矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望_程久龙

第 卷第 期煤 炭 学 报 年 月 程久龙 李 飞 彭苏萍 等 矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望 煤炭学报 矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望 程久龙 李 飞 彭苏萍 孙晓云 中国矿业大学 北京 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 北京 华北科技学院 矿井灾害防治河北省重点实验室 北京 摘 要 矿井掘进工作面地球物理方法超前探测要求准确探测巷道前方地质异常体 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 个方面对地震方法 直流电 法 瞬变电磁法 其他物探方法用于超前探测进行了总结 介绍了近几年来地球物理方法在地质构 造 岩层含水性超前探测以及仪器研制等方面的最新进展 包括地震精细成像 槽波超前探测 瞬变 电磁波场转换与合成孔径 直流聚焦法超前探测 磁共振超前探测 井下陷落柱等超前探测以及全 空间反演和联合反演等技术 围绕提高超前探测的精度 分辨率 抗干扰能力和增加探测距离 实 现精细探测 提出了掘进工作面地球物理方法超前探测的发展方向 包括完善全空间物理场基础理 论 开发新技术新方法以及提高探测精度和分辨率的精细数据处理方法等 探讨了仪器装备要向 实时预报 智能化 一体化 防爆 轻便化 抗干扰等方向发展 关键词 地球物理方法 超前探测 研究进展 发展方向 掘进工作面 中图分类号 文献标志码 文章编号 收稿日期 责任编辑 韩晋平 基金项目 国家自然科学基金资助项目 国家重大科学仪器设备开发专项基金资助项目 作者简介 程久龙 男 安徽安庆人 教授 博士生导师 第 期程久龙等 矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望 矿井掘进工作面地球物理方法 简称物探 超前 探测是一项工作环境特殊 技术难度大 工作要求高 且关系到矿井安全的地球物理探查工作 矿井掘进 工作面工作环境艰苦 数据采集要在高温 高湿 高粉 尘 高噪音的环境中完成 劳动强度大 掘进工作面 空间狭小 限制了物探观测系统的布置和探测装备的 大小 进而影响了探测效果 掘进工作面具有高瓦斯 等特殊条件 仪器要求防爆 这也限制了物探仪器的 发射功率和地震震源的选择 掘进工作面是准全空 间条件 地面的探测理论不能直接应用于井下 这对 数据处理与解释提出了更高的要求 掘进工作面干 扰复杂 如铁轨 锚网 工业电 机械振动等 降低了数 据信噪比 掘进工作面在物探超前探测之后 便是钻 探验证 紧接着又是巷道掘进揭露 因此矿井掘进工 作面超前探测具有很高的技术要求 近几年来 随着煤矿山逐步进入深部开采阶段 高地应力 高地温 高岩溶水压 开采强扰动等地质环 境变化 对掘进工作面超前探测提出了更高的要求 因此 进一步完善和发展掘进工作面超前探测理论体 系 开发新技术新方法 是保障矿井安全生产的迫切 需求 矿井掘进工作面超前探测研究回顾 地震类方法 地震类超前探测方法利用地震波在不均匀地质 体中传播时产生的反射 绕射 散射等特性 来预报巷 道掘进前方及周围临近区域的地质状况 主要有反射 波法和瑞雷波法 矿井掘进工作面反射波法超前探测技术方法主 要有 沈鸿雁等 提出了 隧道井巷地震超前 预报方法 采用联合滤波技术进行波场分离 根据绕 射叠加原理和镜像原理进行成像 刘盛东等 提出 了 矿井地震波超前探测方法 采用巷道多次覆 盖观测系统采集地震数据 通过能量合成与分解 波 场分离 偏移叠加方法进行数据处理 可以解决巷道 前方 内的各种地质构造预报 贺志云 针对 型矿井多波地震仪的三分量数据采集系 统 开发了矿井多分量地震数据处理系统 为多波地 震超前探测提供了软件支持 梁庆华等 提出了矿 井多波多分量超前探测方法 能够较准确地探测到掘 进工作面前方 内断层 围岩裂隙 岩石破碎带 等情况 此外 针对隧道的地震反射波法超前探测技 术有时也被用于矿井超前探测 主要有钟世航提出的 陆地声纳法 曾昭璜提出的地震负视速度法 瑞 士 公司开发的 隧道地震超前预报系 统 日本 公司 美国 公司 德国 公 司等也研发了基于反射波法的隧道地震超前预报系 统 地震反射波法优点为探测距离长 分辨率高 信 息丰富 对地质异常特别是断层反映较灵敏 定位较 准确 缺点为由于受掘进工作面狭小空间观测条件的 限制以及三维空间岩体内不同方向反射波的影响 数 据处理与解释存在很大的困难 同时由于在煤巷超前 探测中地震波具有导波的柱状几何传播特征 且巷道 轴向一般与地层平行 相对成熟的隧道超前探测系统 在井巷超前探测中适用性较差 瑞雷波法超前探测是利用瑞雷波的频散特性进 行超前探测的方法 在非均匀弹性介质中 不同频 率的振动以不同的速度传播 即瑞雷波的频散特性 一定的频率对应一定的波长 即对应一定的地层深 度 瑞雷波超前探测优点为轻便快捷 缺点为探测距 离偏小 一般有效距离为 直流电法 矿井掘进工作面超前探测直流电法主要有直流 三极法 直流聚焦法和激电法 以直流三极法及其改 进方法为主 国内学者把直流电阻率三极测深法引入矿井巷 道超前探测已有近 的历史 但鲜见相关外文文 献 程久龙等 对以直流三极法为基础的两点三极 电阻率法超前探测数据采集与处理方法进行了系统 论述 之后刘青雯 韩德品 等分别提出了基于几 何交汇原理的三点三极和七电极系探测系统 在含 巷道三维正 反演数值模拟和物理模拟研究方面 黄 俊革 刘斌 马炳镇 等进行了较为系统的研 究 认为巷道空腔不会掩盖工作面前方地质体信息 但需要对数据进行校正 仅利用电阻率极值位置准确 解释超前探测异常的难度较大 在反演中由于同层等 值现象 反演结果只能确定异常体的厚度和电阻率的 组合值 煤 炭 学 报 年第 卷 直流三极法超前探测具有高效 方便 廉价的特 点 部分观点认为该方法探测距离可达 探测 精度较高 但一些学者认为该方法超前探测距离被人 为夸大 该方法缺点是受巷道后方及侧帮影响较大 且直流点源场存在对掘进工作面前方异常体的弱敏 感性 瞬变电磁法 瞬变电磁法在地面和航空半空间的理论研究和 应用技术已经较为成熟 在井下探测方面 于景邨 等 对层状介质瞬变电磁法时间 深度换算进行了 研究 通过物理模拟与井下试验研究了巷道底板铁轨 和金属支架等干扰的响应特征 提出了相应的校正方 法 刘志新等 姜志海 杨海燕等 进行了矿 井瞬变电磁法全空间三维正演计算 对多匝小回线间 自互感 全空间效应 发射功率 发射磁矩 关断时间 随发射线圈匝数的变化关系 关断时间 接收信号随 接收线圈匝数的变化关系等问题进行了系统研究 推 导了全空间晚期和全区视电阻率公式 研究了全空间 视电阻率解释方法 郭纯等 发展了同轴偶极装置 形式的超前探测方式 采用该方法进行了连续跟踪超 前探测试验 瞬变电磁法的优点为 对低阻体反映敏感 在岩 层富水性探测方面更具优势 超前探测距离较大 探 测方向指向性好 施工方便快捷 劳动强度小等 缺 点为 由于体积效应影响 分辨率低 难以准确分辨实 际的电性界面 同时因关断时间等影响 存在探测盲 区 由于全空间效应影响 掘进工作面前后方异常混 合在一起难以分离 其他方法 红外测温超前探测是应用红外测温仪对巷道壁 进行测温 根据测量辐射温度的变化判断巷道前方的 地质情况 主要应用于巷道前方近距离小范围含水性 探测 红外测温超前探测优点为快速 轻便 廉价 缺点为不能准确超前预报构造具体位置 易受施工涌 水和矿井通风影响 探测距离和探测精度有限 主要 作为超前探测的辅助方法 探地雷达法利用发射天线将高频电磁波以脉冲 形式由掘进工作面发射至地层中 经地层界面反射返 回掘进工作面 由另一天线接收回波信号 进而通过 对接收的回波信号进行处理 分析解释 达到对短距 离进行超前预报的目的 探地雷达超前探测方法优 点为轻便快捷 对构造探测分辨率高 缺点为探测距 离有限 仪器设备 在矿井巷道超前探测仪器研制方面 国内自主研 发的反射波法 瑞雷波法 直流电法 瞬变电磁法 探 地雷达 红外测温等仪器设备 整体上已初步形成系 列化 具有一定的生产规模和能力 基本上满足了国 内需求 但是在仪器稳定性 可靠性 灵敏度以及软 硬件配套能力等方面 与国外尚有明显的差距 国外仪器发展较早 技术更为成熟 特别是在反射波 超前探测系统和瞬变电磁法超前探测仪器方面 国外 仪器发挥着重要作用 国外仪器的不足是价格相对 较高 不具有专门的防爆性能 矿井掘进工作面超前探测研究进展 近几年来 国内外学者围绕矿井掘进工作面物探 超前探测地质构造和含水地质体进行了深入研究 特 别是在影响矿井安全生产的岩层含水性探测方面 取 得了许多成果 地质构造超前探测 槽波超前探测 从 世纪 年代起 国内外学者对槽波勘探进 行了一些研究 主要针对工作面的探测 在工作面探 测方面 姬广忠等 通过数值模拟发现 由于巷道的 影响 巷道壁上产生很强的巷道振型槽波 煤层中则 出现以 型为主的槽波 据此分析了实际槽波记 录的形成机理 在掘进巷道超前探测方面 杨思通等 提出了 型槽波煤巷小构造超前探测方法 采用在巷 道工作面前方煤层内靠近底板激发纵波震源 在煤巷 底板布置检波器的观测方式 数值模拟表明 在煤巷 工作面前方煤层内以纵波震源激发的 型槽 波相对于体波能量较强 波列较长 波速较低 沿煤层 传播的 型槽波在小构造面上产生 型槽波反射波 在煤巷工作面上转换为沿煤巷底板传 播的 面波 可以作为超前探测小构造的特 征波 在 地 震 记 录 上 反 射 型 槽 波 产 生 的 面波波至最迟 能量较强 在地震记录上容 易识别 在小构造探测方面槽波法相比于反射波法更 有优势 地震成像 近年来 极化成像和散射成像应用于矿井掘进工 作面超前探测地震成像 取得了较好的效果 极化偏移属于全空间条件下反射波法精细成像 王勃 从三分量地震信号的实时偏振分析出发 基 于面波与体波极化程度差异 纵横波传播方向与质点 振动方向正交差异 同类波与转换波速度差异 引入 偏振系数 主极化方向和相干因子 提出了适用于矿 井全空间的极化偏移成像方法 数值模拟和物理模 第 期程久龙等 矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望 拟实验表明该方法对异常界面收敛性强 方向分辨率 高 现场试验表明该方法能实现对异常体位置 倾角 倾向 个参数的准确超前预报 井下实际的地质问题往往很复杂 基于单一波场 理论的地震勘探方法不能正确描述复杂地震波场 这 就要求用广义的地震波散射理论去解决复杂地质问 题 金红娣等 通过数值模拟分析了散射成像的效 果 验证了散射成像应用于掘进工作面超前探测的可 行性 程久龙等 对基于共散射点等效偏移距的叠 前时间偏移成像方法进行了研究 数值模拟表明 相 比常规的成像方法 该方法在倾斜界面尤其是产生绕 射波部位的界面有更好的成像效果 为矿井掘进工作 面超前探测提供了新的思路 地震 超前探测 在掘进工作面地震超前探测中 异常体倾角相对 于异常体位置的处理解释更加困难 针对这一现状 邓帅奇等 对矿井矢量弹性波场进行了 数值 模拟研究 获得了观测系统前方不同倾角界面的振幅 随炮检距的变化规律 认为在炮检距相同条件下 波的水平分量 波的垂直分量及 波与 波水 平分量的绝对值振幅差与界面倾角大小成正比 波的垂直分量 波的水平分量及 波与 波垂 直分量的绝对值振幅差与界面倾角大小成正比 岩层含水性超前探测 直流聚焦法超前探测技术 直流聚焦法超前探测方法包括时间域和频率域 是利用同性点源的相斥 聚焦原理进行巷道超前探测 的技术 阮百尧等 对坑道中直流聚焦超前探测法 进行了系统的数值模拟和物理模拟研究 设计出适用 于坑道掘进工作面和侧壁剖面测量的直流垂直聚焦 超前探测电位观测方案 验证了垂直聚焦探测方案能 够准确探测出坑道掘进工作面前方及坑道旁侧不良 地质体的存在及空间分布 张伟杰 提出了基于双 频激电原理 利用约束电场与探测电场之间的相互作 用实现有效控制探测方向与探测距离的动态定向电 场激励法超前探测技术 设计了原理样机 开展了常 见有害地质构造的仿真探测 磁共振超前探测技术 磁共振方法通过接收水中氢原子核宏观磁矩进 动产生的电磁信号来探测地下含水体 磁共振技术 在地面勘探中已有较广泛的应用 近年来 在隧道和 井下超前探测的研究也取得了一些进展 林君 孙 怀凤 等针对地下磁共振超前探测在数值模拟 可 行性分析 观测系统布置和仪器设计等方面进行了系 统研究 在隧道超前探测中进行了试验性的水源探测 工作 相对于其他方法通过寻找低电阻率目标体来实 现含水构造的探测 磁共振方法能够直接寻找含水 体 具有获取信息丰富 解释惟一 结果量化等优点 但也存在探测距离短 分辨率较低 测量速度慢 抗干 扰能力较差等缺陷 且因为需要大的发射功率在井下 探测时对防爆技术要求更高 激发极化法超前探测技术 激发极化法根据岩 矿石的激发极化效应探测地 下含水体 李术才等 基于三维电阻率反演和大电 流激发极化半衰时之差法 提出了隧道含水地质构造 超前探测技术体系 研发了隧道地质预报专用激发极 化仪器 数值模拟 物理模拟和工程应用表明 该技 术可以实现含水体的三维成像与含水构造预测 拓展 了超前地质预报工作的功能 瞬变电磁多分量阵列式三维探测技术 现有瞬变电磁工作方法数据采集量相对较少 在 进行处理解释时只能给出电阻率二维拟断面图 难以 进行三维反演成像 针对以上问题 孙怀凤 借鉴 地面大回线中心装置的观测方式 结合隧道探测的实 际情况 提出了适用于隧道的多分量阵列式瞬变电磁 三维探测方法 该方法能够进行三维 多分量数据采 集 获得的数据包含探测目标的三维地电结构分布特 征 为瞬变电磁三维反演成像奠定了基础 数据处理方法 波场转换与合成孔径雷达技术 薛国强等 在瞬变电磁拟地震成像方面做了较 为深入的工作 提出了从瞬变电磁场到波场的优化算 法 总结了虚拟波场在色散介质中的传播规律 李貅 等 对探测数据进行了合成孔径雷达处理 证明该 技术可以提高信噪比 突出弱异常 提高分辨率 加大 勘探深度 程久龙等 对矿井瞬变电磁波场转换 与数据处理方法进行了系统研究 对掘进工作面超前 探测数据进行了合成孔径雷达处理 工程应用表明 波场转换能够突出低阻异常进而提高分辨率及勘探 精度 合成孔径雷达能够增强弱异常 提高信噪比 实 现矿井瞬变电磁低阻异常电性界面的精细探测 图 为矿井瞬变电磁超前探测的常规视电阻率扇形平 面图与经波场转换和合成孔径成像的平面图的对比 可以看出 常规视电阻率扇形平面图中视电阻率界面 的划分依据的是视电阻率的大小 人为因素影响大 而经波场转换和合成孔径成像后的电性界面的划分 不受人为因素影响 因而是客观的 全空间反演 煤矿井下瞬变电磁法探测中 电磁场呈全空间分 煤 炭 学 报 年第 卷 图 常规视电阻率平面图与合成孔径成像平面图的对比 布 全空间瞬变电磁反演是复杂的非线性问题 目前 常规反演中全空间响应主要由半空间响应乘以全空 间响应系数来得到 导致反演结果中掘进工作面前方 和后方异常叠加在一起难以分离 针对常规反演方 法的不足 李明星 提出了基于全空间瞬变电磁场 理论和粒子群优化算法的矿井全空间瞬变电磁非线 性反演方法 数值模拟和现场试验表明 相比半空间 反演结果 全空间的反演结果与实际地质资料的吻合 程度高得多 能够实现全空间岩层电阻率异常的分 离 提高全空间瞬变电磁勘探资料的解释精度 联合反演 联合反演在地面半空间已经有很多成功的先例 在地下全空间的研究很少 等 对矿井 地震和电法进行了 层模型的联合反演研究 李 飞 基于全空间直流点源场和瞬变电磁场理论 运 用粒子群优化算法 提出了矿井掘进工作面瞬变电磁 和直流电法超前探测同步联合反演方法 数值模拟 和工程应用表明 联合反演对掘进工作面前方异常体 位置 范围的计算精度和分辨率 比一种方法的单独 反演都有明显提高 该方法能够压制干扰 抑制等值 现场对反演的影响 提高探测精度 实现掘进工作面 前方和后方地质异常的分离 井下采空区 陷落柱超前探测 采空区 陷落柱等隐蔽致灾因素危害大 探测困 难 相对于钻探 化探和地面物探 井下物探更有优 势 近年来在掘进工作面前方的采空区 陷落柱物探 超前探测方面积累了一定的技术经验 刘白宙 介 绍了瞬变电磁技术在煤矿井下探测老空水方面的应 用 研究了井下巷道有限施工条件下探测不同赋存方 位采空区的方法 证明了技术在探测巷道掘进头前 方 巷道顶底板及巷道侧帮等方向老空水的有效性 梁庆华 研究了矿井全空间小线圈瞬变电磁探测技 术在老空区积水 陷落柱方面的应用 给出了采空区 陷落柱在含水和不含水情况下的瞬变电磁超前探测 的工程应用实例 姜志海 对不同地质异常体的瞬 变电磁超前探测进行了系统研究 给出了陷落柱和老 窑积水的探测方法和工程应用实例 崔凡等 研究 了防爆探地雷达在井下有限空间里精确探测陷落柱 的方法 结合多种数据处理方法 给出了在 探 测范围内精确探测陷落柱的工程应用 仪器设备 在电法类探测方法中 吉林大学核磁共振课题 组 成功研发了小型化磁共振仪器 并进行了实验 性的隧道灾害水源探测工作 研发了共用一套天线系 统的瞬变电磁和磁共振联用仪 李术才等 针对隧 道工作环境特点研发了隧道超前探测专用激发极化 仪器系统 解决了普通激电仪无法实现大电流脉动恒 流供电的问题 突出了半衰时之差参数的测量功能 在地震类探测方法中 王勃等 设计了雷管震 源装置 较炸药震源具有价格低廉 施工效率高 安全 性强的优势 较锤击震源具有频带宽 能量强 高频信 号丰富的脉冲特性优势 设计了结合 正交型 三分量及 加尔彼林斜三分量的六分量传感 器 指向性较三分量更加丰富 朱国维等 研制了 智能三分量地震检波器 具有高采样率 大动态范围 控制智能化与轻便易携 采集信号原位数字化 抗干 扰能力强的特点 在探地雷达方面 中国矿业大学 北京 依托国家 重大科学仪器设备开发专项研制了矿井防爆地质雷 达 频率范围 经工业性试验 在煤巷 中超前探测有效距离不小于 展 望 矿井掘进工作面物探超前探测虽然已成初步体 系 但探测效果远未能满足实际安全生产需要 物探 超前探测任重道远 今后的研究要紧紧围绕提高超 前探测的精度 分辨率 抗干扰能力和探测距离来开 展 重点加强基础理论与新技术新方法 精细数据处 理方法以及新仪器装备等方面的研究 基础理论与新技术新方法 地震类超前探测方法 在数值模拟方面 矿井掘进工作面地震超前探测 第 期程久龙等 矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望 中地震波场非常复杂 需要进一步摸清超前探测中三 维全波场特征 因此建立实际巷道空间条件下针对小 构造探测的三维模型的正演模拟尤为重要 在观测 系统方面 常规的线性观测系统接收到的波场信息有 限 充分利用掘进工作面 巷道顶 底板 侧帮和钻孔 等空间 建立空间三维立体观测系统 可以最大限度 的获取空间波场信息 避开障碍物和干扰源 压制干 扰 提高探测精度 在地震波的接收方面 多波多分 量超前探测技术有利于最大限度的获取 利用空间波 场信息 提高超前探测精度 压制干扰 实现超前地质 构造精细探测 在地震波的激发方面 传统的炸药震 源和锤击震源适用性受到制约 以采掘机械作业过程 产生的震动作为震源 如以掘进机作业为震源的随掘 地震 的超前探测 因具有实时探测 不干扰正常掘进 作业等优势 是地震超前探测新震源研究的一个前沿 方向 此外 槽波在煤巷掘进工作面超前探测 特别是 小构造探测 方面具有一定的优势 进一步发展和完 善槽波超前探测理论和方法是一个重要发展方向 直流电法类超前探测方法 直流三极法及其改进方法超前探测 虽然技术体 系已相对成熟 但探测效果仍然存在争议 针对直流 三极超前探测方法的有效探测距离 基于几何交汇原 理数据处理方法的效果 对含水小构造的探测能力仍 然需要进一步的探讨 此外 直流三极法由于对掘进 工作面后方地质情况控制作用好 且对前后方异常具 有可分性 因此与其他方法的综合探测 联合反演是 其发展方向 直流聚焦法超前探测 是直流电法超前 探测的主要研究方向之一 技术难度大 要在不同地 质异常体的聚焦电场特征和观测系统方面进行深入 研究 瞬变电磁超前探测方法 瞬变电磁超前探测是准全空间探测 干扰复杂 地质异常各异 导致全空间电磁场特征复杂 给后期 数据处理解释带来了很大困难 要进行准确的预报 首先要进行全空间含不同干扰体三维正演模拟 对不 同干扰源和地质异常体探测中可能产生的电磁场特 征进行分析 为现场数据采集和资料处理解释提供可 靠的理论依据 综合探测技术 在矿井掘进工作面超前探测中 单一探测方法都 有一定的局限性 通过两种或两种以上方法的多参数 综合探测 可以实现各种方法的优势互补 压制干 扰 从而提高探测精度和探测距离 如瞬变电磁法和 直流三极法的综合超前探测可以弥补瞬变电磁法对 高阻和盲区探测的不足 实现掘进工作面前后方异常 分离 电法和地震类方法的综合超前探测 对构造和 含水性达到全面的探测效果 此外 红外测温方法快 速 轻便 磁共振方法能够定量探水 这都为其他方法 的综合探测提供了良好的基础条件 随掘超前探测技术 常规的超前探测方法不能实现探掘协调作业 影 响掘进速度 导致有的矿井为了抢工期 赶进度而忽 视探测重要性 造成安全事故 将探测仪器与掘进机 进行一体化设计 实现随掘探测是一个很好的解决方 案 如以掘进机截割岩石产生震动为震源的随掘地 震 可以在掘进机工作过程中实施地震探测 不需要 另外震源 炸药 锤击等 不需要掘进机停止工作来 探测 可大大提高工作效率 随掘超前探测可以实现 对前方地质灾害的实时监测 更好地保障掘进安全 物联网技术 在矿井掘进工作面超前探测中 数据采集和处 理 解释常常由不同人员完成 而且 数据采集是在井 下进行 数据处理和解释是在地面进行 采集与处理 解释时间上不同步 地面人员也无法了解和掌握井下 情况 借助于物联网技术可以有效地解决这一问题 数据采集可以通过物联网技术与地面实时互通 同时 地面处理解释结果可以实时反馈到井下 指导现场施 工 可以大大提高工作效率 提高超前探测预报的准 确性 提高探测精度和分辨率的精细数据处理方法 地震精细成像 地震精细成像的前提是要充分利用空间立体观 测系统和多分量检波器接收的地震波场信息 进一步 开展极化成像 散射成像 地震干涉等成像方法研究 针对煤巷掘进工作面超前探测的特点 要进一步研究 槽波超前探测理论和成像方法 瞬变电磁精细成像 瞬变电磁精细成像的难点在于体积效应造成的 低分辨率和全空间效应造成的掘进工作面前后方异 常叠加 精细成像技术要从解决这两个难点出发来开 展研究 瞬变电磁波场转换与合成孔径雷达技术 将传统 的瞬变电磁场求解问题转化为波动方程的求解问题 将传统的单点处理方式发展成为逐点推移多次覆盖 的处理方法 为提高瞬变电磁法的分辨率开辟了新的 途径 近年来虽然取得了一定的成果 但方法还不够 成熟 需要在提高分辨率上进一步研究 常规的数据处理方法以视电阻率计算和一维反 演为主 反演中全空间响应由半空间响应乘以全空间 煤 炭 学 报 年第 卷 响应系数得到 相对于常规的数据处理方法 全空间 反演 联合反演等技术可以实现掘进工作面前后方异 常的分离 是提高瞬变电磁超前探测精度和分辨率的 有效途径 压制干扰的处理方法 相对于地面探测 井下探测干扰更加复杂 高效 的干扰压制方法是提高探测精度和分辨率的重要手 段 压制干扰数据处理方法的发展方向主要有 进一 步研究干扰信号的特征和校正方法 通过正演模拟 物理模拟和现场实验等方法研究干扰源的物理响应 特征 通过对原始信号的校正来减小干扰的影响 进 一步研究波场分离方法 突出有效波 压制干扰波 进 一步研究有效的数据叠加方法 通过相关分析等处 理 将不同测点的数据进行有效叠加 增强有用信号 达到压制干扰 进一步研究综合探测方法的多场信息 融合计算方法 压制不同探测方法的干扰 提高信噪 比 多场联合反演 联合反演是综合地球物理定量解释的重要手段 根据反演流程的不同 联合反演分为剥离法 顺序法 伸展法和同步法 前 种是不同方法反演结果之间的 综合 同步反演是真正意义上的联合反演 根据反演 方法的不同 联合反演分为线性反演和非线性反演 非线性反演在稳定性和准确性方面更有优势 目前井下探测联合反演研究较少 应该围绕同步 联合反演和非线性联合反演来开展研究 在进一步研 究瞬变电磁和直流电法等基于相同物性联合反演方 法的同时 加强地震类方法和电法类方法 电法类方 法和磁共振方法等基于不同物性联合反演方法的研 究 仪器设备 实时预报与智能预警 目前掘进工作面超前 探测还处在现场采集数据 地面处理解释阶段 开发 现场采集 即时处理分析的实时预报探测装备 实现 智能预警 不仅可以大大提高生产效率 而且可以保 障掘进生产安全 矿井多源灾害一体化超前探测装备 矿井多 源灾害一体化超前探测装备 通过最大限度的优化仪 器设计 如共用电源装置 天线 震源等 有望大大降 低综合探测成本 提高工作效率 磁棒接收与天线屏蔽等新技术的应用 矿井 瞬变电磁超前探测中 常规的接收是感应线圈 体积 大且稳定性不足 开发磁棒或高温超导磁强计 代 替感应线圈接收是提高信噪比 增加探测距离 减小 装备质量的必由之路 另外 电磁波的全空间传播严 重影响了瞬变电磁法的资料处理和解释 研制天线屏 蔽技术 加大指向性 可大大提高矿井瞬变电磁法的 探测精度和分辨率 小型化 轻便化 智能化 矿井掘进工作面空 间有限 各种地面物探方法应用于井下探测小型化 轻便化设计是首要条件 超前探测是专业性非常强 的工作 要求探测人员具有一定的理论与技术 通过 对超前探测仪器设备的智能化设计 让非专业人员也 可以操作 处理和解释 可以降低探测成本 促进超前 探测装备的推广与应用 稳定性 抗干扰能力 仪器设备的稳定性和 抗干扰能力是采集到高质量原始数据的基础保障 这 也是国产仪器与国外仪器的差距所在 研发具有稳定 性强和抗干扰能力强的超前探测仪器设备是井下物 探技术的发展方向 结 论 矿井掘进工作面地球物理方法超前探测要求准 确探测巷道前方地质异常体 探测空间小 干扰大 技 术要求高 目前超前探测方法主要有地震方法 直流 电法 瞬变电磁法 探地雷达法和红外测温法 各有一 定的优势和缺陷 近几年来地球物理方法在地质构造 岩层含水性 超前探测以及仪器研制等方面取得了一些新的进展 在地质构造探测方面有槽波超前探测 地震精细成像 用于探测等 在岩层含水性探测方面有直流聚焦法超 前探测 磁共振超前探测 激发极化法超前探测 瞬变 电磁多分量阵列式三维探测技术等 在数据处理方面 有瞬变电磁波场转换与合成孔径 全空间反演和联合 反演等 掘进工作面地球物理方法超前探测任重道远 要 围绕提高超前探测的精度 分辨率 抗干扰能力和增 加探测距离开展进一步的研究 完善全空间物理场基 础理论 开发新技术新方法 研究精细数据处理方法 实现精细探测 仪器装备要向实时预报 智能化 防 爆 轻便化 抗干扰等方向发展 参考文献 沈鸿雁 反射波法隧道 井巷地震超前预报研究 西安 长安 大学 刘盛东 郭立全 张平松 巷道前方地质构造 法超前探测技 术与应用研究 工程地球物理学报 第 期程久龙等 矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望 贺志云 矿井多分量地震勘探数据处理系统的设计与应用 北京 中国矿业大学 北京 梁庆华 宋 劲 矿井多波多分量地震勘探超前探测原理与实验 研究 中南 大 学 学 报 自 然 科 学 版 钟世航 孙宏志 王 荣 陆地声纳法 北京 中国科技技术 出版社 曾昭璜 隧道地震反射法超前预报 地球物理学报 丛皖平 张 鹏 王继矿 多道瑞利波在矿井独头巷道超前探中 的应用 煤田地质与勘探 程久龙 王玉和 于师建 等 巷道掘进中电阻率法超前探测原理 与应用 煤田地质与勘探 刘青雯 井下电法超前探测方法及其应用 煤田地质与勘 探 韩德品 李 丹 程久龙 等 超前探测灾害性含导水地质构造 的直流电法 煤炭学报 黄俊革 阮百尧 王家林 坑道直流电阻率法超前探测的快速反 演 地球物理学报 刘 斌 李术才 李树忱 等 隧道含水构造直流电阻率法超前 探测研究 岩土力学 马炳镇 李 貅 矿井直流电法超前探中巷道影响的数值模拟 煤田地质与勘探 李 飞 掘进巷道直流电