采礦地球物理學(xué)概論 第一章 地球物理基礎(chǔ)采礦地球物理緒論

采礦地球物理學(xué)概論整理ppt六、學(xué)時(shí)分配表學(xué)時(shí)分配表

整理ppt六、學(xué)時(shí)分配表評(píng)價(jià)方式（包括作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考試等:（1）作業(yè)、實(shí)驗(yàn)占30％的成績(jī)；（2）考試，占70％的成績(jī)。

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地球物理學(xué)是一門以地球?yàn)檠芯繉?duì)象的應(yīng)用物理學(xué)。其中，對(duì)固體地球的研究，在二十世紀(jì)六十年代以來(lái)，獲得極大發(fā)展。它已成為地學(xué)的重要組成部分，并且滲透到地學(xué)中的許多分支。

一、緒論整理ppt采礦地球物理學(xué)是采礦科學(xué)中的一個(gè)新的分支，是利用巖體中自然的或人工激發(fā)的物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)巖體的動(dòng)態(tài)變化揭露已有的地質(zhì)構(gòu)造

采礦地球物理學(xué)的最大特點(diǎn)是在更深層次上認(rèn)識(shí)地下巖層的特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。整理ppt采礦地球物理方法具有觀察、測(cè)量成本低、獲得的信息量大、研究測(cè)量具有非破壞性等優(yōu)點(diǎn)，因此是主要采礦測(cè)量方法之一。

在二十一世紀(jì)，采礦地球物理方法將是采礦安全技術(shù)以及有益礦物的經(jīng)濟(jì)、高效開(kāi)采方面應(yīng)用的最基本的測(cè)量工具。

整理ppt1.

地球科學(xué)地球科學(xué)以整體的地球作為研究對(duì)象，包括自地心至地球外層空間十分廣闊的范圍，是由固體地圈、大氣圈、水圈和生物圈（包括人類本身）組成的一個(gè)開(kāi)放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，稱為地球系統(tǒng)。

物理、化學(xué)和生物三大基本過(guò)程之間的相互作用，以及人與地球系統(tǒng)之間的相互作用。因此，地球科學(xué)是一個(gè)龐大的超級(jí)學(xué)科體系群，傳統(tǒng)上劃分出眾多的一級(jí)和二級(jí)學(xué)科分類體系（表1-1）。

整理ppt表1-1地球科學(xué)的學(xué)科分類體系Ⅰ.按圈層范圍Ⅱ.按學(xué)科交叉Ⅲ.按服務(wù)目的大氣科學(xué)大氣物理學(xué)地球物理學(xué)固體地球物理學(xué)環(huán)境地學(xué)經(jīng)濟(jì)地學(xué)工程地學(xué)水文地學(xué)遙感地學(xué)航空科學(xué)氣象學(xué)地磁與高空物理學(xué)天氣動(dòng)力學(xué)等地震學(xué)等海洋科學(xué)物理海洋學(xué)地球化學(xué)元素地球化學(xué)生物海洋學(xué)同位素地球化學(xué)環(huán)境海洋學(xué)等生物地球化學(xué)等整理ppt續(xù)表1-1地球科學(xué)的學(xué)科分類體系Ⅰ.按圈層范圍Ⅱ.按學(xué)科交叉Ⅲ.按服務(wù)目的地理科學(xué)自然地理學(xué)地生物學(xué)生態(tài)學(xué)城市地學(xué)農(nóng)業(yè)地學(xué)旅游地學(xué)軍事地學(xué)火山學(xué)天氣預(yù)報(bào)地震預(yù)報(bào)災(zāi)害學(xué)等經(jīng)濟(jì)地理學(xué)生物地理學(xué)人文地理學(xué)古生物學(xué)等區(qū)域地理學(xué)等地質(zhì)科學(xué)地球物質(zhì)成分學(xué)動(dòng)力地質(zhì)學(xué)歷史地質(zhì)學(xué)區(qū)域地質(zhì)學(xué)等天文地學(xué)天文地球動(dòng)力學(xué)行星地理學(xué)天文地質(zhì)學(xué)等數(shù)學(xué)地學(xué)數(shù)學(xué)地質(zhì)數(shù)字地球等整理ppt

大氣科學(xué)研究大氣圈的組成、結(jié)構(gòu)和氣候過(guò)程，海洋科學(xué)研究水圈海洋部分的物理、化學(xué)、生物現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，

地理科學(xué)研究地球表層的地理環(huán)境，

地質(zhì)科學(xué)研究地球的物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部特征、各圈層間的相互作用和演變歷史。其中，后兩者都涉及地球的物理、化學(xué)、生物作用過(guò)程和不同圈層之間相互關(guān)系，具有更高的綜合性。整理ppt2.

地球物理學(xué)及其發(fā)展

地球物理學(xué)(Geophysics)是以地球?yàn)檠芯繉?duì)象的一門應(yīng)用物理學(xué)。它是天文學(xué)、物理學(xué)與地質(zhì)學(xué)之間的邊緣科學(xué)，在地球科學(xué)中占據(jù)重要地位。地球物理學(xué)的研究范圍甚廣，包括從地球最深部的地核到大氣圈的邊界。它是由地震學(xué)(Seismology)、地磁學(xué)(Geomagnetics)、地電學(xué)(Geoelectricity)、重力學(xué)(Gravity)、地?zé)釋W(xué)(Geothermicity)、大地測(cè)量學(xué)(Geodesy)、大地構(gòu)造物理學(xué)(Tectonophysics)、地球動(dòng)力學(xué)(Geodynamics)等基礎(chǔ)科學(xué)組成。整理ppt

地球物理學(xué)用物理學(xué)的原理和方法研究地球的形狀、內(nèi)部構(gòu)造、物質(zhì)組成及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討地球起源、形成以及演化過(guò)程，為維護(hù)生態(tài)環(huán)境、預(yù)測(cè)和減輕地球自然災(zāi)害、勘探與開(kāi)發(fā)能源和資源做出貢獻(xiàn)。圖1-1為地球物理學(xué)的形成和發(fā)展示意圖。整理ppt圖1-1地球物理學(xué)的形成和發(fā)展示意圖整理ppt

研究宏觀現(xiàn)象和基本理論的叫做理論地球物理學(xué)(TheoreticalGeophysics)或“純”地球物理學(xué)(pureGeophysics)，利用由此產(chǎn)生的方法來(lái)勘探有用礦藏的叫做勘探地球物理學(xué)(ExplorationGeophysics)或應(yīng)用地球物理學(xué)(AppliedGeophysics)，研究巖層運(yùn)動(dòng)以及煤巖動(dòng)力現(xiàn)象的則稱為采礦地球物理學(xué)(MiningGeophysics)。本教材所涉及的內(nèi)容均屬于固體地球物理學(xué)的范圍。整理ppt人類觀察和研究地球物理現(xiàn)象已經(jīng)有幾千年的歷史，早在公元前1177年的商朝，我國(guó)就有關(guān)于地震的記載。實(shí)際上，現(xiàn)代物理學(xué)是從研究地球物理問(wèn)題開(kāi)始的。例如牛頓（Newton）通過(guò)研究地球和月球的運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律，克雷若(Clairaut)研究地球的形狀，拉普拉斯(Laplace)研究地球的起源，高斯(Gause)研究地球磁場(chǎng)，開(kāi)爾芬(Kelvin)研究地球的彈性、熱傳導(dǎo)和許多其他地球物理問(wèn)題。整理ppt18~l9世紀(jì)，地球物理學(xué)成為物理學(xué)中的一門重要分支。到了20世紀(jì)初，它就自成體系。進(jìn)入20世紀(jì)30年代，由于成功地把地球物理學(xué)方法用于礦產(chǎn)資源勘探當(dāng)中，使它得以迅猛發(fā)展。最近形成的采礦地球物理學(xué)，發(fā)展更是迅速。整理ppt地球物理學(xué)發(fā)展的總趨勢(shì)有兩種：一是多學(xué)科的綜合，二是科學(xué)的國(guó)際合作。從20世紀(jì)50年代末期起，在各國(guó)地球物理學(xué)家的倡導(dǎo)和努力下，制定了一系列國(guó)際性研究計(jì)劃。60年代初，近50個(gè)國(guó)家參加了上地幔計(jì)劃，主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)全球性的地殼斷裂系統(tǒng)；(2)大陸邊緣地帶及島弧的構(gòu)造；(3)地幔的物質(zhì)組成及地球化學(xué)過(guò)程；整理ppt(4)地殼及地幔的結(jié)構(gòu)及其橫向不均勻性。這個(gè)計(jì)劃延續(xù)了10年，于l970年結(jié)束，其最重要的成果就是建立了“板塊大地構(gòu)造假說(shuō)”。這個(gè)假說(shuō)的出現(xiàn)是地學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，其重要性及影響可與近代科學(xué)的任何重大發(fā)現(xiàn)相媲美。70年代以后，國(guó)際間圍繞著地球動(dòng)力學(xué)、巖石圈結(jié)構(gòu)等問(wèn)題開(kāi)展了一系列的多學(xué)科綜合研究。整理ppt1974~1979年，國(guó)際地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃作為上地幔計(jì)劃的延續(xù)，主要解決板塊構(gòu)造假說(shuō)所遺留下來(lái)的問(wèn)題，特別是板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力問(wèn)題。國(guó)際巖石圈計(jì)劃(1980~2000年)也正在實(shí)施中，這個(gè)計(jì)劃的四個(gè)研究領(lǐng)域是：(1)全球變化的地球科學(xué)；(2)現(xiàn)代動(dòng)力學(xué)和深部作用過(guò)程；(3)大陸巖石圈(層)；(4)大洋巖石圈(層)；

整理ppt3.

采礦地球物理學(xué)的基本任務(wù)采礦地球物理學(xué)是地球物理學(xué)的分支之一，是用地球物理的方法來(lái)解決采礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問(wèn)題，例如礦床的勘探問(wèn)題，礦山動(dòng)力現(xiàn)象，采礦工程問(wèn)題，特別是井下的開(kāi)采與地質(zhì)問(wèn)題。

整理ppt3.1

采礦地球物理方法:巖體中彈性波傳播過(guò)程的研究－稱之為振動(dòng)法，包括微震法、振動(dòng)法和地音法；巖體內(nèi)重力變化的研究，稱之為重力法；地電現(xiàn)象的研究，稱之為地電法；還有熱法，原子能法等。這些研究方法都需要特殊的測(cè)量?jī)x器和理論指導(dǎo)。整理ppt1)震動(dòng)法采礦作業(yè)打破了巖體內(nèi)原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，其結(jié)果造成了巖體內(nèi)變形能的聚積。這些能量以突然的形式動(dòng)力釋放，產(chǎn)生震動(dòng)，并使變形增加。與大地地震相比，其震動(dòng)頻率高，影響范圍小。震動(dòng)能量為l×l02～l×l010J，里氏震級(jí)為0～4.5級(jí)，振動(dòng)頻率為1～50Hz，震動(dòng)范圍為兒百米到幾百公里。

整理ppt

震動(dòng)法記錄采礦震動(dòng)的能量，確定和分析震動(dòng)的方向;對(duì)震中定位來(lái)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)礦山動(dòng)力現(xiàn)象。具體的說(shuō)，就是記錄震動(dòng)的地震圖，確定震動(dòng)發(fā)生的時(shí)間，震中的坐標(biāo)，震動(dòng)釋放的能量，特別是震中的大小，地震力矩，震動(dòng)發(fā)生的機(jī)理，震中的壓力降等，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行震動(dòng)危險(xiǎn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，如預(yù)報(bào)震動(dòng)能量大于給定值的平均周期，在時(shí)間T內(nèi)震動(dòng)能量小于或等于給定值的概率，該區(qū)域內(nèi)震動(dòng)的危險(xiǎn)性及其他參數(shù)。整理ppt2)聲發(fā)射法巖石的聲發(fā)射也稱為地音，是巖石的變形和破斷，顆粒之間的相位錯(cuò)動(dòng)，巖石間的摩擦滑動(dòng)及其他引發(fā)的。地音與巖石的動(dòng)力現(xiàn)象及彈性波的發(fā)射有關(guān)，是在應(yīng)力作用下，巖體結(jié)構(gòu)的非彈性變性，結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定的結(jié)果。整理ppt

采礦地音法是以脈沖的形式記錄弱的、低能量的巖體聲發(fā)射彈性波。記錄的振動(dòng)頻率從幾十到2000Hz或更高，記錄的能量低于lxl0-2J，振動(dòng)范圍從幾米到200多米。采礦地音法可用來(lái)確定巖體中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，評(píng)價(jià)沖擊礦壓及煤和瓦斯突出的危險(xiǎn)性，并檢測(cè)其采取的防治措施的效果;評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性;確定采掘面周圍的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等。整理ppt3)電磁輻射法巖石電磁輻射是指巖石受載破裂過(guò)程中向外輻射電磁能量的過(guò)程或現(xiàn)象。巖石破裂電磁輻射的觀測(cè)和研究是從地震工作者發(fā)現(xiàn)震前電磁異常后開(kāi)始的。在近25-30年內(nèi)巖石破裂電磁輻射效應(yīng)的研究，無(wú)論是在理論研究方面，還是在應(yīng)用研究方面，都取得了飛速發(fā)展，特別是在地震方面用于預(yù)報(bào)。

整理ppt從九十年代開(kāi)始，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)對(duì)載荷作用下煤體的電磁輻射特性及規(guī)律進(jìn)行了較為深入的定性和定量研究。研究表明，煤巖電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過(guò)程中向外輻射電磁能量的一種現(xiàn)象，與煤巖體的變形破裂過(guò)程密切相關(guān)。整理ppt電磁輻射可用來(lái)預(yù)測(cè)沖擊礦壓、煤與瓦斯突出等煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象。其主要參數(shù)是電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)。電磁輻射強(qiáng)度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強(qiáng)度，脈沖數(shù)主要反映了煤巖體變形及微破裂的頻次。此外，電磁輻射還可用于檢測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害防治措施的效果;評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性;確定采掘面周圍的應(yīng)力應(yīng)變，評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等。整理ppt4)振動(dòng)法

振動(dòng)法解決采礦作業(yè)引起的地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象問(wèn)題，主要是根據(jù)地震波的傳播速度的變化，確定巖石結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程發(fā)展的各階段，如彈性階段的高應(yīng)力，對(duì)應(yīng)比較大的振動(dòng)頻率，表明了采掘面接近較大的震動(dòng)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)，巖石破壞的最后階段將可能發(fā)生高能量的震動(dòng)甚至沖擊地壓。整理ppt振動(dòng)法解決礦山壓力問(wèn)題，主要是根據(jù)不同類型振動(dòng)波的傳播速度來(lái)確定巖體的物理力學(xué)參數(shù)，例如線彈性模量，泊松系數(shù)，橫向彈性模量，體積彈性模量、LAME常數(shù)等。這些參數(shù)是用動(dòng)態(tài)方式確定的，與實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊試驗(yàn)的靜態(tài)有很大差異，這些參數(shù)更符合實(shí)際。

整理ppt振動(dòng)法解決地質(zhì)問(wèn)題，主要是根據(jù)地震波在煤層中傳播的通道性及傳播速度的異常，能量或阻尼系數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行。當(dāng)煤層的連續(xù)性出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，這些地震波的傳播通道將出現(xiàn)非正常的波圖，或通道波組的振幅減小，甚至全部消失等。整理ppt5)重力法重力法是根據(jù)地層中巖石介質(zhì)質(zhì)量分布的不均勻性來(lái)測(cè)量重力的異常變化。測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法的發(fā)展，促進(jìn)了重力法的廣泛應(yīng)用，測(cè)量?jī)x器的高精度性(2Xl0-9m/s2)可使其廣泛應(yīng)用于小構(gòu)造、巖像變化的測(cè)量以及由于采礦作業(yè)引起密度分布的變化。目前，重力法主要研究開(kāi)采引起巖體體積的變化;巖體震動(dòng)、沖擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào);小范圍內(nèi)煤層構(gòu)造的變化;局部空洞的定位等方面。重力法所采用的參數(shù)主要是重力微小的異常變化和塔式重力梯度。整理ppt6)地質(zhì)電法采礦地質(zhì)電法是利用巖石中電特性的變化來(lái)解決地質(zhì)、采礦技術(shù)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面的問(wèn)題，其應(yīng)用范圍非常廣泛。地質(zhì)電法主要測(cè)量巖石介質(zhì)在電流穩(wěn)定性或亞穩(wěn)定性方面的電阻特性，或電磁波在巖體中傳播的電阻，電介常數(shù)和磁通量等參數(shù)。主要解決的問(wèn)題有認(rèn)識(shí)頂?shù)装鍘r層地質(zhì)條件;震動(dòng)、沖擊礦壓、水災(zāi)、火災(zāi)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià);支架與圍巖相互作用的評(píng)價(jià);巷道應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。整理ppt7)地?zé)嶙?9世紀(jì)麥克斯韋爾證明光是—種電磁波以來(lái)，人類對(duì)不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的各類電磁波的性質(zhì)及其應(yīng)用性進(jìn)行了卓有成效的研究，并建立了從射線到極遠(yuǎn)紅外線的連續(xù)波譜圖。其中具有熱效應(yīng)的紅外波長(zhǎng)范圍為：0.75μm～1000μm。整理ppt

3.2采礦地球物理方法優(yōu)點(diǎn)：(1)

與打鉆孔、掘巷道探測(cè)來(lái)說(shuō)，觀察、測(cè)量成本低；(2)

采礦中的許多現(xiàn)象和過(guò)程只能用采礦地球物理方法才能進(jìn)行測(cè)量、記錄和分析。例如巖體震動(dòng)、沖擊礦壓、煤和瓦斯突出等礦山動(dòng)力現(xiàn)象，而采用其他測(cè)量方法則不可能做到；(3)

獲得的信息量大。

整理ppt(4)

研究測(cè)量具有非破壞性。這對(duì)采面的安全性及巷道維護(hù)的穩(wěn)定性等都具有重要意義；采礦地球物理學(xué)的基本任務(wù)是解決采礦作業(yè)的安全性和保證礦井生產(chǎn)的連續(xù)性。主要解決關(guān)于開(kāi)采引起的地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象和瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象（震動(dòng)、沖擊礦壓、突出）以及對(duì)煤層及周圍巖層物理力學(xué)參數(shù)認(rèn)識(shí)的礦山壓力問(wèn)題，關(guān)于煤層連續(xù)性的地質(zhì)問(wèn)題，如沖刷、侵蝕、尖滅、斷層等。整理ppt3.3

礦山壓力問(wèn)題采用采礦地球物理方法可連續(xù)或即刻記錄采礦作業(yè)引發(fā)的振動(dòng)現(xiàn)象，以此可連續(xù)評(píng)價(jià)、并在一定程度上預(yù)測(cè)研究區(qū)域的震動(dòng)性及危險(xiǎn)性，如沖擊礦壓、煤和瓦斯突出等，并可以評(píng)價(jià)災(zāi)害防治措施的有效性。還可以提前認(rèn)識(shí)巖體的結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性，如彈性模量、泊松比等。這是礦山壓力研究中最基本的參數(shù)，而其只要測(cè)量彈性波的傳播速度即可獲得。整理ppt同時(shí)，采用采礦地球物理方法可提前消除采掘面前方?jīng)_擊礦壓的危險(xiǎn)地段和不安全地段。(1)

對(duì)于采礦活動(dòng)引發(fā)的地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象的研究：①

地質(zhì)動(dòng)力現(xiàn)象的連續(xù)記錄、評(píng)價(jià)、分析和診斷—采用微震法和地音法；②

提前認(rèn)識(shí)潛在的危險(xiǎn)區(qū)域，如應(yīng)力升高的地點(diǎn)—采用振動(dòng)法，地質(zhì)電法，重力法和熱法；③

評(píng)價(jià)災(zāi)害防治措施的效果—采用振動(dòng)法，地音法和地質(zhì)電法。整理ppt(2)

巖石物理力學(xué)參數(shù)的確定，可采用振動(dòng)法就可以完成。其基礎(chǔ)是測(cè)量?jī)煞N不同類型的地震波（縱波和橫波）在介質(zhì)中的傳播速度。這種方式得到的參數(shù)稱之為動(dòng)態(tài)參數(shù)，與實(shí)驗(yàn)室獲得的靜態(tài)參數(shù)有明顯的區(qū)別動(dòng)態(tài)參數(shù)更接近于巖體的實(shí)際特性。整理ppt3.4

地質(zhì)問(wèn)題采礦地球物理方