一、技術(shù)背景1.1應(yīng)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(fù)雜、煤礦災(zāi)害事故最為嚴(yán)重的國家。煤炭地質(zhì)工作貫穿于煤炭資源勘查、煤礦設(shè)計、煤炭開采和利用以及礦井關(guān)閉的全過程，是實現(xiàn)煤炭資源高效安全開采的基礎(chǔ)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(zāi)害中，均與地質(zhì)條件相關(guān)。由于采區(qū)地質(zhì)條件不詳，致使工作面無法正常推進(jìn)、接續(xù)失調(diào)以至于蒙受重大經(jīng)濟損失的事件，更是屢次發(fā)生。主要表現(xiàn)在以下三個方面： （1）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(dǎo)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。 （2）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(yīng)力變化和裂隙演化而運移，導(dǎo)致瓦斯聚集形成富集區(qū)。當(dāng)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(zāi)害。 （3）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(shè)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。 1.2現(xiàn)狀分析 有效預(yù)制煤礦水、火、瓦斯、煤塵與頂板事故等五大主要災(zāi)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(yù)測是關(guān)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)預(yù)測斷層、采空區(qū)位置；利用微震和電磁監(jiān)測技術(shù)預(yù)測瓦斯運移等等。這些地球物理技術(shù)在防止煤礦災(zāi)害中日益發(fā)揮了積極的作用。 但是： （1）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。 （2）常規(guī)的利用微震和電磁監(jiān)測技術(shù)預(yù)測瓦斯運移，但只能在有限點進(jìn)行測量，無法對瓦斯整體的空間分布進(jìn)行探測。 針對復(fù)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)部的自由振蕩信號、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(guān)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(zhǔn)預(yù)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(xué)技術(shù)大學(xué)地球物理技術(shù)團(tuán)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)探測精度更高，可長期探測，所創(chuàng)造的效益更大。 二、 技術(shù)方案煤礦生產(chǎn)過程中復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯、采空區(qū)往往會帶來復(fù)雜機理的動力災(zāi)害，影響礦山正常的安全生產(chǎn)。本系統(tǒng)通過采集煤礦及周邊環(huán)境背景噪聲，獲得地下三維橫波速度結(jié)構(gòu)體等數(shù)據(jù)，來探測地下煤礦地下結(jié)構(gòu)。技術(shù)路線如圖2-1所示。 1、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(jìn)行橫波各向同性和各向異性成像。基于地表布設(shè)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。 2、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(yīng)進(jìn)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(lǐng)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(yīng)用。 3、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(jìn)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(zhǔn)，對其它臺站接收到的波形進(jìn)行向前或向后的時移，并進(jìn)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。 三、實施方案 根據(jù)探測區(qū)域位置及探測深度，布設(shè)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（圖3-1，藍(lán)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(jìn)行采集。
圖3-1 煤礦地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)臺陣分布示意圖 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，如圖3-2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(lán)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(guān)機；也可連續(xù)采集；采用USB、RS232、藍(lán)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(dá)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（圖3-3）： 
（1）對探測區(qū)域環(huán)境背景噪聲原始數(shù)據(jù)（圖3-4）進(jìn)行預(yù)處理。 （2）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(jìn)而得到每個網(wǎng)格節(jié)點的純路徑頻散曲線。 （3）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。 （4）在不同周期面波層析成像結(jié)果的基礎(chǔ)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）。   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(jìn)行解釋（圖3-8）。
 四、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(zāi)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(yù)測是關(guān)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(zhǔn)確預(yù)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(zhǔn)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。 五、案例展示案例一：采空區(qū)探測 淮河能源控股集團(tuán)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(jìn)、科學(xué)布置綜采工作面，提高單進(jìn)、單產(chǎn)水平和原煤質(zhì)量，保障礦井有序接替，需要進(jìn)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(dǎo)致無法實施；電法勘探由于無法進(jìn)行大區(qū)域探測，導(dǎo)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(jìn)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，如圖5-1所示。  
案例二：瓦斯富集區(qū)預(yù)測 陽煤集團(tuán)地質(zhì)條件復(fù)雜、瓦斯災(zāi)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(jìn)方法和手段，對現(xiàn)有瓦斯富藏條件進(jìn)行探測，從而對瓦斯進(jìn)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(jìn)行預(yù)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(guān)系，定量化預(yù)測高瓦斯富集區(qū)（圖5-2），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。 
案例三：近地表結(jié)構(gòu)探測 安徽省合肥市經(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(fēng)險，為降低地震災(zāi)害影響，需要對其近地表結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，以確保城市工程與建筑安全以及指導(dǎo)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，如三維地震勘探等技術(shù)由于使用炸藥震源，錘擊震源由于探測深度限制等。 安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司通過利用煤礦地下結(jié)構(gòu)背景噪聲三維成像系統(tǒng)采集城市環(huán)境背景噪聲，反演出城市地下三維橫波速度結(jié)構(gòu)體，進(jìn)而獲得城市斷層帶位置及區(qū)域速度變化信息，以此判斷潛在的地震危險以及未來城市發(fā)展方向。圖5-3為現(xiàn)場臺陣布設(shè)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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