地球物理学方法在防治矿井水害中的应用

王洪祯，朱 鲁，宋永文

（1.山东科技大学 应用地球物理系，山东 青岛 266590;2.山东能源枣庄矿业集团蒋庄煤矿，山东 滕州 277500）

地球物理学方法在防治矿井水害中的应用

王洪祯1，朱 鲁1，宋永文2

（1.山东科技大学 应用地球物理系，山东 青岛 266590;2.山东能源枣庄矿业集团蒋庄煤矿，山东 滕州 277500）

矿井水害是影响矿井安全生产的主要因素之一。文章主要介绍了几种防治矿井水害常用的地球物理方法，包括矿井瞬变电磁法，矿井直流电法，矿井瑞利波法，矿井反射波法等。依据各方法的工作原理和适用范围以及它们的优点，最大程度的分析矿井水的存在位置和赋存状态，积极的预防和治理矿井开采过程中的矿井水害问题。

地球物理学；矿井瞬变电磁法；矿井直流电法；矿井瑞利波法；矿井反射波法

0 引言

矿井地球物理勘探，简称矿井物探，是用于矿井地质勘查的各种地球物理勘查方法的总称。矿井物探的工作场所可以是在地面也可是在矿井中，主要任务有：一是在新建矿井中，为采区规划设计和先期采区设计提供详细的地质依据；二是在生产矿井中为工作面、井巷工程合理布置和采煤工艺的选择提供详细地质资料［1］。

矿井水害是影响矿井安全生产的主要因素之一，制约着矿井的安全生产和威胁人民的人身健康。矿井突水受多种因素控制，主要因素是地质构造、矿山压力、水压力、底板隔水层的厚度等［2］。为了避免在开采时出现不必要的损失，利用地球物理学对矿井突水进行预测是必不可少的一个环节。主要采用的方法有矿井瞬变电磁法、矿井直流电法、矿井瑞利波法、矿井反射波法［3］等。其中矿井瞬变电磁法和矿井直流电法属于电法勘探，矿井瑞利波法和矿井反射波法属于地震勘探。

1 矿井水害防治中常用的地球物理学方法

1.1 矿井瞬变电磁法

矿井瞬变电磁法是利用不接地回线在矿井巷道内用一个通入一定电流的的发射线圈，线圈本身便会激发出一个稳定的一次电磁场，激发出的一次电磁场在周围的岩矿石和煤岩中产生感应电流。在电流断开之前，发射线圈中的稳定电流将建立一个稳定磁场。将回线中电流断开的时间记为t0时刻，在t0时刻由一次电场激发的一次磁场会随着电场的消失而消失。此后由电磁感应效应知，岩层中将会激发出感应电流来维持断电前存在的磁场，并且随着时间的推移，激发出的感应电流环会向外扩散。将巷道顶、底板导电岩层中涡旋电流向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”［4］。通过观测二次场的变化来推测不同深度的地电特征。

地面瞬变电磁法的瞬变响应来自于地表及其探测的地下部分，属于半空间响应；而矿井瞬变电磁法的瞬变响应来自回线的上下及左右全部空间，由于探测位置和周围的设施造成的全空间效应和巷道影响等问题，是制约资料解释和提高效率的“瓶颈”［5］。（如图1）。实际资料解释中，一般含水位置都为低阻异常区，但也绝不是说低阻异常区都是含水位置，解释工作必须联系实际的矿井水文地质情况进行全面分析。实际工作中，矿井瞬变电磁法采用两个边长为2 m的多匝小线圈，一个发射线圈，一个接收线圈，两个线圈前后放置，可以通过调节角度来探测巷道的不同部位（如图2）［2］。当线圈垂直放置，可以观测迎头方向的含水异常体的位置；当线圈向下倾斜时，可以观测到底板方向异常含水位置；当线圈向上倾斜时，可以观测到顶板方向的异常含水情况。

优点：数据采集工作量小，工作效率高，成本低。

图1 地下感应电流环带分布Fig.1 Distribu tion of underground induced current band

1.2 矿井直流电法

矿井直流电法又称为矿井电阻率法，其原理是矿井中煤层、岩层以及构造富水带的导电性是有差异的，通过供电电极向探测目标区供入稳定的电流，电流在地下场中会根据低阻优先通过的原则进行分布，而后测量电极会根据各点的电性差异，生成视电阻率分布图，结合目标区的地质情况，分析煤层、岩层以及构造富水带的分布规律，得到矿井水富集区。普通的直流电法是建立在半空间条件下的，而矿井直流电法是建立在全空间条件下的，必须使用全空间理论，处理和分析视电阻率分布图，解释相关的水文地质问题。矿井直流电法有方法和装置的不同，针对不同的研究目的，将采取不同的方法和装置。通常采用的方法有电剖面法、电测深法和高密度法，装置有对称四极测深装置、三极测深装置和三点三极超前探装置［2］。一般，探测的目的决定电极的移动方式，电极的排列方式决定了探测的分辨能力和电性相应特征，勘探目标体的性质和相对位置最终决定了方法和装置的选择以及布极的位置。

图2 探测方向示意图Fig.2 Detection direction m ap

矿井电剖面法通过观测和分析煤层及其底板岩层横向电性变化，来确定断层和裂隙发育带的位置，其特点是装置形式多样化，施工方便灵活。巷道底板电测深法既可研究岩层垂向电性变化，又可研究巷道附近横向电性变化情况，它是圈定底板断层、裂隙发育带，评价其含水性和研究底板深部灰岩含水层的基本方法。高密度电阻率法是一种新型直流电法技术，它以温纳电位电极系为基础，集测深和剖面法为一体，一次布极即可进行多种装置形式多测点和多极距的观测［6］。测量数据一般有多功能数字激电仪自动或半自动的采集，采集和存储的速度快效率高，减少了手工操作可能造成的错误。具有成本低、效率高，信息丰富，解释方便的特点，显著提高了勘探能力。总的来讲，无论采取哪种方法和哪种装置，实际资料解释中，一般含水位置均为低阻异常区，必须结合具体地质和水文地质情况综合分析。

超前探测装置主要用于巷道侧帮和掘进工作面超前探测；三极测深装置具有灵敏度高的优点，但是易受影响并且采集的信号较弱，仅适用于较短的巷道和较小的范围内；一般情况下，尽量选择四极测深装置，两个电极供电两个电极测量，使得信号强、信噪比高，形成的测深曲线易于分析和解释［7］。

1.3 矿井瑞利波法

瑞利波探测技术是由人工激发地震波，由检波器采集在地层中传回的地震波信号，然后提取相应的信息进行目标地层结构的分析研究，一般采用瞬态瑞利波法（图3）。人工激发的瑞利波都是在地面上施加一个瞬间激振力，这些瑞利波都是由许多简谐波分量叠加而成的宽频带脉冲［8］。

在图3矿井瑞利波观测超前探布置中，共有6个接收点，将A和F作为1对接收点，B和E为 1对，C和D为1对，共有3对接收点，得到3条频散曲线，每一条的频散曲线反映的地下位置都是一致的，均是位于C和D这一对接收点的中间位置的地下地质构造信息。最终要将这三条频谱曲线叠加成一条曲线［3］。通过分析频散曲线中的异常区，并结合地质资料和钻孔检验，来排查开采过程中的遗留采空区或巷道等复杂边界。这对判断采空区是否充水、是否将对煤矿开采带来危害具有重大意义。

图3 矿井瑞利波法超前探布置Fig.3 Advanced Detection A rrangem ent of M ine Rayleigh W ave M ethod

1.4 矿井反射波法

矿井反射波法属于地震勘探。不同岩性的岩层具有不同弹性属性，对于反射波具有不同的波速和路径。矿井震波探测技术的研究基础是矿井震波运动学和动力学特征理论（惠更斯原理、费马原理、反射系数与斯奈尔定律），形成于对数学建模、反演算法、图像处理、地质解析等专项技术的开发研究。

单点探测法是矿井反射波法中常用的超前探测方法，地震波会在波阻抗不同的界面产生反射波，单点探测技术就是利用此原理来探测地震波在介质中的传播速度和介质的厚度。探测原理如图4所示，单次锤击激发的机械波在波阻抗不同的界面被反射回来，由单个检波器进行接收，并对接收的数据进行分析研究得到相应的结果，因此称之为单点探测［3］。

单点探测的施工条件是检波器和震源要尽量靠近，但不要触及震源。其实单点探测的原理是垂直反射形式，反射波偏移距最大程度的趋近于零。检波器将接收来自岩层和煤层界面垂直反射回来的信号，分析并计算目的层的深度和厚度。由公式x2+4 h2=v2t2知，x趋近于零，h=vt/2，式中时间t可由波形记录上判读，波速须是一已知数，其取值准确与否，直接影响到目的层深度或厚度探测的精度。总的来说，在一定的探测区域内，岩层和煤层都有较稳定的垂向波速，所以探测时研究各稳定的波速，对于划分岩层以及确定要研究的目的层的具体位置，具有重要意义，为探测解析提供依据［8］。

1.5 矿井无线电波透视法

矿井无线电波透视法，又称坑透法，类似于雷达法［9］，其物理基础是电磁波在介质中的传播理论。不同的岩矿石具有不同的性质，当固定频率的电磁波进入其中时，电磁波会表现出不同的传播和衰变特征。同时，它们的电阻率或低阻成分的含量多少都会影响电磁波的衰变速度，电阻率越低或者低阻成分含量越多时对电磁波的吸收能力就越强，电磁波损耗就越多。电磁波被损耗的另一种情况是，在不同性质的岩层或者煤岩层间的界面上，由于存在反射、折射或者屏蔽而被损耗。

在煤层中做超前探测时，在合适的位置进行电磁波的发射和接收，在对采集的信号进行分析解释，便可推断煤层中将要遇到的地质体或者地质构造。不同的地质构造对电磁波的能量损耗是不一样的，当发射的电磁波在煤层中遇到特殊的地质构造，比如断层、含水裂隙、陷落柱或者其他构造时，电磁波的能量将会被大量吸收或者被完全屏蔽，这时所能接收到的电磁波信号将会非常微弱或者收不到透视信号，形成透视异常区，这种位置一般都是要探测的异常区的位置和范围［2］。依此，在井下我们就能快速高效地解决问题，大大提高了工作效率。

2 结论

本文主要介绍了五种矿井地球物理方法，并介绍了各种方法的应用范围。瞬变电磁法，通过观测一次场在岩矿石中激发的二次场的变化，得到不同深度的地电特征，结合水文和地质情况，可以较准确地解释地质特征。矿井直流电法，一般情况下通过三种方法和三种装置测量稳定电流场下的电阻率分布，来圈定底板断层、裂隙发育带，评价其含水性和研究底板深部灰岩含水层，解决煤层开采中遇到的地质问题。矿井瑞利波法，人工激发地震波，通过观察瑞利波的各种信息，来推测地质构造。矿井反射波法，发射的地震波中垂直传入煤岩层界面，然后被发射回来，通过反射时间来推算研究层的距离和厚度，为解析评价提供依据。矿井无线电波透视法，通过观察电磁波在地层中的损耗情况，来推断地质构造和其他地质特征。

［1］ 张威，王怀洪.矿井地球物理勘探总论［C］.山东地球物理六十年学术交流会论文集.青岛：山东省地球物理学会，2009：90-98.

［2］ 韩建光，田颖，张宁.矿井物探技术在煤矿水害预测中的应用［J］.高校理科研究，2009，8：70-72.

［3］ 牟义.矿井超前精细探测技术方法与应用［J］.煤矿安全，2012，43（11）：88-91.

［4］ 于景邨，刘志新，刘树才，等.深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用［J］.煤炭学报，2007，32（8）：818-821.

［5］ 刘树才，岳建华，刘志新.煤矿水文物探技术与应用［J］.中国煤炭地质，2010，32（10）：37.

［6］ 岳建华，李志聃.矿井直流电法及在煤层底板突水探测中的应用［J］.中国矿业大学学报，1997，43（3）：94-98.

［7］ 郭纯.井下直流电法技术在焦作煤矿防治水方面的应用［C］.煤矿安全与地球物理学术研讨会论文集.北海：中国煤炭学会青年工作委员会，2006：108-110.

［8］ 赵文曙，邵佩林，刘海东，等.基于矿井地震波法的地质超前预报技术研究应用［J］.中国矿业，2012，24（8）：465-469.

［9］ 姜海鹏，王术睿，汪锋.地球物理学方法在矿井突水预测中的应用［J］.煤炭技术，2010，29（11）：102-104.

The App lication Research of Geophysical M ethods in M ine W ater Disasters

Wang Hongzhen，Zhu Lu，Song Yongwen

（Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

Mine flood is one of themain factors ofmine safety production.This papermainly introduces several kinds of common ly-used geophysical methods，including mine transient electromagnetic method，mine direct current method，mine Rayleigh wavemethod，them ine reflection wave method，etc.According to the working principle of each method and the applicable scope as well as their advantages，the existence and occurrence state of the mine water position are analyzed to the greatest degree，preventing mine water problems in the process ofmining.

physics of the earth geophysics；mine transient electromagnetic method；mine direct current method；m ine Rayleigh wave method；m ine reflection wave method

TD745

A

1673-8047（2014）02-0026-04

2014-03-17

王洪祯（1990—），男，硕士，主要从事矿井地球物理方面的研究。