0 引言

煤炭作为我国重要的能源之一，其开采方法先后经历了炮采、普通机械化开采和综合机械化开采。随着信息技术和机械化程度的不断提升，煤炭开采进入智能化的新阶段。自2020年国家发改委等八部委联合印发《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》以来，各大煤炭企业、科研院所及企事业单位在智能开采领域取得重大突破，陆续建设形成一批高精尖的智能化示范矿井。在智能化矿井的建设过程中，由于煤岩识别领域尚未取得重大突破，因此利用综合物探技术在工作面回采前查明待采工作面内隐伏的地质构造和煤层顶底板界面，构建能够真正指导综合机械化开采的高精度三维地质模型是实现智能化开采的重要途径[1-3]。

为构建工作面高精度地质模型，需要进行2个方面的探测工作，即工作面内隐伏地质构造和煤层顶底板高程。三维地震勘探技术是煤矿地质勘查最常用的物探手段，其基于反射理论的数据处理体系已发展形成完整的技术路径，为煤矿隐伏构造的探查提供了有效的预测手段[4-6]。三维地震勘探横向分辨率高，能够较好地控制煤层的起伏形态，但在纵向上由于时深转换的复杂性，在计算煤层顶底板高程时存在一定误差，并且对较小构造的探查精度也不够。通过融合采掘得到的煤厚数据与三维地震解释成果，对工作面内部煤层底板高程和煤层厚度进行再解释，并研究基于绕射的地震勘探理论以突破传统地震勘探分辨率瓶颈，是三维地震勘探实现高精度探测的重要研究方向[7-9]。此外，基于地质统计学反演理论，采用马尔科夫链蒙特卡洛算法(Markov Chain Monte Carlo，MCMC)构建马尔科夫链进行随机采样和蒙特卡洛模拟，从而获得需要的高分辨率数据体，是实现工作面煤层顶底板岩性准确预测的重要手段[10]。

在工作面内部隐伏构造的探查方面，吴国庆等[11]对包含断层、陷落柱、薄煤带、挠曲4种地质异常体的工作面进行了三维波场模拟，根据不同地质异常体在单炮、频散、频谱、波场CT成像上的响应特征，实现了槽波异常的地质识别，准确解释了各种地质异常体的形态、位置及大小，论证了槽波地震勘探识别工作面内不同异常体的可行性。槽波地震勘探目前作为煤矿工作面隐伏地质构造探测的主要物探手段，联合基于频散曲线的工作面煤厚反演方法，已成为实现工作面高精度地质建模的重要手段[12-14]。

随着地震干涉技术的兴起，随采地震勘探技术取得重要突破[15]。借助地震干涉算法将连续被动源函数转换为常规的脉冲类震源函数，以采煤机为震源，在工作面两巷或工作面推采前方的钻孔内布置检波器，可以获取高信噪比的虚拟炮集记录，并通过层析成像算法，在采煤的同时实时成像，探测开切眼前方一定范围内的构造异常区[16-19]。

在工作面煤层赋存条件的精细探测方面，刘小雄等[20]在榆家梁煤矿进行了多种方法的联合勘探，以实际揭露数据建立勘探地质模型，采用以井下定向钻探技术为主，工程测量、钻孔窥视、岩屑编录等为辅的煤岩分界面综合探测技术，获取工作面内部煤层厚度、顶底板标高、地层倾角等关键建模参数，并对初始勘探地质模型进行更新。此外，孔中物探方法也在煤岩层界面识别方面发挥了重要作用[21]，桑向阳、贾建称等[22-23]应用侧向电阻率视频成像测井技术，对孔中轨迹进行精准校正并根据自然伽马值及其曲线对煤岩层进行精细解释和精准对比；刘四新等[24]根据时间域有限差分原理，对井下钻孔雷达数据进行数值模拟，结果表明利用钻孔雷达对煤层顶底板界面进行探测是可行的；蒋必辞等[25]提出了基于钻孔雷达技术的透明工作面构建方法，在工作面巷道施工顺煤层钻孔进行反射地质雷达勘探，联合多孔探测结果构建区域煤岩界面地质模型，在实验性应用中，该方法建立的地质模型局部信息刻画更精细，顶底界面及煤厚与实际数据误差较小。

综上所述，物探技术是实现工作面内构造探查和煤层分界面探测的重要途经，但单一的物探手段几乎无法满足对整个工作面同时进行构造和煤层精细探测的要求。因此需要采用综合物探技术[26-27]，取长补短，才能构建能够指导生产的工作面高精度地质模型。

1 综合物探方法选取

综合物探技术方法较多，常用的井下物探方法包括矿井瞬变电磁、矿井直流电法、无线电磁波透视、槽波地震勘探、地质雷达、钻孔测井等。为构建高精度三维地质模型，采用槽波和自然伽马测井方法确定工作面内部断层、陷落柱等地质异常体的空间位置和展布特征；采用三维地震地质统计学反演方法，融合回采揭露数据和钻孔地质雷达探测两巷附近煤层顶底板高程数据，反演整个工作面内的煤层顶底板高程和煤厚信息，为模型构建提供更加全面和精确的地质数据。

(1)槽波地震勘探。槽波是在煤层中激发和传播的地震波，采用炸药震源激发能量强、传播距离远，且波形易于识别，是目前矿井小构造探查最常用的技术手段。通过在工作面两巷布置炮点和检波点进行反射和透射槽波联合勘探，并进行反射偏移成像和能量衰减系数CT成像，可以准确解释工作面内断层或其他构造的空间分布和延展方向。

(2)自然伽马测井。煤矿井下自然伽马测井原理与地面自然伽马测井原理基本相同，任自强等[28]统计了朱集井田36个钻孔内6 208个煤系岩层的自然伽马值(表1)，结果表明煤层与其直接顶底板岩层(一般为泥岩或砂岩)的自然伽马射线强度存在明显差异，可根据这一差异确定钻孔延伸方向上的构造和岩性变化。

(3)钻孔地质雷达。钻孔地质雷达作为矿井物探的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点。当地质雷达天线沿顺煤层钻孔推进时，煤层与顶底板岩性的相对介电常数存在明显的差异，接收天线即可接收到来自煤岩分界面的反射信号，如图1所示。随着雷达天线的不断推进，每个煤岩分界面即在雷达剖面上形成一条连续的同相轴，通过对该同相轴进行数据处理和时深转换，并结合钻孔轨迹和钻孔孔口坐标即可计算每个测点对应的煤层顶底板高程。

(4)三维地震地质统计学反演。三维地震数据中纵波阻抗可以较好地区分煤砂岩以及泥岩，为后续煤系地层的岩性预测提供依据。煤系地层主要有4种岩性，即煤、泥岩、砂岩和灰岩，不同岩性在纵波阻抗范围内具有很好的区分度，除了部分泥岩与砂岩有一定的叠置，总体上区分较好，如图2所示。

以区域内煤层以及顶底板岩性和厚度特征为基础，结合实际揭露数据和钻孔雷达探测的煤层顶底板数据，利用高分辨的地质统计学反演将精细构造解释信息与岩性信息通过MCMC算法进行融合，作为先验输入信息，精细刻画煤层厚度及顶底板厚度与岩性，预测工作面煤层以及顶底板岩性的分布，其技术流程如图3所示。

2 应用实例分析

2.1 工作面概况

金凤井田位于马家滩矿区中部，南北长11.5～12.0 km，东西宽1.9～3.5 km，面积约36.08 km2，区内主采煤层8层(2、3、4、8、12、13、15、18号煤层)，核定现采12、18号煤层，矿井生产能力400万t/a，矿井可采储量320.36 Mt，总服务年限57.2 a。

(1)煤岩层概述。011815工作面走向长度838.20 m，倾向长度288.36 m，煤层厚度2.76～3.90 m，平均煤厚3.33 m，煤层结构单一，工作面范围内煤厚呈南厚北薄、南高北低。回风巷为原011813工作面运输巷沿空留巷；运输巷开口底板坐标为(X=4 170 867.625，Y=36 399 021.479，Z=+1 191.683)，按照259°的方位角施工，运输巷标高上限位于开口处，底板标高为+1 191.637，下限标高位于运输巷开切眼处，底板标高为+1 121.407，高差为70.23 m，巷道整体东高西低，中部巷道局部有起伏变化。煤层直接顶、直接底均为泥岩，厚度较薄，基本顶和基本底分别为中粒砂岩和粗粒砂岩，见表2。

(2)地质构造概况。该工作面位于冯记沟背斜西翼，面内有马家滩向斜和马家滩背斜，褶曲轴部横穿工作面，此外面内实际揭露多条断层，实见落差均在1 m左右。011815工作面构造信息如图4所示。

011815工作面内部马家滩向斜和马家滩背斜褶曲构造影响范围较大，且西翼煤层较东翼煤层倾角偏大，向斜相对更为宽缓。011815工作面形成期间，巷道揭露并实见断层9条，其中回风巷揭露断层2条、运输巷揭露断层4条、设备通道揭露断层3条。工作面内褶曲和断层具体信息分别见表3和表4。

2.2 煤层顶底板界面预测

准确的煤层顶底板高程是实现智能开采的关键，通过“点-线-面”的方式逐步实现工作面煤层顶底板高程预测。首先以巷道实际揭露的煤层数据为基础(点)，通过钻孔地质雷达反演各孔轨迹上的煤层顶底板界面(线)，最后通过三维地震岩性反演融合钻孔雷达成果数据，得到整个工作面范围内的煤层顶底板高程和煤厚信息(面)。

2.2.1 钻孔地质雷达勘探

在实施钻孔地质雷达探测前，在011815工作面两巷分别施工一系列钻孔，钻孔设计垂直煤壁且顺煤层方向钻进，在两巷间隔50 m布置钻孔，每孔钻进80 m，共计施工钻孔30个，累计进尺2 400 m。011815回风巷由开切眼向巷口依次编号ZL15～ZL1，011815运输巷由开切眼向巷口依次编号ZL30～ZL16。钻孔实际轨迹在采掘工程平面上的投影如图5所示。

每个钻孔施工完成后，为防止钻孔坍塌，需立即进行钻孔地质雷达施工。首先采用矿用钻孔伽马测井仪进行自然伽马测井，该仪器同时具备测斜功能，通过连杆将仪器逐步推入孔中完成测量。自然伽马测井完成后，再进行地质雷达探测，雷达天线中心频率选择200 MHz，通过连接线经测距轮与雷达主机相连，再利用推杆将天线缓慢推入孔中，完成连续探测。

数据采集完成后，测斜数据结合钻孔孔口坐标即可得到该孔轨迹上任一点的大地坐标。随后通过自然伽马测井成果进行岩性分析，并对钻孔地质雷达数据处理与解释，得到雷达剖面与岩性综合成果，如图6所示。

在钻孔雷达时间剖面上，可清楚地识别巷道波、煤层与顶板和底板界面的反射同相轴，并据此计算煤层雷达波传播速度及钻孔至煤层顶、底板界面的距离，如图7所示，最终通过钻孔轨迹坐标得到整个钻孔轨迹上的煤层顶底板界面坐标。

2.2.2 三维地震数据综合解释

传统的地质模型在数据空白区只能通过插值算法进行构建，由于地层信息的不确定性较多，导致精细程度较低。因此，加入三维地震数据作为约束，使所建模型在研究区范围内都有地震数据作为基础，综合利用钻孔、采掘、地质雷达、地震等多源数据，开展煤层顶底板精细解释；最后利用高分辨的地质统计学反演将精细构造解释信息与岩性信息，利用MCMC算法进行融合作为先验输入信息，刻画煤层厚度及顶底板厚度与岩性，如图8所示。

此外通过地震多属性分析预测工作面内隐伏断裂构造，确定工作面内断层展布特征，并成功预测工作面内3条隐伏断层和破碎带。以反演预测的煤层及顶底板岩性数据体为基础，获得3D深度域空间地质模型，该地质模型具有空间任何一点的岩性和煤层顶底板界面坐标，如图9所示。

2.3 工作面构造探测成果

011815工作面地质构造以断层为主，为实现工作面地质构造的高精度建模，需要准确确定断层的空间位置、延展方向以及落差情况。采用槽波地震勘探对工作面内断层进行预测，并以钻孔施工日志和自然伽马测井数据进行验证并做更进一步的精细解释。

2.3.1 槽波地震勘探成果

采用透射槽波和反射槽波联合勘探的方法在工作面两巷间隔20 m布置炮点，间隔10 m布置检波器，共设计炮点82个，检波点162个。激发炮孔位于巷道煤壁中间且垂直于煤壁，孔深2.5 m，孔径42 mm，单孔药量300 g，黄泥封至孔口并捣实，采用同一段瞬发电雷管或同一段其他批次雷管激发。每个炮点激发时，工作面两巷的所有检波点均接收，同时采集反射槽波和透射槽波信号，共完成13 284个炮检点。现场数据采集结束后分别对反射槽波和透射槽波进行资料处理，得到工作面两巷槽波反射勘探偏移成像异常区和工作面槽波透射勘探异常构造成果，其中工作面槽波透射勘探观测系统布置及异常构造成果如图10所示。

依据槽波勘探成果，结合实际揭露的地质资料，对本次槽波勘探的资料进行了综合解释。011815工作面综合地质成果解释了5处地质构造异常区，如图11所示，主要为断层及断层组影响，编号为CF-1～CF-5；解释了1处地质异常区，主要为煤层产状变化及破碎带发育影响，编号为YC1。各构造异常区的具体情况见表5。

2.3.2 构造异常区精细解释

根据槽波勘探成果，011815工作面运输巷揭露断层JL1815-1和JL1815-2，设备道揭露的3条断层延伸至工作面内部，回风巷ZL2-ZL7钻孔以及运输巷ZL16-ZL17钻孔在钻进时可能受到断层影响。回风巷施工时由于环境受限，只能采用小钻机、细钻杆，在施工俯孔时，由于钻头下方岩屑堆积导致钻孔轨迹向上偏移严重，根据钻孔施工日志的见煤岩情况以及自然伽马测井结果对这几个钻孔进行分析，以确定上述断层在工作面内部的发育情况，对槽波异常进行精细解释。

根据钻孔地质雷达勘探的井下钻孔施工日志，在施工回风巷ZL2-ZL7号和运输巷ZL16-ZL17号钻孔时，受到断层等因素影响，存在多个煤岩界面，如图12所示，具体见煤岩情况见表6。

依据表6和自然伽马测井揭露的见煤岩信息，结合钻孔地质雷达提供的煤层倾角情况，分别绘制各钻孔预想剖面，对钻孔处的地质情况进行精细解释。

以ZL5号孔为例，该孔开孔位置位于011815工作面回风巷，距离设备道258 m处，孔口距离煤层顶板1.57 m。钻孔施工时，以-9°开孔，钻进至28 m处见岩，继续钻进后在48 m处又见煤，之后在58 m处见岩。该孔伽马测井情况与施工记录情况吻合，如13(a)所示。推测该孔在28 m受到断层JL1813-4影响，该位置断层落差约为1.5 m，在48 m和58 m处分别穿过煤层底板和顶板，推测煤层情况如图13(b)所示。

钻孔轨迹结合自然伽马测井结果分析，依次对ZL2-ZL7及ZL16-ZL17钻孔不同钻进深度时的地层岩性特征进行解释，精细确定槽波推断断层CF-2(JL1813-4)、CF-4(JL1815-1)、CF-5(JL1815-2)在工作面内部的延展方向和落差，最终成果如图14所示。

3 回采验证

采用综合物探技术获得011815工作面煤层顶底板高程和面内隐伏断层的延展方向和落差信息后，利用LongRuan GIS3.5地理信息系统融合实际回采数据生成工作面三角网数据，自动构建地质模型并显示煤厚等值线属性，如图15所示；工作面回采后利用其任意剖切功能获取当前截割位置的煤层顶底板界面和构造特征绘制地质剖面图，进而指导采煤机自主截割实现智能开采，如图16所示。

工作面推采一段距离后，组织进行模型精度验证工作，在运输巷回采约120 m、回风巷回采约101 m时，采煤机回采一刀后测量开切眼剖面上的煤层底板高程和煤厚数据，并绘制开切眼实测剖面图。在工作面地质模型中按照测量点位进行剖切，得到模型剖面图，并将其与实测剖面图对比，如图17所示。图中实测剖面长度约300 m，共计施工测量点20个。模型剖面与实测剖面的煤层起伏形态一致性较好，运输巷向工作面内延伸120 m、回风巷向工作面内延伸50 m范围内模型与实测煤层顶底板界面比较吻合。在工作面中部区域，煤层起伏较大，通过综合物探技术预测的煤层顶底板界面与实际高程相差稍大，但仍然很好地控制了煤层的形态。因此基于综合物探技术建立的工作面地质模型，能够精细刻画煤层起伏形态，对煤层界面和煤厚预测精度较高。在实测剖面上的20个实测点中，预测煤层底板高程的最小误差0.061 m，最大误差1.221 m；预测煤厚误差最小值0.040 m，最大值0.503 m；20个测点处的平均煤层底板高程误差0.510 m，平均煤厚误差0.242 m。

4 结论

(1)单一的矿井物探方法受限于物性参数，无法既解决构造的问题，又解决煤层顶底板界面的问题，综合物探方法利用多物理参数进行联合解释，可获得更加准确全面的工作面模型数据。

(2)以巷道揭煤点数据为基础，得到钻孔地质雷达轨迹上的煤层界面，最终通过三维地震进行综合反演解释。通过“点-线-面”的方式逐步完成整个工作面煤层界面的准确预测。

(3)在工作面中部区域，尤其是在煤层起伏较大的情况下，由于缺少实见点和钻孔雷达数据的直接控制，三维地震反演的煤层界面虽然能够反映地层的起伏形态，但界面高程误差较大。

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Research and application of integrated geophysical prospecting technology in high-precision geological modeling of working face

ZHAO Junjie1, ZHAO Mingjun2, ZHANG Tiecong1, JIA Ruijie2, LIU Xingwei1

(1.Jinfeng Coal Mine, China Energy Ningxia Coal Industry Co., Ltd., Wuzhong, Ningxia 751100, China;2. Beijing Longruan Technologies Co., Ltd., Haidian, Beijing 100080, China)

Abstract Establishing a high-precision geological model of the working face is the basis for achieving intelligent mining, using integrated geophysical prospecting technology to detect the elevation of the roof and floor of the coal seam and the distribution of hidden geological structures within the working face could provide basic data for geological modeling. Taking the 011815 working face of Jinfeng Coal Mine of China Energy Investment Group as the research object, 30 boreholes were drilled in two roadways of working face with an interval of 50 m and hole depth of 80 m, the boreholes were perpendicular to the coal wall and the direction was samed with the coal seam inclination angle. The coal seam interface prediction on the borehole trajectory was conducted using borehole geological radar profiles combined with borehole inclinometry and natural gamma-ray logging result. Fused with three-dimensional seismic data, the measured coal seam roof and floor data was conducted for high-resolution geostatistical inversion to accurately depict the coal seam thickness and lithology within the entire working face range. In the exploration of hidden geological structures, based on the anomalies explained by the joint exploration of in-seam seismic (ISS) transmission and reflection methods, and according to the natural gamma-ray logging results of geological radar drilling, the lithological changes in the drilling direction of the borehole were inferred, and the fault layer position was accurately located through the borehole inclinometer data, achieving precise interpretation of ISS anomaly areas, and determining the extension direction and fall of hidden faults in the working face. After the mining of the working face, the accuracy of the model was verified. The length of open-off cut in the working face was about 300 m with 20 survey points. Comparing the measured profile with the model cutting profile, it was found that the minimum error of the coal seam floor elevation predicted by geological model was 0.061 m, and the average error was 0.503 m; the minimum error of coal thickness predicted by geological model is 0.040 m, and the average error was 0.242 m. Based on the results of engineering practice, it is showed that the integrated geophysical exploration technology can provide high-precision data on coal seam interfaces and hidden geological structures, and it is an important measurement method for constructing high-precision geological models of working faces.

Keywords integrate geophysical exploration; ISS; borehole geological radar; geostatistical inversion; nature gamma-ray; geological model of working face

中图分类号 P631. 4

文献标志码 A

引用格式：赵俊杰,赵明军,张铁聪,等. 综合物探技术在工作面高精度地质建模中的研究与应用[J]. 中国煤炭,2023,49(7):89-101. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.07.012ZHAO Junjie, ZHAO Mingjun, ZHANG Tiecong, et al. Research and application of integrated geophysical prospecting technology in high-precision geological modeling of working face [J]. China Coal, 2023,49(7): 89-101. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.07.012

作者简介：赵俊杰(1987-)，男，甘肃天水人，国家能源集团宁夏煤业有限责任公司金凤煤矿总工程师，主要从事煤矿技术管理、煤矿自动化、智能化开采技术管理工作。E-mail：nmscczjj@Sina.com

(责任编辑 郭东芝)