中国煤炭地球物理勘查技术的进展及发展趋势

1 中国煤炭地球物理勘查技术的进展及发展趋势

雷振英

（中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所）

一、前言

我国煤田地球物理勘探技术始于20世纪40年代。1941年即在开滦煤矿进行过地震折射波法试验，但直到1945年前，我国的煤田物探工作基本处于空白状态。从1954年开始煤田物探工作，并在东北、华北、西北和华南地区发现了一批新的隐伏煤田。70年代以后煤田物探技术逐渐成熟，工作任务从普查找煤逐步向详查精查过渡，形成了物探、钻探、地质相结合的煤田地质勘探模式，有力地推动了煤田物探工作的发展。自80年代开始煤田物探技术进入了飞跃发展时期，更新了技术装备，各种物探方法逐步实现了数字化，建立了数据处理中心、测井刻度中心及方法仪器研究中心等机构。

各种物探方法的发展使煤田物探的应用领域不断拓宽，使物探成为煤田地质勘探必不可少的方法。

煤田地震勘探是煤田物探中技术发展最快的一种方法。它已成为煤田地质精查的主要手段。地震、钻探、地质相配合, 使勘探周期大大缩短, 费用降低, 提高了成果的精度。

二、高分辨率地震勘探技术

我国的煤田地震工作，到20世纪80年代末期已全部采用了高分辨率地震勘探方法。目前野外数据采集中，原始记录的主频率和有效频带已达到90Hz和190Hz，数据处理已形成高分辨率、高信噪比、高保真度处理流程。开发了地表一致性、振幅、相位与幅度谱均衡，非双曲线高保真动校正，自适应倾斜面元叠加, 符号位统计检测法去噪，反Q滤波、叠前偏移，小波变换及地震信号重建等解释处理模块。这些进展对提高时间剖面质量发挥了重要作用。

三、直接找煤及确定煤层厚度

通过对煤层的不同赋存环境、状态、结构、厚度及其变化、连续 2 性等大量的数学模型和物理模型分析，为识别和解释煤层地震波提供了依据。发展了煤层厚度及其精细构造反演方法，使煤层厚度预测准确性大大提高。经过研究和实际应用证实，目前以干涉测距法、谱矩法、功率谱比法、反射波与子波振幅谱比法效果较好，经矿区实际检测，确定煤厚的绝对误差大多在0.5m以内。

四、三维三分量地震勘探

横波资料载有丰富的地质信息，对提高构造勘探精度和开展岩性地震勘探研究具有重要意义。近年来，我国煤田地震勘探采用炸药震源一次激发同时接收到较好的纵波、横波和转换波, 处理后的三种时间剖面上均显示了良好的地质效果，信噪比高，并可提供泊松比剖面。

建立了煤田地表全三维可视化解释方法、数学模型和分析方法。煤田三维三分量地震勘探技术初步形成了纵横波联合解释的方法体系。在数据处理方面，最近几年也出现了某些突破。

五、断层自动检测技术

我国煤田地震勘探, 目前利用二维地震可解决10m断距的小断层,

利用三维地震可解决断距5m左右的小断层。高质量的原始记录和精细处理的地震剖面是解释小断层的基础。开发的断层自动检测技术大大提高了识别小断层的能力和可信度。

高分辨率地震技术获得分辨率很高的地震剖面，实现了对薄煤层的直接探测，并能够以较高精度确定小落差断层。

六、煤田地球物理测井

煤田测井作为煤田勘探的一种重要手段，已经有半个多世纪的历史，取得了明显的地质效果。20世纪70年代以来，煤炭资源重新受到世界各国的高度重视，煤田测井也迅速的发展起来。目前，测井资料在煤田预测、普查、勘探直到开采设计等各阶段，都有着广泛应用。

目前在煤田勘探中广泛应用的测井方法，根据所依据的物理性质的不同可分为以下几类，见表2。根据地质任务的不同，可有选择的利用上述方法组成不同的测井系列。

表2 煤田勘探中主要测井方法

电测井 普通电极系电阻率法（视电阻率电位、视电阻率梯度、 3 双电位、双梯度等）

电流法（屏蔽电流、接地电阻梯度等）

侧向测井（主要是三侧向测井）

微电极系测井（微电位、微梯度以及微侧向测井）

电化学测井 自然电位测井、人工电位测井和电极电位测井

核测井 自然伽马法与自然伽马能谱法

密度测井和选择伽马伽马测井

中子测井（中子中子测井、中子伽马测井、中子俘获伽马能谱测井）

弹性波测井 声波速度测井

声波全波列测井

超声成像测井

其他测井 热测井

地层产状测井

井液电阻率测井

井径、井斜测井

七、煤田电法勘探

煤田电法勘探在地质填图、找煤及普查勘探中均发挥了重要作用。在矿区找水和水防治方面电法勘探效果亦较好。瞬变电磁法在探测煤矿陷落柱及高阻层下找煤具有独特的作用，探测陷落柱、采空区及小断层含水性方面精度很高。传统的电测深法，由于开发了二维、三维正反演软件，解释精度大幅度提高。

八、煤田重、磁勘探

重、磁勘探在煤田物探中应用较少。但重、磁勘探在一些特定情况下仍具有重要作用。例如，在大面积火成岩下及推覆体下找煤、在村庄区弥补地震勘探空白时，高精度重力勘探和磁法勘探都取得过良好效果。磁法勘探探测煤层自燃边界也取得了良好效果。

电法、重力勘探资料在煤田勘探中主要用于识别盆地、圈定盆地边界、确定盆地内部结构以及建立找矿模型。

九、矿井地球物理勘查

1、矿井物探方法技术

自上世纪50年代到80年代，我国矿井物探技术基本处于研究试验阶段。自80年代开始，我国矿井物探进入快速发展轨道，新方法新技术不断推出，解决煤矿地质问题的能力越来越强，其在煤矿地质、水 4 文地质探查中的地位和作用越来越明显与重要。尤其是在2002年国家颁布《安全生产法》以来，矿井物探以其方便、快速、廉价、准确预测预报的优势，在煤矿安全保障领域得到了广泛的推广和应用。目前，在全国许多大型矿区已经将矿井物探技术列为工作面回采前必备探测手段，许多地方煤矿也纷纷推广使用。

目前，我国有多项矿井物探技术达到世界先进或领先水平．矿井物探技术已经成为煤矿现代化安全生产的“CT”或“Ｂ超”，有力推动了煤矿安全生产技术、开采技术的进步。

国内典型的矿井物探新技术如下表3所列：

表3 矿井物探新技术

矿井地震 槽波地震勘探技术

瑞利波探测技术

弹性波ＣＴ技术

矿井二维地震勘探

矿井电（电磁）法 矿井直流电测深技术

直流电法超前探测技术

矿井音频电穿透技术

矿井瞬变电磁法

无线电波坑道透视法

目前，矿井物探方法较多，各种方法都取得了一定的成果．有的方法已推广应用，但许多方法都不够完善，有待进一步研究提高。

在围绕煤矿各种灾害方面（瓦斯与煤尘、冒顶、自然发火、水害、冲击地压等），我国矿井物探技术仍存在许多盲点，如确定较宽综采工作面内局部煤层缺失带分布规律、定量超前预测掘进巷道侧前方灾害性地质构造、准确预测不规则小煤窑采空区位置及其含水性、提前预测煤与瓦斯突出灾害性地质构造的空间位置、提前预测冲击地压影响范围等方面。

另外，物探在煤矿井下应用条件的研究还不够深入，仪器的作用距离短、分辨能力不高，许多仪器还达不到轻便防爆的要求；方法试验较多，理论研究相对较少；资料解释定性的多，定量解释的少；不同的方法还没有形成相应的技术规范等。

2、矿井物探的主要发展方向

矿井物探的主要发展方向是： 5 ①在矿井物探中，有效的探测方法，如矿井高频无线电法：包括矿井地质雷达、坑道透视和无线电定位法等；瞬变电磁法等；矿井直流电法：包括顶底板高密度直流电测深法、巷道直流超前探测法、工作面电穿透法等；矿井地震法：包括地震槽波法、地震透视法、高频地震法、瑞利波法、井巷地震超前探测法等。当前矿井地震法和矿井电磁法（直流电法及过渡场法）是主攻方向。

②研制适于煤矿特点的矿井物探仪器，不仅要求仪器的作用距离大、分辨能力高，还要求仪器轻便防爆。

③研究电磁波、地震波、声波等在井下煤岩介质中的传播特性，结合必要的模拟实验和数学研究，建立各种矿井物探方法的理论基础，建立资料解释的可靠依据，并形成相应的技术规范。

④矿井物探方法向综合多方法、多参数方向发展，甚至与基础地质手段、地理信息系统技术有机的结合起来，利用地震、电法、地面钻探和井巷工程等多元数据，建立多元信息集成系统，建立预测和评价模型，形成井田（或某一个煤矿、某一个采区、某一个工作面）的地质物探资料的信息化、数字化、集成化、可视化解释系统。

⑤深入研究矿井重大灾害性地质构造的探测技术与装备．如矿井隐伏导水构造（潜在突水陷落柱、潜在突水断层等）较大型灾害性地质构造、长距离超前精细探查与空间定位技术与装备．研究探测老空区的空间展布、位置、深度、富水状态等关键信息的高精度矿井物探技术；研究探测煤与瓦斯易突出的地质构造的矿井地球物理方法及装备等等。

总之，矿井物探未来的发展将取决于引入新理论、新方法和广泛应用高新技术，近年来，在分形技术、小波理论、模式识别、反演方法、预测理论等许多方面有新的进展，为矿井物探技术发展提供了新思路、新方法、新模式。