矿井物探方法

矿井物探方法北京中矿大地地球探测工程技术有限公司
1 矿井物探方法简介
1.1常用矿井物探方法
矿井物探常用方法主要包括：
1、地震槽波；
2、无线电波透视法；
3、直流电法；
4、瞬变电磁法；
5、音频电透视法；
6、全波形反演技术。

1.2 各类方法应用范围
1、工作面断层、陷落柱等异常地质构造及煤层夹矸、煤岩破碎带、煤厚变
化等常规物探探测：地震槽波、无线电波透视法。

2、工作面水害探测：瞬变电磁法、直流电法或音频电透视法。

3、巷道掘进迎头构造探测：地震槽波。

4、巷道掘进迎头水害探测：瞬变电磁法、直流电法。

5、工作面顶底板起伏、煤厚变化、断层、陷落柱等异常地质构造精准探测：全波形反演。

2 地震槽波勘探技术
2.1 原理及探测方法
煤、岩层的密度和弹性波速度差异：煤层<顶、底板围岩。

在煤层中激发的地震波大部分能量在煤层顶、底界面之间来回反射并干涉，从而形成一种特殊的地震波——槽波。

图 1 槽波勘探原理示意图
图 2 透射槽波勘探法
图3反射槽波勘探法
图4透射+反射联合勘探法
图5 槽波超前探测
2.2 应用范围及特点
1、工作面内：（透射槽波勘探、反射槽波勘探、透射加反射槽波勘探）
（1）煤层中的构造如褶曲、断层、陷落柱等；
（2）煤层赋存情况，如薄厚变化、夹矸厚度变化；
（3）老窑、采空区影响范围；
（4）侵入岩等非煤物质的延伸范围；
（5）煤层破碎、剥蚀带分布等。

2、巷道两侧：（反射槽波勘探）
（1）煤层中的构造如褶曲、断层、陷落柱等；
（2）老窑、采空区影响范围。

3、巷道掘进迎头：（槽波超前探测）
（1）煤层中的构造如褶曲、断层、陷落柱等；
（2）老窑、采空区影响范围。

2.3 槽波观测系统设计
1、覆盖要均匀
尤其是透射能量层析成像，不均匀的覆盖会对结果造成误导。

2、覆盖次数要合理
覆盖次数太少、信息量少、结果准确性差；覆盖次数太多导致施工工作量过大，且效果增加不明显。

3、利用尽可能多的巷道
探测工作面内构造时，尽可能在可利用的巷道内都布设炮点及检波点。

2.4 透射槽波反演方法
1、振幅反演（衰减系数成像）
滤波、拾取振幅（几何扩散校正后）、衰减系数成像。

特点：①工作量相对较小、计算快；②反演结果精度较低。

图 5 透射槽波振幅反演成像图
2、走时反演（速度成像）
滤波、拾取每道的速度、速度反演成像。

特点：①反演结果精度更高；②工作量大、对原始数据质量要求较高、计算慢。

图 6 透射槽波走时反演成果图
2.4 反射槽波反演方法
速度叠后偏移成像主要包括滤波、速度分析、克希霍夫偏移成像。

特点：①对于较大型的与测线夹角过大的反射界面反应不明显；
②对于断层断距较小的断层反应不明显；
③测线两端由于覆盖次数很少，误差较大。

图7 速度叠后偏移成像图
2.5 准备工作
为了地震采集系统能够正常工作，环境噪声满足数据采集要求，同时选择合适的炸药量以便采集到良好的地震数据，在正式施工前，需要进行选择仪器并进行地震槽波试验工作，主要内容有：
1、选择合适仪器及下井前检测；（如YTC12分布式地震槽波仪及合适频率的检波器、下井前仪器及检波器检测）；
2、采集参数选取（采样时间和采样率、滤波设置等）；
3、环境噪声监测；
4、试验炮点数据检测（选择合适的激发能量）；
2.6 施工及数据处理
1、仪器运输：先将各设备运输至待探测工作面（具体位置按设计安排）；
2、仪器授时：将各采集站、触发记录仪统一授时；
3、设备布设：在本煤层的同侧或者另一侧的巷道侧壁布置检波器和采集站，将采集的的信号存储至内置SD卡；
4、打钻放炮：在井下煤层一侧巷道侧壁钻孔中激发瞬发雷管，产生的冲击震动信号，同时触发记录仪记录雷管起爆时间；
5、数据处理：利用数据处理软件对信号进行处理、分析，进行CT成像、速度成像，获得煤层中各种地质构造的分布位置、走向、大小及煤厚变化等信息。

2.7 使用仪器
地震槽波勘探推荐采用北京中矿大地地球探测工程技术有限公司自主研发的分布式无缆槽波地震仪（YTC12，如下图所示）。

该设备基本原理是在勘探工作面上按照一定的道间距埋入敏感于振动信号的检波器阵列，检波器通过电缆连接于各采集站，每个采集站连接4个检波器，采集站采集检波器阵列的地震槽波数据并保存在采集站的存储器中。

图8 分布式无缆地震槽波仪（YTC12）
检波器采用锚杆连接的方式进行数据采集。

分布式采集站状态正常情况下，按动采集功能按钮，开始记录数据，并存储至内部存储器。

当通过爆炸产生人工地震震动时，触发记录器通过检波器的振动自动记录震源触发时间并存储。

井下采集完毕后，将各设备运送至地面，利用主控机将采集站存储的数据记
录通过网络通讯传输至主控机，然后按照触发记录仪各炮点起爆时间将原始数据切割成处理所需记录文件以便于分析处理。

该设备具有性能稳定、携带轻便等诸多特点。

其主要技术指标如下：
1、系统整体使用环境：
工作温度：0℃～＋50℃；
相对湿度：≤98%RH（＋25℃）；
大气压力：86KPa～106KPa；
贮存温度：﹣40℃～＋60℃。

2、主要技术参数：
表1YTC12地震槽波仪技术参数
2.8 勘探实例
图9 山西某矿工作面回采验证异常与槽波探测成果对比
3 无线电波透视技术
2.1 原理
电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩、矿石电性的不同，它们对电磁波能量吸收不同，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，也造成能量的损耗。

因此，在矿井下，电磁波穿过煤层途中遇到断层、陷落柱或其它构造时，波能量被吸收或完全被屏蔽，则在接收巷道收到微弱信号或收不到透射信号，形成所谓的透视异常。

研究采区煤层、各种构造及地质体对电磁波的影响所造成的各种无线电波透视异常，从而进行地质推断和解释。

2.2 观测系统设计
井下无线电波透视法一般在两巷道间进行。

如在回风巷布置发射点，向煤层中发射某一频率的电磁波，在运输巷安置接收机观测电磁场场强信号。

电磁波在煤层传播中遇到介质电性变化时，电磁波被吸收或屏蔽，接收信号显著减弱或收不到有效信号，形成所谓的透视异常。

发射点和接收点可布置在回风巷、运输巷等易于通行和干扰小的地段。

图 5 无线电波透视观测系统示意图
2.3 勘探实例
图 6 陕西某矿无线电波透视实测场强图
3 直流电法勘探技术
3.1 原理
根据岩石和煤层电性质差异来研究地质体赋存状况的一种地球物理勘探方法。

通过特定仪器观测、分析人工电场的分布特征，以达到探测地质体的目的。

3.2 应用方向
1、巷道底板含水层、溶洞、断裂破碎带等富水构造探测；
2、煤层顶板岩层局部富水区；
3、巷道掘进前方导水、含水构造；
4、老窑、采空区边界及富水性探测；
5、工作面内隐伏含水构造；
6、陷落柱边界范围探测。

3.3 勘探实例
图7 山西某矿工作面底板富水性探测
4 瞬变电磁勘探技术
4.1 原理
瞬变电磁法或称时间域电磁法（简称TEM），利用不接地回线（线圈）向被测地质体发射脉冲式电场作为场源（一次场），以激励被测地质体产生二次场，在发射脉冲的间隙利用接收回线（线圈）接收二次场随时间变化的响应。

从接收的二次场数据中分析出地质体异常导电体的位置，从而达到解决地质问题的目的。

图8 瞬变电磁勘探原理示意图
4.2 应用方向
1、巷道底板含水层、溶洞、断裂破碎带等富水构造探测；
2、煤层顶板岩层局部富水区；
3、掘进前方导水、含水构造；
4、老窑、采空区边界及富水性探查；
5、工作面内隐伏含水构造；
6、陷落柱边界范围探测。

4.3 勘探实例
图9 掘进工作面瞬变电磁超前探测
山西某矿主采煤层顶板上部50-80m 之间存在一层砂岩含水层，赋水性较强。

为了在工作面回采前能够有效钻探到主要赋水区段进行疏放水，采用YCS2500瞬变电磁仪对工作面进行探测，红色线内为赋水异常区，经打钻验证基本准确。

（a ）顺层切片
（b ）顶板上70米切片
图10 山西某矿顶板富水性探测（瞬变电磁法）
4.4 瞬变电磁勘探与直流电法勘探对比
表2瞬变电磁勘探与直流电法勘探对比
5音频电透视勘探技术
5.1 原理
音频电穿透技术是利用电场在空间中传播时，其电流强度随岩层电阻率的大小而有规律变化的特性，进而计算出空间各点视电导率的相对关系，作出反映探测区域富水性强弱的视电导率等值线图，为防治水提供可靠的依据。

当供电线路中供以一定强度的电流以后，这个电流从A电极流出，通过大地回到B电极，形成了一个供电回路。

电流从A电极流出其电流线分布将会受到A电极周围介质导电能力差异的影响。

测量电极M、N就在发射极A的附近，电场分布的变化就会影响到M、N电极的电位变化，所以只要测量M、N电极之间的电位差值的变化，就可以了解工作面周围岩石导电能力的变化情况。

5.2 观测系统
工作面
顺槽1
顺槽2
A :供电点; M :接收点
A A A A M M M M
图11 音频电透视观测系统示意图
5.3 应用方向
1、采煤工作面顶、底板含水层、溶洞、断裂破碎带、等富水异常体探测；
2、老窑采空区边界及富水性探测；
3、工作面内隐伏含水构造；
4、陷落柱边界范围探测。

5.4 勘探实例
图12 山西某矿工作面底板128Hz 探测视电导率等值线平面图
6全波形反演技术
全波形反演技术早期主要应用于石油领域。

北京中矿大地地球探测工程技术有限公司研发了应用于煤矿的矿井地震全波形反演技术，为透明地质保障提供了技术支撑。

6.1 原理
地震全波形反演(FWI)是一种高精度、高分辨率的地下介质物性参数反演方法。

由于FWI 利用了地震记录中全部的运动学和动力学信息，因而具有精细反
演复杂地质构造的能力，能够精细反映三维地质构造，适合于对煤层进行透明三维地质成像。

6.2 全波形反演数据处理流程
图13 全波形反演数据处理流程图
6.3 基于全波形反演构建精准三维地质建模实例
图14 某矿112204工作面三维地质模型示例图。