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摘要：随着矿井机械化采煤的发展,特别是综合机械化的发展,对矿井地质工作的要求越来越高。本文针对矿井复杂地质构造，利用瞬变电磁和反射地震方法相结合，对相应的探测技术方法进行研究。
关键词：复杂地质构造；瞬变电磁法；地震波探测
任何一种探测技术都有它的应用特点和适用范围，因此在探测地质构造时，一定要结合矿区的具体情况，选择合适的探测技术,可对矿井一定范围内的隐伏断层、导水裂隙区等异常位置及范围进行有效判定,为矿井安全稳定生产提供技术依据及保障。同时，需做好多种探测方法间的数据联合处理与应用研究,进一步提高对地质体的解析精度和分辨能力。
一、地质构造简介
地质构造（简称构造）是地壳或岩石圈各个组成部份的形态及其相互结合方式和面貌特征的总称。是构造运动在岩层和岩体中遗留下来的各种构造形迹，如岩层褶曲、断层等，称为地质构造。构造运动是一种机械运动，涉及的范围包括地壳及上地幔上部即岩石圈，可分为水平运动和垂直运动，水平方向的构造运动使岩块相互分离裂开或相向聚汇，发生挤压、弯曲或剪切、错开；垂直方向的构造运动则使相邻块体作差异性上升或下降。地质构造的规模，大的上千公里，需要通过地质和地球物理资料的综合分析和遥感资料的解译才能识别，如岩石圈板块构造。小的以毫米甚至微米计，需要借助于光学显微镜或电子显微镜才能观察到，如矿物晶粒变形、晶格的位错等。
二、矿井探测技术的优点
1、探测范围日益增多。目前能探测的地质问题有:1)煤层中的各种小断层；2)煤层厚度变化及煤层形态；3)煤层中的夹石、包裹体与火成岩；4)煤系地层中的岩溶与陷落柱；5)煤层顶底板裂隙及其稳定性；6)瓦斯、煤与岩石突出带；7)煤层自然发火地带；8)巷道离煤层的距离、巷道与灾害性地质构造的距离；9)被淹没巷道的位置及其突水通道位置；10)围岩的含水性与疏干效果；11)带压水潜在突构造及老窑采空积水区位置等。
2、探查精度高。能满足综合机械化开采对地质所需之精度要求，比如无线电波坑透法可以有效探测出大于0.4m的小断层,矿井直流电法能定量超前探测10Om范围内含水导水构造的位置,误差小于5%，特别是随着探测仪器与方法的迅速改善,探查定量解释的精度和准确性将越来越高。
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3、矿井探测方法多种多样，各种方法都能有效解决一定的地质问题，可根据要解决的问题与地质条件进行选择,或采用几个方法的综合探测,能获得比较完善与精确的地质资料。
三、矿井探测技术
1、矿井瞬变电磁法。瞬变电磁法(简称TEM)是一种时间域的电磁探测方法,该方法在1930年最早由前苏联科学家提出,当时采用的是远区场工作模式，1933年由美国科学家L.W.Blau最先提出，利用电流脉冲激发供电偶极形成时域电磁场。上世纪60年代以后,当认识到时间域电磁测深法可利用小于探测深度的收发距时,该方法有了一个快速发展。我国于上世纪70年代初开始研究TEM,长春地质学院、中南工业大学、西安地质学院等单位先后研制了电磁探测系统,并进行了地面探测理论和方法研究。主要采用中心回线法和重迭回线法等进行工作,取得了一批有价值的研究成果及大量成功的应用实例。
近年来,我国矿业大学、西安研究院、河北省煤研所等单位先后开展了煤矿井下瞬变电磁法的研究和应用,与地面瞬变电磁法一样,采用的仪器和测量数据的各种装置形式及时间窗口也相同。由于矿井瞬变电磁法勘探环境的限制,测量线圈大小有限,其勘探深度较浅,一般不超过120m。与地面瞬变电磁法相比具有以下特点:①井下施工环境的限制,只能采用边长小于3m的多匝小线框,工作效率高，但用小边长重叠回线装置观测到的感应电压与电流比偏大,使计算出的视电阻率值偏小。②测量点距较密,降低了体积效应的影响,提高了勘探分辨率,特别是横向分辨率。③测量装置距探测目标体较近,测量信号的信噪比较高。④井下瞬变电磁法在施工过程中,具有一定的方向特性,可利用现有巷道对准所要探测的目标地质体进行探测，该技术能对相邻工作面未掘巷道实施侧向探测、工作面底板、顶板探测、掘进巷道迎头超前探测、确定隐伏含水构造异常，如含水断层、导水裂隙发育带、潜在突水通道、含水层富水性、漏水钻孔空间位置等，该技术具有快速、便捷、对低阻含水体敏感、定向性好等优点,在煤矿防治水方面具有良好的应用前景。
2、地震反射共偏移法。利用地震勘探中的反射共偏移方法,可进行有效的相位对比与追踪,获得地下反射界面的位置及厚度关系,判断目标区域的地质构造。反射共偏移法又称陆地声纳法,依据反射勘探原理,在单边排列基础上选定最佳偏移距,即最佳反射窗口,采用单道或多道叠加小步长顺移前进观测系统。
对反射共偏移数据可采用“偏移成像”法处理,它最大限度地将反射同相轴归位到空间反射点上,同时消除了由于倾斜界面、尖灭点等引起的反射相位“偏移”现象,因而有利于地震剖面的解释和应用。其实质是对反射界面上同一反射点进行重复观测,而激发点和接收点在不断改变。从而达到增强有效波、压制干扰波。
单边排列观测系统指仅在接收点排列一侧激发的观测形式。设某一单边排列接收道数为R、道间距为I、偏移距为O、移动步距为P,由几何地震学知当界面水平时其反射段长度为。当整个排列移动步距P小于反射段时出现反射段重复即多次覆盖。结合获得的地震波剖面,对比波组特征可进行各种地质构造解释。
四、现场探测应用
1、探测区域概况。某矿南翼采区构造密集,断层众多且落差较大,受断层影响,岩层产状变化强烈,煤层赋存不稳定,给南翼主要系统巷道的安全施工及支护造成很大难度。根据巷道通过F108断层带的情况,要求查明巷道区附近断层、富水区等地质情况。采用综合地球物理勘探方法中的瞬变电磁法和地震反射波法进行数据采集,其中地震反射波法重点对地质异常界面进行有效分辨,而瞬变电磁法可对巷道四周含水异常构造进行有效判定,实现综合物探探测效果。
1）地震反射共偏移。根据巷道地质条件,现场同时采用了地震反射共偏移法进行了探测。在巷道左帮布置单道反射共偏移观测系统,偏移距为5m,移动步距为1m,采用锤击激发地震波,现场共采集302组数据。同时，地震剖面中各个相位波组特征明显,其中在测线0～198m段地震波频率相对较低,波速低,底板岩层波组连续性差,表明岩层相对破碎。200～300m段地震波波速趋于正常,实际的地质资料揭露为岩层较坚硬,基本上无构造。该探测结果对断层深部延展加以揭示,表明两种方法相互探测验证,可以给出较为准确的地质构造体发育及岩层富水状况。
五、结语
在矿井建设和生产过程中，存在着诸多影响安全生产的地质因素。这些因素严重制约着矿井安全生产，甚至造成重大的安全生产事故。近年来，探测技术的快速发展及其手段的日益成熟，为准确探测矿井复杂地质构造体提供了有效手段。
参考文献：
[1]于景邨.矿井瞬变电磁法勘探[M].徐州：中国矿业大学出版社，2014.
[2]岳建华.矿井瞬变电磁探测技术与应用[J].能源技术与管理，2015.
[3]杨海燕.矿用多匝小回线源瞬变电磁场数值模拟与分布规律研究[D].徐州:中国矿业大学,2014.
论文作者:卢建平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/29
标签：地质论文; 矿井论文; 反射论文; 巷道论文; 电磁论文; 断层论文; 煤层论文; 《防护工程》2018年第17期论文;