矿井物探 - 图文

矿井地球物理勘探技术及其应用

1 概述

2 高密度电阻率成像技术及其应用 3 工作面电磁波CT探测技术及其应用 4 弹性波CT探测技术及其应用 5 地质雷达探测技术及其应用 6 高分辨率三维地震勘探

1 概述

早在二十世纪八十年代，由于地球物理探测技术在矿井地质中的应用，矿井地质工作得到前所未有的发展，这些技术的应用对保障煤矿安全起到极其重要作用[1]。

近几年来，随着开采深度的进一步加大和开采上限进一步提高，矿井地质工作技术难度越来越大，对地球物理探测技术的要求越来越高。随着科学技术的发展和仪器设备的日臻先进，一些地球物理探测新技术应运而生。无论是探测精度和分辨率，还是探测准确度和可信度，都得到大幅度提高，从而保障了煤矿安全生产，促进了矿井地质工作的科技进步。

目前，矿井地质工作中地球物理探测新技术主要有高密度电阻率成像技术、电磁波CT探测技术、弹性波CT探测技术、地质雷达探测技术、高分辨率三维地震勘探技术等，这些新技术主要根据不同的物理现象和岩层不同的物理性质，来进行矿井不良地质体和岩体灾变现象探测，从而指导矿井地质工作。

2 高密度电阻率成像技术及其应用

高密度电阻率成像法是集电测深和电剖面于一体的一种多装置、多极距的组合方法。它具有一次布极即可进行多点、多极距和多参数数据采集的优点。其显著特点是数据采样高、信息量大，因而能全面地反映出测量断面的电性特征[2]。数据处理中通过电阻率成像和求取比值参数，可突出异常信息，从而达到高效率、高精度、高分辨解决地质问题的效果。 相对于点电源场在地表分布为半空间而言，井下空间应为全空间，考虑到回采工作面煤层的电阻率值高（主要是气煤、肥煤），而顶底板围岩一般为砂页岩类，其电阻率比煤层低得多，因此，回采工作面底板(或顶板)上点电源的电流分布可近似看作半空间，这一近似不影响探测地质效果。

正常岩层中存在含水体，其电场响应特征表现为视电阻率降低，富水性越强，视电阻率越低，通过高密度电阻率成像法探测，可以比较准确地圈定低阻异常区，从而判断是否存在含水体及含水程度。

2.1 工作方法

高密度电阻率成像法一般采用温纳三电位电极系。三电位电极系是由温纳对称四极装置、偶极装置、微分装置组合而成的一种多装置系统[2]，如图2.1所示。

在井下沿工作面回风巷和运输巷布设测线，并按一定间隔布置好电极，观测时只需要利用电极转换开关，便可依次将四个按一定规律组合的电极进行测量，从而在一个测点上获得三个观测系统的观测值。测量断面如图2.2所示。

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图2.1 三电位电极系示意图

(a) 温纳四极装置 (b)偶极装置 (c)微分装置

（AB为供电电极，MN为测量电极，I测量供电电流，△U测量电位差） 具体测量方法为：首先以固定点距沿巷道测线布置一系列电极，相邻电极间距为x，取装置电极距a?ix(i?1,2,?,n)，将相距为a的一组电极排列经转换开关接到仪器上，通过转换开关改变装置类型，一次完成该测点各种装置形式的视电阻率?S观测（电极排列中点为测点或记录点，记录深度为a，图2所示为i?2时a?2x，对于6号8号10号12号电极组成的排列， 9号点是该排列中点，即为记录点，记录深度为a?2x）；一个测点观测完后，通过开关转换到下一相邻测点对应的电极，以同样方法进行观测，直到电极距为a的整条剖面观测完为止。改变电极距，重复以上观测，直到a?nx测量结束。

图2.2高密度电阻率成像法测量断面示意图

点距x的选择，主要依据探测精度要求，精度要求越高，x应越小。当x确定后，最大

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电极距a?nx决定于预期探测深度，深度越深，a要求越大，但一般隔离系数n最大值不超过15为好。

煤矿井下工业电干扰极其严重，在测量方法上要采取一些技术措施，保证采集的数据准确可靠。

另外，在高密度电阻率成像中，建议选择温纳对称四极的供电和测量方式，因为温纳四极排列对于旁侧不均匀影响不像偶极或微分排列那样敏感，由其测量结果经过统计处理所形成的地电断面已经是非常光滑的地下电阻率的近似分布。

2.2 数据处理与资料解释

高密度电阻率成像法数据处理主要是电阻率成像，一般利用专用处理软件包。 根据测区岩层的正常电性特征，把电阻率成像断面色谱图分成正常区和异常区。对于异常区，按异常幅值的大小和高低划分高阻异常和低阻异常，高阻异常一般是由局部岩性变化或不含水的断裂破碎带引起，这种异常体若在采矿活动中形成不了突水通道，则对回采无不良影响。低阻异常一般是由含水体（如溶洞）、含水的断裂破碎带以及局部岩性变化引起，对于异常体为含水体时，回采工作面中一定要提前作好防治水工作，避免突水事故的发生。

2.3 应用实例[3]

某煤矿3501工作面煤层赋存条件好，煤厚 5.0~6.2m，为气煤，是矿井下一步生产主要工作面，由于该面邻近受奥灰承压水威胁的采区，开拓过程中发现断层发育，且部分地段底板非常潮湿并向外渗水。为了确保该面安全开采，需要查清工作面底板岩层结构弱面及富水性，为此，在已开拓的回风巷、运输巷分别进行高密度电阻率成像法探测。

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图2.3 3501工作面回风巷和运输巷底板高密度电阻率成像断面图 (a) 回风巷底板电阻率断面图 (b) 运输巷底板电阻率断面图

现场数据采集采用温纳三电位电极装置，测点距6m，测线总长 1Km，最大隔离系数n=15，最大探测深度90m，经孔旁测深对比校正系数取0.7，有效深度大于60m。数据采集过程中，工业电干扰严重，采取一系列技术措施，确保原始数据质量可靠。

图2.3(a,b)分别为3501工作面回风巷和运输巷高密度电阻率成像断面色谱图，两个断面的电阻率分布形态相似，色谱图电性分布全面反映出巷道底板以下岩层的岩性分布，浅部电阻率偏高，主要为3下煤层的反映；中部以下基本上反映了煤系砂岩电性特征。从图2.3(a)可以看出比较明显的两处低阻异常：测点80m ~ 105m区段，中部有一较低阻区；测点160m ~ 260m区段，断面深部有一明显的喇叭形低阻区，其视电阻率小于35??m，低于正常岩层的电阻率，解释为存在隐伏含水体，异常区域较大，通道比较明显，与浅部未连通，但不能排除采矿活动的后期破坏会造成该隐伏含水体的再导升。图2.3(b)中没有比较明显的低阻异常存在，这一趋势与工作面底板岩层倾伏方向一致。

3 工作面电磁波CT探测技术及其应用

3.1 层析成像计算原理

70年代以来，由于CT技术（计算机辅助层析成像技术）在医学领域得到广泛应用，发展迅速，在技术和计算方法方面都已比较成熟。80年代开始，CT技术在地球物理领域中应用逐渐开展起来，取得了许多令人瞩目的成果[4]。

CT技术的图象重建计算方法从数学上有变换法和代数迭代法两大类[5]。目前在地学中主要应用代数迭代法进行图像重建。1970年Gordon等人提出代数重建法，其基本思想是依据射线原理。首先对成像条件提出一个初始模型，然后把模型网格化，计算出投影函数的观测值与理论值的残差量，将每条射线的残差量以它穿经每一网格的路径长度为权分摊到该网格中去，修正模型，反复迭代直到满足收敛条件为止。

工作面电磁波透视法采用偶极子天线发射，在介质中任意点的磁场表达式可表示为：

e??rsin? (3.1) H?H0r式中H为实测场强值，H0为理论初始场强值，?为介质吸收系数，r 为发射点到接收点距离，sin?为方向性因子，一般可认为等于1。

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图3.1 工作面电磁波CT成像单元离散示意图

如图3.1所示，把工作面划分成有不同吸收系数的若干小单元（像元），每一小单元内可视为介质均匀的。假设电磁波的第i个传播路径为ri，它可以表示为若干小单元的距离之和：

ri??dj?1mmij (3.2)

没有射线穿过的小单元, 可视dij = 0 , 于是公式(3.1)变成

? Hi?H0i 对(3.3)式两端取对数有:

e??idijj?1ri (3.3)

??dij?1mij0i?ln(Hi?ri) (3.4)

H 若在多个发射点上对场强分别进行多重观测，便可形成矩阵方程：

[X][D] = [Y] (3.5) 式中: [X] 是?i未知数矩阵；[D]是

?dj?1mij系数矩阵, [Y] 是已知数矩阵，即实测值。

利用SIRT算法（Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques 同时迭代重构技术），对方程(3.5)进行计算，可以反演各像元吸收系数值，从而实现了工作面成像区内吸收系数反演成像。利用反演计算结果可以绘制成像区吸收系数等值线图和色谱图。

为了确保电磁波衰减系数的高精度成像，必须保证像元尽可能小，由于数据不完全，当像元小到一定程度，势必造成像元内无射线通过，这样，该像元就失去意义。为克服这一不足，可以先用大像元成像，然后分割成更小像元再继续成像，确保成像精度。

3.2 工作面电磁波CT工作方法

工作面电磁波CT工作方法与坑透常规工作方法基本上一致，主要采用定点法观测方式，即发射机相对固定于某巷道事先确定好的发射点位置上，接收机在另一巷道一定范围内逐点沿巷道观测场强值，观测射线呈扇形分布。CT工作方法要求在数据采集中测点应适当加密，观测密度应加大。为了保证层析反演成像的高精度，坑透CT工作方法要求在坑透施测范围

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内保证足够的射线密度的同时，射线分布基本均匀，避免出现“盲区”，因此，在工作之前，要根据工作面的实际情况预先画出观测系统，看观测射线分布是否均匀，并适当调整发射点和接收点位置，从关键性环节确保成像质量。构造复杂区应适当加密射线数量。不同发射点的发射参数要基本上保持不变，以减少吸收系数反演的误差，保证收敛速度。

3.3 解释方法

工作面电磁波CT解释主要依据吸收衰减系数成像结果（包括吸收衰减系数色谱图和等值线图）来进行解释。不同的地质条件和不同的地质现象所引起的电磁波衰减特征不同， 因此，根据不同的异常特征即可以进行地质解释。

一般说来，正常煤层对电磁波的吸收较围岩对电磁波的吸收小，而当煤层破碎、煤层中裂隙发育以及裂隙中含水时，就会造成吸收衰减增大，甚至其引起的衰减较围岩大得多。工作面中隐伏断层视其落差大小引起的衰减也不一样，落差大于煤厚的断层较落差小于煤厚的断层引起的衰减大，落差小于煤厚的断层引起的衰减随落差的减小而减小。当煤层厚度变薄以及煤层中存在夹矸时，电磁波的衰减随煤层变薄和夹矸增厚而增大。当煤层有火成岩侵入体存在时，其衰减依据火成岩的电性特征不同而不同，出现低值异常和高值异常都是可能的，但对同一采面内的侵入体具有单一性。工作面中陷落柱同样引起高吸收衰减。

从吸收系数异常范围来说，断层引起异常范围一般呈条带状，落差大的断层较落差小的断层的异常带宽。煤层厚度变化区、夹矸增厚区、煤层破碎区的异常范围一般都较大。工作面中侵入体及陷落柱引起的异常范围与其形状基本上一致。

根据上述吸收系数的异常特征，就可以进行不同地质异常的地质解释。

图3.2 7513工作面电磁波CT成像吸收系数色谱图及解释成果

(a) 吸收系数色谱图 (b) 解释成果

3.4 应用实例

3.4.1 复杂断裂构造的探测

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某矿7513工作面走向长650m，倾倾斜长145m，煤层厚度5.1～6.3m，煤层赋存稳定。

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该工作面南北两端构造简单，但中部构造复杂，巷道中已揭露断层断点10个，断层之间的切割关系难以推断。为了查明这些断层向采面内的延伸情况、断层之间的切割关系、断层最大落差位置以及是否存在隐伏断层，采用工作面电磁波CT成像方法进行探测，共发现异常14个，解释断层12条（如图3.2），工作面电磁波衰减系数CT成像色谱图清晰地显示出中间区段断层的切割关系以及最大落差位置，校正了原推断结论，电磁波CT工作成果为该面的正常生产提供了准确可靠的地质依据，主要解释成果为回采证实。

图3.3 3392工作面电磁波CT成像吸收系数色谱图及解释成果

(a) 吸收系数色谱图 (b) 解释成果（—— 实际揭露，- - - - CT解释结果与实际偏离位置）

3.4.2 煤层结构变化及煤厚变化的预测

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某矿3392工作面巷道揭露局部地段煤层夹矸增厚，煤层变薄，为了圈定煤厚变薄带，指导下一步生产，采用工作面电磁波方法进行探测。图3.3 为该面电磁波CT成像吸收系数色谱图和解释成果，从图3.3(a)中可以清楚地看出工作面中部靠近运输巷一侧存在一明显的较高吸收区段（4#异常），解释为煤层变薄带，煤厚相对变薄0.4 ~ 0.7m，工作面推进中实际揭露煤厚变薄区位置与CT解释一致，最大相对变薄0.6m；1#、2#异常区为煤层变薄区，实际揭露最大相对变薄0.4m，为底鼓引起。另外，CT解释的七条断层（见图3.3(b)）与实际揭露位置基本一致，准确率达86%。该面夹矸厚度变化一般小于0.4m, 因而成像结果反映不太明显。

4 弹性波CT探测技术及其应用

4.1 弹性波CT探测原理

如图4.1所示，在钻孔1放置发射换能器T1,T2,T3,?，在钻孔2放置接收换能器

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R1,R2,R3,?。根据接收到的弹性波初至走时数据来反演两孔间的慢度分布s(x,y)或速度

v(x,y)?1/s(x,y)。假设弹性波的第i个传播路径为Li，其旅行时为ti，则

ti?上式是一曲线积分，ds是弧长微元。

?Lids （4.1）

v(x,y) 式(1)中v(x,y)和Li都是未知的，ti是已知的。这是一个非线性问题，在速度场变化不大的情况下，可以近似地把射线路径看作是直线，即假设Li为直线，而只反演v(x,y)。把反演区域离散化，离散成n个小单元(像元)，在每个单元内可视为介质均匀的，速度是常数，按一定顺序记为v1,v2,???,vn,其相应的倒数即慢度记为s1,s2,???,sn,，这样，第i个射线的旅行时表示为：

ti?

图4.1 CT成像数据采集示意图

其中，aij是第i条射线穿过第j个像元的长度（或距离）。当有大量射线（如m条射线）穿过反演区域时，根据（4.2）式就可以得到关于未知量sj(j?1,2,???,n)的m个方程，形成一矩阵方程

?A??S???T? （4.3） 其中：[A]=(aij)m×n称为距离矩阵，[T]=(ti)m×1为走时向量，即测量值，[S]=(Si)n×1为慢度列向量。上式是大型稀疏矩阵方程，求解方法较多[2]，采用收敛性好的SIRT法（同时迭代重构技术Simultaneous Iterative Reconstruction Techniques）。慢度的初值取射线的慢度均值

si(0)t??i?aj?1nijsj （4.2）

T1T2T3T4T5...钻孔1R1R2R3R4R5...钻孔2/Lim （4.4）

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式中m为总射线数目，ti和Li分别为任意条射线的走时和射线长度，计算过程中第k?1次迭代像元j上的取值s(jk?1)为

s(jk?1)?s(jk)??mj??i)aij(ti?t?(aij)2 （4.5）

其中mj是?A?中第j列非零元素的个数，t?i为根据慢度近似值s(jk)计算的走时，

j?1,2,?,n,k?0,1,2,?，?为驰豫参数，0???1，相当于对慢度修正量给定权系数，加快

迭代初期收敛速度，增加计算的稳定性[9]。为了保证反演结果的精度和分辨率，采用弯曲射线追踪方法，直接应用费马原理和Dijkstra最佳路径算法[10]。

利用SIRT法求解（4.3）就可以得到各单元离散慢度分布，相应地离散速度分布也已知，从而实现了钻孔1与钻孔2之间的速度场反演成像。利用计算值便可绘出成像区域速度分布图。

下面结合煤层开采引起的底板破坏深度探测的例子和探测效果。

[11]

，探讨弹性波CT技术的探测方法

4.2 探测方法

测试方法采用一孔发射，另一孔多点接收的弹性波CT透射方式，其观测系统如图4.2所示。

图4.2 2-4孔观测系统图

仪器采用SD-1声波仪、ATF-1A型大功率发射机和换能器(频率5KHz)。共进行了三对孔穿透测试：2-4、5-8、4-8，发射点间距4m，接收点间距1m。2-4孔位于A钻窝，两孔形成的断面垂直煤层走向；5-8孔位于B钻窝，两孔形成的断面垂直煤层走向；4和8孔分别位于A和B钻窝，间距7.2m，两孔形成的切平面与煤层斜交，交角约27?。上述三对钻孔形成立体空间控制煤层底板，如图4.3所示，因而利用弹性波CT速度场成像技术可以从三维空间中去观测底板在采动矿压作用下的应力变化和破坏规律。

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图4.3 测试钻孔工程布置平面图(a)和剖面图(b)

4.3 测试结果分析

按采矿活动的不同阶段对三个断（切）面分别进行了10次弹性波CT透视动态探测，速度成像结果不仅较好地反映了断面的岩性变化及结构面发育状况，而且较全面地反映了底板岩体的应力变化和破坏程度及深度。下面以2-4孔间断面为主进行分析。

图4.4为2-4孔间断面不同时段（(a)采前工作面距2-4孔断面20m、(b)工作面推过2-4孔断面3m、(c)工作面推过2-4孔断面32m）三次CT测试速度场分布图。从图中可以看出断面岩体的岩性分布和结构面状况，断面浅部速度比较均匀，一般4400m/s～4600m/s，岩性为细砂岩；断面中部存在一明显低速层，速度为3300~3400m/s，层厚约0.7m，岩性为泥岩；断面深部速度变化较大，一般3800m/s～5000m/s，下部靠近4号孔速度较低，上部靠近2号孔速度较高，从钻探资料知岩性为细砂岩，且4号钻孔岩芯有破碎迹象，说明速度场分布准确地反映出上部岩石比较致密，而下部岩体裂隙发育，原生结构面较多。

当工作面刚推过，观测断面正处于卸压区，此时的底板岩体速度分布发生了很大变化，如图4.4(b)所示，左上部岩体速度普遍降低，特别是在浅部细砂岩速度降低幅度较大，达1100m/s，说明这部分岩体裂隙发育，且以纵向裂隙为主。中间泥岩层及其下层细砂岩上部速度也明显降低，再往下部岩体速度变化较小，这就反映出在此阶段底板岩层应力变化较大，主要体现在上部岩层中应力释放，结构面增多，裂隙发育，岩体遭受破坏。

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图4.4 2-4孔间断面不同时段声波CT测试速度场分布图

(a)采前 (b)采中 (c)采后

随着采面的继续推进，顶板岩体冒落，底板岩体经历采后再压缩过程，图4.4(c)为采后底板岩体基本稳定后速度场分布，它表征了岩体最终的裂隙发育状态，可以看出此阶段的速度场分布比图4.4(b)中速度场分布在浅部岩层中略有增大，说明岩体裂隙受压后孔隙度有所降低，而在中下部略有减小，按速度减小20%（相对于采前正常场）且相对稳定的区域划分破碎后导水裂隙发育区，可以得到2号孔孔深30m以浅位置和4号孔孔深27m以浅位置划定为底板破坏导水裂隙发育范围，相对煤层底板垂直深度11.6～12.3m。

利用弹性波CT探测煤层开采引起的底板破坏深度直观准确，效果可靠，实现了面积测量，特别是探测结果反映出底板破坏的动态变化规律，对于承压水上采煤具有重要的指导意义。弹性波CT探测方法对于采矿活动引起的其它岩体破坏，如覆岩变形破坏、巷道开挖围岩破坏等，探测方法同样适用。

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5 地质雷达探测技术及其应用

地质雷达（又称探地雷达）是利用超高频（10～10HZ）脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理探测方法。实践表明，地质雷达是一种高分辨率探测技术，它可以分辨地下10m尺度的介质分布，可以对浅层地质问题进行详细分层调查，也可以对地下浅部掩埋目的体进行无损探测[12]。随着计算机技术及数字处理技术的发展，地质雷达在工程地质勘察，灾害地质调查，公路工程质量的无损检测，考古调查以及工程施工质量监测等诸多领域中得到广泛应用。近年来，在国内外全面开展了地质雷达技术用于矿区井下探测顶、底板及回采工作面前方小断层、老窑、岩溶分布及探测煤厚、充水小构造、陷落柱和巷道围岩松动等地质问题的研究工作，并取得了较好的地质效果[13]。

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5.1 探测原理

探地雷达是利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收，当地下介质中的波速v为已知时，可以根据测到的精确时间t值，求出反射体的深度（m），如图5.1所示。电磁波在介质中传播时，其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及几

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何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，可推断介质的结构或地质体的空间位置。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录，波形的正负峰分别以黑、白表示，或者以灰阶或彩色表示。这样同相轴以等灰度或等色线即可形象地表征出地下反射面。

图5.1 探地雷达原理示意图

5.2 工作方法

利用地质雷达进行探测时，根据探测目标和位置的不同，通常采用以下几种方法。 5.2.1同位发射——接收法

在同一点位设置发射天线和接收天线，同时发射脉冲信号和接收目标反射信号，根据回波信号走时来计算目标距离和位置。在井下掘进工作面超前探测时，发射点（T）和接收点（R）相距在0.5 ~ 1m的位置上架设天线。架设天线时，要先铲平工作面岩层，将天线紧贴煤壁或岩壁，并用金属网将四周围好，避免漏场。 5.2.2剖面法与多次覆盖法[12] (1)剖面法

发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动（图5.1）。发射天线和接收天线同时移动一次便获得一个记录。当发一一收天线同步沿测线移动时，就可以得到由多个记录组成的地质雷达时间剖面图像。横坐标为天线在地表测线上的位置，纵坐标为雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接受天线的双程走时。这种记录能准确地反映测线下方各个反射面的起伏变化。这种方法能在地面施工、井下巷道底板探测和侧壁探测中使用。 在使用同位发射——接收法和剖面法施工时，反射电磁波的旅行时间由下式计算： tR?2 （5.1） (s2?4d2)VG式中tR为回波双程走时，ns；VG 为电磁波在地层中的传播速度，m/ns；S为发射天线与接收天线的距离，m；d为反射界面的法线深度，m。 (2) 多次覆盖（共深点）方法

地质雷达探测来自深部界面的反射波时，由于信噪比过低，不易识别回波。这时可采用类似于地震的多次覆盖技术

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，应用不同天线距的发射——接收天线对同一测线进行重复测

量，然后把所得的测量记录中测点位置（共深点）相同记录进行叠加处理，能增加所得记录对地下介质的分辨率。

5.3 仪器设备

地质雷达仪多采用脉冲发射，而脉冲波有调制方式和直接脉冲方式两种。目前使用的多

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为时域地质雷达仪，主要有加拿大EKKO系列、美国SIR系列和瑞典RAMAC系列，这些系列为调制方式脉冲波；国产仪器主要是煤科院重庆分院KDL系列，为直接脉冲方式。

5.4 应用实例[14]

某煤矿地表三采十一层煤露头区及七采二、四，六层煤露头区位于小汶河北岸，由于盗采盗挖及滥取沙土，造成大量盗采坑和采沙坑，形成地表水泻入井下的良好通道。而且六层煤底板一灰与十一层煤底板三灰在岩溶裂隙发育地段也会形成地表水导入井下的主要途径。特别是在雨季小汶河水倒灌极易造成溃水淹井事故，严重威胁矿井安全生产，增加了矿井的排水费用。因此，拟在此区进行灰岩浅截帷幕注浆工程进行治理。但由于灰岩岩溶裂隙发育地段分布不清，给注浆布孔带来困难。通过采用探地雷达探测，查明了煤柱破坏情况和灰岩岩溶裂隙发育地段分布范围，成功地解决了这一问题。 5.4.1工作方法及工程布置

采用瑞典RAMAC/GPR型探地雷达，通过条件实验，选用25MHz探测天线。发射天线与接收天线间距为4m。采样时窗为2000ns，可以保证探测深度达50m，点距为0.5m，重叠次数128次，采用反射剖面法进行工作。根据探测目的和任务，共设计布置2条探测线。

5.4.2标志层的雷达波反射特征

通过对全区雷达时间剖面与已知地质资料的对比分析，本区主要地层介质的雷达反射波特征如下：

①第四系底界面反射波 第四系底部大部分为流砂层，与下伏的不同风化程度的砂岩电性差异较大，能形成较强的反射波，该反射波的能量与下伏岩石岩性及其风化程度关系较大，基岩风化越严重，则两者电性差异越小，该反射波的能量则越弱。如图5.2所示 ②灰岩反射波 测区内浅部地层中需探测的灰岩主要有三灰、一灰，三灰为泥质灰岩，厚度0.7~1.2m，是十一层煤的底板，其下为砂质页岩。三灰与煤11电性差异不大，二者能形成一组复合波，在煤层厚度及结构变化不大的情况下，其能量强弱主要是三灰的岩性结构状态的反映，在三灰较致密段，雷达反射波能量强 ，在三灰裂隙发育带，雷达反射波能量明显减弱。一灰厚度约5m，与其顶底板岩性差异较大，电性特征差别明显，能形成较强的反射波，但在一灰裂隙发育带，雷达反射波能量明显减弱，如图5.3所示。

图5.2 第四系底界面反射波 图5.3 灰岩反射波

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5.4.3探测成果

根据上述解释方法，对所有测线时间剖面分别进行对比解释，在平面上对采空区边界和裂隙发育带进行了圈定，由于测区地层倾角较大且有一定的角度变化，因而需对目的层边界进行偏移归位，最终划定裂隙发育带分布范围。

①测区内三采三灰岩溶裂隙比较发育，但不均匀，雷达局部反射波能量偏弱的区段是裂隙极发育带，这些异常段是注浆封堵治理的重点位置。

②七采一灰岩溶裂隙也比较发育，并且在走向方向上其分布具有不均匀性 ，雷达局部反射波能量偏弱的区段是裂隙极发育带，这些异常段是注浆封堵治理的重点位置。

6 高分辨率三维地震勘探

二十世纪八十年代以来，我国成功地开发、应用和推广煤田高分辨率地震勘探技术，该项技术主要优点是可以查明松散层底界、煤层层数（甚至其明显的厚度变化）、底板以下含水层（主要是灰岩）位置、地质构造形态、主要断层（甚至能控制到断距5m左右）、明显的岩溶发育带（甚至岩溶陷落柱）以及明显的岩性变化等。它效率高，获取的地质信息量大，且能长期应用，是用以查明矿区较大范围的地质、水文地质条件的重要手段。早期主要为二维高分辨率地震勘探，基本上能查明落差大于10～15m的断层，煤层底板深度误差≤2%～3%，使地震勘探从单纯的资源勘探步入开发勘探。九十年代中期以来，高分辨率三维地震勘探在采区开发勘探中发挥了极其重要的作用，在地震地质条件较好的地区，能够查明埋深400～800m深度范围内落差大于或等于5m的断层，幅度大于5m的褶曲以及陷落柱等地质体，可部分识别出落差小于5m的断层与断点，煤层底板深度误差≤1%～2%，从而使煤田地震勘探精度和分辨率又上了一个新台阶。

6．1 理论基础

6．1．1 波动理论[15,16]

高分辨率地震勘探以反射波勘探为主，现有的反射法波动理论，常用绕射叠加原理和散射原理叙述，二者实质是相同的。这里介绍绕射叠加原理。

1．惠更斯-菲涅尔原理

惠更斯-菲涅尔原理（绕射叠加理论）：地震波从炮点激发后，以球面波方式向下传播，碰到反射界面后，把反射界面上每一个点看作是一个新震源，再从新震源发出二次扰动，向四面八方传播，对某一接收点P而言，它所接收的反射波就是界面上所有扰动波的叠加总和。具体地说，就是将反射界面视作许多小反射面元产生的绕射波按传播路径差异，在时间上错开并考虑能量的大小后，一个个叠加起来，作为P点接收到的反射波。在P点接收到的波动的能量并不是来自反射界面的某一点，而是来自界面上的所有点。就波场函数为球面波的情形，且不考虑外力的作用，纵波方程可表述为：

?2u?2u?2u1?2u?2?2?22 （6.1） 2?x?y?zvp?t1?2u?0 即 ?u?2vp?t2式中：u—波场函数，u = u (x, y, z, t)；vp—纵波波速。 2．绕射波时距方程

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一段界面上的反射波可以看成由界面上许多面元产生的绕射波叠加的结果。因此，地下的一绕射点，在地面许多点观测，所得点绕射时距图用图6-1表示。设绕射点D的坐标是(x0, y0, z0)；D点以上的速度为v，且介质均匀，激发点坐标为O，接收点R在地面上的坐标是(x, y)。则绕射点由O经绕射点D到接收点R的旅行时t为：

t?1v?2222x0?y0?z0?(x?x0)2?(y?y0)2?z0

?其中第一项是常数，t1 = OD/v。图6-1中的时距曲面是旋转双曲面，极小点位于(D?,t1)，D?是D点在地面的投影。

对于二维地震来讲，时距方程为双曲线。

图6-1 点绕射时距曲面

6．1．2 射线理论（几何地震学）

几何地震学是通过研究波前和射线的形态来观察地震波的传播过程。射线理论是以惠更斯原理、费马原理和斯奈尔定律为理论基础的。 1．惠更斯原理

从运动学角度看，惠更斯原理是当已知任何的空间速度分布为v (x, y, z)时，根据t0时刻的波前位置，可以得出下一个时刻t的波前位置。其原理用解析式描述为： (?t2?t?t1 （6.2） )?()2?()2?2?x?y?zv(x,y,z)式（6.2）称为时间场微分方程。满足该方程和它的边界与初始条件的函数t (x, y, z)就是时间

场函数，当t为常量时，就是波前面的空间位置。

2．费马原理 费马原理即“时间最小”原理。波从一点到另外一点的传播是沿着最小时间的路径走的，这个路径就是射线，它垂直于运动的波前面。数学表达为沿着某个曲线L求解泛函的极值问题，即：

t?ds?v(x,y,z) （6.3）

3．斯奈尔定律

地震射线在遇到波阻抗分界面时将产生反射和折射。在均匀介质情况下，符合入射线、反射线和折射线位于入射线的同一法向平面内；入射角?、折射角?和反射角?遵循斯奈

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尔定律，即：

sin?Psin?Psin?Ssin?Psin?Ssin?S????? （6.4） vP1vP2vS2vS1vS1vS1式中：vP，vS—纵波和横波速度，m/s；1，2 —表示分界面上、下介质；P —表示纵波；S —

表示横波。

波阻抗分界面上反射与折射波的形成及相互关系见图6-2。 折射规律为： sin??v1 sin??nsin? （6.5）

v2 当??90?时，分界面上产生首波，这时： sin??sini0?式中 i0—临界角。

图6-2 分界面上反射线、折射波的形成

a —纵波入射时；b—横波入射时

v1 （6.6） v26．1．3 水平层状介质中反射波时距关系

在煤田三维地震勘探中，一般假定地下岩层为均匀介质。在水平层状介质的情况下，震源S和接收点G之间表面距离为s，则第n层反射波的时距关系式为： s(P)?2?k?1NN2vk?tkP1?vP?tk1?vP2k2k2 （6.7）

t(P)?2?k?12 （6.8）

式中：P —射线参数，P?sin?k/vk；?tk—单程垂直时间，s；vk —k层速度，m/s；?k?1—k+1层射线与法线夹角，（°）。

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当反射波来自第一层底界面时，消去P可得双曲线时距曲线方程

s2 t?t?2 （6.9）

v2206．2 三维地震勘探资料处理

三维地震勘探资料处理目标是提高信噪比和分辨率，一般处理流程如图6-3所示，流程图中的速度分析和偏移处理是两个重要的环节。

采集的资料

三维DMO叠加 编辑

抽共面元道集 动静校正 叠前反褶积 三维速度分析 偏移

剖面及等时切片显示

解释

图6-3 三维地震勘探资料处理流程图

三维速度分析不同于二维速度分析，这是因为共中心点道集各炮检不同、方位不同，所用的叠加速度不仅是t0的函数，而且是界面倾角的函数。

三维速度分析要多次建立精确的三维速度模型，在具体作法上方法较多，可采用简易扇形分析法。将抽道集分为若干个扇区，把扇形区内所有道组成一个虚二维共反射点道集，可用二维分析方法计算速度，采用拟合技术求出叠加速度方位椭圆。对于地层比较简单的区域沿走向有最小叠加速度，沿倾向有最大叠加速度。对于上覆地层复杂地区，叠加速度方位变化椭圆的主轴不一定沿界面走向和倾向。

三维偏移归位是三维资料处理中的一个重要环节，它能消除剖面中（特点是垂直剖面）绕射双曲线的痕迹，使反射波归位。值得指出，三维偏移和二维偏移有着本质差别。在一般情况下，要使偏移剖面正确再现反射面图像，并保持剖面原有动力学特点，我们就要采用面积观测技术即野外采用三维观测方法。对二维地震资料进行二维偏移处理，其结果无论波的动力学特点和运动学特点都会有畸变，只有在地层构造对测线成对称时，波场所包含的时间信息才能同时满足二维和三维时间场方程，从而使二维偏移处理能在运动学特征上不发生畸变。

6．3 资料显示与解释

三维地震数据组成的数据体在平面上按CDP网格排列分布，在垂向上按深度换算的时间采样组成立体数据网格，处理之后消除了干扰，提高了分辨率，经过三维偏移后的数据体基本上反映了地下的真实情况。对于这样的数据体，解释工作者可根据需要灵活地显示多样图件，可以根据生产需要显示走向、倾向或某一有意义的方向的剖面，折线剖面（如连井剖面），显示等时切片。这些剖面能表现出相位和振幅的变化，可以通过彩色显示其特征的变

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化，还可以对不同特征综合，通过一系列剖面、等时切片、透视图分析或连续显示，提高对地下构造形态、断层和地层变化的识别和确定能力。另外，由于三维资料经过了三维偏移，所有波都得到准确归位，故解释出来的断层大小、位置、上下盘关系等更为精确可靠。同时根据煤层反射波的动力学特征和钻孔资料，可作煤层厚度变化趋势分析。

6．4 应用实例[16]

某矿在矿井建设期间进行了首采区三维地震勘探，主要目标是查明主采煤层的构造形态，要求深度误差小于1%；查明落差大于和等于5m的断层，要求在平面上的摆动小于15m，查找落差3～5m的断点。

测区地层层序自老而新为：太古界、古生界、中生界及新生界。新生界地层厚度约为350～400m。二迭系为主要含煤地层，共有7个含煤段，目的层13-1煤、8煤等集中分布在二迭系下部的山西组及石盒子组，一般厚度约3～5m。

图6-4为测区内一个落差5m断层在时间剖面上反映，可以看出，该小断层的落差变化及延展情况。

图6-5为测区三维地震勘探成果（13-1煤底板等高线图），控制了测区构造形态为一简单的单斜构造，查明断层16条，孤立断点5个，其中落差大于10m的断层1条，落差5～10m断层4条，落差小于5m断层11条，部分小断层得到巷道开拓证实，采区三维地震勘探成果为矿井开采设计及生产提供了可靠的地区保障。

图6-4 经巷道揭露验证5m落差F13断层在多组时间剖面上的显示

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图6-5 某矿首采区13-1煤层底板等高线图

参考文献

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