胡水根,張平松,嚴(yán)家平

（1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽淮南 232001;2.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院采礦工程系,安徽淮南 232001）

綜合地球物理勘探技術(shù)保障煤礦深部資源的科學(xué)開(kāi)采

胡水根1,2,張平松1,嚴(yán)家平1

（1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽淮南 232001;2.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院采礦工程系,安徽淮南 232001）

煤礦在向深部開(kāi)采的過(guò)程中,會(huì)遇到一系列比淺部更困難的問(wèn)題,如:巷道圍巖變形和沖擊礦壓、煤與瓦斯突出、水災(zāi)及高溫?zé)岷Φ取Ｍㄟ^(guò)分析,深部問(wèn)題會(huì)引起巖 （礦）體產(chǎn)生相應(yīng)的物性異常,認(rèn)為可發(fā)揮綜合地球物理勘探技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),預(yù)先探測(cè)出深部開(kāi)采中可能會(huì)遇到的哪些具體問(wèn)題。指出綜合地球物理勘探是保障煤礦深部科學(xué)開(kāi)采的重要技術(shù)。

綜合物探;深部資源;科學(xué)開(kāi)采

1 深部開(kāi)采綜合物探的必要性與技術(shù)思路

隨著對(duì)能源需求量的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷加大,淺部資源日益減少,礦井深部開(kāi)采,是煤礦生產(chǎn)的必然過(guò)程。如何認(rèn)識(shí)深部開(kāi)采的復(fù)雜條件,吸引了學(xué)者們對(duì)此問(wèn)題的廣泛關(guān)注[1-6],及時(shí)解決深部開(kāi)采時(shí)面臨的主要問(wèn)題[7],如:巷道圍巖變形和沖擊礦壓、煤與瓦斯突出、水災(zāi)及高溫?zé)岷Φ?實(shí)現(xiàn)煤礦的科學(xué)開(kāi)采[8],做到高效開(kāi)采、綠色開(kāi)采、安全開(kāi)采和經(jīng)濟(jì)開(kāi)采,是擺在當(dāng)前從事深部開(kāi)采生產(chǎn)管理者面前的重要課題。

面對(duì)深部復(fù)雜的勘探目標(biāo),由于任一種地球物理方法所利用和反映的只是其一個(gè)側(cè)面,單憑一種方法就表現(xiàn)出了某種局限性。如重、磁方法橫向分辨率較高,而電磁勘探是介于地震和重、磁勘探方法之間的一種勘探方法,比重、磁方法有較好的垂向分辨和分層能力,但是,由于電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨深度呈指數(shù)規(guī)律衰減的特點(diǎn),其分辨能力也隨著深度按指數(shù)規(guī)律減小,所以與地震方法相比,其垂向分辯率與分層能力要低[9]。必須以其他方法作必要的補(bǔ)充以克服物探技術(shù)多解性的不足,綜合各種地球物理方法,從不同角度來(lái)研究同一對(duì)象就較全面地接近于實(shí)際,將其綜合解釋不僅有可能解決深部采礦所遇到的問(wèn)題,而且還可對(duì)地下構(gòu)造有更全面地認(rèn)識(shí)。礦井深部地質(zhì)、地球物理?xiàng)l件的復(fù)雜多樣性,都決定了物探必須在先進(jìn)的地質(zhì)理論指導(dǎo)下走綜合物探之路,只有這樣,才能充分發(fā)揮各種地球物理方法的優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng),高效率、高效益地解決礦井深部的難題,實(shí)現(xiàn)科學(xué)采礦。另外,市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)要求 “最小的投入,最大的回報(bào)”,因此,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者十分重視綜合地球物理方法的研究[10-21]。

地下巖 （礦）體的物性差異是地球物理勘查工作的前提。在物探工作開(kāi)展之前,首先對(duì)勘查區(qū)的物性進(jìn)行調(diào)查研究;其次,才能根據(jù)勘探的目標(biāo)體綜合評(píng)價(jià)其可能產(chǎn)生哪些可靠的物性差異,選擇合適的哪幾種地球物理勘探方法;然后,根據(jù)地質(zhì)條件的具體情況對(duì)綜合地球物理勘探數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,解釋;最后,總結(jié)深部綜合地球物理方法的成功經(jīng)驗(yàn),推廣應(yīng)用。因此,綜合地球物理勘探技術(shù)解決深部開(kāi)采問(wèn)題的思路如圖 1所示。

圖1 深部開(kāi)采綜合物探技術(shù)解決思路

2 煤礦深部開(kāi)采主要問(wèn)題及探測(cè)方法選擇

2.1 礦井水災(zāi)

深部開(kāi)采面臨高巖溶水壓?jiǎn)栴},承壓水位高,水頭壓力大,使巷道圍巖和煤層底板承受的高壓水對(duì)礦井安全生產(chǎn)的威脅越來(lái)越大。

由于電磁法對(duì)含水低阻體敏感,當(dāng)巖 （礦）體中充水時(shí)其電性將發(fā)生顯著的改變,以巖 （礦）電性差異為基礎(chǔ)的電磁法勘探是較為理想的礦井水災(zāi)地球物理勘探方法。在解決與水有關(guān)的礦井構(gòu)造及含水性評(píng)價(jià)方面顯示出較大的優(yōu)越性。石顯新等[22]在綜合利用常規(guī)礦井直流電法、井下高密度電阻率法、電透視、礦井瞬變電磁法等物探方法,從應(yīng)用實(shí)例表明:電磁法是一種探測(cè)井下深部高壓突水水害隱患的有效方法。邢相榮等[10]對(duì)肥城礦區(qū)利用直流電法、瑞利波法、直流電法透視法、鉆孔無(wú)線電波透視法等綜合物探技術(shù)進(jìn)行了成功探測(cè),并指出物探方法有許多種,但每種物探方法各有千秋,應(yīng)用條件不同,需要解決的地質(zhì)目的不同,就要選用不同的物探方法。要開(kāi)展幾種有效的綜合物探方法,以便減少因開(kāi)展單一物探方法造成的誤判和損失。劉志新等[23]使用了電阻率成像技術(shù)、礦井瞬變電磁法、無(wú)線電波透視技術(shù)及音頻電透視技術(shù)進(jìn)行了突水條件模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,并取得了預(yù)期的效果,同時(shí)指出各種單一的物探技術(shù)在使用過(guò)程中都存在著各種局限性,必須使用綜合物探技術(shù)才能更好地進(jìn)行勘探和評(píng)價(jià),為礦井防治水技術(shù)提供保障。楊文欽等[24]使用了三極測(cè)深法、瞬變電磁法、無(wú)線電坑透法等綜合物探方法,并結(jié)合本區(qū)水文、構(gòu)造地質(zhì)和鉆探資料進(jìn)行分析,對(duì)斷層的富水性進(jìn)行了成功探測(cè)。程久龍[25]綜合使用電法和地震 CT等物探方法研究了采動(dòng)裂隙巖體的地球物理特征,為深部采煤防治水提供了參考。

2.2 巷道圍巖變形

對(duì)于深部開(kāi)采引起的巷道圍巖變形、礦井沖擊礦壓、礦壓顯現(xiàn)加劇等現(xiàn)象都會(huì)引起巖 （礦）體的物性發(fā)生一系列的變化,因此可以通過(guò)地球物理的方法加以解決。張平松等[26]利用煤層采動(dòng)后頂?shù)装鍛?yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變會(huì)產(chǎn)生一定范圍的變形與破壞,不同煤層采動(dòng)過(guò)程中的底板破壞具有一定的規(guī)律,通過(guò)實(shí)測(cè)法獲得底板破壞深度值及規(guī)律。采用震波 CT探測(cè)技術(shù)結(jié)合煤層工作面中孔–巷間形成的探測(cè)剖面進(jìn)行不同時(shí)期震波 CT數(shù)據(jù)采集反演與資料處理,可獲得煤層采動(dòng)過(guò)程中底板破壞的動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律及特征。開(kāi)采探測(cè)實(shí)踐表明震波 CT技術(shù)對(duì)底板破壞規(guī)律探測(cè)具有連續(xù)的動(dòng)態(tài)效應(yīng),其適用性強(qiáng),應(yīng)用效果顯著。王恩元等[27]運(yùn)用 KBD5礦用本安型電磁輻射監(jiān)測(cè)儀測(cè)試了煤礦采掘過(guò)程中工作面煤巖體的電磁輻射,分析了電磁信號(hào)與采掘工藝及煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性等的關(guān)系。研究表明,煤礦采掘過(guò)程伴隨產(chǎn)生電磁輻射,電磁輻射是煤巖體受到采動(dòng)影響后應(yīng)力重新分布或變形破裂趨向新的平衡的結(jié)果;有煤與瓦斯突出和沖擊礦壓危險(xiǎn)時(shí),有明顯的電磁異常前兆;采取防治措施后,電磁輻射顯著下降。電磁輻射技術(shù)在煤礦可以用于預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出、沖擊礦壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害。李鳳琴等[28]通過(guò)微震監(jiān)測(cè)技術(shù),觀測(cè)、分析生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的微小地震事件來(lái)監(jiān)測(cè)其對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)的影響、效果及地下?tīng)顟B(tài)。其基礎(chǔ)是聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué),當(dāng)?shù)叵聨r石由于人為因素或自然因素發(fā)生破裂、移動(dòng)時(shí),產(chǎn)生一種微弱的地震波向周?chē)鷤鞑?在空間上不同方位設(shè)置的傳感器,記錄微震波的到達(dá)時(shí)間、傳播方向等信息確定巖石的破裂點(diǎn),從而推演覆巖空間破裂形態(tài)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系,預(yù)測(cè)和控制可能的煤礦災(zāi)害,如沖擊礦壓等。王云海等[29]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同煤樣變形破壞全過(guò)程的聲發(fā)射和電磁輻射效應(yīng)的演化規(guī)律,分析了煤樣變形破壞過(guò)程中電磁輻射和聲發(fā)射信號(hào)的相關(guān)性和煤樣變形破壞的微觀機(jī)理,提出了煤樣變形破壞過(guò)程中電磁輻射和聲發(fā)射信號(hào)分別是在煤樣內(nèi)的裂紋面滑移和裂紋擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生的觀點(diǎn),較好地解釋了煤樣變形破壞過(guò)程中聲電效應(yīng)的變化規(guī)律和特征,為進(jìn)一步提高電磁輻射及聲發(fā)射、電磁輻射綜合預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的可靠性和準(zhǔn)確性提供了理論基礎(chǔ)。

2.3 礦井煤與瓦斯突出

隨著開(kāi)采深度與強(qiáng)度的增加,我國(guó)煤礦瓦斯動(dòng)力災(zāi)害顯著增加。對(duì)于煤與瓦斯的地球物理方法探測(cè),一些相關(guān)的科研工作者進(jìn)行了相應(yīng)的探索。劉盛東等[30]分析研究了淮南礦區(qū)煤層頻譜特征、波速特征及衰減特征,結(jié)果表明,煤層中瓦斯含量和震波動(dòng)力學(xué)參數(shù)具有較好的相關(guān)性,其中煤層瓦斯含量與震波波速具有線性相關(guān)關(guān)系,隨著煤層瓦斯含量的增加,煤層波速逐漸減小;瓦斯含量與煤層固有主頻值呈較好的線性相關(guān);瓦斯含量與煤層衰減系數(shù)呈對(duì)數(shù)相關(guān),與品質(zhì)因子呈線性相關(guān)。楊雙安等[31]假定煤層游離態(tài)甲烷富集區(qū)與固態(tài)煤系地層是一種典型的 （固相 +流相）雙相介質(zhì),利用基于雙相介質(zhì)的波動(dòng)方程理論,對(duì)現(xiàn)有的三維地震資料進(jìn)行再處理,認(rèn)為預(yù)測(cè)瓦斯富集區(qū)是可行的,并進(jìn)行了應(yīng)用嘗試[32]。楊永波等[33]利用三維地震資料及雙介質(zhì)理論對(duì)晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊礦瓦斯富集區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè),從預(yù)測(cè)結(jié)果看,符合煤層氣理論,同時(shí)符合地質(zhì)規(guī)律,為煤礦的安全生產(chǎn)進(jìn)行了有益的嘗試。崔若飛等[34]利用地震 P波對(duì)裂縫性地層所表現(xiàn)出的方位各向異性特征,根據(jù)地震屬性隨方位角變化可以預(yù)測(cè)裂隙發(fā)育方向和密度的基本原理,應(yīng)用多種地震 P波方位屬性預(yù)測(cè)裂隙發(fā)育帶。通過(guò)對(duì)淮南張集煤礦西三采區(qū)三維地震 P波資料的處理,獲得 6個(gè)方位地震數(shù)據(jù)體,從中提取多種與煤層和圍巖裂隙相關(guān)的地震屬性,并計(jì)算出裂隙的發(fā)育方向和密度,為確定瓦斯富集帶的分布提供了一種新的途徑。袁亮[35-37]提出并研究了煤與瓦斯共采技術(shù),并指出利用礦井坑透對(duì)開(kāi)采煤層中小斷層及裂縫發(fā)育帶進(jìn)行精確預(yù)測(cè),地震勘探 AVO技術(shù)[38],預(yù)測(cè)瓦斯的富集部位。綜合地質(zhì)和物探技術(shù),對(duì)礦區(qū)瓦斯的分布進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià),為瓦斯抽采治理提供可靠的技術(shù)依據(jù)。馮宏[39]總結(jié)出通過(guò)測(cè)量巖體物性差異預(yù)測(cè)瓦斯動(dòng)力賦存的地質(zhì)條件,測(cè)定物性差異體的三維空間位置可確定采礦作業(yè)的安全巖體隔離厚度等,認(rèn)為地球物理探測(cè)技術(shù)為防止煤礦瓦斯事故發(fā)生發(fā)揮著關(guān)健作用。

2.4 地?zé)釣?zāi)害的地球物理探測(cè)

隨著開(kāi)采深度的加大,地?zé)釋?duì)生產(chǎn)的影響已逐步加大,有些礦井,熱害問(wèn)題已經(jīng)成為制約安全生產(chǎn)、高產(chǎn)高效、和諧發(fā)展的瓶頸[40]。綜合地球物理方法在地面已有成功勘探的很多案例。應(yīng)勇等[41]根據(jù)在地?zé)峥碧街械厍蛭锢砀鞣椒ㄗ陨淼奶攸c(diǎn)和地球物理前提不同。比如,重力勘探適用于反映區(qū)域構(gòu)造,磁法適用于探測(cè)測(cè)區(qū)內(nèi)火成巖和侵入巖體的存在和分布特征,而電法對(duì)于勘探精細(xì)構(gòu)造和地層劃分特別是對(duì)于地層的電性特征的劃分具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)遙感解譯、重力勘探、磁法勘探、電法勘探等綜合物探技術(shù)在華東 J地區(qū)地?zé)峥碧街械膽?yīng)用,成功地探測(cè)出地層的地?zé)豳Y源分布,認(rèn)為單一的物探方法對(duì)于解決單一的地質(zhì)問(wèn)題可發(fā)揮重要作用,但從整體上考慮,綜合物探對(duì)地?zé)岬刭|(zhì)勘探的優(yōu)勢(shì)更趨顯著。金永念等[42]歷經(jīng) 1a張家港市西張鎮(zhèn)地?zé)峥辈?在項(xiàng)目的論證、調(diào)查工作中,充分應(yīng)用了包括重力、航磁、直流電測(cè)深、地溫測(cè)量、可控源音頻大地電磁測(cè)深等綜合物探方法,展示了物探多元信息技術(shù)在非溫泉出露地區(qū)地?zé)峥辈橹械挠行院椭匾?。認(rèn)為重力、航磁、直流電測(cè)深方法能快速有效地確定地?zé)峥辈榘袇^(qū),排除鉆遇火成巖體的風(fēng)險(xiǎn);可控源音頻大地電磁測(cè)深則能在地質(zhì)構(gòu)造推斷、地?zé)峋贿x擇方面發(fā)揮很好的作用,相信不久的將來(lái)也將會(huì)運(yùn)用到井下。

3 討論

深部采礦中遇到的主要問(wèn)題都可在分析其產(chǎn)生可靠的物性差異的基礎(chǔ)上,采用綜合地球物理勘探的方法加以解決。但要想使地球物理勘探這種方法能更好地為深部科學(xué)采礦發(fā)揮作用,筆者認(rèn)為目前必須要解決以下 3個(gè)問(wèn)題:

（1）要求克服井下相對(duì)嚴(yán)重的地球物理干擾場(chǎng),尤其是電法和瞬變電磁的干擾為甚。

（2）提高數(shù)據(jù)的采集效率,深部井下的環(huán)境使數(shù)據(jù)采集的困難比地面大的多。必須在短時(shí)間內(nèi)能夠采集到大量的數(shù)據(jù),因?yàn)榈厍蛭锢韺W(xué)在本質(zhì)上是一門(mén)觀測(cè)的科學(xué),故可靠信息與信息量的缺乏則是任何數(shù)學(xué)技巧和圖像處理所無(wú)法彌補(bǔ)的[43]。目前的電法數(shù)據(jù)采集方面有重要進(jìn)展,主要采用并行方法采集[44]:在同樣電極組合條件下,并行采集物理點(diǎn)的數(shù)據(jù)是隨著電極數(shù)量的增加而成二次拋物線增長(zhǎng),從而使電法勘探數(shù)據(jù)采集效率空前提高。

（3）數(shù)據(jù)處理方法:目前大部分的數(shù)據(jù)處理、反演,針對(duì)的是地面半空間的處理[45-49],而針對(duì)深部井下的三維全空間數(shù)據(jù)反演[50]涉及的很少。

4 結(jié)論與建議

（1）單一的物探方法可能解決深部的一些問(wèn)題,但綜合地球物理勘探技術(shù)有相當(dāng)大的優(yōu)越性,是進(jìn)行深部科學(xué)采礦的重要技術(shù)保障。

（2）為使綜合地球物理勘探技術(shù)更好地發(fā)揮作用,一方面深入分析深部問(wèn)題產(chǎn)生的可靠異常,選擇合適物探方法;另一方面需加強(qiáng)深部井下綜合地球物理勘探技術(shù)實(shí)踐、加大相關(guān)科研投入。

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Scientific Mining Deep Coal Resource Supported by Comprehensive Geophysical Prospecting Technology

HU Shui-gen1,2,ZHANG Ping-song1,YAN Jia-ping1
（1.The Earth and Environment School,AnhuiUniversity of Science&Technology,Huainan 232001,China;
2.MiningDepartment,Huainan Vocation Institute of Technology,Huainan 232001,China）

In deep coalmining,a series of difficult problemswould occur such as surrounding rock defor mation,rock-burst,coal and methane bursting,flood and heat damage.The problemswould result in rock and coal body’s physical properties variation,so comprehensive geophysical prospecting technologymight be used to predict the problems in deep mining.Comprehensive geophysical prospecting technology is an important technology for deep scientific mining.

comprehensive geophysical prospecting;deep resource;scientific mining

P631

A

1006-6225（2011）03-0031-04

2010-11-08

安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目 （2009SQRZ220）;淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)教科研項(xiàng)目 （HKJ08-1）

胡水根 （1975-）,男,安徽蕪湖人,在讀博士,主要從事地電學(xué)、工程和綜合地球物理勘探教學(xué)和科研工作。

[責(zé)任編輯:鄒正立 ]