 ， 探 测巷 道 底 板 下 一 定 深度 内含 水 异 常 体垂 向和横 向发育 规 律 ， 也 可 以将 线 圈直 立 于巷 道 内 ， 当线 圈面平 行 巷 道 掘进 前 方 ， 可进 行 超 前 探 测 ； 当线 圈面平 行 于巷 道 侧 面 煤 层 ， 可 探 测 工 作 面 内 和 顶 、 底 板一 定 范 围内含水 低 阻异 常体 的发 育规 律 ； ⑤ 由 于瞬 变 电磁 法关 断 时间 的影 响 ， 与 其它 物 探 方 法 相 比 ， 无 法 探 测 到 更 浅 部 的异 常 体 浅部 1 5 m 左右 ． 5 地质 雷达 探测 技术 地质 雷 达 勘 探 是 基 于地 下 介 质 的 电 阻率 、 介 电 常数 等 电性参 数 的 差 异 ， 利 用 高 频 电磁 脉 冲 波 的反 射探 测 目标 体 及地 质 现 象 的 一 种 物探 方 法 ． 地 质雷 达 的探 测深 度一 般 为浅 部 、 中深部 ， 在煤 矿的 安全 生 产 中 主要用 于 井壁 裂隙 的检 测等 工 作． 6 无线 电波透 视技 术 无 线 电波 透视 法 ， 又 称坑 透法 ． 电磁 波在 地下 岩 层 中 传播 时 ， 由于 各 种 岩 、 矿 石 电性 电阻 率 p和 介 电 常 数 e 的 不 同 ， 它 们 对 电 磁 波 能 量 吸 收 不 同[ 3 ， 低 阻 岩层 对 电磁 波具 有较 强 的 吸 收 作 用 ， 当波 前进 方 向遇 到 断裂 构 造 所 出现 的界 面 时 ， 电磁 波将 在界 面上 产生 反射 和折 射 作 用 ， 造 成 能量 的损 耗_ 3 ． 因此在矿井地质条件 下， 如果发射源发射 的 电磁 波在 穿过 煤层 途 中遇 到断层 、 陷落柱 、 含水裂 隙 、 煤 层 变薄 区或 其它 构 造时 ， 波 能量 被吸 收或 完全 屏蔽 ， 则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信 号 ， 形 成 透视 异 常 区 ， 即为 所要 探测 异 常体 的位 置 和 范 围． 图 3无线电波透视层析成像 图 Fi g． 3 Tomo gr a phy r e s u l t o f r a di o wa v e pe ne t r a t i on 图 3为某 矿工 作面 无线 电波坑 透层 析成 像 成果 图 ， 图中 的两条 较 大断 面后 经 回采揭 露证 实． 目前 的 坑 透仪 器 ， 只测 固定 频率 的 透射 电磁 波 的磁场 或 电 场 振 幅分 量． 在 电磁波 射线 路径 上 介质 电磁 性质 的 变化 和波 阻 抗 的变 化 ， 造 成 电 磁 场 强 度 的 变 化 ； 反 之 ， 分 析 电磁场 强度 的变化 ， 就 可以 预测测 区 介质 的 物 性 变化． 7 音 频 电透视技 术 维普资讯 维普资讯 5 9 2 地球物理学进展 2 2 卷 学 进 展 ， 2 0 0 4 ， 1 9 3 4 9 7 ～5 0 3 ． [ 4 ] 张宝明 ， 陈炎光 ， 徐永圻 ．中国煤矿 高产高效技 术[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 1 ． E 5 3 杨红霞 ， 赵改善．2 1 世纪 的地震数据处理系统E J 3 ．石油物探 ， 2 0 0 1， 4 0 4 1 2 5 ～ 1 4 0． E 6 3 曲寿利 ， 王鑫．国内外物探技术现状与展 望[ M] ． 北 京 石油工 业 出版社 ， 2 0 0 3 ． E 7 3 朱德兵．工程地 球物理 方法技术 研究现状 综述 E J 3 ． 地 球物理 学进 展 ， 2 0 0 2 ， 1 7 1 4 1 ～ 4 5 ． [ 8 ] 李世愚 ， 和雪 松 ， 等．矿 山地震 监测 技术 的 进展 及 最新 成 果 E J 3 ． 地球物理 学进展 ， 2 0 0 4 ， 1 9 4 8 5 3 ～8 5 9 ． E 9 3 胡中文．解决矿井深部开采 问题 的对策E J 3 ．煤炭技术 ， 2 0 0 4 ， 2 3 3 4 o～ 4 1 ． [ 1 o 3 徐永． 中国采煤 方法 图集[ M3 ． 徐 州 中国矿业 大 学出 版社 ， 1 9 9 0 ． [ 1 1 ] 熊翥．我 国物探技术的进步及 展望[ J ] ．石油 地球物 理勘探 ， 2 0 0 4，3 9 2 2 3 7 ～ 2 4 3 ． [ 1 2 ] 徐佩芬．高分辨率地震勘探确定隐伏地质构 造方法研究 E J 3 ． 地球物理学进展 ， 1 9 9 8 ， 1 3 2 4 1 ～4 5 ． [ 1 3 3 姚姚． 地震勘探新技术和新方法 [ M3 ． 徐州 中国地 质大学 出 版社 ，1 9 9 1 ． [ 1 4 3 张公社 ， 马 国光． 利用全三维纵波资料进行裂缝检测 E J 3 ． 石油 地球物理勘探 ，2 0 0 4 ， 3 9 1 4 1 ～4 4 ． [ 1 5 ]贺振华 ， 李 亚林． 定 向裂缝 对地震 波速 度和振 幅影响 的 比较 E J 3 ． 物探 化探计算技术 ，2 0 0 1 ， 2 3 1 1 ～5 ． [ 1 6 3 赵改善 ， 包 红林．集 群计 算技 术及 其 在石 油工 业 中 的应 用 [ J ] ．石油物探 ，2 0 0 1 ， 4 0 3 8 ～1 2 6 ． [ 1 7 ] 杜正聪 ， 贺振华 ， 黄德济． 缝洞储层地震波场数 值模拟[ J ] ．勘 探地球物理进 展， 2 0 0 3 ，2 6 2 1 0 3 ～1 0 8 ． [ 1 8 ] 刘志 新．矿井直流电法三维有 限无数值算 法研究[ D] ． 徐州 中国矿业大学 资源与地球科学学院 ， 2 0 0 2 ． [ 1 9 ] 底青云 ， 王妙月．积分法三维电阻率成像E J 3 ． 地球物 理学报 ， 2 0 0 1， 4 4 6 8 4 3～ 8 51 ． E z o 3 刘树才 ， 岳建华 ， 刘志新． 煤矿 水文物 探技术 与应 用[ M] ． 徐 州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 1 ] 杨华 ， 李金铭， 桂 峰． 电阻率层 析成像方 法技术 近年发展 概况 E J 3 ． 地球物理学进展 ， 1 9 9 8 ， 1 3 4 9 O ～9 6 ． E 2 2 3 底青云 ， 王妙 月． 电流 线追踪 电位 电阻率层 析成像 方法 初探 E J 3 ． 地球物理学进展 ， 1 9 9 7 ， 1 2 4 2 7 ～3 5 ． [ 2 3 ] 白登海 ， 于晟．电阻率层 析成像理论 和方法 E J 3 ． 地 球 物理学 进 展 ， 1 9 9 5 ， 1 0 1 5 6 ～ 7 5 ． E z 4 3 程久龙 ， 王玉 和． 巷道 掘进 中电阻 率法超前 探测 原理 与应用 E J 3 ． 煤 田地质与勘探 ， 2 0 0 0 ， 2 8 4 6 O ～6 2 ． [ 2 5 ] 岳建华 ， 李志聃．煤矿 井下 直流 层测深 法原理 与应用 E J 3 ． 煤 炭学报 ， 1 9 9 4 ， 1 9 4 4 2 2 ～4 2 9 ． E z 6 3 岳建华 ， 刘树才 ， 于景村．矿井电法井下干扰试 验研究E J 3 ． 勘 察科学技术 ，1 9 9 4 ， 7 2 6 6 O ～6 2 ． E z 7 3 岳建华 ， 刘志新． 巷道直流 电测深在探测陷落柱 中的应用 E J 3 ． 中国矿 业大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 2 5 4 7 9 ～4 8 1 ． E z 8 3于景村 ， 李 志聃． 高分 辨率三 极电测 深法探 测煤 矿突 水构造 E J 3 ．煤田地 质与勘探 ， 1 9 9 7 ， 2 5 3 8 ～3 9 ． [ 2 9 ] 岳建华 ， 刘 志新．井一地三维 电阻 率成像技 术[ J ] ． 地 球物 理 学进展 ， 2 0