地球物理方法在采矿中的应用.pdf

2 0 0 9 年 第6 期 量媳差 甜l枝 l 3 地球物理 方法在采矿 中的应 用 曹新奇， 冯小军， 张呈国 中国矿 业大学矿业工程学院， 江 苏 徐 州2 2 1 1 1 6 摘耍 采矿地球物理学是地球物理学的分支之一。 是用地球物理的方法来解决采矿现场的实际问题。随着我国煤炭资耀开采规模的扩大， 一些特殊的采矿 问题用传统的方法 已不能得到很好 的解决 ， 采矿地球物理方法的优越性显得尤为突 出， 其应用 前景也更加广 阔。 关键 词 采矿地球物理方法 采矿问题应用 中圈分类号 T D1 6 3 ． 1 ； P 3 文献标识码A Ge o ph y s i c s M e t ho d i s App l i e d i n M i n i n g C a o X i n q i ， Z h a n g C h e n g g u o， F e n g X i a o j u n S c h o o l o f Mi n e s C U MT ， J i a n g s u ， X u z h o u ， 2 2 1 1 1 6 Ab s t r a c t T h e mi n i n g g e o p h y s i c s is c 1iq e b r a n c h o f g e o p h y s i c s ， a n d i t i s t h e u s e o f g e o p h y s i c a l me t h o d s t o s o l v e p r a c t i c a l p r o b l e ms i n t h e mi n i n g s i t e Ex p l i t a t i o n o f c o a t r e s o u r c e s a s Ch i n a g e x p a n s i o n．a n umb e r o f s p e c i al i s s u e s o f t h e mi n i n g h a s n o t b e we l l r e s o l v e d b y t r a d i t i o n a l me t h o d，t h e s u p e r i o ri t y o f mi n i n g g e o p h y s i c al me t h ods wi l l b e c o me 1 1 1 0 1 p r o min e n t ，a n d it s p r o s p e c t s f o r b r o a d e r a p p l i c a t i o n ． Ke y wo r d s mi n i n g g e o p h y s i c al me t h od s mi n i n g i s s u e s a p p l i c a t i o n 地球物理学 是 以地球 为研 究对 象 的一 门应 用物 理学 。它是 由地震 学 、 地 磁 学、 地 电学 、 重 力 学 、 地 热 学 、 大地测量学、 大地构 造物理学 、 地 球动力 学 等基础 学科组成。地球物理学用物理学 的原理 和方法研究地 球的形状、 内部构造、 物质组成及其运动规律， 探讨地 球起源 、 形成以及演化 过程 ， 为维护 生态环 境 、 预测和 减轻地球 自然灾 害、 勘探与开发 能源和资源做 出贡献 。 地球物理学发 展 的总趋 势有两 种 一是 多学 科 的 综合 ， 二是加强 国际合作。从总体上来说 ， 不是 朝着对 个别事件和单学科 的观测与研究发 展 ， 而 是朝着 全球 性多学科的综合探测与研究发展 。 1 地 球物理 方法在 采矿 中的应 用 1 ． 1 在矿 山动力 问题 中的应用 矿山动力现象根据一般成因和机理， 可分为冲击 地压 、 煤 和瓦斯突出及顶板大面积来压 ， 其 中前 两者均 是煤岩体在应力作用下 地应力和气体压力 积聚能 量突然释放而形成的矿 山动力现象。矿 山动力 现象具 有 突发性和灾害 的严重性 ， 是采矿 中重 点研究 的 问题 之一 。 目前 ， 采矿中常用 的地球物 理方 法是 根据 煤岩 体 的能量辐射和地电场变化规律， 连续或即刻记录采矿 作业引起的震动现象， 以此可预测一定区域矿山动力 的危险性。具体应用如下 1 声波法预测。煤岩体的破坏过程伴随着裂隙 区域的变化， 对应着声波波长参数及其范 围的变化。 }收稿 日期 2 0 0 90 5 2 0 作者简 介 曹新奇 1 9 8 7一 ， 男 ， 2 0 0 6年进入 中国矿业 大学学 习， 现在就读 于中国矿业大学矿业工程学 院采矿工程。 声波方法主要是测量地震波在介质中的传播速度及其 振幅的阻尼系数等参数， 针对不同的问题， 选用不同的 参照标准， 根据测量声波参数异常变化分布规律， 即可 确 定煤岩层中的应力状 态 、 应力集 中程 度 以及 断裂 滑 移程度 。 2 声发射预测。煤岩体的变形和破断、 岩石的 相位滑动 、 摩擦 滑动及其 它力学 现象都会形成声 发射 信号 。声发射 预测主 要记 录发射频度 脉 冲数 量 、 一 定 时间 内脉冲数量 的总和 ， 以此来评价 局部震 动的危 险状态及随时间的变化 。 3 电磁辐射预测。电磁辐射是煤岩体等非均质 材料在受载情况下发生变形及破裂 的结果 。煤岩体受 载破裂时 ， 向外 释放 电磁 波 ， 通过 电磁 辐射仪 ， 可 以测 到煤岩体释放 电磁辐射 的强弱 ， 并 以电压的形式 反映 出来， 从而可以评价一定区域煤岩层的活动规律。 4 井下地 电法 。煤岩 体 中发生 动力现象 时 ， 地 电场特性也随之而改变。地电场不仅反映原生地质体 的因素 ， 而且还可以表明采 动应力集 中影响程度 、 瓦斯 运移动能和煤体破坏极限应力带宽度、 煤的孔隙率和 煤的强度等因素。地电场电势降落是发生矿山动力的 前兆 ， 因此根据地 电场 电势 的变化规 律可进行 矿 山动 力预测。 1 ． 2 在地 质 问题 中的应用 运 用地球物理方 法解决采 矿地质 问题 ， 基 本原理 仍是勘测地下介质的某些物理特性 密度、 磁化率、 电 阻率、 自然电位、 弹性、 介电常数、 放射性和地温等 的 差异， 探测的可靠性主要取决于目标与周围环境物理 特性 的对比度 、 目标的埋深及岩层 的特性等 。 采矿地球物理方法可提前认识煤矿地质规律。例 如 ， 雷达法可对煤层的构造区进行 探 下转第 l 5页 2 0 0 9 年 第6 期 童 堪晨 甜枝 1 5 频带一致 ， 与实际地震记录波组对应关 系良好。在对测 井资料分析的基础上， 选取与地震剖面频率相吻合的子 波进行合成地震记录的制作 ， 进而对煤层进行标定 。从 标定图2中可以看出， 合成记录和钻井旁地震道的对应 关系较好 ， 煤层底面对应一强波峰， 连续性好， 借助高分 辨率的反演剖面可以进行厚度识别 。 1 ． 3地质模 型建 立 建立尽可能接近实际地层情况的波阻抗模型， 是 减少其最终结果多解性的根本途径。建立波阻抗模型 实际上就是把地震界面信息与测井波阻抗正确结合。 初始模 型的横 向分辨率取决 于地震层位解 释的精细程 度 ， 纵向分辨率受地 震采样率 的限制 ， 为了较多地保 留 测井 的高频信息 ， 反 映薄层 的变化细 节 ， 通常要对地震 数据进行加密采样 。基 本方 法是 利 用解 释的层 位和 构造数据， 结合地层接触关系及其地震反射波信息， 建 立基本反映该区地质特征 的初始模 型。在此基 础上输 入时深转换后的测井数据， 根据反距离加权法对测井 数据进行内插和外推， 从而得到波阻抗模型数据。 1 ． 4 反 演成果 本次反演由于反射波 由 围岩到煤 层顶 板 ， 反 映为 高速到低速的过程 ， 其反射系数为负 ， 因此煤层 的顶板 反射为一负相位 的强 反射层 。同理 ， 反 射波 由煤层底 板到围岩为低速到高速的过程， 其反射系数为正， 底板 所对应的为一正相位的强反射层。在波阻抗数据体 上 ， 煤层表现低 阻抗 ， 煤厚 度轮廓 可清 晰的反 映 出来 。 从过井 Z K 1 9 1 5的剖面图 图 3 上可 以看出 ， 各煤层 的厚度 、 间距及其分叉、 合并， 为准确推断解释提供 了 依据。 Z 争 t 2结论 图3 波阻抗反演剖面图 采用 叠后 以模型为基础的反演方法做 出了反演 波 阻抗数据剖面 ， 通过波 阻抗 的变化直 观地反映 出煤层 厚度的变化趋势及规律 。反演成果能够较准确的预 测 出煤层厚度 、 煤层夹矸等丰富的地质信息 ， 为矿井 的设 计及采掘提供 了可靠 的依据。煤层岩性反演技术属前 沿性核心技术， 有待结合其它手段进行进一步的验证。 参考文献 [ 1 ]邹才能 张颖 等编著 油气 勘探开发实用地震新技术 石油工业 出版社 2 0 0 2 [ 2 ] 邓志文 著 复杂山地地震勘探石油工业出版社 2 0 0 6 上接 第 1 3页 测 和定 位 ， 如 确定 煤层 是否连 续、 出现 的断层侵蚀、 煤层冲刷、 分叉 、 尖灭等； 振动法可根据地 震波传播 的连续性 、 振 幅的变化 ， 来测定煤层 非连续表 面 断层面、 侵蚀面 。 采矿地球物理方法还 可以进行地质灾 害的预测预 报。采矿 中常见的地质灾 害有地 面沉 降 、 地 面塌陷、 地 裂缝 、 采空区、 煤层 自燃 、 岩爆 、 陷落柱等 。声波 法探 测 技术可用于查明地下岩溶、 古洞、 空洞、 矿区采空区等 的空间位置及规模， 固定破碎带位置和范围， 预测岩爆 等； 微重力方法可用 于探 测 近地 表岩 溶 、 洞穴 ， 探测废 矿 山巷道以及 规模较 小 的断裂 、 断层 等地质 构造 ， 探 测煤矿陷落柱及地下采 空 区。在 水库 、 矿 山巷道 可 以 用微重力动态监测因岩层受力变化而可能诱发的岩 爆 ， 它还可用于地面沉降及煤 田火区的监测 。 2 应 用前景 采矿地球物理是一门新兴的边缘学科 ， 其在采矿 中的研究和应用领域不 断扩大 。采矿 地球 物理除 了主 要用 于解决矿 山动力 、 地质等 问题外 ， 还可用 于评价矿 井灾害防治的效果 。由采矿地球物理方法在解 决采矿 安全生产 、 地质 等问题方 面的多样性 和有 效性 ， 以及解 决这些问题的先进性和优越性， 可以看出采矿地球物 理方法在解决采矿生产技术 问题方面的巨大潜力。 在采矿生产时， 采矿地球物理技术具有快速、 经济 和无二次污染的特点， 随着环境地球物理勘探仪器的 更新换代和性能的提高以及地球物理数据处理技术的 快速发展， 主要表现在仪器的理性化、 系统化和快速 化， 工作效率高、 分辨率灵敏度高， 信噪比也大大提高 等， 可以预测用于采矿现场作业的地球物理方法也将 会大幅度地提高， 地球物理方法将进一步用来解决采 矿 、 地质 、 安全 等方面 的复杂问题 。 参考文献 [ 1 ] 崔少飞， 岳建华． 煤田地球物理导论[ M] ． 徐州 中国矿业 大学出版社， 1 9 9 4 ． [ 2 ] 张少泉． 地球物理学概论[ M] ． 北京地震炭工业出版社， 1 9 8 8 ． [ 3 ] 窦林名， 谷德钟．采矿地球物理方法的应用前景[ J ] ． 第 六届全国采矿大会论文， 1 9 9 9 ． [ 4 ] 刘本培， 蔡云龙． 地球科学导论[ M] ． 北京 高等教育出版 社 ． 2 0 0 0 ．