当前我国矿井物探面临的关键问题

  我国煤炭开发正由浅部走向深部，特别是对开采石炭系煤层的华北型煤田，煤矿受岩溶水的威胁尤为突出29，底板高承压岩溶水的通道探查，一直是矿井物探面临的主要任务之一。从2006年国家开展煤炭资源整合T作以来，针对整合煤矿典型多煤层条件开展水害防治T作已经成为一大难题，复杂采空区及其富水性的探查是目前面临的新任务。煤与瓦斯突II是矿井重大灾害，对于构造煤及其煤层小构造的探测是关键问题：近年来，冲击地压灾害也有明显上升趋势。矿井物探在动力灾害预测预警方面具有重大需求。

 

  煤岩固体、瓦斯气体、水体的三态并存与多场耦合决定了矿井地球物理场的特征，煤岩层的各向异性与地质构造控制了煤矿灾害的类型。矿井物探需要在地下全空间，进行三态并存、多场耦合、各向异性的研究，才能进行面向灾害源的勘探。当前其面临的主要科学问题主要有以下3点。

 

  2.1  加强全空间深部矿井地球物理场的基础性研究研究深部地下空间的地球物理场特征，并提出观测和分析方法，指导矿井物探T作的深入开展。要解决这一问题，需要克服现有的理论方法在深部的适用性有限的难题，辨析在高地应力、高地温、高岩溶水压、高瓦斯含量与气压的环境下以及在地应力场、渗流场、地球物埋场等多场复杂的耦合作用条件下，深部地质体的物理力学性质与浅部地质体的差异30]，建立适用于深部全空间的地球物理理论体系。矿井地球物理在向深部拓展时，需要引入现代岩石物理学、流体力学及地质学等基础理论成果，增进学科融合和交叉发展；在固一水一气三相耦合、各向异性作用和非线性条件下，开展三维全空间地球物理场的数值模拟和物理模拟：结合煤矿采掘T程实践，开展裂隙场与地球物理场的耦合研究，形成采动条件下的矿井地球物理场响应规律；这些基础性研究都需要加强。

 

  进行复杂采空区地球物理场的观测与分析.

 

  针对整合煤矿开采条件复杂、可信地质资料缺失、未知因素较多的困难条件，矿井地球物理场的观测与分析方法在灾害源探测方面至关重要，尤其在解决对未知采空区的圈定及其富水性评价方面尤为迫切。图5为整合煤矿典型多煤层结构剖面及灾害源特征示意图。煤层1和煤层2均为整合之前的残采煤层，大多数被巷采、房柱式或者刀柱式开采所破坏，顶板不易垮落，采空区易积水易连通。整合后的煤矿以综合机械化开采的方式开采深部的煤层3，采场垮落带和断裂带的高度很容易波及上部煤层。实践证明采用钻探探测煤层1的采空区时，钻杆在打人煤层2采空区后，由于役有着力点很容易折断，无法继续有效钻孔：另一方面，由于煤层2采空区的影响，传统的物探方法，探测精度低，解释结果的偏离度和失真度大，很难准确预测煤层1采空区的位置及富水性。

 

  要运用地球物理方法解决上述典型问题，需要克服探测空间有限、地质约束条件不明的困难，结合整合煤矿的开采实际，采用巷道与钻孑L组合，进行采空区地球物理场的观测系统研究：开展破碎岩体与渗流物理场效应研究，通过震电磁协同观测与综合分析来解决此类问题。

 

  开展针对灾害源识别的高分辨率矿井物探技术的研究.

 

  煤层厚度是确定矿井灾害源的尺度的标准，认识与煤厚相当的地质异常，才能保障煤矿安全生产。落差与煤厚相当的小断层、软分层、采空巷道、孤岛煤柱等都是主要的隐蔽灾害源。

 

  提高矿井物探分辨率，首先要在信号上进行提升，研发具有煤矿安全论证“MA”标志的新型装备是基础，矿井地震仪、电磁法仪可结合煤矿物联网技术进行研发。其次在物探方法上进行延拓，如矿井地震可采用更小的空间与时间采样率、岩层激发接收的快速耦合技术；直流电法可采用加密电极距和多尺度观测方法：矿井瞬变电磁法可增加通道、测道数方法等。

 

  对于灾害源的识别，矿井物探方法需采用多尺度采集、处理、反滇手段，实行长距离超前探测和实时连续跟踪监测相结合的综合物探技术。

 

  随开采层位的加深，在高地应力、高流体压力条件下，煤岩层中的断层、陷落柱、采动裂隙等异常体即使尺度较小，导通瓦斯富集区和承压水的可能性也在增强。采用矿井物探技术解决这一问题时，需克服低信噪比和常规分辨率极限的问题，解决探测精度有限、勘探周期长等问题，最终得到针对中小尺度灾害源的高分辨矿井物探方法并提出可操作的技术规范。