测井技术在矿井防治水中的应用

陈涛涛，李 波，宁掌玄*，刘晓杰，余长宏，韩辰辉

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003；2.晋能控股煤业集团同忻煤矿，山西大同 037038）

我国煤炭资源相对丰富，但煤层赋存条件差异较大，深部煤炭开采基础研究较薄弱，使得煤炭行业在满足国家能源需求的同时也付出了巨大的代价[1]。采掘作业作为煤矿开采的重要环节，其地质环境好坏直接影响采掘作业的安全。然而，深部开采巷道普遍具有埋深深、距离长、水文地质条件异常复杂等显著特点。与此同时，前期的地质勘查不详细，巷道前方的水文地质环境认识不清，从而引发诸多水文地质灾害[2]。在我国井巷施工的特大事故中，突水、涌水灾害无论是死亡人数还是发生次数都排在前列，仅次于瓦斯灾害（瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出）的第二大煤矿灾害性事故。巷道突水并不是单一原因引起的，而是由地质和人为的综合因素造成的。

为了避免此类事件的多次发生，急需进行前期精准的地质探测，主要包括明确矿井水文地质条件、地质构造以及矿井防治水的特点[3]。因此，采用先进的探测手段，获得掘进工作面的地质环境和水文特点，对提高掘进巷道施工的安全和效率具有重要的参考意义。

1 矿井水灾原因分析

矿井是由井巷、硐室、装备、地面建筑物和构筑物等组成的地下系统性工程。在矿井的建设和生产过程中，地面水和地下水会通过各种通道涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，会导致矿井水灾，这是煤矿中常见的主要灾害之一。一旦发生矿井水灾（通常称为透水），不仅会影响矿井的正常生产，而且有时还会导致人员伤亡、淹没矿井和采区，其危害性十分严重。因此，在巷道掘进过程中，准确探明富水区的位置和范围，从而采取相应防范预防措施，是确保煤矿安全生产的重中之重[4]。

由表1可知，近十年的透水事故造成了较大的人员伤亡，直接、间接经济损失严重。

表1 山西省近十年煤矿严重透水事故及伤亡人数

导致矿井水灾的主要原因有：

（1）未及时、实时进行探放水作业。

（2）物探、钻探工作不严谨，未按规定进行探放水作业。

（3）地质条件变化时，未调整允许掘进距离及探放水方案。

（4）探放水技术落后，无法精确探测到地质中的富水情况。

出现此类事故，违规操作、未按规定进行操作是事故发生的主要原因。除此之外，在遇到事故发生时，或者需要进行勘探工作时，首先要进行现场勘察和数据收集，以确定透水的位置、原因和范围；然后需要评估透水造成的影响和危害程度，采取相应的应急措施，如加强排水设施、修补矿井防水设施等；同时也要进行长期的预防和控制措施，如修建矿井防水墙、减少采煤面积等，以减少或避免矿井水灾的发生。鉴于此，急需新型、先进的测井技术来满足行业需求，解决因测井技术落后带来的不利影响。

2 测井技术在矿井防治水中的应用

煤炭的开发与利用离不开地球物理测井技术。煤田测井作为地球物理测井的重要分支，其测井技术经过了90多年的技术革新，发展到今天，出现了种类繁多的电法测井技术[5]。

国外在20世纪80 年代初期，斯伦贝谢公司就具有较完整的数控测井仪，90 年代初，形成成像测井仪。与国内的测井技术产品提供商不同，国外的大型公司在测井产品及其配套软件服务的提供上做的非常出色。其中斯伦贝谢公司的道尔研究中心从成立之初便致力于开发领先业界10 年的测井技术[6]。

国内测井技术虽然起步较晚，但是充分借鉴了国外测井技术的发展趋势，在短短几十年时间内也取得了一定的成就与突破。如声波测井技术、电磁勘探技术及电阻率测井技术等，一定程度上满足了国内市场的需求。

2.1 声波测井技术

声波测井原理[7]是一种常用于地质勘探的地球物理测井技术。该技术基于声波在地层中的传播特性，通过发射声波信号并记录其在地层中的传播时间和强度，来获取地下岩石的物理特性和结构信息。声波信号在地层中传播时，会与不同类型的岩石发生相互作用，导致声波的速度、衰减和幅度发生变化。通过分析这些变化，可以推断出地层的岩石类型、孔隙度、饱和度等重要参数，从而帮助理解地下地质结构和评估煤矿资源的潜力[8]。

声波测井原理，如图1。将声波信号从地面发射到井中，然后记录下其在地层中传播的响应。通常使用双探头测井仪器，其中一个探头用于发射声波信号，另一个探头用于接收信号。通过探头间的时间差和信号的幅度变化，就可以推断出地下岩石的性质和构成。

图1 声波测井原理图

然而，声波测井技术也存在一些挑战和限制。例如，地层中的井壁效应和噪声会干扰声波信号的传播，影响测量的准确性。此外，不同岩石类型和井内环境的复杂性也可能导致解释和分析的困难。因此，在声波测井研究中，需要采用精确的仪器校准和高质量的数据处理方法，以确保获得可靠的结果。

2.2 磁法勘探技术

磁法勘探技术基于地球磁场和岩石中的磁性特性之间的相互作用，通过测量地磁场的变化来获取地下岩石结构和矿产资源信息[9]。

磁法勘探技术的工作原理，如图2。地球本身拥有一个全球性的磁场，被称为地磁场。地磁场的方向和强度会随着位置和时间而变化。当磁性岩石或矿物存在于地下时，会对地磁场产生扰动，形成局部磁场。

图2 磁法勘探技术原理图

磁法勘探技术是通过在地面上或空中携带磁传感器（传感器中的一种），利用接收机进行测量和记录，来捕捉这些局部磁场的变化。磁传感器可以是磁力计或磁强计等仪器，用于测量磁场的强度和方向。在进行实际测量时，磁法勘探通常使用不同的测量布局和配置。例如，可以使用单点测量、面阵测量或飞行磁测等方法。这些方法涉及将磁传感器放置在地面上或悬挂在飞机或无人机上，以获得不同方向和位置的磁场数据。测量后，所得到的磁场数据将被进一步处理和解释。数据处理过程包括进行滤波、去除噪声、剔除地磁场变化等，以提取出岩石磁性异常的信号。随后，通过对这些信号进行分析和解释，可以确定地下岩石的性质和分布，如磁性岩层的位置、厚度以及可能的矿产资源的存在。

需要注意的是，磁法勘探技术的有效性和可行性受到多种因素的影响，如地磁场的变化、地下岩石的复杂性和非磁性干扰等。因此，在磁法勘探研究中，需要采用合适的仪器校准和数据处理方法，以及结合地质背景知识和其他地球物理勘探方法的综合分析，以提高解释的准确性和可靠性。

2.3 电阻率测井技术

电阻率测井技术用于测量地下岩石的电阻率特性。电阻率是岩石或岩层对电流通过的阻力程度的度量，与岩石中的孔隙度、孔隙流体的类型和饱和度等相关。电阻率法示意图，如图3。

图3 电阻法示意图

在电阻率测井中，一个测井仪器通常由一个或多个电极组成。这些电极通过测井仪器与地下进行电连接。测量时，测井仪器将电流输入到地层中，经过地层中的岩石和流体后，电流会遇到不同的电阻率介质。电阻率较高的岩石会对电流产生较大的阻力，而电阻率较低的岩石则对电流产生较小的阻力。

测井仪器通过测量电流的强度和电势差，可以计算出地层的电阻率。通常使用不同的电极排列方式和测量配置，如四电极测量、多电极测量或侧向测量等，以获取更详细和准确的电阻率信息。

电阻率测井技术的工作原理基于欧姆定律[11]，如图4，即电流强度与电压之比等于电阻率。通过在不同深度或位置进行多个测量，可以建立地下岩石的电阻率剖面，并进一步解释地层的物理性质，如岩石类型、孔隙度和饱和度。

图4 电阻率测井技术的工作原理

然而，电阻率测井技术也存在一些限制和挑战。例如，地层中的含水性和盐度变化、岩石的非均质性以及仪器校准和噪声等因素都可能对测量结果产生影响。因此，在电阻率测井中，需要采用适当的数据处理方法和模型解释技术，结合地质背景知识和其他地球物理测量结果，以提高数据的可靠性和解释的准确性。

3 展望

声波测井、电磁勘探、电阻率测井等地球物理勘探技术在矿井防治水方面具有广阔的应用前景，结合这些技术的优势，可以实现多参数、多尺度的矿井水文地质的综合解释与评价。未来的研究应该集中于进一步提高测量和数据处理质量，以增加地球物理勘探数据的分辨率和精度，更准确地揭示地下岩石的性质和分布。此外，结合机器学习和人工智能等先进技术，可以更好地利用多源地球物理数据进行综合解释和预测，为煤矿矿产资源勘探、地质灾害预测等领域提供更可靠的决策依据。

然而，这些地球物理勘探技术仍面临着一些挑战，如复杂地质环境下的数据解释困难、仪器精度和稳定性等方面的限制。因此，未来的研究还需要关注这些问题，并不断改进仪器和方法，以提高勘探技术的可靠性和适用性。