淺析地球物理方法在勘察煤礦地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

1、淺析地球物理方法在勘察煤礦地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用    2012-07-23     論文導(dǎo)讀:我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)國(guó)家之一,地質(zhì)災(zāi)害種類(lèi)多、分布廣、影響大、造成損失嚴(yán)重。煤礦地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害的一個(gè)重要組成部分。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)35億噸，全世界有1/3的煤是從中國(guó)開(kāi)采出來(lái)的。 這種過(guò)分依賴(lài)于煤炭的生產(chǎn)活動(dòng)不僅對(duì).    我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)國(guó)家之一,地質(zhì)災(zāi)害種類(lèi)多、分布廣、影響大、造成損失嚴(yán)重。煤礦地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害的一個(gè)重要組成部分。我國(guó)現(xiàn)在已是世界

2、上最大的產(chǎn)煤國(guó)，每年產(chǎn)量高達(dá)35億噸，全世界有1/3的煤是從中國(guó)開(kāi)采出來(lái)的。這種過(guò)分依賴(lài)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，而且由于開(kāi)采技術(shù)和設(shè)備相對(duì)落后,導(dǎo)致礦山開(kāi)采環(huán)境不斷惡化，特別是井工開(kāi)采，如果不能及時(shí)回填和崩落采空區(qū),當(dāng)其達(dá)到一定規(guī)模就會(huì)產(chǎn)生大面積塌陷，導(dǎo)致地表塌陷、河水?dāng)嗔鳌⒌叵滤韪煽萁?、房倒屋裂、農(nóng)業(yè)歉收等采礦引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。煤礦地質(zhì)災(zāi)害的種類(lèi)及其危害在我國(guó)，煤礦地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、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)重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)重，在我國(guó)重點(diǎn)煤礦，平均采空塌陷面積約占礦區(qū)含煤面積的十分之

3、一。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1.52.0萬(wàn)公頃，其中耕地占30%。再加上日益嚴(yán)重的礦區(qū)水土流失，破壞了大量不可再生的土地資源。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)重缺水的占40%。煤層頂部由于采動(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)重污染地下水，影響居民生活飲用水的

4、安全。煤炭開(kāi)采過(guò)程中的廢氣排放，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。煤炭開(kāi)采過(guò)程中形成的廢氣主要指礦井瓦斯和地面矸石山自然釋放的氣體。據(jù)估計(jì)，中國(guó)每年從礦井開(kāi)采中排放的甲烷氣體有百億立方米以上，此外，半干旱地區(qū)煤礦矸石山自燃率高達(dá)40%以上。矸石山自燃的排放嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。煤礦地質(zhì)災(zāi)害的地球物理特征利用物探方法勘查煤礦地質(zhì)災(zāi)害，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,具有良好的彈性波反射條件；當(dāng)煤層被開(kāi)采后，煤層在空間上的連續(xù)性被打破,采空區(qū)頂板垮落

5、，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一定規(guī)模時(shí)便可改變縱向電性的變化規(guī)律，從而表現(xiàn)為局部的、區(qū)域性的電性異常,為開(kāi)展電法工作提供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、三維地震勘探提供了工作前提。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)上方覆蓋層中可測(cè)到高值氡異常；而在塌陷區(qū),由于地表覆蓋層下塌與下覆地層的相連,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

6、成氡異常不高；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,因此在地表覆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)害的區(qū)域、范圍和強(qiáng)度。應(yīng)用物探方法勘查煤礦地質(zhì)災(zāi)害物探方法在尋找礦產(chǎn)資源、探明隱伏礦床等資源勘查領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。由于煤礦地質(zhì)災(zāi)害的發(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)害的勘查，包括電法勘探、磁法勘探、地震勘探、放射性勘探等。電法是以自然界的巖(土)層由于其種類(lèi)、成分、結(jié)構(gòu)、溫度和濕度等不同，而具有不同的電性差異為前提，通過(guò)獲取的電參數(shù)來(lái)解決相關(guān)地

7、質(zhì)問(wèn)題。該方法由于裝置的變換可以導(dǎo)出多種解決不同地質(zhì)問(wèn)題的方法。目前，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中使用較多的是電測(cè)深法和在其基礎(chǔ)上利用多路電極轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)供電與測(cè)量電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換的高密度測(cè)量系統(tǒng)，它們?cè)趲r溶、土洞、塌陷、滑坡、堤壩滲漏等地質(zhì)災(zāi)害勘查中發(fā)揮了較好的作用。除反映災(zāi)害地質(zhì)體與周?chē)橘|(zhì)的電性差異外，往往由于溶洞或斷裂破碎帶充水(泥)而引起了低阻變異，在電測(cè)深曲線(xiàn)和斷面圖上均呈現(xiàn)電阻率曲線(xiàn)扭曲和梯度變化，這些信息很容易被人們捕捉，它是勘查巖溶、土洞、塌陷和滑坡的主要異常標(biāo)志；尤其是高密度測(cè)量系統(tǒng)，其分辨率和效果均優(yōu)于其他方法，它具有較好的分層和探測(cè)細(xì)小目標(biāo)的能力，非常適合于堤防隱患探測(cè)和淺部巖溶、采空

8、區(qū)、塌陷、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)。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(xiàn)或接地線(xiàn)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)，電壓隨時(shí)間的變化。根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線(xiàn)的特征，就可以判斷地下地質(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。由于該方法屬于二次場(chǎng)觀(guān)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、抗干擾能力強(qiáng)有體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高、對(duì)低阻反應(yīng)敏感等特點(diǎn)。同時(shí)，電磁勘探對(duì)地下良導(dǎo)電介質(zhì)具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，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

9、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)到氡值的異常。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)的氡異常區(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(xiàn)的強(qiáng)度)來(lái)準(zhǔn)確圈定煤礦采空區(qū)的位置與范圍。此外，根據(jù)氡氣異常的峰值狀態(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)的情況，并可分析其開(kāi)啟度、連通性及破碎程度,對(duì)預(yù)測(cè)滑坡能起到一定的指示作用。氡及其子體可以在地層中長(zhǎng)距離運(yùn)移，并且隨溫度的升高，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憑借其豐富的信息量、較高的分辨率、信噪比和準(zhǔn)確的空間歸位在煤礦地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用日益廣泛。雖然物探方法眾多，但適用條件各不相同，在實(shí)際工作中應(yīng)該結(jié)合煤礦特殊的地形地質(zhì)條件、勘探對(duì)象的地球物理特征等，選取適當(dāng)?shù)姆椒?，以最小的?jīng)濟(jì)投入獲取最好的勘查效果。實(shí)踐證明，在煤礦地質(zhì)災(zāi)害防治中使用綜合地球物理勘探方法對(duì)引起地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)原因進(jìn)行查明，只要物性前提具備，工作方法選擇恰當(dāng)，在理論上是可行的，實(shí)際工作成果也表明，可為煤礦防治地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)提供可靠的地質(zhì)資料。