矿井地球物理勘探技术与发展

矿井地球物理勘探技术与发展,安徽理工大学郭立全2014年5月8日,一、矿井地球物理勘探技术概况,地球物理勘探，简称“物探”，传统的表述是用物理方法来勘探地壳上层岩石的构造与寻找有用矿产的一门学科。它是根据地下岩层在物理性质上的差异，借助一定的装置和专门的物探仪器测量其物理场的分布状况，通过分析和研究物理场的变化规律，结合有关地质资料推断出地下一定深度范围内地质体的分布规律。,1.1物探工作的地位和作用,资源探查：查明地下资源，合理地开发利用资源和保护环境是当前紧迫而又繁重的任务。煤炭、油气、金属、非金属、有色、黄金、核原料、建材；工程建设：铁路、公路、水坝、水电站、桥梁、港口、厂房及国防设施皆要求快速地、可靠地提供地质资料以及建设工程质量评价；多、快、好、省地解决有关矿山工程、地质工程、环境工程、工程质量中的许多问题；地球物理勘探方法的技术水平以及它在地质工作中应用的地质效果和经济效果，是衡量地质工作现代化水平的重要标志之一。,根据所研究的天然或人工物理场的不同，地球物理勘探领域又分为几个大类；根据需要和可能，其物理场的探测空间又是十分广阔的，包括遥感、航空、地面、地下、海洋物探等。常用的物探方法有：1、研究地质体引力场特征的为重力勘探；2、研究岩（矿）石磁性及地球磁场，局部磁异常变化规律的为磁法勘探；3、研究岩石电学性质及电场、电磁场变化规律的为电法勘探；4、研究岩土弹性力学性质的地震勘探、声波、超声波探测技术为震波勘探；5、研究岩（矿）石的天然或人工放射性的为放射性勘探；6、研究物质热辐射场特征的为红外探测方法等等。此外，随着科学技术的发展，许多新理论、新方法正在不断地被引进物探领域，如无线电探测技术、遥感技术、地质雷达、瞬变电磁、微重力、层析CT技术等等，为地球物理勘探方法的发展开辟了广阔的前景。,1.2物探工作的分类,物探与其他学科的关系,物探,地质学,水文地质学工程地质学,矿床学煤田地质学油气地质学,地球化学,地球物理,工程数学计算数学,钻探工程基础工程,环境工程,电子技术计算机IT,可视化勘探成果,物探技术研究的几个重要环节,（1）地球物理探测问题及其基础理论研究（数值、物理模拟）（2）物探数据采集仪器设备及现场工作技术方法（3）物探数据处理及程序（4）地质解译及探采对比,1.3物探技术的特点,优点：效率高、低成本、宏观性、透视性；缺点：局限性、多解性；和常规地质勘探方法相互补充，在某些情况下可以解决常规地质勘探方法难以解决的一些问题。,1.4物探发展的前景,现有常规物探方法进一步发展，是物探发展的基点。主要应从探测深度、广度、分辨能力、解释水平等方面提高。地球深部探测（大陆深钻）、微观程度研究程度加大。作为技术手段力量在不断加强。现有物探技术向快速勘探方向发展。与其他学科联系越来越密切，仪器设备及技术本身发展更为迅速。,1.5矿井物探技术及其特点,根据探测地点的差异又分为矿井地球物理勘探。影响煤矿安全生产的地质因素较多，主要有：（1）煤层厚度及其变化（2）顶底板岩层组合特征及发育特点（3）断层褶曲等构造的特征及分布规律（4）矿井水文地质条件探查与分析（5）瓦斯地质及煤体结构特征等井下物探重点是围绕矿井巷道开掘及工作面生产过程中所遇到的各种地质问题进行探测，其不同方法具有各自的探测优势，探测过程中必须有针对性地选取相应的探测方法。,常用的矿井物探方法技术,矿井地球物理勘探方法是以研究煤层及其围岩的某种物性（电性、弹性、密度、磁性及放射性等）为基础，由于研究的物性不同，因而有不同的勘探方法。目前，使用的矿井物探方法多种多样，主要有以下几种：（1）电法类：矿井直流电法勘探，矿井瞬变电磁法勘探；无线电波透视法；矿井地质雷达；音频电透视。（2）地震及声波探测:槽波地震勘探；矿井反射波、矿井折射波、矿井瑞雷波勘探；矿井岩体声波探测等。（3）其它物探方法:巷道微重力测量；放射性勘探；红外线遥测等。,矿井生产中物探方法与应用,矿井物探技术研究的特殊性,1探测场地有限，地面成熟方法应用受限制2矿井（主要是煤矿井）对探测仪器设备要求高，一是安全防爆Ex标志，二是MA标志3所要解决的地质问题较多，且具有较强的复杂性、危害性和隐蔽性4三维空间作业，目标体的定位难度加大5干扰因素多，数据记录质量变化大6工作条件差、作业人员艰苦，研究人员少,二、地震类勘探技术,（一）反射波探测技术地下不同岩层之间存在波阻抗差异是反射地震波探测的地球物理基础。即不同岩层之间存在密度和地震波传播的速度差异。煤系地层中不同岩层之间的界面，如煤与围岩、灰岩和砂泥岩之间的界面；构造界面，如断层界面；岩层结构变化界面，如灰岩中的岩溶裂隙或空洞等产生的界面，这都是强的波阻抗界面，在这些位置均会产生强的反射波。可进行多次覆盖观测系统布置。,为了适应井下特殊的地质条件，采用共偏移探测技术进行相应探测，获得具体的地震波数据，从而进行地质构造解释，能够解决一定的地质问题。目前在矿井日常地质构造探测中得到了广泛的应用。反射共偏移法是依据反射波勘探原理，在最佳窗口内选择一个公共偏移距，采用单道小步长，保持炮点和接收点距离不变，同步移动震源和接收传感器。每激发一次接收一道波形，最后得到一张多道记录，各道具有相同的偏移距。,向上探测,向下探测,单道单次观测系统,当地下岩层存在界面时，即会发生反射，在地震记录中出现强波组特征。因此根据波组相位的追踪对比、能量及波的频率等变化可以进行异常判断与解释。,井筒测试剖面,陷落柱探查剖面,顾桥矿南大巷F108支断层探查剖面,潘二矿底板灰岩探查剖面,（二）折射波法勘探技术折射波法是矿井常用的一种震波探测方法，它主要是利用折射波时距曲线进行地质条件探测与解释。现场探测方法主要有单边排列布置和双边剖面布置方式。矿井折射波法常用来进行底板煤层剩余厚度探测，地面上进行覆盖层厚度探测等内容。,（三）直达与透射波测试技术,利用岩土层单个钻孔或跨孔测试，对岩土层完整性及其特征进行评价。,（四）瑞雷面波探测技术瑞雷波法是通过采集人工地震波所携带的地下信息来分析地层结构，其采用的方法是面波频谱分析法，也叫瞬态法，它是由震源产生一定带宽的脉冲，通过测线上相距震源不同距离的两个接收传感器，把信号采集到瑞雷波仪的记录中，利用FFT（快速付里叶变换）和频谱分析技术，通过相干函数的互功率谱相位展开谱，从而得到两个记录信号在不同频率下瑞雷波在传播过程中由于时滞而产生的相位差，根据两路不同频率信号的相位差就可计算出传播时间和速度。由A，B两点的已知距离，便可求得不同频率瑞利波的相速度，同时由此得到该点的频散曲线，并进行地下结构解释。,多道面波勘探技术,（五）锚杆、桩基检测技术,主要用途：对锚固质量检测包括测量锚杆长度、锚固状态（或砂浆饱满度）的检测，其中锚固状态含检测锚杆的自由段长度、锚固段长度、施工缺陷和整体评价锚固施工质量。,测试原理是：利用声频应力波（简称声波）快速检测：在锚杆外露的端头，利用超磁震源激发高频高能量声波，同时接收锚杆体内的反射信息。利用声波在受边界条件约束的一维杆状体内传播的运动学与动力学规律，尤其是对边界条件变化产生的特征反射和杆体内波动能量的外泄（即衰减）特征，进行波谱分析和能量衰减分析，快速检测与分析锚杆长度、锚固状态（或砂浆饱满度）的检测。,桩基和锚杆测试,桩基检测波形特征,原理：槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播的导波，探查煤层不连续性。地震波在煤槽顶底板之间来回反射，相互干涉而形成槽波。当槽波遇到断层等异常体时能量会减小，通过研究这种变化性质来探测构造。,槽波地震勘探原理及方法,槽波勘探,槽波勘探,槽波的形成、特性,地震波在煤槽顶底板来回反射，波相互干涉而形成槽波(in-seamwaves)，也称煤层波。槽波分为瑞雷型槽波（P、SV）和洛夫型槽波（SH）。,槽波的形成原理示意图,槽波勘探,用途：煤矿井下工作面或盘区内的断层、陷落柱、火成岩侵入体煤矿井下工作面或盘区内的冲刷带和煤层变薄带等地质异常井下未探明的小构造、断层、采空区、陷落柱隧道前方断层、软弱破碎带等不良地质体优点：具有探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征较易于识别以及最终成果直观的优点，尤其在探测精度和距离上优于其他煤矿井下勘探方法，传播距离理论上达煤层厚度的300倍，是目前最有效的探测方法之一。,槽波探测方法的用途及优势,槽波勘探,槽波透射法：炮点与检波点布置在采区周围巷道内，根据槽波的有无、强弱判断构造异常。最常用、精度高。,槽波地震勘探方法,槽波透射法勘探示意图,槽波勘探,槽波反射法：炮点与检波点布置在同一巷道内，利用的是反射槽波。如果槽波在煤层中传播遇到了不连续体,就会产生反射槽波信号。最大优点是可以在一条煤巷中向两侧进行小构造的探测。,槽波地震勘探方法,槽波透射法勘探示意图,槽波勘探,道数少；设备笨重、施工过于复杂，矿方不乐于应用；软件与技术发展滞后等问题，槽波技术90年代发展停滞，这几年才又兴起，软件与技术没有与时俱进。,目前槽波技术缺陷,采用槽波能量成像，成像效果很好，十分直观，成像结果和原来揭露较为吻合。,凹陷积水区,切眼推进区,揭露陷落柱,槽波勘探,根据反射槽波、槽波波速CT成像和小波分析，结合工作面推进素描图综合推断，最终工作面内部解释了XL1和XL2两个陷落柱，得到验证。,小波分析,钻探推测陷落柱,槽波波速成像及揭露,采用槽波波速层析成像。,槽波速度CT成像,变薄区,较厚煤层,变薄区,采用槽波波速层析成像。,速度转换为煤厚,变薄区,变薄区,较厚煤层,工作面震波CT探测技术,CT是英文ComputerizedTomography的缩写，又称为层析成像技术。工作面震波CT探测技术是以采煤工作面为研究对象，以运输巷、回风巷和切眼等巷道构成地震透射勘探观测系统，利用人工激发的地震波在采煤工作面内传播时所携带的时间、能量信息，依据一定的物理和数学关系反演工作面内部介质物理量（如：速度、弹性模量等）的分布，得到清晰的图像切片。通过对CT图像的解译从而获得采煤工作面内地质构造与煤层赋存状况的分布特征。工作面震波CT技术研究与实践自20世纪90年代初开始，并成功应用于矿井地质构造及其异常的探查中。自技术推广应用以来，已在安徽、山东、山西等十多个矿井工作面探查中获得成功。目前累计完成测试工作面40多个，探测长度达25000多米，受到矿井生产及技术权威部门的一致好评。,将地震波CT探测技术与其他地质要求相结合，如通过孔间、井巷间、巷间、地面与井巷间等多种形式进行装置布置，可以解决不同的地质问题，如煤层开采顶、底板破坏规律、巷道松动参数确定等内容，提供相对清晰有效的地质剖面，为进一步地质解释提供依据。,震波井下工作面构造探测布置,CT探测仪器,皖北祁东矿探测成果,淮北芦岭矿探测剖面,淮北杨庄矿探测成果,顶底板破坏规律探测,煤层开采过程中，受应力破坏作用，在煤层顶板岩层中形成“冒落带”、“裂隙带”和“弯曲变形带”，即覆岩“三带”。同样受开采的影响，底板岩层也将产生一定深度的破坏，形成底板破坏带。掌握煤层顶底板岩层破坏参数对于矿井水害防治、改进支护技术、安全回采上限等具有重要意义。和传统的“三带”探测技术不同，实施的顶底板破坏监测技术在开采前于煤层顶底板岩层中预埋入传感器，在回采过程中持续观测岩体的物性（弹性、电性）变化，利用岩体破坏前后物性变化来动态观测岩层破坏带在时间和空间上发育规律。实际应用时采用了震波孔-巷CT技术、孔中并行网络电法技术进行远程实时监测。该技术目前已在淮南、淮北、山东、河南等地得到成功应用，为矿方带来较好的经济和安全效益。,技术特点与指标：1）采用了地球物理场监测技术，探测范围广。2）观测时间长，能够持续把握煤层回采前后顶底板岩层的完整破坏过程。3）物性参数多，综合利用了煤岩体的速度、电阻率、声发射等参数。4）能清晰直观地动态掌握岩体破坏带的形态与时空发育规律。,皖北恒源公司某面煤层底板岩层破坏探测成果,煤层顶板岩层破坏探测成果,巷道及隧道掘进过程中所遇到的地质问题相对较多，且对安全生产影响较大，因此必须加强对超前探测技术研究的力度。技术特点与指标:1）巷道/隧道前方100-150m内地质异常，如断层（落差1m）、软弱破碎带、陷落柱等不良地质体预测预报；2）巷道/隧道前方7090m含水特征进行预测与评价；3）巷道/隧道前方100m范围内瓦斯富集程度进行定性划分与评价。,巷道/隧道超前探测技术,隧道地震超前预报系统（TunnelSeismicPrediction，简称TSP系统，最新款为TSP-203型），是由瑞士安伯格（Amberg）测量技术公司研制的一套先进的地质超前预报探测系统，我国是从20世纪90年代引进这套设备，目前主要应用于隧道系统，因仪器设备不防爆未在煤矿井巷超前探测中推广应用。TSP和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理：地震波在指定的震源点（通常在隧道及井巷的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线）用小量炸药激发地震波，产生的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播，当遇到岩石物性差异（即存在岩煤层界面波阻抗差异，例如断层、岩石破碎带、岩性突变等）时，一部分地震信号反射回来，一部分透射进入前方介质，反射的地震信号被两个三分量高灵敏度的地震检波器接收形成地震记录。,1、隧道地震超前预报系统（TSP）,现有超前探测方法,TSP观测系统及布置,TSP203系统的组成部分,TSP探测对比实验,矿井震波超前探测技术（MineSeismicPrediction-MSP）由安徽理工大学物探课题组提出，在完成大量数值模型、物理模型实验基础上，同时集合多年的地震处理软件编制实践和矿井探测实践经验开发完成了地震超前探测智能化解析系统。适用于进行矿井巷道、隧道、地铁等地下工程的超前探测处理、解释及地质构造预报。目前已在安徽、山东、河南等多个矿井展开应用实践。包括三个重要的组成部分：1）MSP数据采集系统及其技术工作方法2）MSP数据处理方法及其配套软件3）MSP探测硬软件系统集成（主机、检波器、解释软件）,MSP探测方法技术,2）二维直线型观测系统,超前探测观测系统,多接收点对比,数据采集接收系统仪器设备,超前探测实例顾桥岩巷探测,-780南翼轨道S40+200m段MSP与TSP对比探测,MSP法S40段超前探测深度偏移与界面提取剖面图,南翼轨道大巷S40段实测剖面,MSP法S44段超前探测深度偏移与界面提取剖面图,南翼轨道大巷S44段实测剖面图,鹤煤十矿1504底板抽放巷迎头（MSP）超前探探掘对比,永锦公司云盖山一矿行人暗斜井超前探测反射界面提取剖,1）由超前探测，到超前实测，再到超前监测程度的发展，主要是利用巷道迎头震源直接采集信号，并进行相关处理，每一天监测20m，即可满足生产的要求。,2）多种物探方法技术的综合利用，进一步提高勘探深度，提高探测准确率。,（5）超前探测技术未来发展,三、矿井探测中的电磁方法,（一）直流电阻率法,电法因其利用的物理原理不同而有许多种类，它们解决地质问题侧重点也因之有别。同一种方法也可采用不同的工作装置，从而解决不同的地质问题。除了常规的电测深（三极测深、四极测深）、电剖面法（三极剖面、偶极剖面）外，主要是高密度电法及音频电透视法探测技术应用。,井巷中直流电法应用的分支较多，从布极方式上有对称四极和单极偶极法；从观测方式上有测深法、剖面法和透视法，它们都以全空间电场分布理论为基础，研究不同电性层或不均匀地质体引起的变异场分布特性（即相对于均匀全空间电场分布而产生的变异场特性），进而推断解释地质异常体的性质及赋存状态。矿井直流电法因其理论成熟、层位反映明显、对含水构造反映敏感等特点而得到广泛应用，主要用于巷道底板测深及迎头前方的含水构造，可以解决层位划分和富水体圈定问题（即直流电测深和超前探测），但该方法属于几何测深体积效应，施工受巷道条件限制，采集信息主要来自巷道附近或巷道掘进头前方，对工作面内部煤层及其顶、底板含水构造的探测受到很大限制，而工作面内的隐伏构造（特别是含导水构造）往往是工作面回采时的重要突水隐患。,高密度电阻率法和地面电法相比，在井巷中探测，一是三维空间体电流分布特征，二是仪器设备的防爆特性。,淮北朱庄底板探测成果,钻孔电法和地面钻孔电阻率测井方法类似，可划分地层，探测孔周边地质条件,张集矿A组煤底板灰岩地层孔中电法-层位划分,并行电阻率法,a、朱庄矿某工作面探测数据的三维成图和带地形反演,b、反演图像的水平切片,矿井音频电透视法应用工作面现有的巷道、切眼等条件，采用音频电磁信号绕射穿透低阻地质体的方法对工作面顶、底板内部的含水构造进行空间定位；也可以对巷道下方的含水层位置、分布形态进行探测、勾画；是解决煤层顶底板水文地质条件的有效方法。测量时在井下事先标点，一般发射点的间距为50m，对应巷道的一定区段进行扇形扫描接收，接收点为10m一个，发射则采用轴向单极偶极法。,井下布置方式及成果展示,矿井高分辨率直流电法探测技术既可进行小距离（50m）超前探，又可对底板、侧帮探测；还可做工作面探查。能对一定深度范围内含水构造进行判断。现场在不同巷道煤帮上进行电极布置与探测，可采用三极或四极方式进行数据采集，不同极距则代表不同深度范围电阻率变化，从而进行地质解释。,三极直流电法按球壳理论，当装置沿巷道向右移动时，OA距离逐渐增大，也就是探测的深度在加大。对于点电源场，当周围介质均匀时，具有球对称性。在三维空间中，A点供电，供电电流强度为I，形成以A点为中心的电场。其电场强度的分布与探测点O到供电点A的距离有着密切关系。因此在均匀介质中，用测量极距MN对任意一点O进行探测时，实际上是探测以A点为球心，AO为半径，厚度为MN的球壳体积的介质电阻率。根据球对称原理，在MON处探测，等同于探测对称供电点前方的MON处的结构体的电性变化。依此类推，可以达到超前探测目的。,传统三极布置系统,三极电法超前探测球壳原理图,巷道测试部分成果,聚焦电流法超前探测（Beam法）聚焦电法实时超前探测仪是一种基于网络的隧道实时连续超前预报系统，由屏蔽电极、主电极、无穷远测量电极、现场工作站、远程工作站、网络和软件系统组成，其特征在于以隧道内壁的钢拱或锚杆作为屏蔽电极A1，以掘进机头、钻孔台车、钻杆或锚杆作为主电极A0，以隧道外或隧道内的锚杆或金属杆件作为无穷远测量电极B，在现场工作站系统软件的控制下，屏蔽电极和主电极以一定的频率不同的电压发射同极性的脉冲电流，仪器同步测量主电极的电信号，经数据采集卡转换为数字信号，系统自动计算电阻率和激发极化率及含水参数值，以此判定前方一定深度范围内地质体的变化，实时显示电阻率和激发极化率曲线及含水参数值曲线，对围岩破碎带、空洞、软地层和含水层等自动报警。,国外TBM钻机上的Beam系统,迎头动态监测成果,（二）无线电波透视法,利用不同的岩矿石对无线电磁波能量的吸收差异、构造界面对电磁波反射和折射作用，使其能量被吸收或屏蔽原理进行解释推断。由于该方法收发装置分别位于工作面的两个巷道内，观测电磁波经过工作面后的场强衰减值，因而能够探明工作面煤层内部的构造发育和富水区域分布情况，但该方法却难以探明煤层顶、底板内的地质异常。对穿距离200m左右。,数据采集设备及成果,张集矿1114（3）面无线电波透视CT实测场强交会成像图,采用高频脉冲电磁波定向发射，电磁波在传播途中遇到不同电性分界面或不均匀地质体产生反射（回波），在时间域识别回波并确定其旅行时间，从而确定界面或地质体的空间位置，但矿井地质雷达法对富水性的界定又有一定困难，另外其高频脉冲特点决定了探测距离有限，一般为几十米至百米左右，通常50m范围最有效。,（三）地质雷达法,瞬变电磁法又称为时间域电磁法(TEM)，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本工作方法是：于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流；断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。,（四）瞬变电磁法,任一时刻地下涡旋电流在地表产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧接发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间的推移，该电流环向下、向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。下图表示了发送电流切断以后三个时刻的地下等效电流环分布略图。从图中可以看到，等效电流环很像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此，人们将地下涡旋电流向下、向外扩散的过程形象地称为“烟圈效应”。,从“烟圈效应”的观点看，早期瞬变电磁场是由近地表的感应电流产生的，反映浅部的电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。因此，观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律，可以探测大地电位的垂向变化，这便是瞬变电磁测深的原理。,瞬变电磁场的探测深度主要由测量时间和地下介质的电阻率来确定。当地下为均匀介质时，地面发射线圈中的电流被切断后，感应电流随时间向地下扩散，电流被关断后某一时刻地下最大涡流所在深度由下式计算：,瞬变电磁测深法的视电阻率是通过将均匀半空间表面的瞬变电磁场在小感应数或大感应数条件下近似，得到半空间电阻率与