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我國是一個能源大國，在能源結構中，煤炭占到70以上，但由于特殊的原因，在我國煤礦生產和建設中，發生了大量的煤礦地質災害，造成了極大的經濟損失和嚴重的人員傷亡。因此，利用科學手段有效防治煤礦地質災害勢在必行。

1煤礦常見地質災害及其地球物理特征

我國的煤礦地質災害主要有礦井突水災害、煤與瓦斯突出災害、陷落柱、斷層、采空區、塌陷等。地球物理勘探方法研究煤礦地質災害，主要是通過研究地質體的物性(電性、密度、彈性、放射性等)差異來解決相應地質問題。

(1)礦井地質災害中的陷落柱問題。陷落柱是一種重要的煤礦地質災害，為我國北方煤礦機械化綜采的主要障礙之一，在綜采前探明采區陷落柱的位置和分布具有重要意義。一般認為陷落柱的發育與奧陶系灰巖的古巖溶密切相關，巖溶裂隙在水化學溶蝕和水動力作用下不斷發育和擴大，其周圍地層受重力作用而塌落下沉口]。通常陷落柱為地下水的良好通道，易誘發礦井水患，同時，其破壞了煤層的連續性，影響著煤礦生產工作的正常進行。煤礦陷落柱在平面上是一個封閉的、形態各異的擬圓形、橢圓形等，在空問上呈漏斗狀、柱狀、串珠狀、桶狀等。陷落柱由塌陷巖塊堆積組合而成，與周圍正常巖層相比，坍塌巖塊大小懸殊、棱角分明、形狀各異、比較松散、成分復雜，在陷落柱與煤層或圍巖的接觸邊界兩側存在著明顯的密度、電性、速度、波阻抗、放射性等物性差異。因此，可以采用地震、電法、無線電波透視、重力等手段研究這些物性差異，達到探測煤礦陷落柱的目的。

(2)礦井地質災害中的采空區及塌陷區問題。在煤層采空區，因巖體垮落破碎，區域構造、煤體結構、含水度等發生變化使得采空區、冒落帶及裂隙帶表現出較強的物性異常，為利用物探技術探測采空區提供了物理前提。其物性變化復雜，受冒落帶及裂隙帶范圍、含水程度、圍巖巖性及充填性等多種因素的影響。對于發育程度低的冒落帶、裂隙帶，其電阻率高、波速低。當采空區充水時，其表現出低阻特征；當采空區不充水或充水少時，又表現為高阻特征。而且，在煤礦開采的不同階段中，冒落帶、裂隙帶的發育程度、采空區充填性及含水程度也常發生較為顯著的變化，采空區物性也處于不斷變化的過程中。

(3)礦井地質災害中突水問題。礦井突水是礦井在掘進或工作面回采過程中，巖層的天然平衡被破壞，周圍水體通過斷層、溶洞、溶穴、陷落柱、隔水層和巖層的薄弱處進入采掘工作面而形成的出水事故，嚴重威脅礦山工程和礦井生產安全。巖石孔隙、裂隙是含水的，隨著巖石的濕度或飽和度的增加，電阻率急劇下降。當斷層、溶洞、溶穴或陷落柱為水充填時，將導致這些區域的電阻率較圍巖低，于是區域水平方向電性的均一性被打破。當其在三維空間上的規模達到一定程度時，電阻率在縱向上的變化規律也會被打破，從而表現出局部的、區域性的電性異常，為開展電法工作提供了物性前提和解釋依據。通過電測深和高密度電法等方法測量區域地質體的視電阻率的變化規律，反演地質體富水規律，為研究區域縱橫向水力聯系提供條件。

(4)礦井地質災害中的煤與瓦斯突出問題。煤與瓦斯突出是煤礦開采中經常發生的一種破壞性較強的地質災害，嚴重威脅著煤礦生產安全。瓦斯突出易發區域一般斷層、褶皺等構造發育，煤層層理紊亂，煤體結構破壞嚴重，煤質松軟酥碎，強度低，煤體孔隙度大，裂隙發育。這些因素造成煤體物性發生變化，表現為瓦斯突出煤體與非突出煤體間電性存在差異，為利用電法確定瓦斯突出煤體提供理論上的可能性；煤的密度、彈性模量和泊松比等物性參數也發生變化，可以通過超聲波探測方法研究這些物性參數差異來預測瓦斯突出。同時，煤與瓦斯突出是一種復雜的動力學破壞過程，在這一過程中動力現象激發了包括具有明顯熱效應在內的各類電磁輻射，因此，可以依據煤體的能量輻射預測煤與瓦斯突出。

2應用地球物理方法勘查煤礦地質災害

(1)直流電測深法。直流電測深法是一種研究巖石和礦石視電阻率的方法，以地下介質間的導電性差異為研究前提。其理論基礎和常規電阻率法相同，通過供電電極AB向大地供直流電，在測量電極MN間測量地表面電位差△U，進而求得該測點的視電阻率，一K△U／f。該方法采用在同一測點上不斷加大供電電極距AB的方式，使得勘探體積和勘探深度不斷增大，從而獲得不同深度的視電阻率值，達到研究測點電阻率沿深度的變化規律。根據電阻率值反演出二維視電阻率斷面圖，由此推斷出測點地層劃分、冒裂帶以及圈閉異常等，達到測深、找礦和解決其他地質問題的目的[2]。直流電測深法原理見圖1。直流電測深法具有對查找巖溶水(低阻異常)、含水構造較靈敏的優點，對診斷煤礦地質災害中的水患有較大優勢。煤礦地質災害中的陷落柱、采空塌陷區往往富含地下水或礦井水，采用直流電測深法能夠較精確地探查含水性陷落柱及采空塌陷區；當然，對于非含水性的陷落柱及采空塌陷區，通過結合其他探方法也能取得較好的探查效果。直流電測深法是一種傳統的傳導類物探方法，受電流強度的限制，直流電測深法的有效探查深度一般在100~200m以內。實踐證明，電測深法在淺層地質災害探查中有良好的地質效果，隨著高精度、強抗干擾電測深儀器的深人研究與投入使用，直流電測深法將發揮著更加重要作用。

(2)瞬變電磁法。瞬變電磁法(簡稱為TEM法)是近幾十年迅速發展起來并廣為應用的一種新的電磁法。它是一種時間域人工電磁感應方法，它利用通電接地導線或不接地導線為場源向地下發送一次脈沖場，在一次場的間歇期間探測目標體感生的二次電流產生的二次場隨時間的變化響應[3]。根據二次場的變化規律，可以判斷地下地質體的電性、產狀、規模等，從而為解決斷層、陷落柱、采空區等問題提供幫助。該法具有分辨率高，對低阻地質體反映靈敏，受地形影響小，勘探深度大等優點，對查明含水地質體有較強的精確度。煤礦采空后，在冒落帶、斷裂帶、變形彎曲帶巖石的完整性、連續性被破壞，巖層破碎并出現大量的裂隙和空隙，使該處表現出高阻特性。當地下水充填采空區或地表水沿裂縫向采空區滲漏時，其電阻率將明顯發生變化，與圍巖電性相比其電阻率較低?；谝朁c視電阻率，得到電阻率與深度的曲線，然后繪制出各條測線的視電阻率斷面圖，通過分析各條測線的視電阻率斷面圖，推斷出采空區位置、大小等。同時，在煤礦陷落柱探測、煤層頂底板含(隔)水層劃分、斷層及裂隙發育帶的探查中，瞬變電磁法也具有令人較為滿意的探測效果。

(3)地質雷達法。地質雷達技術是近年來發展迅猛的一種高科技地學技術，隨著微電子工藝的迅速發展，地質雷達逐漸走向高精度化和便攜化，廣泛應用于環境、煤礦地質和工程探測中。地質雷達利用以短脈沖形式的高頻電磁波，通過發射天線T從地面發送到地下，經過地層或目標體的反射返回到地面，再用一接收天線R進行接收，通過分析接收到的反射波的走時、位置等參數，研究地下目標體結構。發射雷達測深原理見圖2。在探測小構造以預測煤與瓦斯方面，該法優勢明顯，利用坑道雷達在煤層中進行構造探測，可識別較小目標體，在識別小斷層上準確率也相對較高，且其是非接觸式勘探方法，不依賴于鉆孔工程，具有無損性。我國煤科總院重慶分院于1995年研制出了探測瓦斯突出地質構造的地質雷達(KDI系列)，探測距離達60m以上，同時，該套儀器在地面工程中空洞、溶洞、滑坡面、暗河、塌陷區等方面探測效果良好，已被廣泛運用。

(4)其他地球物理勘探法。地球物理勘探方法眾多，除上述三種方法外還有重磁勘探法、高密度電率法、大地磁電阻率法、三維地震勘探法等，它們各自在解決特定的地質問題方面有著不同的優勢。目前，應用較多的有三維地震勘探法、重力勘探法以及高密度電阻率法。三維地震勘探法因其勘探精度高而被廣泛應用于研究大型、復雜地質構造，但其成本高，資料解釋復雜。重力勘探法是近年來發展較為迅猛的一種方法，廣泛運用于探明隱伏地區的含煤構造，追索煤層露頭和控制斷層，探測井下斷層以及圈定含煤巖系的巖漿巖體等地質災害探查問題。高密度電阻率法是一種自動化的電測深法，與傳統的電測深法相比，該法具有采集的數據量大、測量自動化、資料解釋較精確等優點，是一種前景廣闊的物探方法。

3小結

實踐表明，物探資料的解釋結果能達到7O～8O的準確率，能夠查清絕大部分的地質災害問題[4]。在實際工作中要因地制宜，選取合適的物探方法，當資料解釋結果不能滿足要求時可以輔以其他物探方法，相互驗證，以提高資料解釋的準確率。相信隨著計算機和微電子技術的不斷發展以及地球物理理論的不斷成熟，在煤礦地質災害的勘查中，地球物理勘探方法將會發揮更大的作用。