“礦井地球物理勘探”課教學(xué)實(shí)踐與探索

■于師建

（山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院山東青島266590）

“礦井地球物理勘探”課教學(xué)實(shí)踐與探索

■于師建

（山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院山東青島266590）

“礦井地球物理勘探”課程對(duì)地質(zhì)工程專業(yè)學(xué)生了解礦井地球物理的新技術(shù)及所解決的礦井地質(zhì)問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。教學(xué)內(nèi)容設(shè)置了五種用于礦井井下的物探方法。教學(xué)方法突出理論與實(shí)際相結(jié)合、樹立綜合物探思想、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)。課程考查方式采用兩類方式。以實(shí)際礦井地質(zhì)問題為中心，讓學(xué)生了解從勘探方法選擇、勘探設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、資料處理到地質(zhì)解釋的全過程。適應(yīng)地質(zhì)工程專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

礦井地球物理勘探教學(xué)

煤礦安全生產(chǎn)工作是煤礦企業(yè)生存與發(fā)展的基本要求，是礦業(yè)類高等院校履行教育職能的重要組成部分。礦井地球物理勘探在實(shí)現(xiàn)礦井安全方面發(fā)揮了重要作用。2009年國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局和國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局頒發(fā)的《煤礦防治水規(guī)定》中，在地面水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探和井下水文地質(zhì)勘探中對(duì)礦井物探工作均作了明確的規(guī)定[1]。為了滿足新形勢(shì)下與煤炭行業(yè)有關(guān)的本科專業(yè)教育的要求，我校在培養(yǎng)面向煤炭企業(yè)的卓越工程師中的地質(zhì)工程專業(yè)開設(shè)了“礦井地球物理勘探”課程，目的是讓將來從事煤礦地質(zhì)工作的技術(shù)人員了解礦井地球物理的新技術(shù)方法及所解決的地質(zhì)問題。

由于地質(zhì)工程專業(yè)的學(xué)生，在前期基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)中，缺少場(chǎng)論、數(shù)理方程等方面的知識(shí)積累，對(duì)于這樣一門內(nèi)容豐富，涉及面廣泛的課程，如何最大限度地發(fā)揮這門課程的作用，突出地質(zhì)工程專業(yè)學(xué)生的特長(zhǎng)，增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果，我國(guó)許多從事“地球物理勘探”教學(xué)的老師在教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)施、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面做了有效的探索[2-6]。針對(duì)“礦井地球物理勘探”課程，筆者在教學(xué)實(shí)踐中，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考查方法上進(jìn)行了有益的探索，取得了較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

礦井地球物理勘探，是用于礦井地質(zhì)勘查的各種地球物理勘探方法的總稱。它是將在地面上成熟的各種地球物理勘探方法移殖到礦井井下，在煤巷內(nèi)以煤層、煤層頂?shù)装鍘r層作為主要研究對(duì)象探查未被開采煤層的不連續(xù)性，以及有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造破壞與地質(zhì)異常體。與地面物探比較，礦井物探具有探測(cè)目標(biāo)近，方法多樣，以及在多數(shù)情況下從數(shù)據(jù)采集到處理和解釋必須考慮全空間問題等特點(diǎn)。

煤炭企業(yè)生產(chǎn)的特殊性，要求礦井物探能夠及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作面內(nèi)和掘進(jìn)工作面前方各種地質(zhì)破壞與異常，諸如：小斷層與褶曲、陷落柱、煤層的沖刷與風(fēng)化、煤層的分叉與合并、煤層厚度的變化、巖漿巖侵入體、老窯采空區(qū)、可能的涌水點(diǎn)及通道、頂板與圍巖的穩(wěn)定性等……。針對(duì)地質(zhì)工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)需求、培養(yǎng)目標(biāo)以及該課程的基本理論與體系，安排“礦井地球物理勘探”課程，教學(xué)學(xué)時(shí)30學(xué)時(shí)。如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生能夠掌握理論知識(shí)與基本應(yīng)用是該課程教學(xué)的一大難點(diǎn)，為此，必須合理設(shè)計(jì)和安排教學(xué)內(nèi)容。

根據(jù)目前礦井物探發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，課程的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配如下：

（1）礦井直流電法勘探，包括電剖面法、電測(cè)深法、電透視法、電法超前探測(cè)法，8學(xué)時(shí)；

（2）坑道無線電波透視，4學(xué)時(shí)；

（3）礦井地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，2學(xué)時(shí)；

（4）礦井瞬變電磁法勘探，6學(xué)時(shí)；

（5）礦井地震勘探，主要包括槽波地震勘探、瑞利波勘探和地震波超前探測(cè)，8學(xué)時(shí)；

（6）實(shí)驗(yàn)性教學(xué)，2學(xué)時(shí)。

針對(duì)地質(zhì)工程專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，總結(jié)了煤礦主要解決的水文地質(zhì)和構(gòu)造地質(zhì)9個(gè)方面的問題，并結(jié)合大量的實(shí)際勘探工程，讓學(xué)生根據(jù)不同的地質(zhì)任務(wù)，全面了解從勘探方法選擇、勘探設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、資料處理到地質(zhì)解釋的全過程。

2 教學(xué)方法研究

2.1 理論教學(xué)方法探討

地球物理類勘探課程特點(diǎn)決定了在教學(xué)過程中必然涉及到抽象的數(shù)學(xué)物理方程，在講課過程中，盡量避開理論公式的推導(dǎo)過程，重點(diǎn)放在數(shù)學(xué)模型的建立及對(duì)結(jié)果的物理解釋上，使學(xué)生從不同勘探方法滿足的數(shù)理方程理解勘探方法的數(shù)學(xué)本質(zhì)。例如，在講授均勻交變電磁場(chǎng)在導(dǎo)電介質(zhì)中的傳播一節(jié)時(shí)，從麥克斯韋方程和物性方程建立數(shù)學(xué)模型，略去推導(dǎo)過程，直接給出磁場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度所滿足的方程：

式中，為介質(zhì)的電導(dǎo)率，為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，為介質(zhì)的介電常數(shù)。對(duì)場(chǎng)的頻率高、電導(dǎo)率低的介質(zhì)同，（1）和（2）式右端的第一項(xiàng)可忽略，方程變?yōu)椴▌?dòng)性方程，對(duì)應(yīng)的勘探方法為地質(zhì)雷達(dá)，反映地下電磁波阻抗差異界面；反之，在低頻和良導(dǎo)介質(zhì)情況下，右端的第二項(xiàng)可忽略，方程變?yōu)闊醾鲗?dǎo)性方程，電磁擾動(dòng)的傳播是按擴(kuò)散規(guī)律傳播的，對(duì)應(yīng)的勘探方法為瞬變電磁法和大地電磁法，本質(zhì)上是一種體積勘探方法。

2.2 樹立綜合物探的思想

各類物探手段所反映的物理特征決定了它的適用條件和范圍。如：地震手段測(cè)量的參數(shù)為折射、反射、透射地震波的旅行時(shí)，表現(xiàn)的物理特征是地下巖石密度和彈性模量，它們決定地震波傳播速度；電法測(cè)量地下巖石電阻、電壓、電位等參數(shù)，表征的物理場(chǎng)是電導(dǎo)率等。因此，在授課過程中讓學(xué)生樹立綜合物探的思想，在應(yīng)用物探方法時(shí)，要深入研究勘查對(duì)象的地質(zhì)物性條件，對(duì)癥下藥，分析是否滿足適用條件，選用適合的方法，注意用多種有效的物探手段綜合解釋，才能有針對(duì)性解決礦井地質(zhì)中的問題，取得預(yù)期的地質(zhì)效果。例如在介紹某礦突水通道綜合探測(cè)實(shí)例時(shí)，針對(duì)導(dǎo)致煤礦突水的小煤窯采空、充水、塌陷等特點(diǎn)，按照地質(zhì)任務(wù)及精度要求，優(yōu)化出了以高分辨電測(cè)深法、穩(wěn)態(tài)瑞利波法為主，電剖面法和高密電阻率法為輔的快速綜合物探技術(shù)，具有多參數(shù)、多方法、立體綜合勘探的優(yōu)勢(shì)，對(duì)突水通道具有聚焦作用，快速、準(zhǔn)確的解決了所提出的地質(zhì)問題。

2.3 增加實(shí)驗(yàn)演示環(huán)節(jié)

“礦井地球物理勘探”所涉及的物探方法多，為了使學(xué)生全面了解應(yīng)用于礦井的各種物探裝備，保證教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，在現(xiàn)有的學(xué)時(shí)中增加實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)的學(xué)時(shí)，提高學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)和對(duì)地球物理勘探的興趣。主要實(shí)驗(yàn)演示的物探方法有：SIR30E地質(zhì)雷達(dá)，900Mhz天線，室內(nèi)實(shí)測(cè)演示；RESECSⅡ三維高密度電法儀演示性介紹；SUMMITⅡ槽波地震儀演示性介紹；WKT E無線電波坑透儀演示性介紹；PROTEM47礦井瞬變電磁儀演示性介紹。

3課程考查方式探討

通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)成果不僅體現(xiàn)在學(xué)生所知、所了解的內(nèi)容，更重要的是能夠體現(xiàn)學(xué)生能將學(xué)習(xí)成果應(yīng)用于實(shí)際的能力，為此在考查方式上采用了兩種類型，一是通過試卷類課堂考試的方式，考查學(xué)生對(duì)課程的重要知識(shí)點(diǎn)掌握的程度；二是應(yīng)用類，為了使學(xué)生掌握根據(jù)不同的地質(zhì)任務(wù)和采用的物探方法，設(shè)計(jì)了四種物探方法題目：（1）工作面無線電波坑透實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理與解釋；（2）地質(zhì)雷達(dá)巷道超前探測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理與解釋；（3）三極直流電法超前探測(cè)數(shù)據(jù)處理與解釋；（4）工作面頂?shù)装搴畬痈凰运沧冸姶盘綔y(cè)數(shù)據(jù)處理與解釋。提供給學(xué)生相關(guān)的工程背景材料和原始物探數(shù)據(jù)，要求按下述內(nèi)容編寫勘探報(bào)告：（1）地質(zhì)、地球物理特征；（2）工作方法及質(zhì)量評(píng)價(jià)；（3）數(shù)據(jù)處理方法及結(jié)果；（4）解釋推斷。通過應(yīng)用類形式的考查，學(xué)生在實(shí)踐應(yīng)用能力方面可以得到很大提高。

4 結(jié)語

針對(duì)地質(zhì)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，設(shè)計(jì)了豐富合理、聯(lián)系有機(jī)的教學(xué)內(nèi)容，采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)手段，綜合運(yùn)用現(xiàn)代多媒體技術(shù)、多種物探儀器實(shí)物演示以及豐富的案例分析等教學(xué)，讓學(xué)生真正能夠理解礦井地球物理的重要性和所能解決的礦井地質(zhì)問題。通過兩類考查方式的考核，即能使學(xué)生掌握所知、所了解的內(nèi)容，又能提高學(xué)生能將學(xué)習(xí)成果應(yīng)用于實(shí)際的能力。

[1]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局和國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定 [M]，煤炭工業(yè)出版社，2009

[2]熊章強(qiáng)，朱德兵，嚴(yán)家斌，等.提高地球物理學(xué)科野外實(shí)踐教學(xué)效果的探索與實(shí)踐[J]，中國(guó)地質(zhì)教育，2012年第4期，132-134

[3]李勤."地球物理勘探"課程在地質(zhì)工程專業(yè)教學(xué)的探索 [J]，大學(xué)教育，2014年第4期，111-112

[4]孫建國(guó).淺論地球物理專業(yè)本科階段的創(chuàng)新能力培養(yǎng) [J].中國(guó)大學(xué)教育，2011年第10期，29-31

[5]譚茂金，鄒長(zhǎng)春，徐敬領(lǐng).地質(zhì)-地球物理復(fù)合專業(yè)測(cè)井教學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)與探索 [J]，中國(guó)地質(zhì)教育，2013年第4期，78-82

[6]張平松,劉盛東.地球物理勘探課程設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)施與思考 [J],中國(guó)地質(zhì)教育，2005年第4期，97-99

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-365-1

于師建（），男，教授，博士研究生，研究方向?yàn)榘踩こ?、礦井物探方面的教學(xué)和科研。