煤礦深部開(kāi)采綜合地質(zhì)勘探方法研究

【摘要】深部開(kāi)采對(duì)煤田地質(zhì)勘探工作提出了新的要求，本文主要介紹煤炭資源的開(kāi)發(fā)過(guò)程中所采用的幾種地質(zhì)勘探方法，采用綜合的地質(zhì)勘探方式可以有效的探查煤礦礦區(qū)的地質(zhì)情況，為煤炭的后續(xù)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】煤礦；地質(zhì)勘探；深部開(kāi)采

目前，煤礦深部開(kāi)采中的地質(zhì)勘探技術(shù)是以地球物理方法為先導(dǎo)，其工作模式可分為三個(gè)層面：（1）井田范圍主要可采煤層開(kāi)采地質(zhì)條件評(píng)價(jià)；（2）采區(qū)地質(zhì)條件勘查；（3）綜采工作面地質(zhì)條件超前探測(cè)。

而從現(xiàn)今的發(fā)展方向來(lái)看，煤礦深部開(kāi)采地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展方向是將地球物理方法、基礎(chǔ)地質(zhì)勘探手段與地理信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。利用三維地震、瞬變電磁、礦井物探、地面鉆探和井巷工程等多元數(shù)據(jù)，查明采區(qū)內(nèi)斷層分布、煤層埋藏深度與厚度、巖溶裂隙發(fā)育帶的分布和隔水層厚度等。利用地理信息系統(tǒng)作為平臺(tái)建立礦井多元信息集成系統(tǒng)，把三維地震、瞬變電磁、礦井物探、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)等多元信息進(jìn)行復(fù)合、綜合分析后建立預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資料的信息化、數(shù)字化和可視化，為開(kāi)采地質(zhì)條件的快速評(píng)價(jià)、生產(chǎn)地質(zhì)工作的動(dòng)態(tài)管理、突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)變對(duì)策的制定提供技術(shù)支撐。

1.傳統(tǒng)水文地質(zhì)勘探

1.1方法

受巖溶承壓水威脅的礦井，底板突水是各類因素綜合作用的結(jié)果，突水機(jī)理主要包括：（1）巖溶裂隙水網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育情況，是發(fā)生底板突水的物質(zhì)基礎(chǔ)；（2）隔水層的厚度及巖性特征，是突水的制約因素；（3）采礦活動(dòng)造成底板的破壞，是底板突水的誘導(dǎo)因素；（4）斷裂構(gòu)造及原生構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度，是導(dǎo)致底板突水的關(guān)鍵因素；（5）水壓與礦壓的偶合作用也是導(dǎo)致底板突水的重要因素。因此，水文地質(zhì)條件的探查范圍包括了巖溶裂隙水網(wǎng)絡(luò)發(fā)育規(guī)律、隔水層的厚度及巖性變化、斷裂構(gòu)造及底板裂隙的發(fā)育規(guī)律及發(fā)育程度、含水層水位變化規(guī)律等。

1.2傳統(tǒng)方法的局限性

而任何一種單一的勘探方法，只能大致探明某一種突水因素，如：采用傳統(tǒng)的地面鉆探、抽水及注水試驗(yàn)，只能探明某一點(diǎn)的巖溶發(fā)育及富水情況，對(duì)于整個(gè)開(kāi)采范圍的富水規(guī)律難以有效的探明。另外，礦井突水是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，不可能用一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律進(jìn)行描述，也就是說(shuō)，隨著空間的變化，水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，各類突水因素在突水過(guò)程中的作用相互交替變化，如：斷層導(dǎo)水型突水，構(gòu)造的突水機(jī)理起到了主導(dǎo)作用，而底板破壞型突水，采礦動(dòng)壓是突水的關(guān)鍵因素。因此，要防止底板突水，就必須對(duì)各類突水因素進(jìn)行全面探查，有針對(duì)性的實(shí)施綜合治理，才能有效的防止水害事故的發(fā)生。對(duì)水文地質(zhì)條件的探查，采用單一的探查方法顯然是不夠的。

2.采用綜合方式進(jìn)行地質(zhì)勘探

2.1采區(qū)地面地震勘探

采區(qū)設(shè)計(jì)前，通過(guò)采用地面地震勘探手段，查明采區(qū)構(gòu)造形態(tài)和斷層發(fā)育規(guī)律，查明煤層賦存狀況及底板起伏形態(tài)，對(duì)影響開(kāi)采的含水層富水性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出水害防治措施，為采區(qū)設(shè)計(jì)提供可靠的地質(zhì)資料。

同時(shí)本階段的主要工作也是進(jìn)一步查明采區(qū)范圍內(nèi)的小構(gòu)造，包括落差5m左右的斷層、陷落柱和采空區(qū)的空間分布形態(tài)，根據(jù)采區(qū)銜接的要求，應(yīng)提前布置實(shí)施。現(xiàn)已成熟的探測(cè)技術(shù)包括三維地震勘探、瞬變電磁法、礦井直流電法和鉆探。地面物探方法較礦井物探方法施工簡(jiǎn)單，探測(cè)效率也高，但受到地表?xiàng)l件的限制。因此，在地表?xiàng)l件允許的前提下，三維高分辨率地震勘探技術(shù)是首選方法。

2.2微動(dòng)測(cè)深勘查

微動(dòng)是一種在時(shí)間域和空間域都極不規(guī)則的震動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)波動(dòng)理論，微動(dòng)記錄既包含有體波也包含有面波。由于在大多數(shù)情況下，微動(dòng)的震源是在地表面或海底面，在微動(dòng)中的面波成分相對(duì)于體波成分來(lái)說(shuō)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，微動(dòng)測(cè)深勘查方法就是利用這一占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的面波來(lái)反演地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。同時(shí)，依據(jù)觀測(cè)形式的不同微動(dòng)測(cè)深探查主要分為一下幾種形式：（1）單點(diǎn)勘查。單點(diǎn)勘查方式觀測(cè)臺(tái)陣，一般由兩個(gè)不同半徑的同心圓（內(nèi)接正三角形）組成，在圓心和圓周上內(nèi)接正三角形頂點(diǎn)處各設(shè)置一套微動(dòng)觀測(cè)儀。這種觀測(cè)方式勘查深度與臺(tái)陣的大小成正比。根據(jù)勘查深度的要求，可采用由3個(gè)或3個(gè)以上不同半徑的同心圓組成觀測(cè)臺(tái)陣；（2）測(cè)線勘查。在煤田勘查這種大面積勘探中，單點(diǎn)勘查已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求。可采用測(cè)線（剖面）觀測(cè)系統(tǒng)，獲得S波速度剖面成果圖。在測(cè)區(qū)內(nèi)按一定間距布置這樣的測(cè)線，可實(shí)現(xiàn)二維微動(dòng)測(cè)深勘探，并反演測(cè)區(qū)三維S波速度結(jié)構(gòu)，結(jié)合鉆孔及其它地質(zhì)資料，可進(jìn)一步解釋速度異常區(qū)域的地質(zhì)意義；（3）平面探查。在礦區(qū)或者要求更精細(xì)的勘探，在儀器數(shù)量足夠多的情況下可采用平面觀測(cè)，并反演測(cè)區(qū)三維S波速度體，從而圈出速度異常體或者面。

2.3井下鉆探及綜合物探

在放水試驗(yàn)對(duì)主要含水層的富水性達(dá)到宏觀控制（礦井、采區(qū)）的基礎(chǔ)上，對(duì)富水區(qū)的每一工作面，針對(duì)不同的條件，采用各種物探手段，探明局部導(dǎo)水構(gòu)造、隔水層變薄帶及局部富水帶，再用少量的鉆探手段進(jìn)一步驗(yàn)證，有針對(duì)性的重點(diǎn)布置注漿改造、疏水降壓等治水工程。

（1）井下直流電法透視：從大的范疇來(lái)說(shuō)，井下直流電法透視仍屬于礦井直流電法。其目的是探測(cè)采煤工作面內(nèi)部的導(dǎo)水構(gòu)造、底板含水層的集中富水帶。許多礦區(qū)的研究和試驗(yàn)證明，井下直流電法透視是探測(cè)水文地質(zhì)異常區(qū)最為有效的物探方法之一。（2）TEM探測(cè)：瞬變電磁法（簡(jiǎn)稱TEM），它是利用大功率的發(fā)射裝置向鋪設(shè)在地面的矩形線圈（或稱發(fā)射框）發(fā)送雙極性大電流，在電流開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生電壓脈沖，電壓脈沖的衰減產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)（即一次磁場(chǎng)）。一次磁場(chǎng)隨著時(shí)間的推移，在地下介質(zhì)中產(chǎn)生渦流。地下渦流的變化又生產(chǎn)二次磁場(chǎng)，由于不同地質(zhì)體其電性特征存在差異，其二次場(chǎng)的衰減亦存在差異。因此，通過(guò)研究二次場(chǎng)的衰減規(guī)律，可達(dá)到推測(cè)、分析地下地質(zhì)異常體的目的。TEM探測(cè)可以探測(cè)不同高程的相對(duì)富水區(qū)，以便有針對(duì)性的采取防治水措施。（3）彈性波CT：即地震層析成相技術(shù)，可以推測(cè)主要構(gòu)造的發(fā)育情況，但由于該項(xiàng)技術(shù)起步比較晚，還有待于進(jìn)一步完善提高。（4）瑞利波：利用瑞利波探測(cè)技術(shù)可以對(duì)掘進(jìn)巷道前方的地質(zhì)異常體，特別是斷裂構(gòu)造進(jìn)行超前探查，預(yù)防突遇斷層出水。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于探測(cè)前方構(gòu)造效果較好。

另外，通過(guò)坑透、槽波、脈沖干擾試驗(yàn)等手段，也可以探測(cè)地質(zhì)及水文地質(zhì)異常區(qū)。綜上所述，對(duì)于受底板巖溶水害威脅的礦區(qū)，對(duì)水文地質(zhì)條件的探查，應(yīng)以各種規(guī)模的放水試驗(yàn)為主要探查手段，以此為基礎(chǔ)，采用多種物探及鉆探手段，對(duì)局部的水文地質(zhì)異常區(qū)進(jìn)一步查明，達(dá)到相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，充分體現(xiàn)多種勘探方法的綜合效應(yīng)，可取得十分顯著的技術(shù)效果。

3.結(jié)論

煤礦開(kāi)采地質(zhì)勘探技術(shù)的發(fā)展方向是將地球物理方法、基礎(chǔ)地質(zhì)勘探手段與地理信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。利用三維地震、瞬變電磁、礦井物探、地面鉆探和井巷工程等多元數(shù)據(jù)，查明采區(qū)內(nèi)斷層分布、煤層埋藏深度與厚度、巖溶裂隙發(fā)育帶的分布和隔水層厚度等。利用地理信息系統(tǒng)作為平臺(tái)建立礦井多元信息集成系統(tǒng)，把三維地震、瞬變電磁、礦井物探、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)等多元信息進(jìn)行復(fù)合、綜合分析后建立預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資料的信息化、數(shù)字化和可視化，為開(kāi)采地質(zhì)條件的快速評(píng)價(jià)、生產(chǎn)地質(zhì)工作的動(dòng)態(tài)管理、突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)變對(duì)策的制定提供技術(shù)支撐。

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