導(dǎo)語(yǔ)：煤礦地質(zhì)災(zāi)害特征及勘探思索一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

我國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，在能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占到70以上，但由于特殊的原因，在我國(guó)煤礦生產(chǎn)和建設(shè)中，發(fā)生了大量的煤礦地質(zhì)災(zāi)害，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的人員傷亡。因此，利用科學(xué)手段有效防治煤礦地質(zhì)災(zāi)害勢(shì)在必行。

1煤礦常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害及其地球物理特征

我國(guó)的煤礦地質(zhì)災(zāi)害主要有礦井突水災(zāi)害、煤與瓦斯突出災(zāi)害、陷落柱、斷層、采空區(qū)、塌陷等。地球物理勘探方法研究煤礦地質(zhì)災(zāi)害，主要是通過(guò)研究地質(zhì)體的物性(電性、密度、彈性、放射性等)差異來(lái)解決相應(yīng)地質(zhì)問(wèn)題。

(1)礦井地質(zhì)災(zāi)害中的陷落柱問(wèn)題。陷落柱是一種重要的煤礦地質(zhì)災(zāi)害，為我國(guó)北方煤礦機(jī)械化綜采的主要障礙之一，在綜采前探明采區(qū)陷落柱的位置和分布具有重要意義。一般認(rèn)為陷落柱的發(fā)育與奧陶系灰?guī)r的古巖溶密切相關(guān)，巖溶裂隙在水化學(xué)溶蝕和水動(dòng)力作用下不斷發(fā)育和擴(kuò)大，其周圍地層受重力作用而塌落下沉口]。通常陷落柱為地下水的良好通道，易誘發(fā)礦井水患，同時(shí)，其破壞了煤層的連續(xù)性，影響著煤礦生產(chǎn)工作的正常進(jìn)行。煤礦陷落柱在平面上是一個(gè)封閉的、形態(tài)各異的擬圓形、橢圓形等，在空問(wèn)上呈漏斗狀、柱狀、串珠狀、桶狀等。陷落柱由塌陷巖塊堆積組合而成，與周圍正常巖層相比，坍塌巖塊大小懸殊、棱角分明、形狀各異、比較松散、成分復(fù)雜，在陷落柱與煤層或圍巖的接觸邊界兩側(cè)存在著明顯的密度、電性、速度、波阻抗、放射性等物性差異。因此，可以采用地震、電法、無(wú)線電波透視、重力等手段研究這些物性差異，達(dá)到探測(cè)煤礦陷落柱的目的。

(2)礦井地質(zhì)災(zāi)害中的采空區(qū)及塌陷區(qū)問(wèn)題。在煤層采空區(qū)，因巖體垮落破碎，區(qū)域構(gòu)造、煤體結(jié)構(gòu)、含水度等發(fā)生變化使得采空區(qū)、冒落帶及裂隙帶表現(xiàn)出較強(qiáng)的物性異常，為利用物探技術(shù)探測(cè)采空區(qū)提供了物理前提。其物性變化復(fù)雜，受冒落帶及裂隙帶范圍、含水程度、圍巖巖性及充填性等多種因素的影響。對(duì)于發(fā)育程度低的冒落帶、裂隙帶，其電阻率高、波速低。當(dāng)采空區(qū)充水時(shí)，其表現(xiàn)出低阻特征；當(dāng)采空區(qū)不充水或充水少時(shí)，又表現(xiàn)為高阻特征。而且，在煤礦開(kāi)采的不同階段中，冒落帶、裂隙帶的發(fā)育程度、采空區(qū)充填性及含水程度也常發(fā)生較為顯著的變化，采空區(qū)物性也處于不斷變化的過(guò)程中。

(3)礦井地質(zhì)災(zāi)害中突水問(wèn)題。礦井突水是礦井在掘進(jìn)或工作面回采過(guò)程中，巖層的天然平衡被破壞，周圍水體通過(guò)斷層、溶洞、溶穴、陷落柱、隔水層和巖層的薄弱處進(jìn)入采掘工作面而形成的出水事故，嚴(yán)重威脅礦山工程和礦井生產(chǎn)安全。巖石孔隙、裂隙是含水的，隨著巖石的濕度或飽和度的增加，電阻率急劇下降。當(dāng)斷層、溶洞、溶穴或陷落柱為水充填時(shí)，將導(dǎo)致這些區(qū)域的電阻率較圍巖低，于是區(qū)域水平方向電性的均一性被打破。當(dāng)其在三維空間上的規(guī)模達(dá)到一定程度時(shí)，電阻率在縱向上的變化規(guī)律也會(huì)被打破，從而表現(xiàn)出局部的、區(qū)域性的電性異常，為開(kāi)展電法工作提供了物性前提和解釋依據(jù)。通過(guò)電測(cè)深和高密度電法等方法測(cè)量區(qū)域地質(zhì)體的視電阻率的變化規(guī)律，反演地質(zhì)體富水規(guī)律，為研究區(qū)域縱橫向水力聯(lián)系提供條件。

(4)礦井地質(zhì)災(zāi)害中的煤與瓦斯突出問(wèn)題。煤與瓦斯突出是煤礦開(kāi)采中經(jīng)常發(fā)生的一種破壞性較強(qiáng)的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦生產(chǎn)安全。瓦斯突出易發(fā)區(qū)域一般斷層、褶皺等構(gòu)造發(fā)育，煤層層理紊亂，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，煤質(zhì)松軟酥碎，強(qiáng)度低，煤體孔隙度大，裂隙發(fā)育。這些因素造成煤體物性發(fā)生變化，表現(xiàn)為瓦斯突出煤體與非突出煤體間電性存在差異，為利用電法確定瓦斯突出煤體提供理論上的可能性；煤的密度、彈性模量和泊松比等物性參數(shù)也發(fā)生變化，可以通過(guò)超聲波探測(cè)方法研究這些物性參數(shù)差異來(lái)預(yù)測(cè)瓦斯突出。同時(shí)，煤與瓦斯突出是一種復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)破壞過(guò)程，在這一過(guò)程中動(dòng)力現(xiàn)象激發(fā)了包括具有明顯熱效應(yīng)在內(nèi)的各類電磁輻射，因此，可以依據(jù)煤體的能量輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出。

2應(yīng)用地球物理方法勘查煤礦地質(zhì)災(zāi)害

(1)直流電測(cè)深法。直流電測(cè)深法是一種研究巖石和礦石視電阻率的方法，以地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異為研究前提。其理論基礎(chǔ)和常規(guī)電阻率法相同，通過(guò)供電電極AB向大地供直流電，在測(cè)量電極MN間測(cè)量地表面電位差△U，進(jìn)而求得該測(cè)點(diǎn)的視電阻率，一K△U／f。該方法采用在同一測(cè)點(diǎn)上不斷加大供電電極距AB的方式，使得勘探體積和勘探深度不斷增大，從而獲得不同深度的視電阻率值，達(dá)到研究測(cè)點(diǎn)電阻率沿深度的變化規(guī)律。根據(jù)電阻率值反演出二維視電阻率斷面圖，由此推斷出測(cè)點(diǎn)地層劃分、冒裂帶以及圈閉異常等，達(dá)到測(cè)深、找礦和解決其他地質(zhì)問(wèn)題的目的[2]。直流電測(cè)深法原理見(jiàn)圖1。直流電測(cè)深法具有對(duì)查找?guī)r溶水(低阻異常)、含水構(gòu)造較靈敏的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)診斷煤礦地質(zhì)災(zāi)害中的水患有較大優(yōu)勢(shì)。煤礦地質(zhì)災(zāi)害中的陷落柱、采空塌陷區(qū)往往富含地下水或礦井水，采用直流電測(cè)深法能夠較精確地探查含水性陷落柱及采空塌陷區(qū)；當(dāng)然，對(duì)于非含水性的陷落柱及采空塌陷區(qū)，通過(guò)結(jié)合其他探方法也能取得較好的探查效果。直流電測(cè)深法是一種傳統(tǒng)的傳導(dǎo)類物探方法，受電流強(qiáng)度的限制，直流電測(cè)深法的有效探查深度一般在100~200m以內(nèi)。實(shí)踐證明，電測(cè)深法在淺層地質(zhì)災(zāi)害探查中有良好的地質(zhì)效果，隨著高精度、強(qiáng)抗干擾電測(cè)深儀器的深人研究與投入使用，直流電測(cè)深法將發(fā)揮著更加重要作用。

(2)瞬變電磁法。瞬變電磁法(簡(jiǎn)稱為T(mén)EM法)是近幾十年迅速發(fā)展起來(lái)并廣為應(yīng)用的一種新的電磁法。它是一種時(shí)間域人工電磁感應(yīng)方法，它利用通電接地導(dǎo)線或不接地導(dǎo)線為場(chǎng)源向地下發(fā)送一次脈沖場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間探測(cè)目標(biāo)體感生的二次電流產(chǎn)生的二次場(chǎng)隨時(shí)間的變化響應(yīng)[3]。根據(jù)二次場(chǎng)的變化規(guī)律，可以判斷地下地質(zhì)體的電性、產(chǎn)狀、規(guī)模等，從而為解決斷層、陷落柱、采空區(qū)等問(wèn)題提供幫助。該法具有分辨率高，對(duì)低阻地質(zhì)體反映靈敏，受地形影響小，勘探深度大等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)查明含水地質(zhì)體有較強(qiáng)的精確度。煤礦采空后，在冒落帶、斷裂帶、變形彎曲帶巖石的完整性、連續(xù)性被破壞，巖層破碎并出現(xiàn)大量的裂隙和空隙，使該處表現(xiàn)出高阻特性。當(dāng)?shù)叵滤涮畈煽諈^(qū)或地表水沿裂縫向采空區(qū)滲漏時(shí)，其電阻率將明顯發(fā)生變化，與圍巖電性相比其電阻率較低?；谝朁c(diǎn)視電阻率，得到電阻率與深度的曲線，然后繪制出各條測(cè)線的視電阻率斷面圖，通過(guò)分析各條測(cè)線的視電阻率斷面圖，推斷出采空區(qū)位置、大小等。同時(shí)，在煤礦陷落柱探測(cè)、煤層頂?shù)装搴?隔)水層劃分、斷層及裂隙發(fā)育帶的探查中，瞬變電磁法也具有令人較為滿意的探測(cè)效果。

(3)地質(zhì)雷達(dá)法。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅猛的一種高科技地學(xué)技術(shù)，隨著微電子工藝的迅速發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)逐漸走向高精度化和便攜化，廣泛應(yīng)用于環(huán)境、煤礦地質(zhì)和工程探測(cè)中。地質(zhì)雷達(dá)利用以短脈沖形式的高頻電磁波，通過(guò)發(fā)射天線T從地面發(fā)送到地下，經(jīng)過(guò)地層或目標(biāo)體的反射返回到地面，再用一接收天線R進(jìn)行接收，通過(guò)分析接收到的反射波的走時(shí)、位置等參數(shù)，研究地下目標(biāo)體結(jié)構(gòu)。發(fā)射雷達(dá)測(cè)深原理見(jiàn)圖2。在探測(cè)小構(gòu)造以預(yù)測(cè)煤與瓦斯方面，該法優(yōu)勢(shì)明顯，利用坑道雷達(dá)在煤層中進(jìn)行構(gòu)造探測(cè)，可識(shí)別較小目標(biāo)體，在識(shí)別小斷層上準(zhǔn)確率也相對(duì)較高，且其是非接觸式勘探方法，不依賴于鉆孔工程，具有無(wú)損性。我國(guó)煤科總院重慶分院于1995年研制出了探測(cè)瓦斯突出地質(zhì)構(gòu)造的地質(zhì)雷達(dá)(KDI系列)，探測(cè)距離達(dá)60m以上，同時(shí)，該套儀器在地面工程中空洞、溶洞、滑坡面、暗河、塌陷區(qū)等方面探測(cè)效果良好，已被廣泛運(yùn)用。

(4)其他地球物理勘探法。地球物理勘探方法眾多，除上述三種方法外還有重磁勘探法、高密度電率法、大地磁電阻率法、三維地震勘探法等，它們各自在解決特定的地質(zhì)問(wèn)題方面有著不同的優(yōu)勢(shì)。目前，應(yīng)用較多的有三維地震勘探法、重力勘探法以及高密度電阻率法。三維地震勘探法因其勘探精度高而被廣泛應(yīng)用于研究大型、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，但其成本高，資料解釋復(fù)雜。重力勘探法是近年來(lái)發(fā)展較為迅猛的一種方法，廣泛運(yùn)用于探明隱伏地區(qū)的含煤構(gòu)造，追索煤層露頭和控制斷層，探測(cè)井下斷層以及圈定含煤巖系的巖漿巖體等地質(zhì)災(zāi)害探查問(wèn)題。高密度電阻率法是一種自動(dòng)化的電測(cè)深法，與傳統(tǒng)的電測(cè)深法相比，該法具有采集的數(shù)據(jù)量大、測(cè)量自動(dòng)化、資料解釋較精確等優(yōu)點(diǎn)，是一種前景廣闊的物探方法。

3小結(jié)

實(shí)踐表明，物探資料的解釋結(jié)果能達(dá)到7O～8O的準(zhǔn)確率，能夠查清絕大部分的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題[4]。在實(shí)際工作中要因地制宜，選取合適的物探方法，當(dāng)資料解釋結(jié)果不能滿足要求時(shí)可以輔以其他物探方法，相互驗(yàn)證，以提高資料解釋的準(zhǔn)確率。相信隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及地球物理理論的不斷成熟，在煤礦地質(zhì)災(zāi)害的勘查中，地球物理勘探方法將會(huì)發(fā)揮更大的作用。