矿井地球物理勘探

第三册矿井地球物理勘探

39 矿井物探概述

39 .1 矿井物探的意义

我国能源发展战略是：坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展。因此，煤炭作为主体能源的地位将在很长一段时间内保持下去。而我国以地下采煤为主，开采技术条件复杂，其中地质条件是制约采掘机械化、井下作业环境和煤矿企业可持续发展的主要因素。随着科学发展观在煤矿企业的落实，以及国民经济快速发展对能源需求的骤增，一批高产高效矿井正在建设或陆续投产，一是要求在探测的采区内在地面选择适宜的勘查手段，如：地面高分辨二维和三维地震勘探，电法对采区进行探测，为采区规划设计提供地质依据。二是在大型重达上千吨综采设备安装前或采区开采前，在矿井下查明与控制工作面内一切地质异常体，如：小断层和小褶曲、煤层厚度变化、煤层冲刷、剥蚀、煤层分叉、合并与尖灭、陷落柱、岩浆岩侵入煤层变焦、瓦斯涌出、岩溶及老空空间分布、可能的涌水点及通道、顶底板富水情况、顶板与围岩的稳定性等等。

这些地质异常即使规模小，如果不及时超前探查，不但造成采掘系统布局不合理，资源浪费，还直接影响高产高效工作面的持续开采及矿井水害的有效防治，更甚者危及整个矿井和矿工安全。一旦发生问题，损失巨大。由于一个等于煤厚小断层存在，导致工作面无法正常推进，设备被迫搬迁，经济损失惊人。例如联邦德国约有20%左右综采面都遇到没有预料到的地质破坏；前苏联有三分之一综采工作面，因地质条件变化而被迫搬迁。另外，众多的地方小煤矿，多数开采零星的煤田边角，原勘探程度低，构造相对复杂，给矿井采区设计和采掘造成很大影响。据不完全统计，1955年至2002年四十余年来，全国煤矿发生300m3/h以上突水达893次，淹没矿井398次，造成直接经济损失达十亿元。例如：1984年6月，开滦范各庄煤矿2171综采工作面发生充水陷落柱透水灾害，突水高峰期11h，平均涌水量达123180m3/h，仅21h淹没年产300万吨的整个矿井，8天

后又淹没了吕家坨矿。经济损失达4亿元。1993年肥城矿业集团国家店矿-210北大巷突水，涌水量32970m3/h，6个半小时矿井淹没，且株连相邻的南高等矿和兴隆矿，经济损失达1.1亿元。1996年皖北煤电公司任楼煤矿7222工作面突水，水量达34570m3/h，由于岩溶性陷落柱突水处水源充足，总水量达30万m3，不到48小时将整矿井淹没，经济损失达数亿元。

在新形势下，仅靠传统的地质方法，查明矿井地质问题是不可能的。如：钻探及巷探是直接观测法，优点是能够直观观测被研究的地质体，结论是明确单一的，缺点是观测经常是不连续的，矿井地质人员通过内插或外推得出的结论有较大误差，甚至导致结论错误。即使运用当前普遍使用的采区高分辨三维地震勘探方法，要全部查明落差几米的小断层及其它规模较小的地质异常，仍极其困难。因此，综合运用各种物探方法在地面或矿井下煤层附近探测地质异常，以及与采矿有关的工程地质问题，是矿井地质工作者首选手段。尽管所有物探方法其手段都是间接的，存在多解性和不完备性，但近几十年来，随着物探仪器实现了数字化和智能化，其方法和技术日臻完善，应用范围不断扩大，运用计算机快速多手段处理和解释井下采集的各种物探数据，多种物探资料结合矿井地质等资料综合解释，大大地克服了多解性，取得了明显的地质效果。矿井物探已成为矿井地质工作中不可缺少的手段。

39.1.1矿井物探的概念

地球物理勘探geophysical prospecting 是地球物理的一个分支，又称应用地球物理或勘查地球物理，简称物探。它是用物理的原理研究地壳浅层的物理性质及地质构造，从而寻找与勘查有用矿床及解决其它地质问题的科学分支。物探方法的物理基础是地壳中存在许多物理性质不同地质体或分界面，它们在空间产生了天然物理场，如：重力场、地磁场、地热场及放射性场等，或者人工物理场，如：人工电场、电磁场；人工地震波时间场；弹性位移场的局部变化的异常场，物探工作者在空中、地面、钻井中或矿井内用各种仪器自动采集观测这些物理场的变化数据，通过计算机分析研究所采集的物探资料，推断解释地质构造和矿产分布情况。

物探方法按所利用物理场的不同分为：重力、磁法、电法、地震、地热及放射位等六种勘探方法。也可按观测对象或工作空间的不同进行分类，如下表：

煤田地球物理勘探的观测对象包括煤田地质勘探及矿井地质的观测

中的大部分内容，其分类见下表：

矿井地球物理勘探，简称矿井物探，是用于矿井地质勘查的各种地球物理勘查方法的总称。

它可以在地面和矿井中进行，地面物探主要任务一是在新建矿井中，为采区规划设计和先期采区设计提供详细的地质依据；二是在生产矿井中为工作面、井巷工程合理布置和采煤工艺的选择提供详细地质资料。地面物探施工简单，探测效率高，设备对环境的要求低，由于装备和物探技术的进步，在地形条件复杂的矿区，如：丘陵、山区、沙漠、湖泊水域等也取得了良好地质效果。井下物探主

要任务是在采煤设备安装或开采前，查明或控制工作面内一切地质异常。一般在巷道内以煤层为主要探测对象，与地面物探相比，它具有探测目标近，物探异常明显而突出，分辨率高，方法多样，运用灵活，探测范围大的优点，但在多数情况下，从数据采集、处理和解释各环节必须考虑全空间问题等特点。

39．1．2 矿井物探发展概况

地球物理勘探产生于二十世纪二十年代初，法国Corad和Marcei Schlumberger首创电法勘探技术，地震勘探方法最早的折射波法（1919~1921年），二十世纪三十年代美国地球物理工作者第一次用地震反射资料绘制出得克萨斯Ltberty地区盐丘图。随后十年重力、磁法、电磁波法、测井以及海洋物探也得到了发展。为适应第二次世界大战的紧急需要，众多物探方法用于探查矿产、潜水艇和火力阵地。其后物探基础理论，电子学、计算机和信息处理等学科飞速发展，给物探技术发展提供了强有力技术支持。我国物探技术是从1939年开始的，当时，物探老前辈翁文波先生从英国伦敦大学获得哲学博士学位回国后，在原中央大学物理系开设地球物理课程，培养物探人才。1940年用自制的双磁针不稳定式磁力仪在天门油矿和四川沟气矿进行了重力试验。建国后，1951年石油部门成立我国第一个地震队。煤炭部门于1954年8月组建煤炭系统第一个电法队（地面电法队）开始煤田测井，随后1955年在河北唐山开滦煤矿建立第一个地震队，五十年来全国地震队伍已发展到几十个，特别是80年代以来，由于数字地震仪的引进，道数不断扩展，多次覆盖、高分辨率地震和三维地震勘探的普及、资料处理和人机联作解释系统的发展，使煤炭物探技术在煤田勘探和煤矿生产中发挥着愈来愈重要的作用。矿井物探研究和应用始于二十世纪六十年代，四十年来，各产煤国家根据自身地质特点发展了不同物探方法。我国矿井物探起步较晚，近三十年来，矿井物探得到迅速发展，取得了显著的地质效果，但总体来看，我国矿井物探技术尤其是物探设备方面与世界先进水平还有一定差距。

矿井物探方法很多，较为有效和常用方法主要为无线电透射法、高分辨二维和三维地震勘探、槽波地震勘探、矿井直流电法、地质雷达和声波探测等方法。

煤矿地震勘探，1975年唐山煤矿与重庆煤研所合作用瑞典六道轻便地震仪，用锤击震源在井下进行了折射波法试验，在厚度1.47~8m煤层中，测出的煤厚绝对误差平均为0.25m，尽管探测深度很小，但试验初步成功对各煤矿都有一定意