浅谈煤矿开采中地质勘探技术的重要作用

摘要：矿产资源是国民经济和社会发展的重要物质基础，，如何准确有效的进行矿产勘查是摆在地质工作者面前的一个问题，因此我们应重视新理论、新技术、新方法的利用，同时结合以往多种勘查手段，以期提高各类矿床发现能力，取得良好的经济效益。文分析了煤田矿井开采中的地质勘探问题,论述了当前煤田矿井地球物理勘探主要技术方法的应用及特点, 提出了多波多分量地震勘探、矿井高密度直流电法、矿井瞬变电磁法及地质雷达等新技术新方法及其综合应用将在煤矿地质因素预测预报中发挥重要作用。

关键词：矿产勘查成矿理论技术研究煤矿开采地质勘探工作面

浅谈煤矿开采中地质勘探技术的重要作用

一、前言

（一）煤矿开采技术的介绍

矿井由于受地质条件差、断层发育、煤厚变化大等地质因素的影响，造成生产接续紧张，采用综合勘探方法,多种勘探手段结合并用，地面采用三维物探手段,井下先期施工多用途探巷，整理配合钻探及井下物探等手段，针对影响生产的地质因素开展各项专题研究，不断进行资料的动态综合分析，取得了较好的地质效果，为矿井的安全高效生产提供了有利的地质勘探预报保障。

1、开发煤矿高效集约化生产技术、建设生产高度集中、高可靠性的高产高效矿井开采技术。以提高工作面单产和生产集中化为核心，以提高效率和经济效益为目标，研究开发各种条件下的高效能、高可靠性的采煤装备和工艺，简单、高效、可靠的生产系统和开采布置，生产过程监控与科学管理等相互配套的成套开采技术，发展各种矿井煤层条件下的采煤机械化，进一步改进工艺和装备，提高应用水平和扩大应用范围，提高采煤机械化的程度和水平。

2、开发“浅埋深、硬顶板、硬煤层高产高效现代开采成套技术”，主要解决以下技术难题。硬顶板控制技术，研究埋深浅、地压小的硬厚顶板控制技术，主要通过岩层定向水力压裂、倾斜深孔爆破等顶板快速处理技术，使直接顶能随采随冒，提高顶煤回收率，且基本顶能按一定步距垮落，既有利于顶煤破碎，又保证工作面的安全生产。硬厚顶煤控制技术，研究开发埋深浅、支承压力小条件硬厚顶煤的快速处理技术，包括高压注水压裂技术和顶煤深孔预爆破处理技术，使顶煤体能随采随冒，提高其回收率。顶煤冒放性差、块度大的综放开采成套设备配套技术，研制既有利于顶煤破碎和顶板控制，又有利于放顶煤的新型液压支架，合理确定后部输送机能力。两硬条件下放顶煤开采快速推进技术，研究合适的综放开采回采工艺，优化工序，缩短放煤时间，提高工作面的推进度，实现高产高效。5～5.5m宽煤巷锚杆支护技术，通过宽煤巷锚杆支护技术的研究开发和应用，有利于综采配套设备的大功率和重型化，有助于连续采煤机的应用，促进工作面的高产高效。

3、缓倾斜薄煤层长壁开采。主要研究开发：体积小、功率大、高可靠性的薄煤层采煤机、刨煤机；研制适合刨煤机综采的液压支架；研究开发薄煤层工

作面的总体配套技术和高效开采技术。

4、缓倾斜厚煤层一次采全厚大采高长壁综采。应进一步加强完善支架结构及强度，加强支架防倒、防滑、防止顶梁焊缝开裂和四连杆变形、防止严重损坏千斤顶措施等的研究，提高支架的可靠性，缩小其与中厚煤层(采高3m左右)高产高效指标的差距。

（二）煤矿开采中的地质问题

地质构造问题。在现代化高产高效矿井的建设和生产过程中，综采工作面的合理布置、综采机组高产高效的发挥、矿工以至整个矿井的安全，依赖于矿井地质条件的查明程度。

1、透水：矿山地下开采、隧道开挖过程中，意外水源造成的伤害事故。矿井在建设和生产过程中，地面水和地下水通过裂隙、断层、塌陷区等各种通道涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，就造成矿井水灾，通常也称为透水。专业的说法是“突水”，英文为water gushing-out，应该是由于方言读音差异的原因，在媒体报到时多称为“透水”，所以“透水”成为比较大众的说法。

2、冒顶：地下开采中，上部矿岩层自然塌落的现象。是由于开采后，原先平衡的矿山压力遭到破坏而造成的。采煤工作中有时有计划地放落上部煤层，也称为“冒顶”。

3、片帮：片帮，指矿井作业面、巷道侧壁在矿山压力作用下变形，破坏而脱落的现象。

4、底鼓：由于矿山压力作用或水的影响,底板发生隆起的现象。

5、瓦斯突出：是指随着煤矿开采深度的增加、瓦斯含量的增加，在煤层中形成了在地应力作用下，瓦斯释放的引力作用下，使软弱煤层突破抵抗线，瞬间释放大量瓦斯和煤而造成的一种地质灾害。

（三）煤层底板突水问题

长期以来,影响我国煤矿安全生产的两个灾害性问题是煤层底板突水和瓦斯突出。煤层底板突水是一种受许多因素控制的动态现象,主要因素有底板承压含水层、隔水层厚度与隔水能力、地质构造、采矿活动等。

1、底板水问题在我国煤矿产生过程中非常突出、非常普遍，涉及我国大部分煤田。包括华北、华南的大部分晚古生代煤田及个别的中生代及新生代煤田。其涉及范围之广，水量之大，危害之重，世界罕见。影响煤层底板突水的因素很多，高压水头是引起突水的一个重要条件，位于煤层底板的含水层，采掘工作面一般不能直接揭露，其中间隔有不透水或弱透

水的岩层承压水，要进入采掘空间必须要有一定的力来突破隔水层或冲刷弱水透水层的裂隙；地质构造，如断层和陷落柱等，这些会使岩体强度降低，阻水能力减弱，涌水通道发育；岩层结构与岩性特征，如岩体的强度、完整性和隔水与阻水性能；力学作用，如原岩应力大小、方向，开采活动引起的围岩应力重新分布和结构面再扩展；承压水对岩体的物理、力学和化学作用等。

2、带压开采导致突水的原因是多方面的，而地质构造是突水的控制因素；矿山压力是触发与诱导因素，起到桥梁的作用；含水层的富水性和水压是前提条件（即物质基础），决定突水量的大小和速度；而底板隔水层对突水起抑制作用。在特定的水文地质条件下，对突水起关键作用的是开采矿压和地质构造。

二、采区地面地震勘探

1、矿井采区设计前,通过采用地面地震勘探手段，查明采区构造形态和断层发育规律,查明煤层赋存状况及底板起伏形态,对影响开采的含水层富水性进行

评价,并提出水害防治措施,为采区设计提供可靠的地质资料。

2、同时本阶段的主要工作也是进一步查明采区范围内的小构造,包括落差5m左右的整理断层、陷落柱和采空区的空间分布形态,根据采区衔接的要求,应提前布置实施。现已成熟的探测技术包括三维地震勘探、瞬变电磁法、矿井直流电法和钻探。地面物探方法较矿井物探方法施工简单,探测效率也高,但受到地表条件的限制。因此,在地表条件允许的前提下，三维高分辨率地震勘探技术是首选方法。

三、矿井地震勘探及勘测方法

由于煤矿井下环境的特殊性，井下开展地震波勘探的理论方法与装备技术等与地面三维地震勘探区别较大，只能利用井巷有限空间，并根据全空间下波场分布特点，开展矿井地震勘探。

（一）井巷二维地震勘探

目前地震反射波法中使用最广泛的，就是在巷道走向方向布设的多次覆盖观测系统，进行观测，但在井下煤系地层中进行近源全空间多分量勘探时，需要根据煤岩层分布与震波传播规整理律合理设计其观测系统参数，以使不同波类与空间旅行途径的地震波在不同分量上得到突显，并要避免波场混响。沿测线布置炮点和检波点排列，按照观测系统设计进行地震数据采集。

1、遵循合成记录的层位标定结果。首先从井点、过井剖面及连井任意线骨干剖面出发，对标定的层位进行外推解释，建立全区骨干剖面网络。

2、开展三维与二维地震测线联合解释，具体办法是从三维区向二维区拉任意线，从而开展联合解释，确保三维与二维解释闭合，便于后期拼接成图。

3、遵循主测线、联络线严格闭合的原则。以建立的基干剖面为基础，进行全区层位追踪解释。在解释的过程当中既要注意层位的闭合，又要注意断层的闭合，确保解释合理，准确。

4、在解释的过程当中，尽可能了解区域构造应力信息，充分发挥构造解释的三维想象空间，将已有的典型认识扩展到平面上，抓住主要特征，描绘整体构造面貌。

5、断层在地震资料上的响应特征为：断距较大的断层明显断开地震反射波组，较小断距的断层表现为地震反射相位有上、下错位的迹象。断层解释与层位解释同步进行、相互配合、相互验证来完成的。在断层追踪解释过程中对主要断层命名，并分配不同的颜色属性加以区别，最后通过计算Heaves进行断层的平面组合。

6、充分利用瞬时相位、相干体剖面进行断层检测。寻造断层解释资料支持。

7、在解释的过程当中，充分注意不同时间采集、不同人员处理的资料的异常，注意其相关性，进行有针对性的解释，确保解释层位一致。本区通过地震资料信噪比分析，发现主要存在两套不同品质的资料，信噪比高的地震资料（图中亮色测线）反射清楚，主要集中在工区的南侧，可优先解释；信噪比低的地震资料（图中弱色测线）反射模糊，主要集中在工区的北侧，主要用于闭合解释，起到控制层位的作用。

（二）震波超前探测

现在，煤矿地震超前预报技术主要以反射地震方法为主。由于受煤矿井下条件的限制，可供观测的空间也十分有限。必须充分利用有限的空间条整理件，在巷道空间内尽可能多布置激发与接收点，采集尽可能多的地震数据供来处理分析，这样，才能提出高探测效果，更好地为矿井生产服务。

（三）瑞利波勘探方法

瑞利波探测法是近三十年来兴起的一种新型勘探方法,主要用于近地表层的工程地质勘探。其原理主要是利用瑞利波的两个特性:一是波在分层介质中传播时的频散特性;二是波的传播速度与介质的物理力学特性密切相关。目前瑞利波探测技术有两种方法,一种是面波变频探测法,亦称稳态法是利用某一波长的瑞利波相速度来表征深度小于该波长一半(/2)的地层平均剪切波速度(用V R-/2曲线表示),改变激振器的频率从而得到不同波长的瑞利波,当

曲线形态发生异常,在曲线异常处的深度上就可能存在地质异常体或岩性界面。这种方法由于激振器笨重使用困难,在煤矿井下无法采用。另一种方法是面波频谱分析法,也叫瞬态法,它是由震源激发出瑞利波,不同频率的瑞利波叠加在一起,以脉冲的形式向前传播,通过测线上定距离的加速度传感器接收,由仪器记录下来。对采集的信号取以排列中点对称的任意两道,进行FFT和频谱分析技术,通过相干函数的互功率谱相位展开谱,覆盖、多次叠加技术,从而得到瑞利波信号在不同频率f的平均速度V R。根据弹性波理论的半波理论可知,探测深度为H=/2,即H=V R/2f,从而得到H-V R曲线。通过利用小波分析法对瑞利波频散曲线做出奇异性显示方式,使岩性介面分层频散突变点在探测深度曲线上直观的显示出来,便于做出物探异常推断解释。

1、原理：地震波勘探是由震源激发的地震波在向下或向前传播时，遇到不同的波阻抗界面时，在界面处会发生反射，透射（折射）等现象，这些在不同波阻抗界面发生反射、透射（折射）的地震波可被排列于震源附近的检波器所接收，从而形成可用于地震解释的原始数据。

2、总结：利用地震波探测可以作为一种较为理想的辅助手段对前方的地质构造空硐异常进行有效的预测预报。通过在该矿的现场探测可以看出在巷道前方地质复杂的条件下通过有效的探测方式多种探测方式，多次探测验证可以有效的指导煤矿采掘及其他方面的安全生产。应该说，煤矿在日常生产过程中，存在较多影响矿井安全的地质构造及异常问题，完全依靠地质技术人员的经验，防范地质灾害的发生，其工作量和责任都十分重大，利用有效的辅助手段，既可减轻技术人员的工作压力，又可增加地质预测的准确率，取得较好的应用效果。

（四）槽波勘探法

槽波地震勘探是利用在煤层(作为低速波导)中激发和传播的导波，以探查煤层不连续性的一种地球物理方法。槽波地震勘探具有探测距离大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较易识别，以及最终成果直观的优点。

（五）地质雷达勘探方法

这种方法能十分清楚地显现探测面前方一定范围内的岩石、空洞、水体等不均匀体的分布情况和岩性变化情况。矿井地质雷达自90年整理代以来．先后在河南、山东、安徽淮北煤田等应用过，对于近距离探测岩体结构性态和大比例尺构造效果通过反复使用、验证效果很好。

1、地质雷达利用超高频电磁波探测地下介质分布，它的基本原理是：发射机通过发射天线发射中心频率为12.5M至1200M、脉冲宽度为0．1 ns的脉冲电

磁波讯号。当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射讯号。直达讯号和反射讯号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来。根据示波器有无反射汛号，可以判断有无被测目标；根据反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速,可以大致计算出探测目标的距离。

2、由于地质雷达的探测是利用超高频电磁波，使得其探测能力优于例如管线探测仪等使用普通电磁波的探测类仪器，所以地质雷达通常广泛用于考古、基础深度确定、冰川、地下水污染、矿产勘探、潜水面、溶洞、地下管缆探测、分层、地下埋设物探察、公路地基和铺层、钢筋结构、水泥结构、无损探伤等检测等。

（六）高密度电阻率法

电阻率法是以岩土介质的导电性为基础，通过观测可研究人工建立的地中稳定电流场的分布规律从而达到找矿或解决某些地质问题的目的。电阻率法现场工作方法较多，其中高密度电阻率法是新近发展并推广到矿井中的新技术。

四、井下直流电法透视

井下直流电法透视从大的范畴来说,井下直流电法透视仍属于矿井直流电法。其目的是探测采煤工作面内部的导水构造、底板含水层的集中富水带。许多矿区的研究和试验证明,井下直流电法透视是探测水文地质异常区最为有效的物探方法之一。

五、坑透法

坑透法（也称为无线电波透视法)是向地下地质体发射高频无线电波，通过观测电磁波在传播过程中场强的衰减情况，以确定地质异常体的位置和形态的一种勘探方法。坑透法一般在两条巷道（回风巷和运输巷)之间进行，接收透过被探测地质体的电磁渡信号，当电磁波在穿过煤层途中遇到地质异常区(特别是含水构造)时，在相应的接收点处能观测到尤线电波场强的明显衰减，通过改变发射点或接收点位置多次观测，即可确定地质异常体的位置和形态。坑透法在我们煤矿矿整理井中使用较普遍，对观察工作面内断层、陷落柱含水裂隙、煤层变薄区或其它构造等能够发挥出很好的作用。通过坑透、槽波、脉冲干扰试验等手段,也可以探测地质及水文地质异常区。综上所述,对于受底板岩溶水害威胁的矿区,对水文地质条件的探查,应以各种规模的放水试验为主要探查手段,以此为基础采用多种物探及钻探手段,对局部的水文地质异常区进一步查明,达到相互补充、相互验证,充分体现多种勘探方法的综合效应,可取得十分显著的技术效果。

1、详细介绍：无线电波透视法是利用探测目标与周围介质之间的电性差异来研究确定目标体位置形态，大小及物性参数的一种井中物探方法。所用的频率属于高频频段，一般为一百千赫至几十兆赫。无线电波透视法研究的是辐射场它可以在真空及各种介质中传播当电磁波由钻孔的一处发出。遇到电性不同的目标体时就发生波的反射折射透射和边缘绕射以及对波的吸收等现象，因而改变了场的分布不同的介质对电磁波吸收的程度是不一样的，真空不吸收电磁波，高阻岩石对电磁波的吸收较弱，低阻体对电磁波的吸收较强，无线电波透视法就是通过研究电磁波在钻孔或坑道间传播特性和被介质吸收的情况来寻找圈定各种目标的。该方法最初的设想是由前苏联科学院院士A· A ·彼得罗夫斯基在20 年代提出的。开始称为阴影法，意即利用良导矿体对电磁波的强烈吸收造成的阴影来寻找井间或坑道间的盲矿体。后来又称为无线电波透视法。井中无线电波法70年代中期美国已故测井专家R· J· Lytle 等人率先把层析技术应用于钻孔电磁波法的数据处理，推动了全球范围内电磁波CT 的研究和应用，也进一步促进了钻孔电磁波法的推广和提高。80 年代后期美国劳伦斯利物莫尔国家实验室LLNL 等单位联合开发了音频电磁波数据采集系统和层析软件，这一突破性进展预示着无线电波透视法在油气开发工程中也有着广泛的应用前景。如今这一方法除了继续用于矿床勘探和采煤工作面地质预报外，还在水文地质工程地质城建地质和环境地质等众多领域大显身手。

2、应用：主要应用于探测煤层内异常构造(如陷落柱、断层、煤层变薄区等),本文则重点介绍了无线电波透视法在探测煤层内隐伏导、含水构造异常的应用情况.首先从理论上说明该方法对含水构造的电性特征有明显的反映,并研究了综合曲线分析法和层析成像法在资料解释中的应用.总结了"V"字型及半"V"字型综合曲线所反映的水文地质特征.通过实例分析,证明了无线电波透视法可成功、准确地探查工作面内部隐伏水文地质构造异常。

3、基本原理：根据工作环境无线电波透视法分为钻孔电磁波法和坑道电磁波法。钻孔电磁波法，按工作方式又可分为单孔双孔三孔和地井方式。钻孔无线电波透视法涉及电磁波在地下有耗半空间的辐射传播和接收其正反演问题的理论基础是电磁场理论和天线理论，求解的方法可分为三类。第一类是严格解析法，第二类是近视解析法，如变分法微扰法，几何光学法，物理光学法，几何绕射法等。第三类是数值法如微分方程法，积分方程法等。每种方法各有优缺点，对不同的问题用不同的方法求解。而以近视解析法为主对于三维目标体由于理论计算

十分复杂，通常可以采用水槽实验研究有耗介质中的辐射和散射问题。

六、煤矿开采地质勘探技术的发展方向

煤矿开采地质勘探技术的发展方向是将地球物理方法、基础地质勘探手段与地理信息系统技术进行有机结合。利用三维地震、瞬变电磁、矿井物探、地面钻探和井巷工程等多元数据,查明采区内断层分布、煤层埋藏深度与厚度、岩溶裂隙发育带的分布和隔水层厚度等。利用地理信息系统作为平整理台建立矿井多元信息集成系统,把三维地震、瞬变电磁、矿井物探、构造地质、水文地质等多元信息进行复合、综合分析后建立预测与评价模型,实现地质资料的信息化、数字化和可视化,为开采地质条件的快速评价、生产地质工作的动态管理、突发性地质灾害应变对策的制定提供技术支撑。

论文目录

一、前言 (1)

（一）煤矿开采技术的介绍 (1)

（二）煤矿开采中的地质问题 (2)

（三）煤层底板突水问题 (2)

二、采区地面地震勘探 (3)

三、矿井地震勘探及勘测方法 (3)

（一）井巷二维地震勘探 (3)

（二）震波超前探测 (4)

（三）瑞利波勘探方法 (4)

（四）槽波勘探法 (5)

（五）地质雷达勘探方法 (5)

（六）高密度电阻率法 (6)

四、井下直流电法透视 (6)

五、坑透法 (6)

六、煤矿开采地质勘探技术的发展方向 (8)