陳亞萍 孔 冉

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

在對(duì)煤炭礦產(chǎn)資源進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，必要的礦井掘進(jìn)施工是十分必要的，而一旦掘進(jìn)過(guò)程中遇到充水的斷層結(jié)構(gòu)或者是充泥充水的溶洞結(jié)構(gòu)，都極有可能造成開(kāi)采安全問(wèn)題[1]。在地質(zhì)構(gòu)造中，由于地下水作用形成的陷落柱、破碎帶等軟弱地質(zhì)層是造成煤炭資源開(kāi)采安全事故的主要因素之一[2]。因此，在施工前對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確的勘查是十分必要的。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的地質(zhì)勘探技術(shù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，主要采用地質(zhì)學(xué)方法與物探方法相結(jié)合手段實(shí)現(xiàn)該過(guò)程，在超前鉆探等方法的輔助下，對(duì)地質(zhì)中的主要構(gòu)成進(jìn)行分析[3-5]。為此，本文提出煤炭地質(zhì)勘探中多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)應(yīng)用研究，在合理設(shè)置勘測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)勘測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的地質(zhì)信息，并通過(guò)實(shí)例分析測(cè)試了本文設(shè)計(jì)勘探技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)本文的研究，也希望可以為相關(guān)礦產(chǎn)資源開(kāi)采初期的地質(zhì)勘探工作提供有價(jià)值的參考。

1 勘測(cè)點(diǎn)布置及施工方法

1.1 勘探區(qū)域勘測(cè)點(diǎn)布置。在勘探區(qū)域采用多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析時(shí)，其是在掘進(jìn)面附近以扇形的方式推進(jìn)的，也就是從測(cè)試區(qū)域的一側(cè)到邊界再到另一側(cè)，因此本文在布置勘測(cè)點(diǎn)時(shí)，以邊界及左右側(cè)的實(shí)際勘探需求為基礎(chǔ)進(jìn)行[6]。按照實(shí)際勘探習(xí)慣，本文按照從左側(cè)到右側(cè)的方式進(jìn)行設(shè)置，具體探測(cè)點(diǎn)布置過(guò)程如下。

首先，將機(jī)械震源按照垂直左側(cè)的方式逐漸推進(jìn)，分別以按30°、45°、60°的標(biāo)準(zhǔn)在左側(cè)與勘探邊界的拐角處進(jìn)行勘探。在完成該步驟的操作后，將機(jī)械震源按照垂直邊界的方式繼續(xù)推進(jìn)，同樣按30°、45°、60°的標(biāo)準(zhǔn)在邊界與右側(cè)的拐角處進(jìn)行勘探。此時(shí)就可以得到垂直勘探時(shí)，各個(gè)勘探點(diǎn)之間的距離，以此為基礎(chǔ)將勘探區(qū)域劃分為若干個(gè)具象化的空間結(jié)構(gòu)。具體的探測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖1 所示。

圖1 勘測(cè)點(diǎn)布置方式

按照?qǐng)D1 所示的方式，逐個(gè)在每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行勘探時(shí)，調(diào)整機(jī)械震源天線(xiàn)的法線(xiàn)與底板的夾角，按照向上45°、水平、向下45°的基準(zhǔn)，在三條勘測(cè)線(xiàn)采集對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。在此基礎(chǔ)上，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)周?chē)O(shè)置具有一定波形電流的發(fā)射線(xiàn)圈，確保其可以屏蔽周?chē)臻g產(chǎn)生一次磁場(chǎng)信號(hào)波。此時(shí)測(cè)點(diǎn)周?chē)膶?dǎo)電巖礦體只產(chǎn)生對(duì)應(yīng)其接收到機(jī)械震源的感應(yīng)電流，避免了雜波的干擾，降低后續(xù)分析計(jì)算的誤差。機(jī)械震源斷電后，在熱損耗的作用下，測(cè)點(diǎn)的感應(yīng)電流也會(huì)隨著時(shí)間呈現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)，并按照衰減的速度分為衰減早期、衰減中期以及衰減晚期。借助這一特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度地質(zhì)的分析。

1.2 技術(shù)參數(shù)設(shè)置。采用重疊回線(xiàn)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)信息的采集，重疊回線(xiàn)裝置作為瞬變?nèi)鹄撞ㄌ赜械慕M合形式，其與地質(zhì)環(huán)境的耦合度最高，且得到的瑞雷波具有更高的橫向分辨率，能夠更加清晰地展示多道瞬態(tài)瑞雷波的異常變化。在具體的勘探時(shí)，將機(jī)械震源的發(fā)射線(xiàn)圈沿著1.1 設(shè)置的測(cè)點(diǎn)逐漸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)盲區(qū)的有效規(guī)避。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于發(fā)射波矩和接收波矩的設(shè)置，以目標(biāo)勘探深度為基礎(chǔ)，當(dāng)勘探深度較大時(shí)，則適當(dāng)增加發(fā)射波矩和接收波矩的設(shè)置值。在此基礎(chǔ)上，考慮靠探測(cè)勘探區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)地貌具有多樣化的特征，且有可能存在各種金屬影響瑞雷波的反饋結(jié)果。將發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的邊長(zhǎng)控制在1.5m 以?xún)?nèi)，匝數(shù)在5 匝以上。此時(shí)根據(jù)不同的探測(cè)深度需要求，對(duì)采樣頻率進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，以4sμ 為單位步長(zhǎng)，疊加次數(shù)以30 次為單位次數(shù)。電流值的設(shè)置以多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)應(yīng)用環(huán)境的勘探深度為基礎(chǔ)設(shè)置，多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)原理如圖2 所示。

圖2 多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)原理

2 地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)分析

2.1 時(shí)間道選擇。首先是對(duì)最小時(shí)間道的選取，本文秉持著反饋地質(zhì)特征的原則進(jìn)行選取，在具體的實(shí)施過(guò)程中，避開(kāi)互感段的信號(hào)，選取最小時(shí)間道的數(shù)據(jù)，也就是瑞雷波曲線(xiàn)的拐點(diǎn)處的數(shù)據(jù)信息。其次就是對(duì)最大時(shí)間道的選取，對(duì)此本文秉持避免噪聲信號(hào)段的原則進(jìn)行選取，在具體的實(shí)施過(guò)程中，選擇的數(shù)量以采集到的瑞雷波曲線(xiàn)實(shí)際情況設(shè)置，選取終止的節(jié)點(diǎn)是曲線(xiàn)為衰減趨勢(shì)。為了降低多道選擇帶來(lái)的冗余計(jì)算，最終的道數(shù)以12-24 道為宜。

2.2 數(shù)據(jù)誤差計(jì)算。在確定用于計(jì)算的信號(hào)段后，需要對(duì)采集數(shù)據(jù)中存在的誤差進(jìn)行計(jì)算，以此避免由于出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤造成的勘探結(jié)果異常。假設(shè)某道勘探的瑞雷波數(shù)據(jù)為x，其對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)為xi，復(fù)測(cè)的勘探值為xi'，經(jīng)歸一化處理后計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，其可以表示為

其中，e（x）表示為對(duì)應(yīng)時(shí)間道勘探瑞雷波的電動(dòng)勢(shì)，e（xi）和e（xi'）分別表示原始數(shù)據(jù)的電動(dòng)勢(shì)和復(fù)測(cè)勘探值的電動(dòng)勢(shì)，那么原始數(shù)據(jù)和復(fù)測(cè)勘探值的電動(dòng)勢(shì)相對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差可以表示為

其中，ε 表示電動(dòng)勢(shì)的相對(duì)誤差，ε 表示電動(dòng)勢(shì)的平均相對(duì)誤差。N在不同情況下的意義也不同，當(dāng)以勘探區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)計(jì)算時(shí)，N 表示同一個(gè)測(cè)區(qū)或同一個(gè)剖面參與計(jì)算的某一時(shí)間道的數(shù)據(jù)總數(shù)；當(dāng)以勘探點(diǎn)為基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，N 表示同一個(gè)測(cè)點(diǎn)參與計(jì)算的時(shí)間道總數(shù)。

通過(guò)這樣的方式，得到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)誤差，當(dāng)存在ε<1.00，ε<0.50 時(shí)，則默認(rèn)其不需要進(jìn)行校正處理，否則，則需要對(duì)采集數(shù)據(jù)中的誤差進(jìn)行校正，以此提高勘探結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.3 數(shù)據(jù)校正處理。假設(shè)某一測(cè)點(diǎn)的第f時(shí)間道對(duì)應(yīng)的斜率為k，數(shù)據(jù)在斜率上分布的離散程度較高，則以所有選中時(shí)間道的斜率的均值為過(guò)濾基準(zhǔn)過(guò)濾離散數(shù)據(jù)，其計(jì)算方式可與表示為

通過(guò)這樣的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)多道瞬態(tài)瑞雷波數(shù)據(jù)的校正處理。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造分析。在得到可靠的多道瞬態(tài)瑞雷波數(shù)據(jù)后，即可利用其實(shí)現(xiàn)對(duì)勘探區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的分析。

首先，對(duì)于表現(xiàn)出不連續(xù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瑞雷波衰減曲線(xiàn)，表明在間斷位置出現(xiàn)了非實(shí)體的空間結(jié)構(gòu)，結(jié)合重疊回線(xiàn)裝置的運(yùn)行速率，計(jì)算其寬度，其可以表示為

其中，d 表示中空構(gòu)造的寬度，v 表示重疊回線(xiàn)裝置的運(yùn)行速率，t 和t0分別表示不連續(xù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)的起止時(shí)間，z表示轉(zhuǎn)換系數(shù)。當(dāng)其寬度較小時(shí)，則認(rèn)為是小面積的溶洞，中空結(jié)構(gòu)，當(dāng)其寬度較大時(shí)，則認(rèn)為其是斷裂構(gòu)造，對(duì)應(yīng)的厚度即為構(gòu)造的實(shí)際裂縫距離。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同構(gòu)造的瑞雷波與采集結(jié)果的一致性，實(shí)現(xiàn)對(duì)勘探區(qū)域個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的分析判斷。

3 工程應(yīng)用分析

為了測(cè)試本文提出的地質(zhì)勘探技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。

3.1 工程概況

本文展開(kāi)測(cè)試的位置為某礦區(qū)的中心區(qū)域，在近南北向方向上與一條近東西向的煤礦脈交匯。為了提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先分析了礦區(qū)的基礎(chǔ)信息。

3.1.1 基礎(chǔ)自然條件

首先是礦區(qū)的自然地理?xiàng)l件，測(cè)試區(qū)域位于東經(jīng)102°05′-102°07′，北緯36°10′～37°02′之間，是所在省區(qū)中部，有高原構(gòu)造的東斜坡上以平鋪的形式存在。從全國(guó)角度分析，測(cè)試區(qū)域?qū)儆谶^(guò)渡區(qū)間，是西部高原與東部平原的交匯，并表現(xiàn)出了過(guò)渡地帶明顯的地勢(shì)特征。其次是礦區(qū)的地形地貌特征，測(cè)試位置處于整個(gè)礦區(qū)向斜北部，在區(qū)域的揚(yáng)起端軸部，接近邊界的位置有溶蝕殘丘出現(xiàn)，在測(cè)試區(qū)域的東面有溶蝕盆地出現(xiàn)，就整個(gè)礦區(qū)而言，測(cè)試區(qū)域的構(gòu)造更加傾向于盆地中心區(qū)的構(gòu)造特征，并在其中伴隨有噴水池巖。從地面的走勢(shì)分析，測(cè)試區(qū)域的地面呈現(xiàn)出北高南低的特點(diǎn)，由于其位于礦區(qū)的中心位置，因此地面的高程相對(duì)穩(wěn)定，在1010.85m～1014.15m 之間，最大高差約為4.3m。

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造特征

對(duì)于測(cè)試區(qū)域的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征，通過(guò)分析測(cè)試區(qū)域的歷史地質(zhì)資料信息，發(fā)現(xiàn)測(cè)試區(qū)域的地層主要包括淺表第三系覆蓋層和下伏四疊系基巖兩部分。具體如圖3 所示。其中，第三系覆蓋層的巖體構(gòu)成主要是花崗巖、顯晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的碎石巖漿巖以及隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的火山巖，對(duì)于具體的厚度，下伏基巖起伏對(duì)其表現(xiàn)出來(lái)明顯的控制作用，因此差異較大。而下伏基巖為四疊系中統(tǒng)松子坎組一段（T2sz1）中，主要構(gòu)成為厚層狀泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)石灰?guī)r，二者互層交匯的方式共生；在四疊系下統(tǒng)安順組二段和三段（T1a2+3）中，主要是厚層的狀白云巖，并出現(xiàn)的不同程度風(fēng)化，包括強(qiáng)風(fēng)化巖石和中風(fēng)化巖石兩種。

圖3 測(cè)試區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

在區(qū)域的NEE-NE 走向上，出現(xiàn)了張扭性的斷層結(jié)構(gòu)，橫穿測(cè)試區(qū)域，并形成了具有一定寬度的斷層破碎帶構(gòu)造，在基巖中以下伏四疊系SWW 的形式存在，表現(xiàn)出緩傾的可溶性。具體的斷層信息如表1 所示。

表1 測(cè)試區(qū)域斷層信息統(tǒng)計(jì)表

在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)白云巖和中厚層狀白云巖中伴隨有裂隙、溝槽、石芽、溶洞等溶蝕構(gòu)造，且發(fā)育程度較高，引起了基巖頂面的形變，有顯著的凹凸起伏變化趨勢(shì)。在巖溶空區(qū)，有充填物以富水的形式承載周?chē)鷺?gòu)造的壓力，導(dǎo)致開(kāi)挖部分礦區(qū)的巖溶伴隨有明顯的突水現(xiàn)象。

3.1.3 地下水分布信息

最后測(cè)試區(qū)域的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，由于礦區(qū)位于巖溶富水地帶，因此地下水含量較為豐富。受區(qū)域向斜構(gòu)造的影響，地下水對(duì)東西向斷層造成了破壞，并且?guī)r體在長(zhǎng)期的地下水沖擊下形成了貯水構(gòu)造，這為地下水的活動(dòng)提供了良好的通道，并進(jìn)一步加速了巖溶裂隙的發(fā)育。從整體上進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)地下水流在向南傾伏的盆地中呈現(xiàn)出明顯的由北往南發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2 勘查結(jié)果

在上述基礎(chǔ)上，本文采用多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)在測(cè)試區(qū)域設(shè)置了共計(jì)10 個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，以此進(jìn)行地質(zhì)勘探，并分析其勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性，其結(jié)構(gòu)如表2 所示。

表2 多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)探測(cè)結(jié)果

從表2 中可以看出，本文提出方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的有效探測(cè)。

4 結(jié)論

煤炭資源需求的不斷增加使得對(duì)其的探測(cè)和開(kāi)采研究受到了越來(lái)越多的關(guān)注，在實(shí)施開(kāi)采工作前，對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確的勘探分析對(duì)于提高施工的安全性具有重要意義。本文提出煤炭地質(zhì)勘探中多道瞬態(tài)瑞雷波勘探技術(shù)應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，地下水以及煤炭資源分布情況的準(zhǔn)確獲取，為實(shí)際的開(kāi)采施工工作的開(kāi)展提供了重要保障。