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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