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1、煤矿开采超前预测预报可行性研究（煤矿开采超前预测预报的地球物理方法）随着我国煤炭工业的快速发展，各矿区开采深度不断增加，开采过程中承担风险越来越大，矿井灾害事故不断发生，轻则造成经济损失，重则造成重大的人员伤亡事故。国家安全总局近期提出了“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的矿井防治灾害事故原则，为落实这一原则，采用物探手段在煤矿井下掘进工作面进行超前地质预测预报是目前重点研究的课题之一。用物探手段来预测预报煤矿井下掘进工作面地质情况是最经济、最有效、最快捷的手段。但有那些物探方法用来预测预报井下地质情况？一般来说地面物探都可以用于井下，但井下地质情况比较复杂，目前常用的物探方法如（图1
2、）。注：此图是从铁道、公路隧道超前预报照搬过来，用于煤矿井下有待实验研究。现把最常用的几个超前地质预报方法叙述如下：目前常用的超前地质预报方法依据预报的距离可分为中长距离超前地质预报和短距离超前地质预报两类。中长距离超前地质预报方法主要有TSP隧道地震波预报技术、中长距离超前水平钻孔等，短距离超前地质预报方法主要有掌子面地质素描、地质雷达、红外探测等。依据原理又可分为地质分析预测法和地球物理物探法。地质分析预测法主要有超前导洞(坑)法和超前钻孔法，地球物理物探法依据仪器工作原理又可分为：以反射波变化为测量原理的微震波反射法(TSP)和电磁波反射法(GPR)；以电阻率变化为测量原理的直流电法(D
3、EM)、高密度电阻率法和瞬变电磁法(TEM)。1 反射波法隧道、井巷地震超前预报（1） 概述反射波法隧道、井巷地震超前探测技术（即：ReflectedWave Tunnel Seismic Prediction ahead，国外称“TSP”，也称“隧道VSP”，国内称“地震负视速度法”）是一种测试面与被探测面互为垂直的观测系统。它利用地震波在不均匀地层中产生的反射波特征(回波测量原理)来预报隧道施工掘进面前方及周围临近区域的地质情况。本方法在掌子面后方侧壁、底板或以巷道中轴线为任意角度的一定范围内布置爆破点和接收点(根据解决的地质情况具体设计)，进行微弱爆破，爆破产生的地震波信号以球面波的形式
4、在隧道、井巷周围岩体内传播，当岩性发生变化时，信号的一部分就会反射回来被检波器接收到，其工作原理详见（图11）。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，便可推断断层、岩石破碎带、岩性分界面等不良地质体的空间位置、规模、产状及岩石弹性参数等。以辅助隧道、井巷工程施工。TSP探测距离为100一200米，能够预报不良地质体的位置和规模。它对岩石变化、断层带和不良地质夹层等的探测预报却有相当高的准确性，而这些地层变化常常与地下水的活动密不可分。TSP对掌子面前方的地下水活动情况不能进行直接探测，它是通过不良地质体的性状来推断前方地下水的情况，因而对不良地质体中是否存在突泥、突水等问题尚有较大差距。
5、（2）观测系统设计在地震勘探现场采集中，为了压制干扰波和确保对有效波进行追踪，激发点和接收点之间的排列和各排列的位置都应保持一定的相对关系，这种激发点和接收点之间以及排列和排列间的位置关系，称之为观测系统。由于隧道、井巷特殊的工作环境(全空间)决定了其地震信号的复杂性和特殊性。因此，要想准确预报隧道、井巷前方的地质构造情况及岩体特征，就必须设计出一套特殊的观测系统，使其所采集的数据能突出有效反射信号，或者能把有效反射信号从混有其它干扰信号的波场中容易地分离出来，即把全空间波场非常容易地转化到半空间波场(掌子面前方半空间)来研究，从而有效突出研究对象，而且使其尽可能兼顾有数据采集的方便、高效，甚
6、至节能、省力等功效。因此，RTSP观测的优化设计非常重要，它是保证隧道、井巷有效超前探测的前提和基础。从表面看，就隧道、井巷工作环境而言RTSP观测系统可以有如下4种布设方式： 1) 炮点置于掌子面远端，一炮多收系统(图12)。 2) 检波点置于掌子面远端，一炮一收系统(图13)。3) 炮点置于掌子面近端，一炮多收系统(图15)。 4) 检波点置于掌子面近端，一炮一收系统(图16)。(3) 有效观测系统分析从以上可能设计出的观测系统及其时距曲线分析可知，有效观测系统只能取“炮点置于掌子面远端，一炮多收系统”(图12)和“检波点置于掌子面远端，一炮一收系统”(图13，是目前TSP的普遍做法)。此
7、两种观测系统的妙处都在于有效反射波(掌子面前方反射波)与干扰信号(直达波，隧道、井巷侧壁反射波和掌子面后方反射波等)之间视速度性质完全不同(图15)。掌子面前方(当构造面与隧道、井巷中轴线达到一定角度)反射波视速度为负，其它信号视速度为正，由此可通过一种视速度滤波(如FK滤波，p滤波等)使之非常有效的把有效反射信号与干扰信号分离。但是，通过研究分析，此两种观测系统也有优劣之分，“一炮多收观测系统”相对于“一炮一收系统”，有诸多优点：1) 可使各接收记录道在同一震源子波激发下接收和同一能量级上接收地震信号，表现出的反射特征一样，这对高分辨率地震勘探非常有意义。 2) 可大大提高施工效率。如果炮出
8、现过多坏道的情况下，可在不移动检波器的情况下，继续另一炮激发同一排列接收；当地质条件非常复杂时，甚至可用多炮记录(不同炮点，即不同偏移距或不同震源类型，同一排列)对同一地质体从不同角度进行预报验证；对多炮数据进行叠加处理，以提高资料的信噪比，提高预报精度。 3) 可节省耗材、人力和施工时间，大大提高了野外数据采集效率。 “一炮多收观测系统”方案的不足之处是仪器配件(检渡器、大线)较多，设备相对较笨重，地下环境狭小时会受到限制。 当然，还可以设计出横波勘探观测系统。我们都知道，常规地面横被勘探，最大地困难是理想的横波震源难以实现，因此，也就限制了此方法的推广。而隧道、井巷环境下实现横波震源的自然
9、条件非常简单和理想，如果用SH波勘探，可在侧壁上布置接收点，底板布置爆破点；或在底板上布置接收点，侧壁上布置爆破点，实现SH波或SV波勘探。从理论上，SH不会产生转换波，如果与P波勘探配合使用，预测效果会更加有效。检波器可以是单分量，也可以是多分量，即所说的多波多分量勘探，这样得到的信息会更丰富。如果目标体比较复杂。一条测线很难控制住构造体的情况下，还可以设计出同一观测面、甚至不同观测面(两个侧壁，一个底板或检波器和震源)以一定的角度埋置(详见图18)，多条测线进行观测。（3）、TDP隧道地质超前预报系统TDP（Tunnel Geology Prediction）隧道地质超前预报系统包括仪器设
10、备和处理软件两大部分。其中仪器设备有TDP型仪器主机、接收传感器、孔中定位安装工具和电缆等。(图19）是TDP隧道地质超前预报系统的仪器设备部分。处理软件包括：地震波数据输入与编排，空间坐标建立，能量均衡，干扰波分析与去除，触发时差校正，谱分析与滤波，纵横波分离，岩体速度参数计算，回波提取与偏移图，有效波分析与衰减参数计算，极化波处理与构造产状图，综合分析与绘制成果图等模块组成。图 19 TGP型隧道地质超前预报系统仪器设备2 时间域电磁法矿井超前探测（1）概述时间域电磁法(Time dmain electromagnetic methods)或称瞬变电磁法(Transient eleetro
11、manetie methods)，简写为TEM。它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。其基本原理是：在地面或空中设置通以一定电流的发射线圈，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。它的有效探测范围为地下20m一1km。工作方法如（图2
12、1）所示。（2） 工作方法技术地面瞬变电磁法的工作装置有很多种，在工作中通常采用的有重叠回线、中心回线、分离回线等多种方式。具体工作装置的选择是根据勘察目的、施工条件和各种装置的特点等因素综合考虑决定的。而矿井瞬变电磁法是在井下巷道中进行勘测的，考虑到井下巷道空间的限制，矿井瞬变电磁法的工作装置的尺寸不可能很大，但限制发射回线的大小也限制了发射装置的发射功率，使得探测深度达不到实际工作需求，因此矿井瞬变电磁法采用了多匝小回线装置。这种装置既可以在狭窄的巷道空间中方便的进行各种角度的旋转、位移，也增加了发射功率，保证了探测深度。在巷道迎头做超前探测具体施工时，测点在巷道迎头空间的布置如(图22)
13、。即从巷道迎头的一侧开始，首先使发射、接收回线装置的法线垂直巷道侧面进行测量，然后旋转回线装置，使装置的法线方向与巷道的侧帮分别成一定、逐渐增大的夹角进行探测，当回线装置的法线方向与巷道迎头界面垂直时，根据其主迎头断面的宽度布置23个测点，到巷道迎头另一侧时再同刚才一样旋转回线装置，使回线装置的法线方向完成180的旋转角度。同时还可以将回线装置的法线方向分别向上和向下与水平面成大约45角，然后在进行如上的旋转探测(图23)。此时，可以按照“烟圈效应”把线圈发射出去的等效电流环想象成一个黑夜中的手电筒，在手电筒圆锥形的照射区域就是可探测到的范围，这样就可以得到一个以巷道迎头位置为中心的，向掘进方
14、向的成半球体探测范围，从而可以全方位的确定巷道前方及其周围是否有低阻异常的存在。但是由于矿井瞬变电磁是在全空间状态下工作的，而且巷道空间非常狭小，在忽略其影响的前提下，因重叠回线是两面都在发射“烟圈”，所以实际上探测范围并不是一个半球，而是一个完整的球体。其中每一个测点接受线圈所接受到的数据是在巷道迎头前方和迎头后方对应位置的地质信息的一个综合反映(图23)。一般情况下，迎头后方是已经有巷道贯通的，对巷道周围的岩层构成等地质情况都有比较明确和直接的认识了解，而煤矿生产所需要的信息主要是巷道迎头前方的地质信息。所以在对井下瞬变电磁做数据解释处理时，不能单纯根据瞬变资料进行解释，还要充分结合具体的
15、地质资料进行综合的解释。在探测过程中采用多角度环形探测和顶、底板多方位探测也是为了增加数据采集量，利用瞬变电磁的指向性强的特点，可以更好的确定异常体位置。（3） 资料处理与解释数据处理首先采用美国INTERPEX公司的TEMIX XLV4.0软件进行处理。依次进行原始数据整理，数据格式转换，绘制初始多测道断面图，剔除畸变数据，滤波、绘制多测道断面图，反演、绘制视电阻率断面图、等深视电阻率切片图和电阻率一次和二次变化率图等。(图25)为沿巷道掘进方向探测得到的视电阻率等值线剖面图，呈扇形。3地质雷达超前探测技术（1）概述地质雷达(ground penetrating radar,简称GPR)是利
16、用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探技术，其工作原理(如图1)是：发射天线将高频电磁波(106 109Hz)以宽频带短脉冲形式送入隧道掌子面前方，在电磁波向掌子面前方传播的过程中，当遇到存在电性差异的目标体(如空洞、裂隙、岩溶等)时，电磁波便发生反射，由接收天线接收，并由主机记录，得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和埋深。目标体到掌子面的距离d=vt/2(t为电磁波的双程走时ns；v为电磁波在该介质中的传播速度m/ns)。这样，可对各测点进行快速连续地探测，并根据反射波组的波形与强度特征，经过数据处理得到
17、地质雷达剖面图像。因此通过多条雷达测线的探测，并结合掌子面的地质调查和分析，便可推断掌子面前方异常地质或目标体的分布情况。 （2） 工作方法技术由于掌子面通常采用上、下导坑开挖，工作面很狭小，根据掌子面的具体情况，在探测过程中可采用两横两竖或一横三竖的布线方式，见（图2）。可根据现场情况灵活布置测线，其原则就是尽可能靠近掌子面轴心位置，使测线距离尽可能长，尽可能多地采集数据，以备后期数据的分析处理。（3） 资料处理与检测结果探地雷达探测的所有记录数据均自动记录在计算机硬盘上，可回到室内使用微机进行分析处理。数据与资料的处理基本可以分为2个阶段：一是将记录数据处理成图像，从图像上进行巡视，确定标
18、志层与异常，分析异常处的相位特征、频率特征等参数；二是用专用软件包对所确定的异常进行处理。(图3-3)是葵岗隧道左线LK3+629LK3+649段的地质雷达图。从(图3)中我们可以看出，LK3+634LK3+644段范围内存在3个双曲线型异常反射体，推断为溶洞，经开挖证实。(图3-4)为葵岗隧道左线LK3+756LK3+776段的地质雷达探测成果图，图中上部LK3+756LK3+764段为相对低幅反射波组，局部存在强反射同相轴，结合掌子面地质情况可推断LK3+756LK3+764段主体围岩为薄层中层煤层和砂岩互层，岩体破碎、松散易坍塌，块碎(石)状压碎结构，构造节理发育，围岩较破碎，富水带的界
19、面。地质雷达作为地质超前预报手段，通过探测能较成功地取得有关地质变化的图像，并通过对图像的地质解释进行地质超前预报。很多成功的实践证明，预报工作做得好，既懂物探又懂地质的专业队伍最为关键。只有把各种地质要素与雷达记录结合起来，通过综合分析判断，才能得出一个符合实际的预报结论。4无线电波透视技术（坑透）无线电波透视技术(又称坑透法)是根据电磁波在地下岩层中传播时，由于各种岩层和煤层的电性(电阻率和介电常数)的不同，它们对电磁波的吸收不一致的原理，来探测待采工作面内的地质异常体。如果发射源发射的电磁波在穿过煤层途中遇到断层、陷落柱、含水裂隙、煤层变薄区或其它构造时，波能量被吸收或完全屏蔽，则在接收
20、巷道接收机收到微弱信号或收不到透射信号，形成透视异常区，即为所要探测异常体的位置和范围。无线电波透视法就是通过研究钻孔或坑道间电磁波的传播规律 (或者说被介质吸收的情况)从而来圈定矿体、充水溶洞等地质对象的分布范围和产状。 （1）探测方法在工作面形成后，整个工作面上下平巷处于断电状态，使用WKT-E型无线电波坑透仪,采用合理的工作频率，定点交汇法探测。发射点间距为50m，接收点间距为10m。根据工作面上下平巷的长度合理布置测点，上下平巷均布置发射点和接收点，其示意如(图4-1)所示。对于倾斜长度超过100m的工作面，采用0.5MHz的工作频率，小于100m的工作面，采用1.5 MHz的工作频率
21、。探测时同时观测记录淋水地点、裂隙发育地段及电线电缆位置，以便在进行资料解释时排除干扰因素。（2）观测方式观测方式有同步法和定点法两种。 同步法是将发射机 (或发射天线)和接收机 (或接收天线)分别放到两个井孔中（或上、下井巷），然后，同步地上下移动进行观测。如果发射机和接收机保持同一高度，同步测量就称为水平同步法，如果发射机相对接收机处于不同高度同步测量就称高差同步，高差的大小一般视井间距、井深及岩层产状而定。 定点法测量一般是将发射机（或接收机）固定于井孔中某预选位置，然后将接收机(或发射机)置于另一井孔进行连续测量。实际工作中，一般先用同步法了解井间地质体的大致位置，继而再利用定点法进一步确定异常体的边界和轮廓。在无线电波透视法中，频率直接影响透视的距离和对异常的分辨能力。一般来说，频率高、波长短、对异常体的分辨能力强，但随之而来的是吸收增强。透距变短。反之，频率低、波长长。吸收弱、透距变大，更适合研究较大范围内地质体的变化。但对异常体的分辨能力也降低。5. 其它物探方法（1）坑道（矿井）直流电阻率法（2）高密度电阻率成像探测法（3）隧道掘进电法超前监视，简称BEAM法
