淺析地球物理方法在勘察煤礦地質(zhì)災害中的應用

1、淺析地球物理方法在勘察煤礦地質(zhì)災害中的應用    2012-07-23     論文導讀:我國是地質(zhì)災害的多發(fā)國家之一,地質(zhì)災害種類多、分布廣、影響大、造成損失嚴重。煤礦地質(zhì)災害是地質(zhì)災害的一個重要組成部分。我國現(xiàn)在已是世界上最大的產(chǎn)煤國，每年產(chǎn)量高達35億噸，全世界有1/3的煤是從中國開采出來的。 這種過分依賴于煤炭的生產(chǎn)活動不僅對.    我國是地質(zhì)災害的多發(fā)國家之一,地質(zhì)災害種類多、分布廣、影響大、造成損失嚴重。煤礦地質(zhì)災害是地質(zhì)災害的一個重要組成部分。我國現(xiàn)在已是世界

2、上最大的產(chǎn)煤國，每年產(chǎn)量高達35億噸，全世界有1/3的煤是從中國開采出來的。這種過分依賴于煤炭的生產(chǎn)活動不僅對資源的可持續(xù)供應造成了很大壓力，而且由于開采技術(shù)和設備相對落后,導致礦山開采環(huán)境不斷惡化，特別是井工開采，如果不能及時回填和崩落采空區(qū),當其達到一定規(guī)模就會產(chǎn)生大面積塌陷，導致地表塌陷、河水斷流、地下水疏干枯竭、房倒屋裂、農(nóng)業(yè)歉收等采礦引發(fā)的地質(zhì)災害。煤礦地質(zhì)災害的種類及其危害在我國，煤礦地質(zhì)災害主要有滑坡、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重，在我國重點煤礦，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，中國歷年來煤炭開采造成的地表塌陷區(qū)累計已超過40萬公頃，每年形成的塌陷土地面積在1.52.0萬公頃，其中耕地占30%。再加上日益嚴重的礦區(qū)水土流失，破壞了大量不可再生的土地資源。中國富煤地區(qū)往往是貧水地區(qū)，全國重點礦區(qū)缺水的占71%，嚴重缺水的占40%。煤層頂部由于采動造成的裂隙對含水層自然疏干，導致礦區(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)過一系列的氧化、水解等反應，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嚴重污染地下水，影響居民生活飲用水的

4、安全。煤炭開采過程中的廢氣排放，嚴重污染大氣環(huán)境。煤炭開采過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，中國每年從礦井開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40%以上。矸石山自燃的排放嚴重污染大氣環(huán)境。煤礦地質(zhì)災害的地球物理特征利用物探方法勘查煤礦地質(zhì)災害，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。當煤層未被采動時,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太大，而且煤層與其頂?shù)装鍘r性上的差異是一個較為穩(wěn)定的波阻抗界面,具有良好的彈性波反射條件；當煤層被開采后，煤層在空間上的連續(xù)性被打破,采空區(qū)頂板垮落

5、，當采空區(qū)為坍塌物和空氣充填，無水或水很少時一般采空空間的電阻率較圍巖高，當采空區(qū)為坍塌物和水充填將導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,為開展電法工作提供了物性前提和解釋依據(jù)。同時，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,上覆地層的應力破壞較小,地層裂隙不發(fā)育,所以不利氡的運移,因此在地表覆蓋層中形成低氡濃度。氡值的差異反應了地下地質(zhì)環(huán)境的變化，指示了煤礦采空塌陷等地質(zhì)災害的區(qū)域、范圍和強度。應用物探方法勘查煤礦地質(zhì)災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)域應用非常廣泛。由于煤礦地質(zhì)災害的發(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、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，通過獲取的電參數(shù)來解決相關(guān)地

7、質(zhì)問題。該方法由于裝置的變換可以導出多種解決不同地質(zhì)問題的方法。目前，地質(zhì)災害調(diào)查中使用較多的是電測深法和在其基礎上利用多路電極轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)對供電與測量電極自動轉(zhuǎn)換的高密度測量系統(tǒng)，它們在巖溶、土洞、塌陷、滑坡、堤壩滲漏等地質(zhì)災害勘查中發(fā)揮了較好的作用。除反映災害地質(zhì)體與周圍介質(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，在電測深曲線和斷面圖上均呈現(xiàn)電阻率曲線扭曲和梯度變化，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志；尤其是高密度測量系統(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細小目標的能力，非常適合于堤防隱患探測和淺部巖溶、采空

8、區(qū)、塌陷、滑坡等地質(zhì)災害探測。電磁法是一種基于電磁感應原理的物探方法，利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期間，測量地下介質(zhì)的感應電磁場，電壓隨時間的變化。根據(jù)二次場衰減曲線的特征，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)問題。由于該方法屬于二次場觀測，故與其他電性方法相比，具有體積效應影響小、對地形、地物條件要求小、抗干擾能力強有體積效應小、縱橫向分辨率高、對低阻反應敏感等特點。同時，電磁勘探對地下良導電介質(zhì)具有較強的響應能力，適用于進行煤層頂?shù)装搴?隔)水層劃分、煤層陷落柱探測、斷層及裂隙發(fā)育帶導(含)水性評價等工作，是一種高

9、效、快捷的物探方法。采煤活動使得地下地質(zhì)體的橫向連續(xù)性遭到破壞,巖石中氡元素的運移和集聚作用發(fā)生異變,在地表面能測到氡值的異常。氡射氣元素向采空區(qū)運移,在采空區(qū)積聚,在地表形成一個與采空區(qū)形態(tài)相應的氡異常區(qū)。因此,可以通過測量地表氡元素的濃度(實際上是測量氡衰變所釋放的射線的強度)來準確圈定煤礦采空區(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構(gòu)造、裂隙、地下水搬運由深部向地表遷移，測量氡氣的濃度可間接反映地質(zhì)體的裂隙系統(tǒng)的情況，并可分析其開啟度、連通性及破碎程度,對預測滑坡能起到一定的指示作用。氡及其子體可以在地層中長距離運移，并且隨溫度的升高，煤巖中氡的析出量有規(guī)律的增加，因此能夠通過地面同位素測氡技術(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、信噪比和準確的空間歸位在煤礦地質(zhì)災害勘查中的應用日益廣泛。雖然物探方法眾多，但適用條件各不相同，在實際工作中應該結(jié)合煤礦特殊的地形地質(zhì)條件、勘探對象的地球物理特征等，選取適當?shù)姆椒?，以最小的?jīng)濟投入獲取最好的勘查效果。實踐證明，在煤礦地質(zhì)災害防治中使用綜合地球物理勘探方法對引起地質(zhì)災害的地質(zhì)原因進行查明，只要物性前提具備，工作方法選擇恰當，在理論上是可行的，實際工作成果也表明，可為煤礦防治地質(zhì)災害與地質(zhì)風險提供可靠的地質(zhì)資料。