地震构造勘探：近年来煤炭物探的主要进展

  测量系统组成

 

  吊舱式系统

 

  吊舱式直升机频率域电磁、磁测量系统是我国在从加拿大引进的MPUIJSE六频电磁仪和磁力仪基础上，自行集成的一套测量系统。该系统由MPULS频率域电磁系统、CS3磁力仪、DS数据收录系统、GPS导航定位系统、高度测量系统、模拟记录仪和电源系统组成，可同时测量电磁、磁2种参数，其性能指标达到了世界同类产品的先进水平。

 

  MPIUSE电磁系统为新型的数字化和宽带系1.1  采区三维地震推广范围和应用领域不断扩大煤矿采区三维地震勘探技术自1 994年在平原地区获得成功后，1 995年在山区、1 998年在戈壁地区、2000年在沙漠地区、2001年在黄土塬区、2005年在陡倾角地区等复杂条件下相继取得技术突破，直接拓展了高分辨率三维地震勘探技术应用的广度和深度，煤矿采区三维地震勘探技术在全国的应用范围已拓宽到包括平原、山区、丘陵、戈壁、沙漠、海上、黄土塬等地区，推广地域横跨华东、华北、华中与西北地区（西南地区仍处在前期的生产性试验阶段），用户群体包括国有煤炭集团、民营煤炭企业以及个体经营者，地震成果从传统的构造地质向水文地质、开采地质方向拓展，服务阶段从以往的资源勘查阶段，上升到服务于煤矿安全高效开采的生产阶段．总之，近十年来，煤矿三维地震勘探取得了令人瞩目的进展，其解决煤矿生产地质问题的精度和能力得到了业主的普遍认可，成为煤矿采区采前构造勘探的首选技术手段而得到了大范围的推广应用．在2003年和2006年，山东龙矿集团与胜利油田物探公司、中煤科工集团西安研究院以及山东省煤炭地质局联合，先后两次在地处渤海湾的黄县煤田北皂煤矿北海域、梁家煤矿西海域进行7海下煤炭资源精细探查，采用煤矿采区高分辨率三维地震技术，创新性地将三维地震高密度的检波器接收阵列放置于海底，取得了高分辨率的地震资料，准确查明了该海域内8亿t煤炭资源的赋存状态，迄今为止，山东龙矿集团已连续5年实现了海域煤炭资源的安全高效开采；2007年10月，我国首次在内蒙古弓沟煤田进行了地下煤层气化点火试验并获得成功，开创了国内地下煤层化之先河，实现了低热值煤气示范性发电．为了监测气化燃烧热力影响边界、形态、方向、气化区冒落带的高度及气化煤层裂隙发育程度，2009年首次采用高密度三维地震方法准确识别出地下煤层气化的平面展布形态，为煤炭地下气化扩大工程设计提供了重要的地质信息；2010年，山东兖矿集团在济宁二号煤矿开展了利用三维地震探测工作面“三带”发育高度的有益尝试，这有可能成为今后煤炭四维地震的萌芽．另外，煤炭地震勘探队伍也积极开展了利用高分辨率地震勘探技术，对石膏矿、岩盐、油页岩等非煤资源精细探测的实践；同时，煤田地震勘探以其浅层、高分辨率地震勘探的特色，在全国城市活断层地质调查中也发挥了重要作用．1.2地震资料精细目标处理与地质动态解释技术地震勘探是一个系统工程，其技术的进步是地震数据采集、处理、解释以及后期验证的综合产物．与油田地震勘探不同，煤田地震勘探地区不但钻孔多、而且在后期的井下开采过程中几乎能够验证全部地震解释结果，但是，煤田地震勘探以往却很少从验证过程中吸取经验，并将其反馈到地震资料的再处理、再解释过程中．近年来，煤矿安全高效开采对于地质保障的技术需求愈加强烈，地震资料处理中高精度层析静校正、叠前偏移、保真处理等新方法与新软件不断推出，直接推动了煤矿采区三维地震资料处理向精细化处理、目标处理等方向发展；在借鉴石油天然气开发地震、油藏监测、储层描述等先进的解释技术和新的理念基础上，充分利用煤矿采掘过程揭露的宝贵地质信息，不断引入包括地震属性分析、全三维地震解释等新的技术成果，开展煤矿采区三维地震资料的地质动态解释，取得了明显的成效．淮南矿业集团是全国三维地震开展最早、应用最好的矿区，目前完成的常规三维地震勘探累计有48个采区（区块），勘探面积达254. 56 km2，占淮南矿区（潘谢）面积的46. 76%.在后期的井下生产中，对以往三维地震成果1030个断点进行了验证，分析了小断层、煤层变薄区在三维地震资料上的显示特征，在探采对比分析工作的基础上，完成了9个块段、63. 65 km2的三维地震资料重新处理，并对精细处理后的三维地震资料开展了地质动态解释，为该集团的快速发展提供了地质保障．地震勘探逐步实现从构造勘探向岩性勘探的跨越。

 

  地震构造勘探主要利用地震波的运动学特征，而地震岩性勘探除了利用地震波的运动学特征外，还利用地震波的动力学特征来研究地层的岩性．地震岩性反演技术是一门集地震、测井、地质、计算机等多学科为一体的综合地球物理勘探技术，它以钻探、测井资料为约束，对地震叠前道集资料进行AVO反演、叠前弹性波阻抗或叠后波阻抗反演．地震反演剖面将钻孔测井数据具有很高纵向分辨率的特点与地震剖面具有较好的横向分辨率的优势结合起来，优势互补，获得的地震岩性反演剖面具有明确的地质意义和物理意义，成为地震勘探由构造解释迈向岩性解释的桥梁和纽带．地震岩性反演剖面具有很高的纵向分辨率，深部薄煤层的连续性和可检测性得到增强，同时还获得煤层顶、底板的岩性信息．山东省煤田地质局在新疆某区，成功应用该技术解决了侏罗纪含煤地层多煤层对比的技术难题；该技术有望在圈定导水裂隙带的分布范围、围岩的透气性、瓦斯富集区等开采地质问题中，发挥重要作用．地面瞬变电磁法在煤矿水文地质条件探查中得到广泛应用。

 

  我国的煤炭电法勘探工作始于20世纪50年代初，当时主要引进前苏联的方法技术，以直流电法为主，随后又发展了电化学方法（如激发极化法），其主要地质任务是在隐伏区找煤；到20世纪60年代，开始研究以绝对测量为特点的电磁感应类方法，开始探索应用电法技术探测老窑采空区、岩溶、古河床和断层等问题，并在配合地质填图、普查找煤、断层探测、寻找隐伏煤层露头、探测岩溶裂隙发育带及找水、第四系勘探等方面取得了丰硕成果；至20世纪70年代，研究以相对测量为主的电磁类方法，结束了单纯依赖直流电法的历史，步入了直流和交流电法同时应用的新阶段；进入20世纪80年代，随着电子计算机和计算数学的引入，煤炭电法勘探技术开始进入数字化时代，可以利用微机进行电测深定量解释，提高了工作效率、分层能力和解释精度，缩小了与国外先进水平的差距；到20世纪90年代，随着国外先进技术与装备的引进，煤炭电法勘探逐步形成了集设计、采集、处理解译、成果提交一体化工作模式，其对工作环境的适应性、解决地质问题的可靠性等方面的能力与水平都得到了大幅度的提高；近10年来，地面瞬变电磁法在煤矿采区水文地质条件探查中，逐渐从无到有，开始发挥着举足轻重的作用．围绕煤矿防治水迫切需要预先查明浅部老空水、顶板离层水和深部奥灰水等矿井水文地质条件的现实需求，地面直流电法因其体积效应大、工作效率低等原因，应用逐渐减少，高密度电法在浅部老窑采空区探测中仍有应用；与此形成鲜明对比的是，交流电法异军突起，已逐渐成为煤矿采区水文地质勘探的主力，包括瞬变电磁法(TEM)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)及混合源电磁法（EH-4电导率成像系统）等．由于瞬变电磁法具有对低阻体敏感、施工效率高等优点，在煤矿防治水领域得到广泛应用，目前已成为煤矿水文地质勘探的主要物探手段．煤矿井下物探技术进入蓬勃发展的新阶段。

 

  尽管以地面三维地震和瞬变电磁法为代表的物探技术取得了很大的发展，已经能够较好地为煤矿开采超前提供构造条件和水文地质条件的探测成果，但是却仍然无法满足煤矿安全高效开采对于地质条件查明程度的客观要求，这给煤矿井下物探技术与装备的超常规发展提供了契机．相比较而言，我国的矿井物探技术发展较晚．鉴于地面物探受地表条件影响较大、距目标体较远、分辨率难以满足生产要求等因素，20世纪80年代中期至90年代初，以开滦范各庄矿2171陷落柱特大透水事件为起点，我国开始从国外引进槽波地震、瑞雷波、无线电波坑道透视等技术与装备，并通过消化、吸收、改进、试制和自主研发，到世纪之交我国矿井物探技术与装备已经初步形成了包括井下直流电法、坑透、电透视、瑞利波、地质雷达、煤厚探测仪等仪器系列，并开展了大量的方法研究和现场试验工作，取得了一定的地质效果．近年来，瞬变电磁法开始引入煤矿井下．该方法以其特有的长距离、全方位、对水敏感、定向性好、施工效率高等特点，迅速受到了广大矿井地质工作者的欢迎．同样，煤矿井下槽波地震探测技术也开始重新得到重视，它以探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征较易识别等优点，尤其在探测精度和距离上优于其他煤矿井下勘探方法，其探测距离可达煤厚的300倍，广泛应用于探查小断层、陷落柱、煤层分叉与变薄带、充水采空区及废弃巷道等地质异常．该技术在20世纪80-90年代曾在全国一些煤矿得到应用，之后由于其设备笨重、施工工程量大以及地面高分辨率三维地震勘探技术的兴起等多种原因，限制了该技术的进一步推广．如今，不少煤矿的工作面都设计为超大超宽的高产高效工作面，随着槽波地震探测新型仪器设备的出现、施工方法的改进以及处理软件的升级，该技术又开始重新焕发出勃勃生机．煤矿安全生产地质保障的服务模式出现了可喜创新。

 

  煤矿的安全高效生产需要以超前、可靠地查明影响开采的地质条件为保障，这些地质条件包括煤层赋存条件（如储量）、构造地质条件（如断层）、水文地质条件（如突水通道）、开采地质条件（如瓦斯）等．在这些地质条件中，水文地质条件与开采地质条件是动态变化的，它们与由不同开采方式、推进速度等引起的围岩应力变化密切相关，因此为了确保安全生产，对这些地质条件的探测不可能是一劳永逸的，需要进行动态跟踪探测与及时的预测预警．近几年，一些大型国有煤炭企业与科研院所、大专院校联合，共同成立提供区域性日常技术服务的水文地质研究院／研究中心，或由后者出面组建专门的驻矿项目部，对所辖矿井部分具有潜在突水隐患的掘进头、工作面，开展水文地质条件的动态探测与实时预测的现场工作，这一新的“产学研用”工作模式的建立，已经在一些地区有效规避了多起井下突水灾害，也为科研单位提高技术能力、改进装备水平等提供了不可多得的机遇和平台．众所周知，煤炭开采是一个动态的、渐进的过程，矿井地质工作是一门实践性很强的应用科学，具有极强的实用性、现场性和实时性，随着勘探开发程度的不断深入，人们的认识会不断升华；另一方面，煤矿生产对地质工作的要求，在不同阶段的要求精度也是变化的，要以确保生产过程的时效性为前提．围绕煤矿水文地质条件与开采地质条件的探测问题，以物探施工单位派驻项目组进行长期动态跟踪探测与现场实时服务为特色的“嵌入式”服务模式，很好地适应了地质工作的特点和煤矿生产的要求，发挥了优势互补、强强联合的优势，创新了煤矿地质保障技术的服务模式．物探方法技术与装备的其他进展。

 

  除了上述已取得突出进展、得到推广应用的地面及井下物探技术方法外，近年来尚有一些令人瞩目的新方法、新技术正在处于试验或推广阶段，如地面高密度全数字三维三分墨地震勘探技术、基于被动地震震源的微震探测技术、煤矿井下网络电法底板动态监测技术、高精度地震散射波成像与CRP道集成像技术、煤矿突水灾害治理效果的监测技术、矿井多波多分量地震勘探超前探测技术以及煤层气富集区的地球物理综合探测技术等．这些新方法、新技术与新装备的研发或试验成功，有望成为今后几年物探技术的发展方向．