01采矿地球物理绪论

采矿地球物理学概论六、学时分配表学时分配表内容讲课实验小计（一）引言22（二）地球物理学简介66（三）弹性波的传播理论22（四）矿山开采引发的震动33（五）地震探测煤岩应力状态22（六）煤岩变形破裂的声发射22（七）煤岩变形破裂的电磁幅射325（八）开采引起的重力场22（九）煤岩变形破裂的电性参数22（十）煤岩变形破裂的温度场22（十一）地质雷达的应用44合计30232六、学时分配表评价方式（包括作业、实验、考试等:（1）作业、实验占30％的成绩；（2）考试，占70％的成绩。地球物理学是一门以地球为研究对象的应用物理学。其中，对固体地球的研究，在二十世纪六十年代以来，获得极大发展。它已成为地学的重要组成部分，并且渗透到地学中的许多分支。一、绪论采矿地球物理学是采矿科学中的一个新的分支，是利用岩体中自然的或人工激发的物理场监测岩体的动态变化揭露已有的地质构造采矿地球物理学的最大特点是在更深层次上认识地下岩层的特点及运动规律。采矿地球物理方法具有观察、测量成本低、获得的信息量大、研究测量具有非破坏性等优点，因此是主要采矿测量方法之一。在二十一世纪，采矿地球物理方法将是采矿安全技术以及有益矿物的经济、高效开采方面应用的最基本的测量工具。1.地球科学地球科学以整体的地球作为研究对象，包括自地心至地球外层空间十分广阔的范围，是由固体地圈、大气圈、水圈和生物圈（包括人类本身）组成的一个开放的复杂巨系统，称为地球系统。物理、化学和生物三大基本过程之间的相互作用，以及人与地球系统之间的相互作用。因此，地球科学是一个庞大的超级学科体系群，传统上划分出众多的一级和二级学科分类体系（表1-1）。表1-1地球科学的学科分类体系Ⅰ.按圈层范围Ⅱ.按学科交叉Ⅲ.按服务目的大气科学大气物理学地球物理学固体地球物理学环境地学经济地学工程地学水文地学遥感地学航空科学气象学地磁与高空物理学天气动力学等地震学等海洋科学物理海洋学地球化学元素地球化学生物海洋学同位素地球化学环境海洋学等生物地球化学等续表1-1地球科学的学科分类体系Ⅰ.按圈层范围Ⅱ.按学科交叉Ⅲ.按服务目的地理科学自然地理学地生物学生态学城市地学农业地学旅游地学军事地学火山学天气预报地震预报灾害学等经济地理学生物地理学人文地理学古生物学等区域地理学等地质科学地球物质成分学动力地质学历史地质学区域地质学等天文地学天文地球动力学行星地理学天文地质学等数学地学数学地质数字地球等大气科学研究大气圈的组成、结构和气候过程，海洋科学研究水圈海洋部分的物理、化学、生物现象的运动过程，地理科学研究地球表层的地理环境，地质科学研究地球的物质成分、内部结构、外部特征、各圈层间的相互作用和演变历史。其中，后两者都涉及地球的物理、化学、生物作用过程和不同圈层之间相互关系，具有更高的综合性。2.地球物理学及其发展地球物理学(Geophysics)是以地球为研究对象的一门应用物理学。它是天文学、物理学与地质学之间的边缘科学，在地球科学中占据重要地位。地球物理学的研究范围甚广，包括从地球最深部的地核到大气圈的边界。它是由地震学(Seismology)、地磁学(Geomagnetics)、地电学(Geoelectricity)、重力学(Gravity)、地热学(Geothermicity)、大地测量学(Geodesy)、大地构造物理学(Tectonophysics)、地球动力学(Geodynamics)等基础科学组成。地球物理学用物理学的原理和方法研究地球的形状、内部构造、物质组成及其运动规律，探讨地球起源、形成以及演化过程，为维护生态环境、预测和减轻地球自然灾害、勘探与开发能源和资源做出贡献。图1-1为地球物理学的形成和发展示意图。图1-1地球物理学的形成和发展示意图天文学(地球作为星体)地质学(地球内部作为深部地质学)(应用)地球空间物理学大气物理学大地测量学海洋物理学勘探地球物理学普通地球物理学采矿地球物理学行星物理学(地球物理学、天文学等共生学科)岩石物理学(地球物理学、地质学、地球化学等共生学科)物理学固体地球物理学重力学地球起源地磁学地球年龄地电学地球自转地热学地球形状地震学地球动力研究宏观现象和基本理论的叫做理论地球物理学(TheoreticalGeophysics)或“纯”地球物理学(pureGeophysics)，利用由此产生的方法来勘探有用矿藏的叫做勘探地球物理学(ExplorationGeophysics)或应用地球物理学(AppliedGeophysics)，研究岩层运动以及煤岩动力现象的则称为采矿地球物理学(MiningGeophysics)。本教材所涉及的内容均属于固体地球物理学的范围。人类观察和研究地球物理现象已经有几千年的历史，早在公元前1177年的商朝，我国就有关于地震的记载。实际上，现代物理学是从研究地球物理问题开始的。例如牛顿（Newton）通过研究地球和月球的运动发现了万有引力定律，克雷若(Clairaut)研究地球的形状，拉普拉斯(Laplace)研究地球的起源，高斯(Gause)研究地球磁场，开尔芬(Kelvin)研究地球的弹性、热传导和许多其他地球物理问题。18~l9世纪，地球物理学成为物理学中的一门重要分支。到了20世纪初，它就自成体系。进入20世纪30年代，由于成功地把地球物理学方法用于矿产资源勘探当中，使它得以迅猛发展。最近形成的采矿地球物理学，发展更是迅速。地球物理学发展的总趋势有两种：一是多学科的综合，二是科学的国际合作。从20世纪50年代末期起，在各国地球物理学家的倡导和努力下，制定了一系列国际性研究计划。60年代初，近50个国家参加了上地幔计划，主要研究内容包括：(1)全球性的地壳断裂系统；(2)大陆边缘地带及岛弧的构造；(3)地幔的物质组成及地球化学过程；(4)地壳及地幔的结构及其横向不均匀性。这个计划延续了10年，于l970年结束，其最重要的成果就是建立了“板块大地构造假说”。这个假说的出现是地学发展史上的一个里程碑，其重要性及影响可与近代科学的任何重大发现相媲美。70年代以后，国际间围绕着地球动力学、岩石圈结构等问题开展了一系列的多学科综合研究。1974~1979年，国际地球动力学计划作为上地幔计划的延续，主要解决板块构造假说所遗留下来的问题，特别是板块运动的驱动力问题。国际岩石圈计划(1980~2000年)也正在实施中，这个计划的四个研究领域是：(1)全球变化的地球科学；(2)现代动力学和深部作用过程；(3)大陆岩石圈(层)；(4)大洋岩石圈(层)；3.采矿地球物理学的基本任务采矿地球物理学是地球物理学的分支之一，是用地球物理的方法来解决采矿现场的实际问题，例如矿床的勘探问题，矿山动力现象，采矿工程问题，特别是井下的开采与地质问题。3.1采矿地球物理方法:岩体中弹性波传播过程的研究－称之为振动法，包括微震法、振动法和地音法；岩体内重力变化的研究，称之为重力法；地电现象的研究，称之为地电法；还有热法，原子能法等。这些研究方法都需要特殊的测量仪器和理论指导。1)震动法采矿作业打破了岩体内原有的应力平衡状态，其结果造成了岩体内变形能的聚积。这些能量以突然的形式动力释放，产生震动，并使变形增加。与大地地震相比，其震动频率高，影响范围小。震动能量为l×l02～l×l010J，里氏震级为0～4.5级，振动频率为1～50Hz，震动范围为儿百米到几百公里。震动法记录采矿震动的能量，确定和分析震动的方向;对震中定位来评价和预测矿山动力现象。具体的说，就是记录震动的地震图，确定震动发生的时间，震中的坐标，震动释放的能量，特别是震中的大小，地震力矩，震动发生的机理，震中的压力降等，以此为基础，进行震动危险的预测预报，如预报震动能量大于给定值的平均周期，在时间T内震动能量小于或等于给定值的概率，该区域内震动的危险性及其他参数。2)声发射法岩石的声发射也称为地音，是岩石的变形和破断，颗粒之间的相位错动，岩石间的摩擦滑动及其他引发的。地音与岩石的动力现象及弹性波的发射有关，是在应力作用下，岩体结构的非弹性变性，结构非稳定的结果。采矿地音法是以脉冲的形式记录弱的、低能量的岩体声发射弹性波。记录的振动频率从几十到2000Hz或更高，记录的能量低于lxl0-2J，振动范围从几米到200多米。采矿地音法可用来确定岩体中的应力应变状态，评价冲击矿压及煤和瓦斯突出的危险性，并检测其采取的防治措施的效果;评价边坡稳定性;确定采掘面周围的应力应变状态等。3)电磁辐射法岩石电磁辐射是指岩石受载破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或现象。岩石破裂电磁辐射的观测和研究是从地震工作者发现震前电磁异常后开始的。在近25-30年内岩石破裂电磁辐射效应的研究，无论是在理论研究方面，还是在应用研究方面，都取得了飞速发展，特别是在地震方面用于预报。从九十年代开始，中国矿业大学对载荷作用下煤体的电磁辐射特性及规律进行了较为深入的定性和定量研究。研究表明，煤岩电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤岩体的变形破裂过程密切相关。电磁辐射可用来预测冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象。其主要参数是电磁辐射强度和脉冲数。电磁辐射强度主要反映了煤岩体的受载程度及变形破裂强度，脉冲数主要反映了煤岩体变形及微破裂的频次。此外，电磁辐射还可用于检测煤岩动力灾害防治措施的效果;评价边坡稳定性;确定采掘面周围的应力应变，评价混凝土结构的稳定性等。4)振动法振动法解决采矿作业引起的地质动力现象问题，主要是根据地震波的传播速度的变化，确定岩石结构破坏过程发展的各阶段，如弹性阶段的高应力，对应比较大的振动频率，表明了采掘面接近较大的震动冲击地压危险区，岩石破坏的最后阶段将可能发生高能量的震动甚至冲击地压。振动法解决矿山压力问题，主要是根据不同类型振动波的传播速度来确定岩体的物理力学参数，例如线弹性模量，泊松系数，横向弹性模量，体积弹性模量、LAME常数等。这些参数是用动态方式确定的，与实验室岩块试验的静态有很大差异，这些参数更符合实际。振动法解决地质问题，主要是根据地震波在煤层中传播的通道性及传播速度的异常，能量或阻尼系数的变化来进行。当煤层的连续性出现问题时，这些地震波的传播通道将出现非正常的波图，或通道波组的振幅减小，甚至全部消失等。5)重力法重力法是根据地层中岩石介质质量分布的不均匀性来测量重力的异常变化。测量仪器和测量方法的发展，促进了重力法的广泛应用，测量仪器的高精度性(2Xl0-9m/s2)可使其广泛应用于小构造、岩像变化的测量以及由于采矿作业引起密度分布的变化。目前，重力法主要研究开采引起岩体体积的变化;岩体震动、冲击地压的预测预报;小范围内煤层构造的变化;局部空洞的定位等方面。重力法所采用的参数主要是重力微小的异常变化和塔式重力梯度。6)地质电法采矿地质电法是利用岩石中电特性的变化来解决地质、采矿技术、预测预报等方面的问题，其应用范围非常广泛。地质电法主要测量岩石介质在电流稳定性或亚稳定性方面的电阻特性，或电磁波在岩体中传播的电阻，电介常数和磁通量等参数。主要解决的问题有认识顶底板岩层地质条件;震动、冲击矿压、水灾、火灾的危险性评价;支架与围岩相互作用的评价;巷道应力状态的监测。7)地热自19世纪麦克斯韦尔证明光是—种电磁波以来，人类对不同波长范围内的各类电磁波的性质及其应用性进行了卓有成效的研究，并建立了从射线到极远红外线的连续波谱图。其中具有热效应的红外波长范围为：0.75μm～1000μm。3.2采矿地球物理方法优点：(1)与打钻孔、掘巷道探测来说，观察、测量成本低；(2)采矿中的许多现象和过程只能用采矿地球物理方法才能进行测量、记录和分析。例如岩体震动、冲击矿压、煤和瓦斯突出等矿山动力现象，而采用其他测量方法则不可能做到；(3)获得的信息量大。(4)研究测量具有非破坏性。这对采面的安全性及巷道维护的稳定性等都具有重要意义；采矿地球物理学的基本任务是解决采矿作业的安全性和保证矿井生产的连续性。主要解决关于开采引起的地质动力现象和瓦斯动力现象（震动、冲击矿压、突出）以及对煤层及周围岩层物理力