0.   引　　言

煤炭资源作为工业民生发展重要化石能源，其资源储量、埋藏条件、地质环境及开采技术等是影响其开采的关键因素。随着能源需求的增长，复杂地质条件下的矿井开采至关重要。然而复杂地质条件下的矿井生产不仅要面临资源储量有限，瓦斯地质复杂，矿井水突出等危害，同时还要面临勘探难度高的挑战^[1]。基于目前井下物探方法取得的实际效果，单一物探方法受井下探测条件限制，探测结果不能很好地指导矿井生产^[2]。根据矿井探测环境，选取多种适当物探方法对井下未知区域进行探测，综合分析探测结果，指导矿井生产是一种行之有效的方法^[3-6]。

我国滇东地区地下岩溶较为发育，是诱发矿井水害不可忽略的因素。探地雷达（GPR）自1930年首次用于Stern冰川研究以来，已被广泛了解并经常用于地球物理研究^[7]。探地雷达与瞬变电磁相比，以其较高的分辨率可以准确预测井下岩溶空间分布位置^[8]。BAGGETT等^[9]通过工程探测，证明了探地雷达能探测到石灰岩柱深处的岩溶特征，并为岩溶发育位置提供了推断依据。在矿井生产中，准确探测矿井巷道前方地质情况可以有效避免矿井事故发生^[10-11]。探地雷达以其特有的探测优势，备受矿井企业青睐。MA Yongsheng等^[12]通过数值模拟研究，分析了探地雷达探测巷道前方导水断层的可行性，在工程验证中，为提高目标构造的识别精度引入了Kirchhoff偏移方法，最终结果都证明了探地雷达优秀的构造导水特性评价能力，扩展了探地雷达的应用范围。DU Cui等^[13]采用阻尼最小二乘正交三角法（LSQR）求解大型稀疏速度层析成像方程，提高了矿井构造及导水带的探测精度。CHANG Junjie等^[14]采用探地雷达结合光纤监测的方法，动态监测了煤层采动后工作面底板破坏规律。LI Yang等^[15]基于探地雷达探测技术研究了采空区上覆煤层底板破坏规律。XU Xianlei等^[16]通过改进上位控制单元的步数提高了数据采集精度，利用分体式可插拔低频组合天线实现阻抗匹配，提高了检测距离。XIE Jianlin等^[17]利用GprMax2D软件对巷道顶板离层检测进行了数值模拟，通过物理模拟验证，证明了雷达检测巷道顶板离层可行性。申宝宏^[18]分析了探地雷达在我国矿井中的应用前景，并进行了实例分析。诸多研究证明了探地雷达在矿井构造探测中的可行性，但受井下复杂探测环境限制，探地雷达在实际应用中难以有效排除随机干扰。

三维地震勘探技术具有探测深度大、数据可靠性高、观测系统布置灵活等优点，被广泛应用于煤田勘探。其中，淮南矿业集团是我国三维地震勘探技术开展最早，运用最好的矿区^[19]。但是地形异常难以完全消除、低速带分布不均、以及距离探测目标远等因素，三维地震勘探技术解释分辨率难以满足矿井生产需求^[20]。为提高探测精度，解释微小构造，国外学者很早就开始将高分辨率地震勘探技术引入矿井，GENDZWILL等^[21]采用低通道地震探测仪器在水平巷道顶板进行折射地震勘探，探测巷道上方地质异常体分布；WRIGHT等^[22]在铁矿内对巷道进行地震探测，取得较好的应用效果。国内学者也逐渐将矿井地震探测技术运用于矿井，服务矿井生产。程建远等^[23]总结了矿井地震勘探技术的运用条件，存在问题以及发展前景，阐述了矿井地震勘探技术发展的必要优势。TENG Jiwen等^[24]利用槽波探测工作面煤层隐伏构造，发现煤层地震探测技术在应力集中区、瓦斯富集区和突水区的波场边界异常响应，定义了煤层地震探测技术探测地下灾害事件的理论和方法，形成了独立的解释系统，为煤矿井下灾害地质异常的探测、预警和预测奠定了坚实的基础，开辟了新的领域。当下，我国井下地震探测技术理论已基本成熟，并被广泛的应用于矿井生产。

笔者将探地雷达与井下地震探测技术相结合，预测巷道前方小构造。通过将二者数据对比验证分析，排除了井下环境噪音对雷达产生的干扰，修正了地震解释的空间误差。相较于传统的单一物探方法，突破了单一地球物理场的局限，间接实现了多场源、多信息探测，提高了隐伏构造预测精度。

1.   研究区地质概况

研究区（图1）位于云南省曲靖市富源县十八连山镇，地处滇、黔、桂3省交汇地区，海拔1310～2018 m。矿区地表地势险峻，沟壑纵横，区域降水丰富，地表植被发育、水系繁多。地貌由高原剥蚀中山区与高原岩溶区2个地貌类型组合而成，受控于地质构造，山体延伸方向大至与地层走向一致，呈北东—南西向，山脊均为下三叠统砂泥岩及泥灰岩组成。地表永宁镇组（T₁y）灰岩覆盖面积较大，灰岩覆盖区地貌上常表现为侵蚀、剥蚀峰丛、沟谷等。地层倾向与坡向基本一致，总体为同向坡地貌，属中山地形。矿区区域构造复杂，受多条北东走向深大断层影响，次生构造带顺主构造呈链式发育，多表现为小断距地堑、地垒和区域破碎带。

图  1  研究区位置

Figure  1.  Location of the study area

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研究区首采工作面主采煤层为二叠系上统龙潭组（P₂l）C₂煤层。受构造影响，煤层完整性较差，瓦斯生、储能力皆较好，富集区域较多。基于古地理时期的构造活动情况，矿区断裂构造以张性断层为主。在应力活动期间，除发育众多深大断层构造外，煤层中也伴生发育较多典型的“底断顶不断”构造，即煤层底板和煤层发育有断距不足1.5 m的微小断层，然而断层并未延伸至煤层顶板，如图2所示。

图  2  煤层构造示意

Figure  2.  Schematic of coal seam structure

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上述构造形成机理是由于煤层与其顶板的力学性质差异。煤层底板为碳质泥岩，顶板为泥质粉砂岩，煤层底板和煤层相较于煤层顶板性脆。在应力变形过程中，上分层煤层较薄，且与顶板毗邻，以塑性形变和破碎的方式释放应力，顶板以较高的弹性变形保留了其完整性。因此，煤层上分层及顶板在构造中保持完整，下分层断开。由于煤层顶底板与煤层接触的非均匀性，在构造位移中，煤层与顶底板的相对位移不一致。因此，煤层中发育的构造往往不是单一的，常表现为落差不足3 m的地堑、地垒、叠瓦状断层构造带及破碎区。经前期巷道掘进总结，在断层构造带、破碎区域瓦斯压力通常较高，多为瓦斯富集区。

2.   探测方法及预测原理

2.1   探地雷达探测原理

探地雷达属于高频电磁波法，其装置主要由3个部件构成，即发射天线、主机和接收天线，主机控制发射天线发射高频、宽带脉冲电磁波，电磁波在介质电性变化界面处发生能量、相位、时频以及子波形态等属性特征变化，同时可能发生折射、绕射和散射等传播路径变化。通过分析回波的属性特征及路径变化获取地下异常体的形态、空间分布等信息。电磁波在地下介质中传播遵循麦克斯韦方程基本原理，其微分形式为：

式中：▽为哈密顿算子；E为电场强度，V/m；H为磁场强度，A/m；B为磁感应强度，T；D为电位移，C/m²；J为电流密度，A/m²；ρ为电荷密度，C/m³；t为时间变量。

利用实验室测定或现场已知地质模型试验的方法获取介质介电常数等参数，计算电磁波在介质中的传播速度，再结合其在介质中的旅行时间计算目标体埋藏深度，其计算公式如下：

式中：v为电磁波在介质中的传播速度，m/s；c为真空中光速，一般取值为3×10⁸ m/s；$ {\varepsilon }_{r} $为介质相对介电常数，为无量纲常数。

式中：d表示目标体的埋藏深度，m；t'电磁波在介质中的双程旅行时间，s。

井下巷道超前探测多为沿煤层探测，一般情况下，煤层较干燥，其介电常数与围岩存在较大差异，是理想的探测环境。当电磁波沿同一电学性质的煤层或岩层传播时，不会产生异常回波，但是当巷道前方有断层、陷落柱、破碎带等地质构造时，电磁波会出现反射能量异常、绕射、散射、相位异常等现象。通过分析反射回波异常特征，可识别并定位巷道前方地质构造，预测致灾隐患。

2.2   井下二维地震探测原理

地震勘探是我国发展较早的物探技术，经过数十年的发展，如今我国已具有完备的探测技术设备和精细的数据解释系统。地震勘探是通过人工震源激发一定频段的弹性波，利用介质的弹性力学性质差异，识别地下目标体的一种勘探方法。地震波在震源处以球面扩散的形式在地下半空间中扩散传播，遇到波阻抗差异界面时依据施奈尔定理发生反射和透射，当达到临界条件后可产生沿界面滑行的折射波，传播原理如图3所示。在矿井中，煤层与围岩是较为理想的波阻抗差异界面，地震波反射同相轴比较清晰，易于追踪。当遇到断层、陷落柱、破碎区域时，地震波则表现出反射能量异常、绕射、散射等现象，通过分析反射回波的异常特征，识别构造类型。

图  3  地震波传播原理

Figure  3.  Schematic of seismic wave propagation

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二维地震勘探相较于三维地震勘探的空间分辨能力弱，但三维地震的施工对环境有更高的要求，井下探测环境明显不满足三维地震施工，因此，只能选择施工方式更为灵活的二维地震进行探测。基于三维地震数据处理解释的优势，笔者将三维地震的部分数据处理技术运用于井下二维地震数据处理。通过人工解释，分析易于观察的较大构造，再提取曲率、倾角、振幅等属性分析，解释小构造。本研究中地震数据处理多采用三维地震数据处理技术，井下构造能做到半定量解释，对异常区的空间位置、长度及落差等解释更加全面。

2.3   综合预测原理

以雨汪煤矿1010201工作面为例，1010201工作面为雨汪煤矿首采工作面。工作面10101顶抽巷已经掘进贯通，轨道巷正在掘进，雨汪煤矿采掘平面示意如图4所示。10101顶抽巷与1010201轨道巷水平距离20 m，高差20 m。

图  4  雨汪煤矿1010201工作面采掘平面

Figure  4.  The mining plan of the 1010201 working face of Yuwang Coal Mine

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采用井下二维地震探测技术手段对已经掘进贯通的巷道底板进行探测，通过分析地震数据，得到巷道底板下方C₂煤层构造赋存情况。根据已掘进贯通巷道揭露构造的产状信息，将构造推理延伸至未掘进巷道处。通过对研究区揭露构造统计分析发现，同一构造时期的地应力形成的构造产状具有较高的一致性。因此，在小范围研究区，构造发育可依据产状进行几何推理，推理原理如图5所示。

图  5  综合推测构造示意

Figure  5.  Schematic of comprehensive inferred structure

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为准确预测在掘巷道前方构造赋存情况，仅依靠井下二维地震探测结果进行预测往往存在较大误差。为此，笔者结合井下探地雷达超前探测技术与井下二维地震探测技术，相互修正彼此的解释结果来提高构造预测精度。

依据在掘巷道与完成掘进巷道之间的水平距离和高差数据，根据贯通巷道揭露构造产状信息，将构造从巷道推至C₂煤层位置，然后再根据构造走向将其推至未掘巷道。依据研究区构造发育规律，将井下二维地震探测解释构造异常区推至未掘巷道，辅助分析巷道前方地质构造赋存状态。在巷道掘进工作面采用探地雷达超前探测技术进行全覆盖多次探测，将井下地震探测推演结果和探地雷达超前探测结果进行综合解释分析，精准预测巷道前方构造赋存情况。

3.   探测方式

研究使用的探地雷达仪器为中国矿业大学（北京）自主研发的ZTR-12本安型防爆探地雷达系统，配备主频为180 MHz和50 MHz天线。根据巷道掘进工作面施工环境，选取便于施工的辐射天线对巷道掘进工作面超前探测。研究使用的地震仪器为山西晋明海科技开发有限公司生产的YCDZ48矿井地质探测仪剖面探测系统。探地雷达与井下二维地震探测技术综合探测示意如图6所示。

图  6  综合探测示意

Figure  6.  Schematic of comprehensive detection

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为减小探测干扰，在矿井机械停工期间使用地震勘探技术对10101顶抽巷和集中进风斜巷巷道底板进行探测，10101顶抽巷测线全长310 m。观测方式采用共偏移反射法，震源采用锤击震源。结合以往探测经验，硬质粉砂岩中锤击震源频率可高达200 Hz，纵向分辨率较高，可以识别落差较小的断层和破碎区域。基于现场环境，巷道底板铺有一层压实浮矸，对高频地震波吸收较强，所以选择巷道侧帮底部的基岩或基岩硬化处理后的排水沟中进行震源激发和检波器接收。观测系统设计为偏移距2 m，道间距2 m，步距2 m，采集道数为3道，最大叠加次数为3次。观测方式及观测系统如图7所示。

图  7  地震探测示意

Figure  7.  Schematic of seismic detection

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在巷道掘进工作面采用探地雷达进行超前探测，天线垂直于巷道掌子面沿水平方向移动，数据采集方式为连续测量，根据巷道掘进工作面情况，设计测线和探测高度，探测示意如图8所示。采集参数设置为时窗750 ns，叠加次数为4次，采样点数为2 048。

图  8  雷达探测示意

Figure  8.  Schematic of radar detection

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4.   数据处理及解释

根据巷道空间位置及底板浮矸情况，在10101顶抽巷侧帮与底板交接的基岩上进行浅层地震探测，探测位置为巷道6号钻场至2号钻场退后11 m，测线总长310 m，共采集数据文件155个。通过对数据进行频谱分析、一维滤波、二维滤波、速度拟合、偏移成像等数据处理程序，得到人工解释的地震反射剖面。利用测井资料得到煤层及其顶板波速，结合下探钻孔资料进行层位解释，最终得到数据解释剖面，如图9所示。

图  9  10101顶板瓦斯抽采巷地震解释剖面

Figure  9.  Seismic interpretation section of 10101 roof gas drainage roadway

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基于矿井实际掘进情况，10101顶抽巷4号钻场至2号钻场区域对应的1010201轨道巷已经完成掘进。通过掘进巷道揭露的地质情况对地震构造解释进行验证和对比分析，提高地震解释准确性。结合10101顶抽巷素描地质资料，在4号钻场前39 m处存在一落差较大的断层，该断层在轨道巷揭露为由较多微小断层构成的地堑、地垒构造带。3号钻场前揭露一落差7 m、走向261°的断层，该断层在轨道巷对应位置揭露，验证了本研究方法的可行性。在10101顶抽行地震解释剖面中沿C₂煤层层位共有14处地震波异常区，结合矿井已有的地质资料综合分析，异常区中解释为断层构造5处，分别是DCH-001~DCH-005；解释为破碎构造9个，分别是D-YC1~D-YC9。

根据在掘巷道掘进进尺，在巷道掘进掌子面，采用探地雷达超前探测技术进行连续全覆盖探测，经过常规数据处理后得到雷达解释剖面，如图10所示。从雷达解释剖面中可以清晰地识别出地质构造异常，通过介质岩性试验得到煤层的相对介电常数为3.9，计算出电磁波的传播速度，结合电磁波的旅行时间得到构造的空间赋存位置。基于矿井巷道煤岩层相对稳定，在顺层探测时，介质单一，断层面反射波较规律。

图  10  雷达探测结果解释剖面

Figure  10.  Interpretation section of ground penetrating radar detection results

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将雷达数据与井下二维地震数据对比分析后发现，井下二维地震数据解释构造在雷达数据中均有响应，如图11所示，但其推测的部分构造空间位置存在一定误差。雷达数据解释出的构造存在一些“伪异常”，如图10c所示。结合数据特征分析，认为其为干扰异常区。

图  11  雷达与井下地震验证分析图

Figure  11.  GPR and Downhole Seismic Verification Analysis Map Ground Penetration

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结合地质揭露情况，排除雷达“伪异常区”、修正井下二维地震解释构造位置，最终得到高精度的地质构造模型，如图12所示。

图  12  雷达与井下地震验证分析修正图

Figure  12.  Correction diagram of GPR and downhole seismic verification analysis

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高精度地质构造模型不仅排除了井下噪音造成的雷达“伪异常”，同时解决了井下二维地震构造标定精度低的问题，实现了高精度构造预测。

5.   揭露验证

通过雷达数据与井下二维地震数据对比验证分析发现，由于井下干扰源较多，造成雷达数据分析解释出干扰异常区，影响构造识别精度。结合井下二维地震数据，可以有效排除雷达干扰异常区。但井下二维地震数据经过一定的推理延伸，在复杂的地质构造发育地区，构造产状有一定的畸变，造成井下二维地震数据解释构造空间位置精度较低，需通过雷达数据进行修正。通过将井下二维地震和雷达数据相互验证对比分析，可排除雷达“伪异常区”，提高井下地震的解释精度。综合预测验证结果如图13所示。

图  13  井下雷达与二维地震综合预测构造模型验证结果

Figure  13.  The result of the verification of the structural model for the integrated prediction of radar and 2D seismic

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经巷道掘进验证，井下二维地震可以有效地识别断距小于2 m的断层和煤、岩层的节理破碎发育区，并进行半定量解释。矿井雷达可以准确标定构造埋深，减小误差。通过将2种方法结合，互相验证分析，能够克服井下环境限制，提高预测的精度。

井下二维地震数据解释D-YC8破碎区，经揭露验证为众多断层组成的断层带，其中多表现为图2所示的典型地质构造模型，由多个地堑、地垒组成。将其余验证结果整理后得到验证关系表（表1）。

表  1  构造验证关系

Table  1.  Construction verification relationship

预测构造	揭露断层（走向、倾角及断距）	空间误差/m
DCH-D01	GDH006 （280° ∠50° h=1.2 m）	0.5
DCH-D02	GDH005 （270° ∠45° h=1.5 m）	0.6
DCH-D03	GDH004 （268° ∠40° h=2.5 m）	0
DCH-D04	GDH002 （260°∠30° h=1 m）	0.8
DCH-001	GDH003 （261° ∠40° h=5 m）	0.5
D-YC8	GDH001 （255° ∠40° h=0.8 m）	0.6

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由此可见，该方法不仅可以有效识别断距大于1 m的断层，同时还能圈定由小断层群或应力集中造成的煤、岩层破碎区，预测瓦斯赋集区。最终通过试验验证该方法的验证准确率高达90%，且误差小于1 m。

最后，为验证本研究方法的可行性，笔者还选取了研究区其余2条巷道进行试验研究，验证结果与10101顶板瓦斯抽采巷和1010201轨道巷结果一致。

6.   结　　论

1）结合双突矿井的开采工艺，利用已经贯通的瓦斯抽采巷进行二维地震探测，可以一次性进行长剖面探测，相较于实时的超前探测，降低了探测的成本。二维地震利用机械波探测，不受井下电磁噪音干扰，可对煤层构造和应力集中的节理破碎区域进行半定量解释。

2）通过探地雷达和井下二维地震探测技术2种探测数据的相互验证分析，可排除探地雷达数据的“伪异常”，修正地震解释构造位置，提高预测精度。

3）通过研究区的现场应用表明，笔者提出的综合预测方法能有效识别断距小于2 m的断层，验证准确率高达90%以上，且误差小于1 m。该方法能为地质条件复杂的双突矿井提供更准确的地质信息。