礦井物探發(fā)展概況

  地球物理勘探產(chǎn)生于二十世紀二十年代初，法國Corad和Marcei Schlumberger首創(chuàng )電法勘探技術(shù)，地震勘探方法最早的折射波法（1919~1921年），二十世紀三十年代美國地球物理工作者第一次用地震反射資料繪制出得克薩斯Ltberty地區鹽丘圖。隨后十年重力、磁法、電磁波法、測井以及海洋物探也得到了發(fā)展。為適應第二次世界大戰的緊急需要，眾多物探方法用于探查礦產(chǎn)、潛水艇和火力陣地。其后物探基礎理論，電子學(xué)、計算機和信息處理等學(xué)科飛速發(fā)展，給物探技術(shù)發(fā)展提供了強有力技術(shù)支持。我國物探技術(shù)是從1939年開(kāi)始的，當時(shí)，物探老前輩翁文波先生從英國倫敦大學(xué)獲得哲學(xué)博士學(xué)位回國后，在原中央大學(xué)物理系開(kāi)設地球物理課程，培養物探人才。1940年用自制的雙磁針不穩定式磁力儀在天門(mén)油礦和四川溝氣礦進(jìn)行了重力試驗。建國后，1951年石油部門(mén)成立我國第一個(gè)地震隊。煤炭部門(mén)于1954年8月組建煤炭系統第一個(gè)電法隊（地面電法隊）開(kāi)始煤田測井，隨后1955年在河北唐山開(kāi)灤煤礦建立第一個(gè)地震隊，五十年來(lái)全國地震隊伍已發(fā)展到幾十個(gè)，特別是80年代以來(lái)，由于數字地震儀的引進(jìn)，道數不斷擴展，多次覆蓋、高分辨率地震和三維地震勘探的普及、資料處理和人機聯(lián)作解釋系統的發(fā)展，使煤炭物探技術(shù)在煤田勘探和煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮著(zhù)愈來(lái)愈重要的作用。礦井物探研究和應用始于二十世紀六十年代，四十年來(lái)，各產(chǎn)煤國家根據自身地質(zhì)特點(diǎn)發(fā)展了不同物探方法。我國礦井物探起步較晚，近三十年來(lái)，礦井物探得到迅速發(fā)展，取得了顯著(zhù)的地質(zhì)效果，但總體來(lái)看，我國礦井物探技術(shù)尤其是物探設備方面與世界先進(jìn)水平還有一定差距。

 

  礦井物探方法很多，較為有效和常用方法主要為無(wú)線(xiàn)電透射法、高分辨二維和三維地震勘探、槽波地震勘探、礦井直流電法、地質(zhì)雷達和聲波探測等方法。

 

  煤礦地震勘探，1975年唐山煤礦與重慶煤研所合作用瑞典六道輕便地震儀，用錘擊震源在井下進(jìn)行了折射波法試驗，在厚度1.47~8m煤層中，測出的煤厚絕對誤差平均為 0.25m，盡管探測深度很小，但試驗初步成功對各煤礦都有一定意義。隨后由折射波法試驗發(fā)展為槽波法試驗和應用。1955年，F.F.埃維遜在新西蘭煤礦一個(gè)煤層中首先激發(fā)與接收到煤層波（槽波），并預言可用于煤礦；1963年，Th.克雷及其合作者的研究奠定了槽波地震勘探的理論基礎。70年代末，提取與利用槽波埃里震相之后槽波勘探技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。1980年前后，以法國、英國為首，澳、匈、捷、前蘇聯(lián)、美等國都先后發(fā)展起來(lái)。1977年，我國重慶煤分院、焦作礦業(yè)學(xué)業(yè)院、渭南煤礦專(zhuān)用設備儀器廠(chǎng)與徐州、焦作等礦務(wù)局合作，首先在井下開(kāi)展試驗，并于1980年前后研制成功TYKD-1型非防爆的9道模擬磁帶礦井地震儀和防爆的TEKC-9型模擬磁帶礦井地震儀，這些工作為后來(lái)的研究打下了基礎。法國WBK公司于1980年推出了SEAMEX-80型遙測式防爆數字地震儀，該儀器只生產(chǎn)了一套，德國物探工作者用該儀器進(jìn)行了槽波技術(shù)研究工作和實(shí)際槽波探測工作，隨后該公司于1985年又推出改進(jìn)型SEAMEX-85型多道遙測防爆數字地震儀軟件ISS，將槽波地震勘探向實(shí)用化推進(jìn)了一大步。之后，我國煤炭科學(xué)研究總院西安分院引進(jìn)了SEAMX-85型儀器及軟件系統ISS，接著(zhù)澳大利亞BHP公司和煤科總院西安分院也相繼研制了類(lèi)似的遙測防爆數字地震儀。從此，國內開(kāi)始了系統生產(chǎn)性能試驗。由于微型計算機及其系統在綜合性能上日新月異，國內外不斷推出槽波地震勘探微機數據處理系統，匈牙利國家物探研究所推出了SSS-1型集中式信號增強型防爆地震儀的微機槽波資料處理系統。在國內，1983年，中國礦業(yè)大學(xué)開(kāi)展槽波在煤層中傳播規律的模擬研究，成功地研制出MISS型槽波地震勘探數據處理微機程序系統。煤科總院西安分院也為MD-902型防爆雙道數字地震儀開(kāi)發(fā)出ISS-902型槽波的地震數據處理處理微機軟件系統。該系統體積小，重量輕、功耗小、成本低，可設置在礦業(yè)集團或礦內，系統簡(jiǎn)單，可獨立運行，能及時(shí)處理井下槽波采集數據，解釋出探測地質(zhì)成果，也可以將各礦微機數據處理實(shí)現通訊和聯(lián)網(wǎng)，使其資源共享。  1988~1989年，西安煤科分院從日本VIC株式會(huì )社引進(jìn)瑞利波探測技術(shù)及GR-810專(zhuān)用儀器。在1991年將該法應用于煤礦井下煤層殘厚及獨頭超前探測，同時(shí)研制出瑞利波瞬態(tài)激震法的設備MRD-Ⅰ、Ⅱ型儀器，在許多煤礦探測煤厚、小構造、薄煤帶等取得良好效果。

 

  廿世紀八十年代至今，在中國煤田地質(zhì)總局和國家開(kāi)發(fā)銀行組織和領(lǐng)導下，在全國重點(diǎn)煤礦大面積開(kāi)展了地面高分辨數字二維和三維地震勘探工作，在地震地質(zhì)條件較好地區，運用高分辨二維地震能較可靠查落差≥10m的斷層和波幅為10m的褶曲，三維地震勘探可較可靠地查明落差≥5m的斷層，幅度≥5m的褶曲，解釋煤層厚度變化趨勢，配合電法預測煤層頂底板水文地質(zhì)條件，查明規模較大的陷落柱、采空區及其它地質(zhì)異常，為眾多礦井采區設計、調整采場(chǎng)和采面布置提供了詳細地質(zhì)資料，取得了明顯社會(huì )和經(jīng)濟效益。

 

  高分辨地震探測技術(shù)也可應用于井下，國外在廿十世紀50年代就開(kāi)展了該項技術(shù)研究，原西德用該技術(shù)沿巷道探測隔水層厚度；90年代，法國、加拿大等國在黃銅礦、鉀鹽礦井中獲得了很高分辨率地震剖面。1995年煤科總院西安分院在我國龍口煤業(yè)集團北皂礦和淮南新集煤電公司八里塘首次使用DYSD-Ⅱ型多道遙測防爆地震儀，開(kāi)展了煤礦井下高分辨地震研究工作，由于不受上覆松散低速層影響，地震波主頻顯著(zhù)提高，提高了分辨率，對于小斷層、煤層厚度、下組煤隔水層厚度及可能的導水斷層探測十分有利。

 

  聲波探測主要應用于工程地質(zhì)及礦山工程中，廿十世紀60年代末期，美國、日本、聯(lián)邦德國與瑞典等國將聲波探測技術(shù)應用于巖體探測，以研究巖石力學(xué)性質(zhì)、巖體裂隙、頂板穩定性及圍巖強度分類(lèi)，70年代以來(lái)，我國鐵路、建筑、水電、交通和煤炭等部門(mén)的勘測設計和施工中得到廣泛應用。聲波探測根據聲源不同可分為主動(dòng)探測和被動(dòng)探測兩種方法，主動(dòng)探測其聲波為人工激發(fā)，而被動(dòng)探測中，聲源是巖體遭受自然界或煤層采動(dòng)等其它力作用時(shí)，在變形或破裂過(guò)程中，由巖體自身發(fā)射。

 

  聲波探測主要解決工程地質(zhì)問(wèn)題有：巖體的工程地質(zhì)分類(lèi)；確定圍巖松馳帶的范圍，為合理設計錨桿長(cháng)度、噴漿或襯砌厚度提供依據；測定巖體物理力學(xué)參數；預裂爆破與注漿效果的檢測；混疑土探

 

  傷及強度檢測；凍結法鑿井時(shí)，凍結厚度的檢測；斷層、裂隙及溶洞等地質(zhì)異常探測，地應力測試；礦井冒頂、瓦斯與水突出，煤礦開(kāi)采過(guò)程出現的“兩帶”（冒落帶、裂隙帶）檢測及地震災害預報等。

 

  山東煤田地質(zhì)局與澳大利亞聯(lián)邦工業(yè)科學(xué)組織探礦采礦部（CSIRO）于1996年開(kāi)始對微地震技術(shù)研究，并應用于煤礦“兩帶”監測中。采煤過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生垮落帶和斷裂帶（簡(jiǎn)稱(chēng)兩帶），為保證煤礦安全生產(chǎn)，又要最大限度地增加煤炭可采儲量，需要根據采礦時(shí)形成的實(shí)際“兩帶”高度留設防水或防砂煤柱，用常規方法，如據經(jīng)驗公式或用地面高分辨率地震、鉆探及測井，確定“兩帶”范圍具有一定的局限性。由于大多數為點(diǎn)控制，時(shí)間上只為某一時(shí)刻的瞬時(shí)值，不是動(dòng)態(tài)的，且在不同地質(zhì)條件下，煤礦“兩帶”發(fā)育情況差異很大，僅據個(gè)別礦井獲得的觀(guān)測結果，難以推廣到其它礦井。微地震技術(shù)類(lèi)似天然地震，在采礦時(shí)“兩帶”發(fā)生的同時(shí)，會(huì )產(chǎn)生強度較弱的地震波，在一定深度的鉆井中和地表或礦井中，安置傳感器（也稱(chēng)檢波器）用電纜連接到地面微地震監測儀上，連續動(dòng)態(tài)觀(guān)測微地震事件，經(jīng)計算機處理和解釋確定裂隙帶和冒落帶高度。

 

  地質(zhì)雷達（礦山雷達）是基于電磁波反射原理探測地質(zhì)構造、地下水體、煤層厚度、煤層沖刷、剝蝕以及采空區垮落帶等地質(zhì)異常。從1937年4月29日美國公布第一專(zhuān)利起，50年代美國率先進(jìn)行了地質(zhì)雷達可行性方案研究，70年代美國地球物理勘探公司（GSSI）推出SIR系列商品化地下雷達系統。隨后，日本、加拿大等國在SIR技術(shù)基礎上，開(kāi)展了地質(zhì)雷達探測技術(shù)研究。1983年，日本以厚.坂山等人研究了地質(zhì)雷達在地基中的實(shí)用性后，將SIR產(chǎn)品改型為OAO系列產(chǎn)品。70年代來(lái)，加拿大A-Cube公司，針對SIR系統的局限性對系統結構和探測方式作了重大改進(jìn)，采用微機控制、數字信號處理及光纜傳輸高新技術(shù)，推出了EKKO GPR系列產(chǎn)品。80年代瑞典地質(zhì)公司也推出了RAMAC系列的數字式鉆孔雷達系統。我國煤科總院重慶分院從70年代開(kāi)始礦井地質(zhì)雷達探測方法及儀器的研究，他們針對我國煤礦井下的環(huán)境條件，于1987年研制出防爆型KDL系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品不僅在煤礦井下，而且在隧道、市政建設等方面推廣使用，取得良好的效果。

 

  電磁波法，國外從二十世紀20年代開(kāi)始研究，首先在磁化礦床上進(jìn)行試驗。我國在60年代開(kāi)始探索在礦井下應用無(wú)線(xiàn)電波透視技術(shù)，如原地礦部物探所研制成功DK型透視儀，用以尋找金屬盲礦體的探測試驗。70年代末，煤科總院重慶煤科分院研制成功WKT-1（不防爆）、WKT-2（防爆）及80年代末推出的WKT-F3型輕便防爆坑透儀。90年代，又研制出WKT-D型大距離智能坑透儀及資料處理的CT或震技術(shù)。在80年代，河北省煤研所也完成了WKT型儀器的防爆改造工作，WKT-D型坑透儀，由微機控制，測量數據自動(dòng)數字顯示，自動(dòng)記錄和內存儲；數據處理有專(zhuān)門(mén)的軟件、CT成像處理軟件及CAD自動(dòng)成圖，對  8  井下導體采取綜合抗干擾措施，穿透距離可達350～450m，由于該儀器設備先進(jìn)，操作簡(jiǎn)單，工作效率高，探測效果好，因此，在國內眾多局礦得到廣泛應用，取得了顯著(zhù)經(jīng)濟和社會(huì )效益。

 

  瞬變電磁法（Translemt  Electromagnetic Methods）或稱(chēng)時(shí)間域電磁法（Time  domain electromagnetic methods）簡(jiǎn)稱(chēng)TEM或TDEM。國外TEM法理論研究主要在地面和鉆孔中進(jìn)行，前蘇聯(lián)上世紀50年代建立了TEM解釋理論和野外施工的方法技術(shù)，60年代，前蘇聯(lián)三十多個(gè)TEM隊在全國各盆地進(jìn)行普查，并成功地發(fā)現了奧倫堡地軸上的大油田。前蘇聯(lián)的TEM法理論研究一直處于世界前列，50~60年代由Л.Л.BaHbяH，A.A.KYфMAHH等人完成了TEM法的一維正、反演。70～80年代前蘇聯(lián)物探工作者又對二維、三維正演方面作了大量工作。80年代初，жданов提出電磁波擬地震波的偏移方法，他用“偏移成像”的廣義概念，在電磁法中確定了正則偏移和解析延拓偏移兩種方法。80年代末，KameHecKий，又從激發(fā)激化現象理論出發(fā)，研究了TEM法激電效應特征及影響，成功地解釋了TEM法晚期段電磁響應的變號現象。歐美各國從上世紀50年代就提出了該方法，也做了一些試驗，但大規模發(fā)展該方法始于70年代，J.R.wait，G.V.keller，A.A.Kaufmann等人對該方法的一維正、反演進(jìn)行了大量研究。80年代以來(lái)，歐美各國在TEM法二、三維正演模擬技術(shù)方法研究日臻完善，而TEM法解釋中時(shí)深轉換理論和應用研究一直走在前列，并提出了許多算法。

 

  國內TEM法研究始于上世紀80年代，由長(cháng)春地質(zhì)學(xué)院（現吉林大學(xué)），原地礦部物化探研究所，中南工業(yè)大學(xué)和中國地質(zhì)大學(xué)等單位分別在理論、方法、儀器和野外試驗方面做了大量工作，建立了一維正、反演及方法技術(shù)理論，研制出TEM儀器，而大功率和多功能瞬變電磁儀器主要依賴(lài)進(jìn)口。國內學(xué)者在TEM法數據處理和解釋中也做了大量工作，提出了TEM波場(chǎng)轉換和擬地震波處理方法。中國礦業(yè)大學(xué)于景邦博士建立了TEM法時(shí)間—深度換算數學(xué)模型，采用多匝數，小回線(xiàn)組合裝置探測巷道不同位置的含水構造，取得明顯的地質(zhì)效果。

 

  礦井直流電法，前蘇聯(lián)及匈牙利在理論和井下方法等方面開(kāi)展了廣泛研究，并處于領(lǐng)先地位。80年代我國煤科總院唐山分院、河北煤研所、煤科總院西安分院等單位開(kāi)始將直流電法應用到井下，主要探測工作面頂、底板內的含水及導水構造。1990年開(kāi)始，中國礦業(yè)大學(xué)與淮北礦業(yè)集團合作開(kāi)展了多種礦井直流電法方法有效性的研究工作，并與煤礦高分辨率地震勘探相結合，探測下組煤隔水層厚度。

 

  渭南煤礦專(zhuān)用設備廠(chǎng)在80年代研制出模擬磁帶煤厚測量?jì)x，在礦井下使用。隨后，淮南工學(xué)院與長(cháng)沙旭華無(wú)線(xiàn)電廠(chǎng)合作開(kāi)發(fā)了KDY-1型數字測煤厚儀，在一些礦區得到應用。另外，高精度重力測量、紅外測溫法及氡氣測量也在一些煤礦井下應用，用以解決井下小構造、巖溶陷落柱及含水預測等問(wèn)題。

 

  地球物理測井（測井），測井起源于法國，1927年9月，法國人斯侖貝謝兄弟發(fā)明了電測井，開(kāi)始在歐州用于勘查煤和油氣，兩年后傳到美國和前蘇聯(lián)。1939年12月，我國使用電測井勘查石油與天然氣。煤田測井始于1954年4月22日，五十年來(lái)，經(jīng)過(guò)幾代人的努力，我國煤田測井儀器設備不斷更新?lián)Q代，從五十年代的半自動(dòng)測井儀，手動(dòng)絞車(chē)，六十年代的半自動(dòng)照像測井儀，七十年代的車(chē)裝靜電顯影測井儀到八十年代電子計算機控制的數字測井儀，測井儀器已全面進(jìn)入計算機數字采集、傳輸和資料的自動(dòng)處理。其應用領(lǐng)域迅速擴大，資料解釋水平和地質(zhì)成果不斷提高。煤田測井已從簡(jiǎn)單的定性、定深、定厚，向全面定量解釋發(fā)展。目前，可提供煤層層位、煤巖層產(chǎn)狀、煤巖層力學(xué)性質(zhì)（強度指數、

 

  楊氏橫量、泊松比、穩定性等），斷層參數（性質(zhì)、斷距、破碎帶等），煤層煤質(zhì)參數（碳灰水含量、元素含量、揮發(fā)分、發(fā)熱量等）、巖層孔隙度、巖性砂泥水含量、含水層參數（涌水量、補給關(guān)系、水位等）多種地質(zhì)成果，其中大部分已應用于地質(zhì)報告中。煤田測井解決地質(zhì)問(wèn)題的能力、薄層分層解釋水平均處于世界先進(jìn)水平。煤田測井在煤礦地質(zhì)勘探中已成為不可缺少的勘探手段，它可能減少鉆井取芯工程量，提高勘探速度、降低勘探成本，已經(jīng)得到廣大地質(zhì)工作者的公認。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應用領(lǐng)域進(jìn)一步延伸，煤田測井將發(fā)揮更大的作用。