矿井物探技术在复杂地质构造探测中的应用分析

引言：

煤炭在我国能源结构中占有主导地位，是我国重要的能源资源，但是我国煤炭资源赋存条件复杂，很多煤矿存在断层、陷落柱、褶皱等复杂的地质构造问题，复杂的地质构造使煤炭开采难度加大，甚至可能造成突水、瓦斯突出、顶板垮落等事故，严重威胁矿井安全生产和经济效益。因此，对复杂地质构造进行准确探测是矿井安全高效开采的重要基础。

一、矿井物探技术在复杂地质构造探测中的应用

（一）断层探测

断层是矿井中比较常见的地质构造，对煤炭开采有着巨大的影响，采用矿井物探技术能够有效探测到断层的具体位置，产状以及落差情况，在实际探测过程中，多种物探技术相互配合使用，探测效果会更加明显。槽波地震勘探在探测过程中，经过合理的观测系统设置，探测到的槽波信号异常变化会准确指向断层位置，比如当槽波遇到断层时，会存在明显的振幅衰减和频率改变，根据这些现象就能判断出断层的确切位置和走向，对于落差达到一米以上的较小断层，槽波地震勘探也能够起到不错的识别作用，而反射地震勘探技术则可借助对反射波的细致处理，通过静校正、叠加、偏移等步骤后，清楚地显示出断层导致的反射波同相轴错断状况，进而判定出断层的产状和落差情况。

（二）陷落柱探测

陷落柱是由于岩溶塌陷等地质作用形成的一种柱状地质体，其内部岩石破碎，可能存在水，对矿井的安全造成极大威胁。瞬变电磁法和地质雷达法在探测陷落柱方面有着重要作用，二者结合可从宏观圈定过渡到细致刻画。瞬变电磁法在探测过程中，一般采用多匝重叠回线装置，通过对发射电流和观测时间的改变，可获得不同深度的电性信息，其对低阻异常区的反应敏感，可初步圈定陷落柱的范围，一般可使陷落柱的边界误差控制在 10 米左右。地质雷达法则可以借助其高分辨率特性，采用 50-100MHz 的天线频率，对陷落柱的边界和内部结构进行细致刻画，能够清楚地反映出陷落柱内部岩石破碎的程度和含水性变化的情况。在某矿区，利用瞬变电磁法发现了一处疑似陷落柱的低阻异常区，该异常区呈现出明显的圆形低阻特征，范围约为直径 30 米的区域。随后采用地质雷达进行详细探测，通过对雷达剖面的分析，清晰地揭示了陷落柱的形状为不规则的扁圆形、大小约为 35 米 ×28 米，且内部存在多处小的高阻异常体，推测为未完全塌陷的岩块，为制定防治措施提供了准确信息。据此采取的注浆加固措施有效避免了突水事故的发生。

（三）褶皱探测

褶皱构造会致使煤层厚度和产状发生改变，从而影响煤炭开采效率。反射地震勘探在褶皱探测方面有着显著的优势，特别是三维反射地震勘探，它可以全方位地显示褶皱的形态。经过对反射波的层位追踪、构造解释，借助速度分析、深度转换等技术手段，可以清楚地显示出褶皱的形态和轴向。在数据处理过程中，通过对煤层反射波同相轴的连续性和起伏变化的剖析，可以准确地判定褶皱的类型，是背斜还是向斜。就在某个矿井的勘探当中，凭借三维反射地震数据，采用了细致的叠前时间偏移处理技术，精确地识别出了煤层里的褶皱构造。这个褶皱是一个宽缓的背斜构造，它的轴向朝北东方向倾斜 30 度，两翼煤层的倾角分别是 5 度和 8 度。煤层厚度在轴部比较厚，最大可达 8 米，往两翼渐渐变薄，到 3～4 米。按照这个探测结果来引导巷道的改良布置，把回采巷道安排在褶皱两翼的平缓部分，免除了因为褶皱引发的开采难题，提高了煤炭的回采率大约5%。

二、矿井物探技术应用面临的挑战

实际矿井地质条件极其复杂，不同地质体的物理性质差异不大，物探信号特征不易显现，加大了信号解释的难度，井下充斥着许多金属设备，电缆等东西，这会严重影响电磁类物探方法的探测准确度。

每种物探方法都有其适用范围和局限性，槽波地震勘探对煤层的连续性和厚度有一定的要求，在煤层变薄、尖灭区效果不好，无线电波坑透法受电磁干扰大，在复杂电磁环境下的探测结果可靠性差，单一物探方法难以全面准确地探测复杂地质构造。

物探采集到的数据量大而复杂，需要对采集到的数据进行专业的数据处理和解释，但是目前的数据处理和解释方法还存在一定的主观性和不确定性，不同的解释人员可能会得到不同的解释结果，同时复杂的地质构造物理模型难以建立，也影响了数据解释的准确性。

三、矿井物探技术应用问题的对策

（一）综合物探技术的应用

复杂地质条件下单一物探方法往往有局限性，所以要创建多方法协同探测体系。以煤矿开采为例，在褶皱发育、含水层复杂地区，可把地震波 CT 成像技术同瞬变电磁法联合起来探测，地震波 CT 凭借弹性波传播特点，可以细致描绘出断层，褶皱等地质构造，而瞬变电磁法则对低阻异常体。比如富水区很敏感，二者数据交叉验证之后，就能把地质构造探测误差从 15% 降到 5% 以下，而且还可以用地面三维地震勘探同井下槽波探测相融合的立体探测办法，地面三维地震勘探可实现千米级区域构造宏观把控，井下槽波探测对巷道周围 100米范围内的隐伏构造实施微观解译，做到“远近互补，深浅结合”。

（二）干扰抑制与信号增强技术

井下电磁干扰、机械振动等噪声影响物探数据质量，要形成多维度干扰抑制体系。硬件上，研发抗干扰传感器阵列，用磁屏蔽材料包住传感器，加上自适应噪声抵消电路，可让背景噪声下降30dB 以上；软件上，采用深度学习滤波算法，依靠卷积神经网络（CNN）对实测信号做特征提取，可以将直达波和干扰波分离开来，而且，利用智能功率调节系统，自动调整发射功率，在保障安全的前提下，把信号传输距离加大 40% ，改进接收装置的天线布局和采样频率，让微弱信号的信噪比增大 2-3 倍，从而做到对厚度小于 1 米的薄煤层，含水裂隙等细微构造的识别。

（三）数据处理与解释方法的改进

传统人工解释模式效率低且主观性大，要创建智能化的数据处理平台，把深度学习算法同地质统计学结合起来，用 ResNet 网络对大量的地震剖面，电磁测深数据执行自动识别，塑造断层，陷落柱等典型构造的特征数据库，达成异常体的自动圈定，比传统方法效率提升 60%，而且引进贝叶斯推理模型，融合区域地质图，钻孔数据等先验信息，对物探反演成果加以概率约束，使得解释结果的置信度达 90% 以上，还要开发三维可视化的解释系统，通过虚拟现实（VR）技术把地质模型和物探数据叠加显示，可以做到从不同角度展开交互分析，明显削减复杂构造解释的不确定性。

四、结论

矿井物探技术对复杂地质构造的探测很重要，利用多种方法配合应用，可以准确探测断层，陷落柱等构造，从而提升开采的安全性和效率，不过现在遇到了地质状况干扰，办法有所局限等问题，通过创建综合探测系统，采用干扰抑制手段，改良数据处理办法等应对策略，可以改善探测精确度，以后配合新的技术，它在矿井地质探测方面应用的前景比较广。

参考文献

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