應(yīng)用地球物理方法勘察煤礦地質(zhì)災(zāi)害

1、 應(yīng)用地球物理方法勘察煤礦地質(zhì)災(zāi)害 我國(guó)現(xiàn)在已是世界上最大的產(chǎn)煤國(guó)，每年產(chǎn)量高達(dá)11.5億噸，全世界有1/4的煤是從中國(guó)的地底下挖掘出來(lái)的。但是由于在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，煤占71%，油氣占22%，其它能源只占7%，這種過(guò)分依靠于煤炭的生產(chǎn)活動(dòng)不僅對(duì)資源的可持續(xù)供應(yīng)造成了很大壓力，而且由于技術(shù)設(shè)備和采礦方法落后，以及體制和管理上的問(wèn)題，煤礦開(kāi)采引發(fā)了大量的地質(zhì)災(zāi)難，造成了嚴(yán)峻的人員傷亡和極大的經(jīng)濟(jì)損失。 一、煤礦地質(zhì)災(zāi)難的種類及其危害 在我國(guó)，煤礦地質(zhì)災(zāi)難主要有滑坡、地面沉陷及塌陷、瓦斯突出、突水、泥（矸）石流、礦區(qū)水土流失等, 嚴(yán)峻危及著礦山正常生產(chǎn)和人民生活。采空塌陷造成的損失最為嚴(yán)峻，在我國(guó)重

2、點(diǎn)煤礦，平均采空塌陷面積約占礦區(qū)含煤面積的非常之一。其中，山西作為產(chǎn)煤大省，是采空塌陷災(zāi)難最嚴(yán)峻的地區(qū)。全省共15萬(wàn)多平方公里的土地，采空區(qū)就達(dá)2萬(wàn)多平方公里，相當(dāng)于總面積的七分之一。目前，采空區(qū)中6000平方公里的地域已經(jīng)患病了地質(zhì)災(zāi)難。采空區(qū)上方的地面沉陷往往造成房屋倒塌、地面裂縫、地面建筑物斑裂、大路及橋梁斷裂等。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中國(guó)歷年來(lái)煤炭開(kāi)采造成的地表塌陷區(qū)累計(jì)已超過(guò)40萬(wàn)公頃，每年形成的塌陷土地面積在1.5?2.0萬(wàn)公頃，其中耕地占30%。再加上日益嚴(yán)峻的礦區(qū)水土流失，破壞了大量不行再生的土地資源。中國(guó)富煤地區(qū)往往是貧水地區(qū)，全國(guó)重點(diǎn)礦區(qū)缺水的占71%，嚴(yán)峻缺水的占40%。煤層頂

3、部由于采動(dòng)造成的裂隙對(duì)含水層自然疏干，導(dǎo)致礦區(qū)地下水位大面積下降，使得礦區(qū)及周邊居民生活用水變得更加困難。另一方面，大量的地下水資源因煤系地層的破壞而滲透到礦井，這些礦井水含有大量的煤粉、巖粉和其他污染物，經(jīng)過(guò)一系列的氧化、水解等反應(yīng)，使其具有很高的酸性，這種未經(jīng)任何處理的酸性礦井水會(huì)嚴(yán)峻污染地下水，影響居民生活飲用水的平安。 二、煤礦地質(zhì)災(zāi)難的地球物理特征 利用物探方法勘查煤礦地質(zhì)災(zāi)難，主要是依據(jù)地下介質(zhì)層間的電性、密度、放射性、彈性等物性差異。當(dāng)煤層未被采動(dòng)時(shí),地層一般呈現(xiàn)成層性和完整性,在小區(qū)域內(nèi)同一地層的電性差異不會(huì)太大，而且煤層與其頂?shù)装鍘r性上的差異是一個(gè)較為穩(wěn)定的波阻抗界面,具有良

4、好的彈性波反射條件；當(dāng)煤層被采動(dòng)后，煤層在空間上的連續(xù)性被打破,采動(dòng)區(qū)頂板垮落，當(dāng)采空區(qū)為坍塌物和空氣充填，無(wú)水或水很少時(shí)一般采空空間的電阻率較圍巖高，當(dāng)采空區(qū)為坍塌物和水充填將導(dǎo)致采空空間的電阻率較圍巖低。一旦這種水平方向電性的均一性被打破且其在三維空間上具有肯定規(guī)模時(shí)便可轉(zhuǎn)變縱向電性的變化規(guī)律，從而表現(xiàn)為局部的、區(qū)域性的電性特別,為開(kāi)展電法工作供應(yīng)了物性前提和解釋依據(jù)。同時(shí)，在此區(qū)域煤層反射波的中斷、扭曲、振幅和頻率特征等的變化都為開(kāi)展二維、三維地震勘探供應(yīng)了工作前提。 在煤礦采空區(qū)，斷隙發(fā)育,有利于氡的聚集,所以在采空區(qū)上方掩蓋層中可測(cè)到高值氡特別；而在塌陷區(qū),由于地表掩蓋層下塌與下覆地

5、層的相連,形成較發(fā)育的裂隙,所以氡向地表的遷移通暢,但此時(shí)氡氣保存條件差,所以形成氡特別不高；而在殘留煤柱處,由于煤層的孔隙及裂隙不發(fā)育,上覆地層的應(yīng)力破壞較小,地層裂隙不發(fā)育,所以不利氡的運(yùn)移,因此在地表掩蓋層中形成低氡濃度。氡值的差異反應(yīng)了地下地質(zhì)環(huán)境的變化，指示了煤礦采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)難的區(qū)域、范圍和強(qiáng)度。 三、應(yīng)用物探方法勘查煤礦地質(zhì)災(zāi)難 物探方法在查找礦產(chǎn)資源、探明隱伏礦床等資源勘查領(lǐng)域應(yīng)用特別廣泛。由于煤礦地質(zhì)災(zāi)難的發(fā)生往往也造成地下介質(zhì)層間的物性差異，因此便可以將多種物探方法用于煤礦地質(zhì)災(zāi)難的勘查，包括電法勘探、磁法勘探、地震勘探、放射性勘探等。 高密度電法是近年來(lái)進(jìn)展起來(lái)的物探方

6、法,廣泛應(yīng)用于災(zāi)難調(diào)查及工程勘察中。它是一種直流電阻率法，應(yīng)用的地球物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，通過(guò)向大地供直流電,采納點(diǎn)陣式布電極,密集采樣觀測(cè)和討論電場(chǎng)的空間分布規(guī)律,和常規(guī)電阻率法一樣，它通過(guò)A、B電級(jí)向地下供電流I，在M、N極間測(cè)量電位差U，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值PSKUI，反演結(jié)果為二維視電阻率斷面圖。依據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率斷面進(jìn)行計(jì)算、處理、分析，從而獲得地層中的電阻率分布狀況，以此劃分地層、圈閉特別、確定冒裂帶等。通過(guò)討論高密度電法獲得的數(shù)據(jù)資料,可以對(duì)災(zāi)難體的縱、橫向進(jìn)展的規(guī)模有更深化的了解。 瞬變電磁法是一種基于電磁感應(yīng)原理的物探方法，利用不接地回線(大回線磁偶源)或

7、接地線源(電偶源)向地下發(fā)送一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間，測(cè)量地下介質(zhì)的感應(yīng)電磁場(chǎng)(二次場(chǎng))電壓隨時(shí)間的變化。依據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征，就可以推斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，間接解決如陷落柱、采空區(qū)、斷層等地質(zhì)問(wèn)題. 由于該方法是純二次場(chǎng)觀測(cè)，故與其他電性方法相比，具有體積效應(yīng)影響小、對(duì)地形、地物條件要求小、抗干擾力量強(qiáng)有體積效應(yīng)小、縱橫向辨別率高、對(duì)低阻反應(yīng)敏感等特點(diǎn)。同時(shí)，瞬變電磁勘探對(duì)地下良導(dǎo)電介質(zhì)具有較強(qiáng)的響應(yīng)力量，適用于進(jìn)行煤層頂?shù)装搴?隔)水層劃分、煤層陷落柱探測(cè)、斷層及裂隙發(fā)育帶導(dǎo)(含)水性評(píng)價(jià)等工作，是一種高效、快捷的物探方法。 采煤活動(dòng)使得地下地質(zhì)體的橫向連續(xù)性遭到破

8、壞,巖石中氡元素的運(yùn)移和集聚作用發(fā)生異變,在地表面能測(cè)到氡值的特別。氡射氣元素向采空區(qū)運(yùn)移,在采空區(qū)積聚,在地表形成一個(gè)與采空區(qū)形態(tài)相應(yīng)的氡特別區(qū)。因此,可以通過(guò)測(cè)量地表氡元素的濃度(實(shí)際上是測(cè)量氡衰變所釋放的射線的強(qiáng)度) 來(lái)精確圈定煤礦采空區(qū)的位置與范圍。此外，依據(jù)氡氣特別的峰值狀態(tài)還可以確定巖溶陷落柱的位置和范圍。由于地下的氡氣通過(guò)構(gòu)造、裂隙、地下水搬運(yùn)由深部向地表遷移，測(cè)量氡氣的濃度可間接反映地質(zhì)體的裂隙系統(tǒng)的狀況，并可分析其開(kāi)啟度、連通性及破裂程度,對(duì)猜測(cè)滑坡能起到肯定的指示作用。氡及其子體可以在地層中長(zhǎng)距離運(yùn)移，并且隨溫度的上升，煤巖中氡的析出量有規(guī)律的增加，因此能夠通過(guò)地面同位素測(cè)氡技術(shù)精確定位地下火源位置和推算火源溫度。 此外，二維和三維地震方法