煤礦地質保障中地球物理探測技術面臨的挑戰

吳瑞

摘要：近年來，隨著煤礦行業的不斷發展，我國淺表地層的煤炭資源逐漸呈現出縮減甚至枯竭的態勢，地表深部煤炭資源的開發利用已成為必然趨勢，文章從我國煤炭資源開采現狀，簡要探討了綜合物探技術在煤礦地質保障中的應用，然后具體論述了地球物理探測技術在煤礦地質保障中所面臨的挑戰，希望對我國煤炭行業的發展有所建樹。

關鍵詞：煤礦地質保障；地球物理探測技術；挑戰

引言

煤礦地質保障系統作為保障煤礦安全、高效開采的關鍵技術，國內外都已形成了較為完備的煤礦地質保障體系，但是隨著煤礦深部開采的推進，煤礦地質保障系統面臨著愈加嚴峻的挑戰。地球物理探測技術以其非接觸無損探測、成本低、速度快、信息量大、快速便捷等優勢，在煤礦地質保障體系中得到了廣泛應用，因此，對地球物理探測技術在煤礦地質保障中的應用有著十分重要的戰略價值。

1我國煤炭資源開采現狀

煤炭是我國能源結構中的重要組成部分，是我國社會生產生活正常運轉的重要保障。但是，對煤炭的長期開采，已使得我國煤礦區的淺部資源不斷減少，甚至枯竭。對國內120家礦井深度超過600m的大型煤礦企業進行調查，發現其中有70余家煤礦企業的礦井采深超過800m，超過10家煤礦企業的礦井采深進入1000m。據統計，這些煤礦企業延伸速度達8-12m/年，以此速度進行估計，20年后，我國礦井采深將超過1500m。

據第3次全國煤炭資源預測，全國含煤面積約60萬km2，近2/3煤田地質空白區中，大部分是深部區。過去對煤炭資源勘查主要集中在600m內，深部煤礦床地質勘查工作薄弱，已知信息少，勘查思路、技術手段和方法尚不成熟，煤炭資源賦存與開發地質條件的探測模式和綜合研究不夠深入，深部資源勘探和開采的風險大。

2綜合物探技術在煤礦地質保障中的應用

我國的地面物理探測方面眾多，除了當前較為成熟的只流電測深法、瞬變電磁法、地質雷達法等，還有高密度電阻率法、重磁勘探法、三維地震勘探法以及大地磁電阻率法等諸多探測方法，這些地面物探技術施工布置靈活，適于大面積、大深度、超前探查較大的地質異常體，但是受探測距離、地形影響等，其探測精度相對較低。礦井物探技術是為有效進行斷層、褶皺等井下小構造以及煤層厚度變化而采用的物探技術，探測距離小，但有著較高的分辨率，通常被用來進行近距離的超前探查與預測預報，但是受作業空間、電磁干擾影響等因素制約，具有較大的多解性。因此，在實際井下探測工作中，通常是應用地面物探技術與礦井物探技術相結合的方法進行超前地質探查。同時，我國的國家安全生產監督管理總局也明確提出了“地面普查與井下探查相結合，地面以宏觀控制為主，井下以精細控制為主”的技術原則。

3地球物理探測技術面臨的挑戰

3.1采區地質條件精細探查

采區是具有獨立生產系統的開采塊段，是煤礦生產的重要區域，對采區的地質條件勘查成果直接關系到采區的巷道、工作面布置、設計優化以及采煤工藝的選取等，有著較高的采取地質勘查精度要求，除了主采煤層埋深、狀態與厚度變化趨勢，還要查明落差5-8m以上的斷層、波幅5m以上的褶皺以及直徑15m以上的陷落柱等。其中，陷落柱是一種大小不一、高度各異、空間形態不規整并且具有較強隱蔽性的孤立地質體，是導致煤礦突水的重要因素之一，但是，對陷落柱的探測一直是我國地球物理探測的難點之一。根據煤礦探采對比結果的不完全統計，目前三維地震技術對于長軸直徑25m以上陷落柱解釋的準確率為40%-50%。顯然，這一探查精度遠不能適應煤礦高效安全開采地質保障工作的需求，因此，實現小型、隱伏陷落柱的精細探查，是實現東部礦區深部煤炭資源高效安全開采所必須面對和解決的技術難題。

3.2工作面地質條件超前探測

開機率是對煤礦工作面生產水平的綜合評價。我國是世界上最早開發和利用煤炭的國家之一，但是，我國的煤炭生產水平卻一直處于較為落后的狀態，根據相關統計，我國的綜采工作面的平均開機率僅為發達產煤國家的1/2，而造成開機率低的主要原因是采煤設備與工作面地質條件適應性差，工作面系統不可靠，事故停機率高。因此，在探明一個采區的地質條件后，應對采區布置進行優化，根據實際情況選擇綜采或者普采、炮采。同時，對于綜采或高檔普采工作面，在正式安裝或開采之前，首先要工作面周圍的地質條件進行超前探測，探測范圍為工作面前方或周圍50-300m，探測內容包括落差超過1/2煤厚的小斷層、導水通道、突水構造、直徑5-10m的陷落柱、老窯、采空區、巖漿巖體、富瓦斯變形煤體等。

需要注意的是，對于一些小型工作面開采、采動影響范圍較大的房柱式采煤留下的采空區，地面三維地震與瞬變電磁法的聯合應用雖然能有效圈定其采掘范圍及影響區域，但是，該方法并不能有效地判斷出穿采的單條巷道位置與范圍。煤礦井下直流電法、瞬變電磁與瑞雷波超前探測技術與裝備，適于掘進巷道前方采空區巷道的近距離高精度探測，但其解釋結果具有一定的多解性，尚需對其進行鉆探驗證。因此，在當前工作面地質條件超前探測工作中，綜合利用現有技術手段，超前、高精度地預先查明采空區分布范圍、賦存狀態等，是實現煤礦高效安全開采的重大需求，也給地球物理探測技術與裝備提出了新的挑戰。

3.3煤礦開采動力災害的預測

礦山動力災害包括礦山開采與地下工程活動誘發的沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水、斷層或陷落柱活化、頂（底）板“三帶”發育等，都是煤礦開采過程中常見的工程誘發災害。我國煤礦開采初期主要是對地表淺部煤炭資源的開采，此時巖石破裂失穩導致的動力災害并不明顯，但是，隨著開采深度的加大，地應力、水壓、地溫以及瓦斯等壓力劇增，造成地表深部的煤炭開采條件迅速惡化，煤礦開采動力災害日益加劇。由于煤礦井下開采擾動造成了原應力平衡狀態被打破、地應力場重新分布，在“應力平衡-應力失衡-應力重新分布-應力動態平衡”的過程中，有可能引起局部地段存在應力異常集中或突然卸載等現象，誘發煤與瓦斯異常突出、斷層活化、陷落柱激活和“三帶”發育等隱蔽動力地質災害的發生。但是，到目前為止，我國尚沒有有效進行煤礦動力災害預警的有效措施，隨著煤礦開采的不斷深入，圍繞上述動力災害的探測、監測、預測、預警問題是我國當前地球物理探測行業研究的重點。

結束語

總而言之，對地表深部的煤炭資源進行開采是我國煤炭行業發展的必然趨勢，但是，對著煤炭開采的不斷深入，煤礦開采所面臨的風險也愈加嚴峻，在煤礦地質保障方面，給我國的地球物理探測技術帶來了新的挑戰，對此，加強地球物理探測技術研究，理清制約深部煤炭資源安全開采的地質因素，對于優化配置深部煤層采區布置、強化煤礦地質保障有著十分重要的意義。

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