地震勘探技术在矿井突水危险性预测评价中的应用

胡忠平 刘晓莎

（中国矿业大学〈北京〉地球科学与测绘工程学院，中国 北京 100083）

0 概述

我国煤炭资源十分丰富，已探明储量占到世界的1/3，可采量和出口量均位居世界第二位，产量更是位居世界第一。丰富的煤炭资源的开采利用为我国经济发展做出了重要的贡献，解决了数千万人的就业问题。但是，自建国以来，尤其是改革开放后的三十多年里，随着经济、科技的进步，人民生活水平的提高，对煤炭资源的索取也在逐年加大，而我国又人口众多，环境承载着巨大的压力，与此同时，我国的煤炭安全问题尤其是煤炭水害问题变得十分严重。

我国的煤炭资源主要集中在华北地区的石炭-二叠系煤田，这里的煤炭储量占到全国储量的70%，产量也能占到65%，但该地区的浅部上组煤经过几十年的开采后已基本开采完毕，现在主要开采深部下组煤。随着开采深度的加大，面临的地质条件就越复杂，水害发生的频率就越高，给生产、安全、经济、管理等方面造成了严重的影响。

1 矿床充水条件分析

在自然条件下，煤层一般是不含水的，煤矿发生突水，必须具备一定的条件，这就是要有充足的充水水源、导通水源与煤层的涌水通道和一定的水压。

1.1 充水水源

矿床充水水源包括自然的大气降水、地表水、地下水及人为的老窑水等，将大气降水作为主要充水水源的矿井，突水具有明显的季节性和周期性特征，而地表水、地下水作为主要充水水源的矿井突水时，突水水量比较稳定，老窑水是指矿床体开采结束后，封存于采矿空间的地下水，属于酸性的强腐蚀水，能破坏矿山设备，且这种水突水特点是短时间内大盆涌入矿井，具有很大危害性，而且比较隐蔽，不好排查，遇到以这种水为充水水源，则开采成本就要提高。

1.2 涌水通道

涌水通道是沟通水源与煤层的桥梁，主要包括点状的岩溶陷落柱通道、线状的断层线以及窄条状的隐伏露头通道等。涌水通道是矿床充水的最主要的因素，也是最难以确定的要素，发生矿床涌水事件的大部分都是由于未探明导水通道导致的。

1.3 水压

充水水源必须要有一定的水压才能通过涌水通道进入煤层。

2 煤层突水危险性预测研究现状

为有效解决矿井水害问题，对煤层突水危险性进行准确及时的预测评价，不同学者从不同角度出发，提出了一些行之有效的方法和理论，其中脆弱性指数法、突水系数法、Bp神经网络判别法等均在现实中取得了有效的应用[1]，对煤矿的安全开采起到了很好的指导作用。这些方法关键都在于将采集到的突水因素数据经过一定的数据模型进行数据挖掘分类，进而判断是否会发生突水。为准确获矿井突水因素数据，主要物探方法有钻井勘探、电法勘探以及地震勘探。其中钻井勘探能直接获取一手的详细的地质数据，但价格高昂，且在井田范围内分布密度低，无法准确获取钻孔之间岩体的变化情况，钻井与钻井之间的地质现象只能通过模拟获得，难以有效、精确地控制井田内整个煤系地层的水文地质条件；目前，主要是利用电磁勘探方法进行煤矿地面水文地质调查工作，主要有电阻率法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)等，可以有效地确定低阻水异常的部位，但是电磁勘探方法存在的主要问题是具有体积勘探效应，无论是纵向分辨率还是横向分辨率均较低，同时受地面电磁干扰的影响较严重，并且在井田范围内，欲达到足够高的密度和分辨率是不切实际的；地震勘探具有大面积密集采集信息的优势，利用纵向高分辨率的测井信息，地震勘探可以从平面和立体角度研究地层的构造、岩性变化，从而对水文地质异常做出判断，进而研究导水裂隙的分布及发育规律，为防治水提供决策依据[2]。

3 地震勘探技术的应用

3.1 地震勘探原理

在第二节的充水条件分析中可以看到，煤层防治水的关键在于探明矿区老窑水及涌水通道的分布。突水前的一个基本征兆是发生震耳的声响，这是突水通道最终贯通失稳的前兆信息，其实就是该区的岩层断裂和薄弱区域(已知和未知断层、陷落柱等)活化，岩石破裂过程的试验表明，岩体破裂过程是一个能量逐渐释放的过程，将在岩体中产生弹性波，而对失稳前破裂信号的采集，是我们获得失稳前兆信息并进行预测预报的物理基础。地震勘探通过对采动岩体进行大范围的监测、高精度震源定位和时空序列的描述，可以实时监测并反演破裂发生的空间位置、能量和发展动态，结合水源分布信息，实现突水危险性的预警[3]。

3.2 微地震基本定位方法

忽略深度后，近震三维空间微地震定位可作为平面微地震定位问题，在已知三个监测点坐标和地层介质传播速度情况下，通过到达三个点的时间，采用三点定位几何方法，就可确定震源位置。以O0为坐标原点（0，0），以 O1，O2和 O3为圆心 R，R+ΔR1，R+ΔR2，分别为半径作圆，三圆交点即为震源，震源点的求解方程组为

式中，（x，y）为震源点在坐标系上的坐标；O1，O2和 O3井的坐标分别为（x1，y1），（x2，y2）和（x3，y3）；震源到井底，O1，O2和 O3的直线距离分别为R，R+ΔR1和R+ΔR2；震源点到井底O2和O3的距离与震源到井底O1距离的差值分别为ΔR1和ΔR2，地层中波传播速度为V（m/s）；O2和O3相对v的时差分别为Δt1和Δt2。

3.3 突水危险临场预警

由于具有实时监测的优势，针对既定突水危险区实施临场预警的最为直接的手段之一即微震监测及突水预测。下图描述的是突水危险区超前预测与突水危险性临场预警的研究思路。

4 结语

本文对煤矿开采过程中的水害问题以及目前的煤层水害预测评价技术进行了分析研究，着重介绍了地震勘探技术的原理、定位方法以及突水危险临场预警的研究思路，目前地震勘探技术的主要问题还是在于精度不太高，但随着技术的发展，高精度的地震勘探技术在矿井突水危险性预测评价方面的作用也将愈来愈显要。

[1]武强，张波，赵文德，等.煤层底板突水评价的新型实用方法V：基于GIS的ANN型、证据权型、Logistic回归型脆弱性指数法的比较[J].煤炭学报，2013,38(1):21-26.

[2]武喜尊.煤矿采区三维地震勘探技术[J].物探与化探，2004,28（1）：19-21.

[3]叶根喜，Peter Hatherly，姜福兴，等.地球物理测井技术在煤矿岩体工程勘察中的应用[J].岩石力学与工程学报，2009,28(7)：1342-1351.