煤礦地質(zhì)災(zāi)害勘察中地球物理方法應(yīng)用分析

摘 要：煤礦是一種十分重要的地質(zhì)礦藏，對(duì)我們的生活和社會(huì)建設(shè)具有非常重要的作用。在煤炭的開采過程中我們必須要注意地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。當(dāng)前勘察煤礦地質(zhì)災(zāi)害的方法有很多，文章主要敘述地球物理方法在勘察煤礦地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用，希望能夠給相關(guān)人士一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：煤礦；地質(zhì)災(zāi)害；地球物理方法；能源；危害

引言

煤礦幾乎在世界范圍內(nèi)都有分布，而我國(guó)在世界上已經(jīng)成為了最大的出產(chǎn)煤炭的國(guó)家，每年的煤炭產(chǎn)量高達(dá)11.5×108噸，也就是說全世界四分之一的煤炭都是從我國(guó)地下挖出的。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭主要占71%，油氣占22%，其他能源占7%，這就使得依靠煤炭才能正常運(yùn)行的生產(chǎn)生活活動(dòng)除了要面對(duì)煤礦日益枯竭的事實(shí)，還要擔(dān)憂整體環(huán)境的改變所帶來的危害。我國(guó)煤炭開采的技術(shù)設(shè)備比較落后，煤炭企業(yè)管理和制度建立并不完善，這就導(dǎo)致在煤炭開采的過程中會(huì)引發(fā)大量的地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

1 煤礦地質(zhì)災(zāi)害的種類及其危害

地質(zhì)災(zāi)害的種類非常多，在我國(guó)因?yàn)槊禾块_采所導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害主要包括滑坡、坍塌、地面下城、瓦斯漏水或爆炸、煤礦所在區(qū)域的水土流失等問題，這不僅危害周圍人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，而且對(duì)環(huán)境也會(huì)造成很大程度的破壞。其中塌陷造成的危害程度最嚴(yán)重。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在我國(guó)重點(diǎn)煤礦中，出現(xiàn)坍塌的礦區(qū)面積占總礦區(qū)面積的十分之一。我國(guó)境內(nèi)中山西省是煤炭生產(chǎn)大省，同時(shí)也是出現(xiàn)坍塌問題最為嚴(yán)重的區(qū)域，全省共計(jì)1560平方千米土地，采空區(qū)就已經(jīng)高達(dá)208平方千米，占全省總面積的七分之一。我國(guó)全部采空區(qū)中已經(jīng)有6000平方千米的區(qū)域已經(jīng)遭受了煤礦引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而導(dǎo)致采空區(qū)上方的房屋、橋梁、山體出現(xiàn)斷裂和坍塌。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)歷年來由于煤礦開采導(dǎo)致的坍塌區(qū)域已經(jīng)累計(jì)超過了4000平方千米，其中耕地面積就占了30%。此外，不斷加快地水土流失速度，不僅破壞了土地資源，而且也會(huì)引發(fā)其他的環(huán)境問題。通常來說，我國(guó)煤礦富裕的地區(qū)也是水資源貧乏的地區(qū)，我國(guó)缺水的礦區(qū)占總礦區(qū)的71%，其中嚴(yán)重缺水的區(qū)域占40%。由于開采煤礦導(dǎo)致煤礦頂部的含水層慢慢變干，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)礦區(qū)的地下水位線下降，給礦區(qū)周圍居民的生活帶來很大的用水困擾。同時(shí)，因?yàn)榈叵旅簩右呀?jīng)遭到了破壞，使得大量的地下水滲入到礦井之中，而礦井正含有大量的煤粉等污染物，通過水解反應(yīng)，產(chǎn)生酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)滲入到地下水中，污染了地下水，嚴(yán)重危害到周圍居民用水安全。

2 煤礦地質(zhì)災(zāi)害的地球物理特征

對(duì)煤礦地質(zhì)災(zāi)害的測(cè)量有很多方式方法， 當(dāng)前最為常用的就是物探方法，這種方法主要依靠地下介質(zhì)層之間電性、密度、彈性等方面的差異，來判斷地下巖石層之間的變化，進(jìn)而判斷出可能出現(xiàn)的煤礦地質(zhì)災(zāi)害。具體來說，在煤層沒有被開采之前，整個(gè)地層是完整的，一定區(qū)域范圍內(nèi)的電性差異也不會(huì)很大，而每層和頂板、底板之間的差異也是一個(gè)比較穩(wěn)定的值，具有比較好的彈性。但是在煤層被開采之后，煤層的完整性遭到破壞，空間上的連續(xù)性不存在了，采空區(qū)和坍塌物之間被空氣所填充，那么在無水或者很少水的情況下，采空區(qū)的電阻率就會(huì)比周圍的巖石要高，而當(dāng)采空區(qū)中被水填充的話就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)采空區(qū)的電阻率下降。一旦這種均衡性被打破，那么就會(huì)在三維空間中以某種形成的規(guī)律呈現(xiàn)出來，既可以表現(xiàn)出局部的，也可以表現(xiàn)出區(qū)域性的異常，則就為電法工作的開展提供了依據(jù)。在這個(gè)區(qū)域的反射波被中斷以及頻率特征發(fā)生變化都能夠?yàn)殚_展地震勘探工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

氡是一種無色，無嗅，無味的惰性氣體，它具放射性，被認(rèn)為是致癌物質(zhì)，對(duì)長(zhǎng)期工作在礦區(qū)的采礦人員帶來很大的危害。在煤礦的采礦區(qū)域中，由于斷裂縫隙的出現(xiàn)，就容易聚集大量的氡，所以在采礦區(qū)的上部測(cè)量氡的數(shù)值非常高，而且在坍塌區(qū)域，因?yàn)榈孛娴乃菔沟玫乇砗拖旅娴牡貙又g相連，那么就會(huì)形成比較寬的裂縫，氡氣體就會(huì)向地表方向游動(dòng)，不過此時(shí)氡的保存條件并不好，所以氡的海量也就不高。在殘留的煤柱區(qū)域，因?yàn)槊簩拥目紫栋l(fā)育的并不好，所以上面的覆蓋層就不會(huì)產(chǎn)生很大的破壞性，這就不利于氡的游動(dòng)，所以地表只會(huì)殘留低濃度的氡。也就是說我們可以通過氡的差異性來查看地下地質(zhì)情況的變化，這也就能夠看出煤礦地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的范圍、強(qiáng)度等方面。

3 應(yīng)用物探方法勘查煤礦地質(zhì)災(zāi)害

高密度電法是近年來發(fā)展起來的物探方法，廣泛應(yīng)用于災(zāi)害調(diào)查及工程勘察中。它是一種直流電阻率法，應(yīng)用的地球物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，通過向大地供直流電，采用點(diǎn)陣式布電極，密集采樣觀測(cè)和研究電場(chǎng)的空間分布規(guī)律，和常規(guī)電阻率法一樣，它通過A、B電級(jí)向地下供電流I，在M、N極間測(cè)量電位差△u，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值PS=K△U/I，反演結(jié)果為二維視電阻率斷面圖。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率斷面進(jìn)行計(jì)算、處理、分析，從而獲得地層中的電阻率分布情況，以此劃分地層、圈閉異常、確定冒裂帶等。通過研究高密度電法獲得的數(shù)據(jù)資料，可以對(duì)災(zāi)害體的縱、橫向發(fā)展的規(guī)模有更深入的了解。

瞬變電磁法是一種基于電磁感應(yīng)原理的物探方法，利用不接地回線（大回線磁偶源）或接地線源（電偶源）向地下發(fā)送一次場(chǎng)，在一次場(chǎng)的間歇期間，測(cè)量地下介質(zhì)的感應(yīng)電磁場(chǎng)（二次場(chǎng)）電壓隨時(shí)間的變化。根據(jù)二次場(chǎng)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.由于該方法是純二次場(chǎng)觀測(cè)，故與其他電性方法相比，具有體積效應(yīng)影響小、對(duì)地形、地物條件要求小、抗干擾能力強(qiáng)有體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高、對(duì)低阻反應(yīng)敏感等特點(diǎn)。同時(shí)，瞬變電磁勘探對(duì)地下良導(dǎo)電介質(zhì)具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，適用于進(jìn)行煤層頂?shù)装搴ǜ簦┧畬觿澐帧⒚簩酉萋渲綔y(cè)、斷層及裂隙發(fā)育帶導(dǎo)（含）水性評(píng)價(jià)等工作，是一種高效、快捷的物探方法。

采煤活動(dòng)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(yùn)移和集聚作用發(fā)生異變，在地表面能測(cè)到氡值的異常。氡射氣元素向采空區(qū)運(yùn)移，在采空區(qū)積聚，在地表形成一個(gè)與采空區(qū)形態(tài)相應(yīng)的氡異常區(qū)。因此，可以通過測(cè)量地表氡元素的濃度（實(shí)際上是測(cè)量氡衰變所釋放的僅射線的強(qiáng)度）來準(zhǔn)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(yùn)由深部向地表遷移，測(cè)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(duì)預(yù)測(cè)滑坡能起到一定的指示作用。

不論是二維地震檢測(cè)方法還是三維檢測(cè)方法都是通過大量的信息、比較高的分辨率以及準(zhǔn)確的空間定位來進(jìn)行檢測(cè)，這兩種方法在地質(zhì)災(zāi)害勘察中應(yīng)用的范圍比較廣泛，物探的方法很多，適用的條件也不一樣，在實(shí)際的檢測(cè)過程中應(yīng)該根據(jù)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地球物理特征等方面，選擇最佳的檢測(cè)方法，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)投入最小化，獲得最好的勘察結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前我國(guó)煤礦開采技術(shù)也在不斷提高，但是我國(guó)仍然需要關(guān)注煤礦地質(zhì)災(zāi)害的情況，避免無可挽回的事故。無論使用哪種方法來檢測(cè)煤礦地質(zhì)災(zāi)害，其最終目的就是為了保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)。