近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司在煤田与采区的地质勘探方面研究及应用了一系列新技术，均取得了良好的效果。

　　1   煤田地质勘探

　　1)激发激化法进行物探找煤

　　山东省煤炭科学研究所开展了利用激发极化推测煤系地层效果的试验研究工作，经过试验探测和实际应用，证明应用激发激化法进行物探找煤不但可以测量视电阻率，而且可同时测量到极化率、激发比和衰减度，使煤系地层与非煤系地层之间的激电效应差异更加明显。与其它方法相比较，极大地提高了工效，节省了大量钻孔勘探费用，有着良好的经济效益和社会效益。山东省煤田内沉积的地层从上至下一般为第四系、第三系、白垩系、侏罗系、二叠系和奥陶系，其中石炭二叠系地层为主要的含煤地层。石炭系太原组地层以泥岩、粉砂岩和页岩为主，一般含煤5～6层，大部分为薄煤层；二叠系山西组以砂岩为主，含煤2～3层，煤层厚度一般大于3m，为厚煤层，也是全省的主要采煤层。

　　在此项课题的研究过程中，为了了解非煤系地层的激电异常特征，他们在第三系、白垩系及奥陶系等非煤地层沉淀区进行了多点和多次试验，对激电参数、视电阻率、激发比及极化率等进行了分年研究，结果表明三种地层的视电阻率曲线形态不同，但极化率和激发比曲线均表现为一条平缓曲线，且其值亦较小；为了掌握煤系地层的激电特征，他们又选择了埋深150m以上的二叠系山西组及石炭系太原组为探测试验的对象，分别针对煤层厚度、煤层埋深等因素的变化对激电参数异常的影响进行了研究分析，结果表明在相同条件下煤层愈厚、煤层埋深愈浅，则煤层的极化率和激发比异常愈大。近年来，山东省煤炭科学研究所应用激发极化法在省内部分矿区外围开展了物探找煤，其中在临沂、枣庄共进行了30多个不同块段的找煤工作，均取得了满意的效果。

　　2)矿井开发勘探中煤田地震方法研究与应用

　　机械化采煤的高精度指标对煤田地震提出了高技术要求，必须研究出适应矿井开发地震勘探的有效方法为采矿探寻细微的地质构造，才能够满足矿井开拓的需要。兖州矿业（集团）公司地质工程公司经过反复研究、实践和验证，采用高爆速炸药和高频检波器、小炸药量和小道距及小采样率、少组合检波与少复盖次数、深埋检波器的二高三小二少一深野外施工方法，较好地解决了对细微构造的勘探，为矿井建设和开拓提供了准确的地质资料。煤矿对开发地震的技术要求不仅十分严格，而且提供的资料立即就会在巷道开拓和采煤工作面上予以验证，并以验证的结果作为评价地震成果好坏的标准。因此，矿区开发地震勘探必须以高分辨率勘探为基础，才能保证对煤层深度、小构造、小幅度起伏、煤层冲刷带等地质现象的解释。以兖州矿区为例，原地质报告描述兴隆庄矿六采区构造简单，仅有F2和F12两条断层。设计部门按地质资料设计了5个采煤工作面。后来经二高三小二少一深的高分辨率地震勘探，新发现了断点42个，组合连接成10条断层，其中9条断层落差均小于10m，便否定了F12断层，加强了F2断层的控制。以后经过3个钻孔及巷道开拓验证，地震勘探成果精度较高，其中3煤层的深度误差小于3m，断层平面摆动误差10m左右，极大地增强了矿方对地震资料的信任。最后，兴隆庄矿根据地震资料提供的构造复杂情况，积极主动地修改了开拓设计方案，去掉了3.5个采煤工作面，仅保留1.5个采煤工作面。由于为矿井合理布局提供了准确资料，此项勘探成果为矿井建设节省了巷探工程等各项费用达106.9万元。
      3）鲁西陆表海高分辨层序地层及海平面变动控制

　　山东科技大学和兖州矿业（集团）公司地质工程公司开展了“鲁西陆表海高分辨层序地层及海平面变动控制”的研究，依据钻孔岩芯和测井资料对鲁西陆表海盆地的含煤地层进行了高分辨率层序地层划分，研究了高分辨率层序地层的特点及其控制因素。研究表明，鲁西陆表海沉积序列中不同级次旋回相互叠加，具有特征的低频和高频层序叠加样式；这种相互叠加的旋回结构受控于相互叠置的海平面变化周期，即复合海平面变化。海平面变化周期表现出非对称式突发性上升到缓慢回落的节律性，形成了不对称的旋回记录。鲁西陆表海盆地充填沉积主要发育有铁铝质杂色沉积组合、陆表海盆地海陆交替型沉积组合、浅水三角洲沉积组合三套沉积组合。其中，浅水三角洲沉积组合中含有重要煤层，为鲁西主要的可采煤层。研究人员运用高分辨率层序地层学的思路与方法，对鲁西陆表海盆地的含煤地层进行了高分辨率层序地层划分，将鲁西陆表海充填序列划分为盆地充填层序、构造层序、层序、小层序组、小层序、微层序六级层序。鲁西陆表海含煤地层中可以识别出3个层序，即构成了1个构造层序。此项研究表明：鲁西陆表海盆地充填沉积中清晰的旋回特征，表明海平面变动对沉积的控制。陆表海盆地充填序列中不同级次旋回的相互叠置，反映出复合海平面变化的控制机制。陆表海盆地沉积受控于海平面变动、构造沉降和沉积物的供应速度。在稳定的构造沉降背景下，海平面变动成为盆地充填沉积的直接控制因素。总体来看，海平面的升降变化导致了可容空间的增长速率与海底水体环境的周期性变化，从而形成了海陆交替明显的旋回记录，这也是进行高分辨率层序划分的基础。

　　2   采区地质探测

　　1)综合地质勘探方法在煤矿生产中的应用

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿应用综合地质勘探方法，为及时查明影响生产的地质构造、掌握煤层赋存状况和利用地面三维物探手段、井下先期施工多用途探巷、配合钻探及井下物探等手段获得可靠的地质资料，为安全高效生产提供了有力的地质保证。① 地面钻探。为进一步查明井田地质特别是构造、煤层被冲刷侵蚀情况，提高储量级别以及查明井田水文地质特征，根据生产接续有针对性地开展地面钻探，共施工钻孔51个，总工程量44551m。补充了精查地质勘探资料的不足，为矿井安全生产提供了第一手地质资料。② 采区地面地震勘探。采区设计前，通过采用地面二维地震勘探、地面三维地震勘探和地面瞬变电磁法勘探三种方法查明采区构造形态和断层发育规律，查明煤层赋存状况及底板起伏形态，对影响开采的含水层富水性进行评价，并提出水害防治措施，为采区设计提供可靠地质资料。③ 井下多用途探巷施工与钻探。通过采取不同的探测方法，充分利用在掘巷道对采区内地质情况进行边掘边探，即使为工作面布置提供详实的资料。④ 掘进巷道超前探测。通过观测点电源场分布特征达到分析掘进头前方异常分布位置的目的，探测情况与实际揭露地质情况基本吻合。⑤ 井下工作面音频电透。采用直流电法探测原理，根据煤岩层间存在导电差异，观测人工场源分布规律均取得较理想效果。⑥ 井下工作面震波CT探测。和矿井震波反射偏移成像技术为能有效探测采煤工作面内断层等地质异常体的矿井物探技术之一。通过采后对比，与实际情况基本相符。⑦ 专题研究。积极与高校和科研院所合作，开展对安全生产有影响的各种地质因素专题研究，其成果及时用于实践，指导矿井安全生产。

　　2)方差体技术在地震勘探中的应用

　　中国矿业大学编制了利用方差体技术进行地震资料处理的应用程序，通过在兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿采区的应用，对断层和陷落柱有很好的识别能力，体现了方差体技术在对于三维地震信息的自动拾取及提高地震资料解释成果精度等方面的良好效果。三维地震数据体反映了地下一个规则网络的反射情况。当遇到地下存在断层或者某个局部区域地层不连续变化时，一些地震道的反射特征就会与其附近地震道的反射特征出现差异，从而导致地震道的局部不连续性。方差体技术的核心就是求取整个三维数据体所有样点的方差值。其步骤是：首先求每个样点的方差值，即通过该点与周围相邻地震道的时窗内所有样点计算出来的平均主值之间方差，然后再加权归一化即可得到要求取的值。方差体的计算结果即是求取加权移动的方差值。在感兴趣的区域内计算出每个时间或者深度样点的方差。例如，在周围相邻但道加上1道（共9道），并取该样点为中心上、下各一半时窗长度内的样点数（假设采样1ms，时窗长度为30ms），先求出9道中每道30ms时窗长度内所对应样点的振幅平均值，然后计算出时窗长度9道中每个样点振幅值与同一时刻在9道中的振幅平均值的方差和，最后再乘上正弦三角函数的加权值并做归一化，便可得该样点的方差值。通过公式计算出整个三维数据体每个采样点的方差值，最终得到三维方差数据体。该三维方差数据体能够清晰准确地展示出断层的分布形态和变化趋势。该技术的使用，使解释人员能够在进行地震资料解释之前，即可对测区内断层的分布走势有全面了解和认识，并能建立断层空间构造的几何形态立体概念。3)利用震波技术井下探测工作面内的地质构造

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿提高采用井下震波探测技术，查明了63下04工作面内断层的组合延展情况，为提前采取安全技术措施过断层提交了详实的地质资料，对工作面的安全高效生产提供了有利保障。根据现场条件，在63下04工作面的胶带顺槽、辅助顺槽和切眼布置接收激发观测系统。激发点布置：沿胶带顺槽与泄水巷交界处向北布置炮点，沿辅助顺槽与切眼交界处向南布置炮点，点距平均为10m，共计120个炮点。接收点布置:和炮点对应，检波点布置在胶带顺槽靠近切眼一端和辅助顺槽泄水巷两侧，共计120个，点距平均为10m。震波勘探要求每一个接收点布置在煤层中心部位，施工时将钢钎打入煤层，钢钎平行于顶底板，并将传感器固定在钢钎上以使传感器耦合良好。炮点孔径42mm，以炮点为激发点进行震波激发。检波点为接收点，放入TZBS系列传感器。在现场数据采集时及时关闭胶带机和水泵等机械，尽可能减少胶带机与水泵等机械震动对采集信号的影响。震波CT以纵波速度和横波速度CT切片为主，并辅以泊松比反演切片和槽波特征值切片进行综合解释。由于在反演区域射线分布不均匀，与观测系统平行的走向断层反演效果相对较差，因而此次探测中加入了震波反射剖面探测，来弥补震波CT在资料处理过程中的不足。根据反演后结果图作出综合解释成果：① 四个低速异常区中三个对工作面回采有一定影响，一个对工作面回采影响很小。② 分别位于泄水巷和切眼附近的两个应力集中区对工作面回采有一定影响。③ 解释了11条断层均为正断层。其中，6#落差0～5m，面内延展长度超过260m，且5#是6#分支，应为同一条断层，对工作面回采影响很大；2#落差0～6.5m，面内延展长度不超过230m，且3#是2#分支，但其在工作面内延展长度超过450m，此两条断层对工作面回采同样有很大的影响。

　　4)南屯矿采区覆岩采动破坏特征探测研究

　　兖州矿业（集团）公司南屯煤矿根据九采区的地质采矿条件，在初步预计93上01工作面导水裂隙带高度的基础上，利用连续电导率剖面测量系统，通过大地电阻率反演断面色谱图分析研究了93上01工作面综采放顶煤开采条件下覆岩导水裂隙带的形态和范围，为深入研究类似条件下的覆岩破坏特征提供了参考依据。本次勘探根据地形条件沿着垂直工作面的方向设计2条长度均为340m的测线，测线相距50m，测点间距20m。勘探工作在工作面采后约两个月进行，勘探总物理点36个。采用傅立叶分析法进行处理，主要分为3步。① 干扰信号的剔除。方法有两种：对采集的时间序列信号进行编辑，直接剔除发生畸变的信号；对视电阻率曲线进行编辑，直接剔除个别跳跃较大的频点。② 近场源的校正。近场源信号也是人为或天然的干扰信号，只不过是较稳定的干扰源，有可能是测量现场附近出现的未知强信号源，也有可能是发射天线太近所引起。在野外由于工作条件的限制，有时这两种情况均无法避免，只好在后期数据处理过程中加以消除。③ 数据反演解释。此次探测采用EH4专用数据处理系统EMAGE-2D进行处理，正反演相互结合，反演采用Bostik反演和RRI反演，对视电阻率剖面频率轴进行深度标定。由两条测线的大地电磁测深电阻率反演断面色谱图可以看出冒落带和导水裂隙带两带高度的情况。此项研究结果表明，该工作面的导水裂隙带形态近似为梯形，这与传统说法为马鞍形有些区别。究其原因是物探以岩层的物理特性为基础（此次为岩层的电阻率），与实际岩层的破坏形态存在着一些误差。

　　5)综合勘探提高采区地质勘探效果

　　兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿采用三维物探、巷探与钻探相结合的综合勘探方法，对五采区进行了补充勘探，在短时间内高速度、低成本地提供了生产需要的地质资料。济宁煤田发现于50年前，1957年山东省煤炭工业局曾在此进行普查勘探，1983年11月正式提交全井田地质报告。五采区大部分位于南阳湖区，受地表条件限制，精查阶段仅施工少量地质钻孔，缺少相应的水文地质工作。为了满足生产的需要，五采区补充勘探急需解决的地质问题有：查明采区构造形态与断裂发育规律；查明主要煤层的赋存状况和底板起伏状态；3下煤层顶板岩性特征及其工程地质特征；对3下煤顶板砂岩、上侏罗统红层下段砂砾岩、三灰、十下灰富水性作出评价。他们根据五采区煤层赋存比较稳定的特点，采取以井下巷探为主、钻探为辅、结合矿井开采的需要布置探巷，探测煤层的赋存状况；经过三维地震勘探和采区北部巷道控制，结合区内钻孔资料综合分析，解释断层35条；通过三维地震勘探和探巷实测资料，结合钻孔解释褶曲4个；补充钻孔全孔取芯进行实验室测定，综合评定3下煤顶板为中等稳定—稳定顶板；施工水文地质钻孔4个，三维地震勘探后对该区进行瞬变电磁试验，圈定出富水区，并对富水区进行综合评价。历经15个月的综合勘探，施工地面钻孔4个，钻探工程量2984.45m，抽水试验7次，巷探工程2000m，井下钻孔8个（钻探长度320m），对全区进行三维地震物探及瞬变电磁试验，取得了生产所需要的地质资料。实践表明：采用综合勘探手段，物探先于钻探，井下钻探先于地面钻探，物探、钻探和巷探相结合，极大地缩短了勘探工期，降低了勘探成本，提高了勘探效果。

　　3   钻探施工1)巨野煤田超厚松散层钻探施工孔斜控制

　　巨野煤田第四系和第三系地层累厚758.10m，为全国最厚的松散层。该煤田的资源勘探钻孔均要穿越第四系和第三系地层，对防孔斜、松散层采取率等关键工序都有很高的要求。如孔斜要求为偏斜率不得超过0.8％，而在地层条件较差时极易超限。兖州矿业（集团）公司地质工程公司针对超厚松散层钻探施工的技术难点，严把防斜关，抓住安装及钻具组合等关键环节，终于控制住孔斜不超限，并且在提高钻进效率、钻孔保直等方面有所突破，探索出一套较为成熟的施工技术，达到了优质高效的目的。他们将钻进过程中的控制孔斜立足于防斜。防斜重点是把握以下几点：① 钻塔和钻机安装：针对钻孔工作项目多、作业时间长与套管作业中钻塔载荷大的特点，对塔基和井口进行了加固。在塔基的四角和井口筑起水泥墩，并用经纬仪找平，加大了四角的承载面积，防止不均匀沉降。钻机安装的时候保证水平周正、“三心”对照。② 钻具组合：钻具选择的时候遵循刚、长、粗、重、直的原则。钻铤采用Φ68mm、Φ105mm和Φ178mm三种规格，根据孔径的大小来进行调整。施工中注意检查岩心管及最下部一根钻铤连接后是否弯曲，发现弯曲就及时更换。由于井筒检查钻孔抽水次数多，换径次数也就多，换径时极易增大孔斜，因此换径时带上长度不小于2m的深眼导向钻具，并特别注意检查小径钻具是否与导向钻具同轴，不同轴时要注意更换。钻进钻具组合：钻头—岩心管—扶正器—钻铤（1单根）—扶正器—钻铤（6～8单根）—钻杆—立轴。换径钻具组合：钻头—小径岩心管—大径扶正器—钻铤（1单根）—大径扶正器—钻铤（6～8单根）—钻杆—立轴。③定点测斜及纠斜：井筒检查孔施工过程中采用专用测斜仪器，每50～100m测斜一次，见基岩、穿过基岩风化带与破碎带、换径以后都进行了加测。

　　2)金刚石钻头在火成岩钻进中的应用

　　济宁二号煤矿和济宁三号煤矿井田范围内，侏罗系地层普遍侵入了厚层状的火成岩，硬度较高。兖州矿业（集团）公司地质工程公司在钻探施工中多采用合金钻头，研磨材料消耗量大，还经常发生卡钻、岩芯管“抹脖子”等孔内事故。特别是部分钻孔分布在湖区，受到汛期、大风和冰冻等影响，尤其需要快速安全地钻进。选用金刚石钻头钻进后，由于对金刚石钻头认识不足，用普通结构的金刚石钻头钻进效率并不高。后来，通过对火成岩的特点及金刚石钻头性能的研究，终于找到了适合火成岩钻进的金刚石钻头和钻进规程。在济二、济三井田的火成岩钻进中，较合适的钻头类型为孕镶金刚石单动双管用钻头，其合适的胎体硬度为20~35HRC，这个结论同时也适用于其它层位的致密灰岩、砂岩、燧石等的钻进。虽然看起来合金钻头的每米成本较低，但是考虑诸如岩芯管的磨损、处理脱落岩芯、镶焊合金所用氧气乙炔等辅料及工时等因素后，其综合成本远远大于金刚石钻进。在选用金刚石钻头时，除要注意金刚石的品级、胎体的硬度、唇面的形状、水口的面积等要素外，还应注意以下几点：根据钻孔结构和岩层特性考虑钻头数量，将所需钻头一次领出，先用外径大内径小的；初次下入孔内的，要轻压慢钻10~15min，进尺0.2~0.3m后再采用正常钻进参数；选配套卡簧时，卡簧的自由内径应比钻头内径小0.3~0.4mm；扩孔器外径比钻头外径大0.3~0.5mm，钻进硬岩时取下限；每个回次后取净岩芯再下新钻头；注意钻杆接头密封情况，必要时涂黄油或缠麻；使用优质化学泥浆钻进。另外，在地质孔中，若使用绳索取芯钻进，则效率会更高。

　　3)坚硬岩层钻进工艺在兖州矿区的应用

　　兖州矿业（集团）公司地质工程队针对兖州矿区坚硬岩层中的钻探施工，总结出了相对最优的钻头选择、钻进压力和钻具组合等参数以及针对硬岩层进行不同的金刚石钻头选择，取得了较好的效果。影响选择钻压的因素很多，具体确定钻压时应分别考虑以下因素：岩石性质——在软的和弱研磨性岩层中钻进时，应选用较小的钻压，对完整、硬到坚硬或强研磨性的岩层如砾岩、火成岩应选用适当大的钻压，对破碎、裂隙和非均质岩层应适当减小钻压。钻头类型——钻头口径大、壁厚和胎体较软时，应采用较大的钻压；反之，应采用较小的钻压。金刚石——钻头上的结构式质量好、数量多及粒度大时，应选用较大的钻压；反之，应采用较小的钻压。尅取岩石的面积——钻头实际尅取岩石的面积由其口径、壁厚与水口的大小和多少而定。总的来说，钻头尅取岩石的面积大时，应施加大的钻压。合理的钻具组合有利于保证孔直、孔底加压、减少钻具磨损、保护孔壁稳固和减少孔内事故的发生。他们在采用人造孕镶金刚石取芯钻头钻进中采取以下钻具组合，取得了较好的效果。Φ94mm或Φ113mm金刚石钻头Φ94mm或Φ113mm金刚石扩孔器—或Φ108mm岩芯管—异径接头—Φ94mm或Φ113mm扶正器—Φ83mm导正钻铤—Φ94mm或Φ113mm扶正器—Φ83mm导正钻铤—Φ94mm或Φ113mm扶正器—Φ68mm钻铤—异径接头—钻杆—立轴。根据他们在兖州矿区坚硬岩层中钻探施工的经验，在各种硬岩层钻近中，较合适的钻头类为孕镶金刚石单动双管用钻头，其合适的胎体硬度为20～35HRC，这个结论同时也适用于其它层位的致密灰岩、砂岩和燧石等的钻进；虽然看起来合金钻头的每米成本较低，但考虑诸如岩芯管的磨损、处理脱落岩芯及镶焊合金所用氧气乙炔等辅料与工时等因素后，其综合成本远远大于金刚石钻头钻进。

　　4)大面积水体下钻探施工设施研制
为了适应在大面积水体下进行地质钻探施工的急需，兖州矿业（集团）公司地质工程公司近年来研制出了沉塔式水上钻探平台、组合式铁船和船吊等钻探施工所需设施。经过38个钻孔的施工考验，没有发生过任何安全问题，证明这些设施的设计是合理的。这些项目的完成，标志着该公司的水上勘探能力达到了国内同行业的先进水平，为今后施工类似的钻探工程奠定了坚实的基础。① 沉塔式水上钻探平台。在水体中进行地质钻探时需要有一个坚固耐用的钻探平台。而且，为了适应浅水的特点，钻探平台应当能够方便地拆卸并且易于运输和安装。为此，他们自行设计制作了组合沉塔式钻探平台，用于支撑和固定钻探设施，为水上的钻探作业提供了必要的空间，在湖上的勘探施工中发挥了极大的作用。② 组合式铁船。勘探区内的钻孔有的刚好处在鱼塘之内，较大吨位的运输船不能够方便及时地从一个鱼塘转移到另一个鱼塘内，而渔民的小船又不能够达到勘探运输安装的载荷要求。考虑到勘探工程的时段性及保存运输的方便，他们设计制作了组合式铁船。此船的特点是：能够适应钻探材料的运输要求，一次可以运输10t以上的物资；能够方便地进行解体，可以利用卡车从一个地方转移到另一个地方后再快速地进行组装下水；钻探任务完成以后，可以方便地运回基地。③ 船吊。因为以上同样的理由，设备的吊装也不能够由大型的吊装船来完成，一是成本较高，二是其转移运输不太方便，所以他们也自行设计制作了适应水上钻探特点的吊装船。船体的结构类似于上述的组合式运输铁船，但是显得更加灵活和适用，不仅能由挂浆机来驱动行驶，还要有自备发电机来进行驱动电绞车和照明。