技術(shù)背景
應用場景
我國絕大多數(shù)煤炭來自井工開采，是世界主要產(chǎn)煤國家中開采地質(zhì)條件最為復雜、煤礦災害事故最為嚴重的國家。煤炭地質(zhì)勘查貫穿于煤炭資源勘查、煤礦設計、煤炭開采和利用以及礦井關閉的全過程，是實現(xiàn)煤炭資源高效安全開采的基礎和前提。
目前，影響煤礦高效安全開采的地質(zhì)因素主要包括：構(gòu)造地質(zhì)條件（包括斷層、褶曲等）、瓦斯地質(zhì)條件以及其他地質(zhì)異常體（如采空區(qū)、陷落柱等）。據(jù)不完全統(tǒng)計：煤礦開采過程中發(fā)生的水、火、瓦斯、煤塵與頂板事故等五大主要災害中，均與地質(zhì)條件相關。由于采區(qū)地質(zhì)條件不詳，致使工作面無法正常推進、接續(xù)失調(diào)以至于蒙受重大經(jīng)濟損失的事件，更是多次發(fā)生。主要表現(xiàn)在以下三個方面：
原地煤系地層中斷層和褶曲極其發(fā)育、規(guī)律性差，直接制約礦井安全、高效開采。特別是落差較大的斷層，常造成煤巖層直接與強含水層相連或斷層帶導通強含水層，井巷工程通過時常發(fā)生透水事故，甚至淹井。在瓦斯含量大的礦井，斷層破碎帶容易積聚大量瓦斯，井巷通過時常常造成瓦斯突出事故。
瓦斯是在煤層及上下圍巖中以不均勻分布的形式賦存的，并伴隨著煤層地應力變化和裂隙演化而運移，導致瓦斯聚集形成富集區(qū)。當采掘活動破壞了這種富集區(qū)的自然封閉體的完整性，就會造成瓦斯涌出或動力突出災害。
地下煤層開采后會形成大面積采空區(qū)，特別是很多地區(qū)的無序開采造成煤礦采空區(qū)分布情況不明，煤礦采空區(qū)的沉降或塌陷以及其空間內(nèi)的流體（水、瓦斯等）對地面各種大型工程建設和環(huán)境造成了重大的影響。
針對煤礦現(xiàn)存的影響煤礦高效安全開采的地質(zhì)因素，如：斷層、瓦斯富集區(qū)、采空區(qū)及其空間內(nèi)的流體等，礦方需要及時探明，精確掌握其空間分布范圍，才能保證煤礦高效、安全開采。
現(xiàn)狀分析
有效預防煤礦水、火、瓦斯、煤塵與頂板事故等五大主要災害事故的發(fā)生頻度，保障煤礦安全生產(chǎn)，煤礦地質(zhì)條件探查是關鍵。
近十年來地球物理技術(shù)工作者針對斷層、瓦斯富集區(qū)及采空區(qū)與巖體的地層阻抗及電阻率差異，研發(fā)了礦井地球物理探測技術(shù)。比如利用三維地震探測技術(shù)查明斷層、采空區(qū)位置。
但是，對于煤礦構(gòu)造及采空區(qū)等地質(zhì)探測，三維地震勘探等技術(shù)受高額成本限制，探測區(qū)域有限，加之上部煤層開采造成地表塌陷，部分區(qū)域不具備地面補勘條件。
針對復雜的煤礦地質(zhì)條件勘探，安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司研發(fā)了煤礦地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用密集地震臺站采集連續(xù)背景噪音，包括潮汐撞擊海岸產(chǎn)生的低頻信號、地球內(nèi)部的自信號、大地震后的尾波信號、煤礦開采過程中產(chǎn)生的噪聲信號以及瓦斯流體產(chǎn)生的低頻震動信號，通過臺站對的互相關和疊加處理，提取出不同頻率的基階和高階面波，從而確定從淺到深的三維橫波速度結(jié)構(gòu)體。該三維橫波速度結(jié)構(gòu)體對煤礦地質(zhì)條件勘探中的斷層、瓦斯富集區(qū)、采空區(qū)及其空間流體有非常好的顯現(xiàn)作用，能夠精準預測其空間位置和范圍。
安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司聯(lián)合中國科學技術(shù)大學地球物理技術(shù)團隊合作研發(fā)的煤礦地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)在使用過程中不需要人工震源（炸藥或者震源車），是一種“綠色”經(jīng)濟的勘探系統(tǒng)。且相對于三維地震等探測技術(shù)的使用，該系統(tǒng)可長期探測，所創(chuàng)造的效益更大。
核心技術(shù)
基于密集地震臺陣的背景噪聲成像技術(shù)
基于連續(xù)采集的背景噪聲數(shù)據(jù)，提取臺站之間的面波格林函數(shù)，進行橫波各向同性和各向異性成像?；诘乇聿荚O的密集臺陣，采集和處理低頻（1-10Hz左右）信號，通過疊加裂縫成像和烴震分析等技術(shù)，獲得煤礦地下結(jié)構(gòu)等。
雙差地震層析成像技術(shù)
通過使用到時差數(shù)據(jù)，并利用震源和速度結(jié)構(gòu)所存在的耦合效應進行共同反演，可以有效提高反演結(jié)果速度結(jié)構(gòu)的精度，并在多個領域如斷層、俯沖板塊、火山等速度結(jié)構(gòu)的探測上得到廣泛的應用。
基于低頻信號和疊加成像技術(shù)
對于富含瓦斯的裂縫，在大多數(shù)情況下處于滑動的臨界狀態(tài)，在煤層采動的影響下會釋放出低頻諧振信號，這主要體現(xiàn)在頻譜振幅峰值聚集在某個低頻例如3Hz附近。通過對區(qū)域進行網(wǎng)格離散化，根據(jù)三維速度模型，確定每個網(wǎng)格點到每個地震臺站的地震波走時。以中心臺站為基準，對其它臺站接收到的波形進行向前或向后的時移，并進行疊加。最后對疊加的數(shù)據(jù)體提取出能量最強的網(wǎng)格，即為瓦斯儲層位置。
實施方案
臺陣布設
根據(jù)探測區(qū)域位置及探測深度，布設煤礦地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)臺陣，來采集礦區(qū)及周邊區(qū)域環(huán)境背景噪聲?，F(xiàn)場臺陣采用矩形面狀分布，相鄰監(jiān)測點間距50-300m，原則上是將探測區(qū)域包含在臺陣中（右圖，藍圓代表臺站）。連續(xù)觀測一段時間，對此階段的環(huán)境背景噪聲數(shù)據(jù)進行采集。
背景噪聲三維成像系統(tǒng)臺陣，具有豐富的低頻信號采集能力，如右圖所示。內(nèi)置配有三分量地震傳感器、GPS模組、電子羅盤、姿態(tài)傳感器、藍牙模塊以及可充電鋰電池，無需任何外部電源即可連續(xù)工作60天以上。它可以實現(xiàn)定時開機采集、采集結(jié)束定時關機；也可連續(xù)采集；采用USB、RS232、藍牙等多種交互工作方式；數(shù)據(jù)自動本地存儲；具有GPS授時、地理位置定位等特點。其高頻達到200Hz 以上，可以滿足瞬態(tài)面波勘探的需求。
三維橫波速度結(jié)構(gòu)體反演流程
三維橫波速度結(jié)構(gòu)體反演
對探測區(qū)域環(huán)境背景噪聲原始數(shù)據(jù)進行預處理。
將反演區(qū)域按網(wǎng)格劃分，反演得到各周期相速度的二維分布，進而得到每個網(wǎng)格節(jié)點的純路徑頻散曲線。
反演每個網(wǎng)格的純路徑頻散，得到每個網(wǎng)格下方的S波速度的垂向分布。
在不同周期面波層析成像結(jié)果的基礎上，反演得到勘查區(qū)三維橫波速度結(jié)構(gòu)（圖3-5），并給出不同深度橫波速度結(jié)構(gòu)水平分布（圖3-6）。
煤礦地下結(jié)構(gòu)體探測
通過分析探測區(qū)域地質(zhì)資料（圖3-7），利用三維橫波速度結(jié)構(gòu)體等地球物理信息對煤礦地下結(jié)構(gòu)體進行解釋（圖3-8）。
項目效益
有效減少煤礦水、火、瓦斯、煤塵與頂板事故等五大主要災害事故的發(fā)生頻度，保障煤礦安全生產(chǎn)，煤礦地質(zhì)條件預測是關鍵。安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司煤礦地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)能夠準確預測煤礦地質(zhì)條件勘探中的斷層、瓦斯富集區(qū)、采空區(qū)及其空間流體的空間分布，量化其對煤礦的危險程度，減少盲目性投入，做到有的放矢。在同等面積區(qū)域的地質(zhì)探測上，相比較于三維地震勘探等常規(guī)探測方法，本系統(tǒng)可為礦山節(jié)省大量探測成本。該系統(tǒng)為煤礦提供了一種新的“綠色”經(jīng)濟有效思路，能夠高效、快速、準確的量化煤礦斷層、瓦斯富集區(qū)、采空區(qū)及其空間流體的空間分布，為煤礦生產(chǎn)安全提供保障。
案例展示
采空區(qū)探測
淮河能源控股集團煤炭開采過程中，存在以前遺漏的采空區(qū)，為確保煤層安全掘進、科學布置綜采工作面，提高單進、單產(chǎn)水平和原煤質(zhì)量，保障礦井有序接替，需要進行地面補勘工作，找出采空區(qū)的位置及范圍。由于礦區(qū)存在生產(chǎn)活動，常規(guī)的三維地震探測技術(shù)對人員安全以及探測質(zhì)量（噪聲干擾）難以保證，導致無法實施；電法勘探由于無法進行大區(qū)域探測，導致探測效果不夠精確。該礦區(qū)通過利用煤礦地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)采集礦山及附近環(huán)境背景噪聲進行成像反演，成功探測到礦區(qū)內(nèi)遺漏的采空區(qū)，并圈出范圍，如右圖所示：
瓦斯富集區(qū)預測
陽煤集團地質(zhì)條件復雜、瓦斯災害突出顯現(xiàn)的礦井，隨著工作面的回采，煤層瓦斯含量和壓力大幅上升，迫切需要利用先進方法和手段，對現(xiàn)有瓦斯富藏條件進行探測，從而對瓦斯進行合理抽放或利用。傳統(tǒng)的煤層氣含量探測主要采用原位吸附試驗，費用較高，且無法對煤層氣整體的空間分布進行預測。通過利用煤礦地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)，采集環(huán)境背景噪聲信號，確定三維橫波速度結(jié)構(gòu)，基于巖石物理實驗測定的速度和瓦斯含量關系，定量化預測高瓦斯富集區(qū)（如右圖），其中瓦斯含量高于9.8m3/t的區(qū)域面積有2.58km2，為地面瓦斯抽放和利用提供技術(shù)支撐。
近地表結(jié)構(gòu)探測
隨著經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市圈一直在外擴，由于地處郯廬斷裂帶，存在地震風險，為降低地震災害影響，需要對其近地表結(jié)構(gòu)進行探測，以確保城市工程與建筑安全以及指導未來城市規(guī)劃。由于城市人口密集性、安全以及探測深度，常規(guī)的地球物理勘探技術(shù)難以實施。
安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司聯(lián)合中科大地球物理團隊利用地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)采集環(huán)境背景噪聲，反演斷層帶位置及區(qū)域速度變化信息，以此判斷潛在的地震危險。圖5-3為現(xiàn)場臺陣布設圖，三角形代表臺站。圖5-4為淺層不同深度的三維橫波速度結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出由于郯廬斷裂含有巖漿侵入的變質(zhì)巖相對周邊區(qū)域為高速帶（虛線代表斷層位置）。圖5-5為沿同一S波速度剖面局部地質(zhì)剖面，白線代表地質(zhì)上不同的地層單位，可以探測地表結(jié)構(gòu)巖性變化。其中1為上白堊統(tǒng)砂巖；2為古元古代片麻巖；3為青白口期灰?guī)r；4為早寒武世頁巖；5為震旦系灰?guī)r。
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