煤矿地质保障中地球物理探测技术面临的挑战

吴瑞

摘要：近年来，随着煤礦行业的不断发展，我国浅表地层的煤炭资源逐渐呈现出缩减甚至枯竭的态势，地表深部煤炭资源的开发利用已成为必然趋势，文章从我国煤炭资源开采现状，简要探讨了综合物探技术在煤矿地质保障中的应用，然后具体论述了地球物理探测技术在煤矿地质保障中所面临的挑战，希望对我国煤炭行业的发展有所建树。

关键词：煤矿地质保障；地球物理探测技术；挑战

引言

煤矿地质保障系统作为保障煤矿安全、高效开采的关键技术，国内外都已形成了较为完备的煤矿地质保障体系，但是随着煤矿深部开采的推进，煤矿地质保障系统面临着愈加严峻的挑战。地球物理探测技术以其非接触无损探测、成本低、速度快、信息量大、快速便捷等优势，在煤矿地质保障体系中得到了广泛应用，因此，对地球物理探测技术在煤矿地质保障中的应用有着十分重要的战略价值。

1我国煤炭资源开采现状

煤炭是我国能源结构中的重要组成部分，是我国社会生产生活正常运转的重要保障。但是，对煤炭的长期开采，已使得我国煤矿区的浅部资源不断减少，甚至枯竭。对国内120家矿井深度超过600m的大型煤矿企业进行调查，发现其中有70余家煤矿企业的矿井采深超过800m，超过10家煤矿企业的矿井采深进入1000m。据统计，这些煤矿企业延伸速度达8-12m/年，以此速度进行估计，20年后，我国矿井采深将超过1500m。

据第3次全国煤炭资源预测，全国含煤面积约60万km2，近2/3煤田地质空白区中，大部分是深部区。过去对煤炭资源勘查主要集中在600m内，深部煤矿床地质勘查工作薄弱，已知信息少，勘查思路、技术手段和方法尚不成熟，煤炭资源赋存与开发地质条件的探测模式和综合研究不够深入，深部资源勘探和开采的风险大。

2综合物探技术在煤矿地质保障中的应用

我国的地面物理探测方面众多，除了当前较为成熟的只流电测深法、瞬变电磁法、地质雷达法等，还有高密度电阻率法、重磁勘探法、三维地震勘探法以及大地磁电阻率法等诸多探测方法，这些地面物探技术施工布置灵活，适于大面积、大深度、超前探查较大的地质异常体，但是受探测距离、地形影响等，其探测精度相对较低。矿井物探技术是为有效进行断层、褶皱等井下小构造以及煤层厚度变化而采用的物探技术，探测距离小，但有着较高的分辨率，通常被用来进行近距离的超前探查与预测预报，但是受作业空间、电磁干扰影响等因素制约，具有较大的多解性。因此，在实际井下探测工作中，通常是应用地面物探技术与矿井物探技术相结合的方法进行超前地质探查。同时，我国的国家安全生产监督管理总局也明确提出了“地面普查与井下探查相结合，地面以宏观控制为主，井下以精细控制为主”的技术原则。

3地球物理探测技术面临的挑战

3.1采区地质条件精细探查

采区是具有独立生产系统的开采块段，是煤矿生产的重要区域，对采区的地质条件勘查成果直接关系到采区的巷道、工作面布置、设计优化以及采煤工艺的选取等，有着较高的采取地质勘查精度要求，除了主采煤层埋深、状态与厚度变化趋势，还要查明落差5-8m以上的断层、波幅5m以上的褶皱以及直径15m以上的陷落柱等。其中，陷落柱是一种大小不一、高度各异、空间形态不规整并且具有较强隐蔽性的孤立地质体，是导致煤矿突水的重要因素之一，但是，对陷落柱的探测一直是我国地球物理探测的难点之一。根据煤矿探采对比结果的不完全统计，目前三维地震技术对于长轴直径25m以上陷落柱解释的准确率为40%-50%。显然，这一探查精度远不能适应煤矿高效安全开采地质保障工作的需求，因此，实现小型、隐伏陷落柱的精细探查，是实现东部矿区深部煤炭资源高效安全开采所必须面对和解决的技术难题。

3.2工作面地质条件超前探测

开机率是对煤矿工作面生产水平的综合评价。我国是世界上最早开发和利用煤炭的国家之一，但是，我国的煤炭生产水平却一直处于较为落后的状态，根据相关统计，我国的综采工作面的平均开机率仅为发达产煤国家的1/2，而造成开机率低的主要原因是采煤设备与工作面地质条件适应性差，工作面系统不可靠，事故停机率高。因此，在探明一个采区的地质条件后，应对采区布置进行优化，根据实际情况选择综采或者普采、炮采。同时，对于综采或高档普采工作面，在正式安装或开采之前，首先要工作面周围的地质条件进行超前探测，探测范围为工作面前方或周围50-300m，探测内容包括落差超过1/2煤厚的小断层、导水通道、突水构造、直径5-10m的陷落柱、老窑、采空区、岩浆岩体、富瓦斯变形煤体等。

需要注意的是，对于一些小型工作面开采、采动影响范围较大的房柱式采煤留下的采空区，地面三维地震与瞬变电磁法的联合应用虽然能有效圈定其采掘范围及影响区域，但是，该方法并不能有效地判断出穿采的单条巷道位置与范围。煤矿井下直流电法、瞬变电磁与瑞雷波超前探测技术与装备，适于掘进巷道前方采空区巷道的近距离高精度探测，但其解释结果具有一定的多解性，尚需对其进行钻探验证。因此，在当前工作面地质条件超前探测工作中，综合利用现有技术手段，超前、高精度地预先查明采空区分布范围、赋存状态等，是实现煤矿高效安全开采的重大需求，也给地球物理探测技术与装备提出了新的挑战。

3.3煤矿开采动力灾害的预测

矿山动力灾害包括矿山开采与地下工程活动诱发的冲击地压、煤与瓦斯突出、突水、断层或陷落柱活化、顶（底）板“三带”发育等，都是煤矿开采过程中常见的工程诱发灾害。我国煤矿开采初期主要是对地表浅部煤炭资源的开采，此时岩石破裂失稳导致的动力灾害并不明显，但是，随着开采深度的加大，地应力、水压、地温以及瓦斯等压力剧增，造成地表深部的煤炭开采条件迅速恶化，煤矿开采动力灾害日益加剧。由于煤矿井下开采扰动造成了原应力平衡状态被打破、地应力场重新分布，在“应力平衡-应力失衡-应力重新分布-应力动态平衡”的过程中，有可能引起局部地段存在应力异常集中或突然卸载等现象，诱发煤与瓦斯异常突出、断层活化、陷落柱激活和“三带”发育等隐蔽动力地质灾害的发生。但是，到目前为止，我国尚没有有效进行煤矿动力灾害预警的有效措施，随着煤矿开采的不断深入，围绕上述动力灾害的探测、监测、预测、预警问题是我国当前地球物理探测行业研究的重点。

结束语

总而言之，对地表深部的煤炭资源进行开采是我国煤炭行业发展的必然趋势，但是，对着煤炭开采的不断深入，煤矿开采所面临的风险也愈加严峻，在煤矿地质保障方面，给我国的地球物理探测技术带来了新的挑战，对此，加强地球物理探测技术研究，理清制约深部煤炭资源安全开采的地质因素，对于优化配置深部煤层采区布置、强化煤矿地质保障有着十分重要的意义。

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