地球物理方法預(yù)測(cè)瓦斯突出研究與應(yīng)用

一、概述

煤與瓦斯突出是煤礦井下的瓦斯突出煤體（即具備發(fā)生突出的瓦斯能和介質(zhì)破壞條件的煤體）在一個(gè)相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)突然拋向采掘空間的一種復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，是煤礦開(kāi)采危險(xiǎn)性最大的自然災(zāi)害。瓦斯突出預(yù)測(cè)是世界各主要產(chǎn)煤國(guó)瓦斯突出礦井共同面臨的難題。是世界各主要產(chǎn)煤國(guó)突出礦井都十分關(guān)注的重大科研課題。實(shí)現(xiàn)非接觸式預(yù)測(cè)是瓦斯突出預(yù)測(cè)的迫切需要，也是瓦斯突出預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。地球物理方法是實(shí)現(xiàn)接觸式預(yù)測(cè)向非接觸式預(yù)測(cè)發(fā)展的必由之路。瓦斯突出煤層作為礦井瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的源體和破壞的對(duì)象，其最為重要的是普遍含有煤體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞和富含瓦斯的構(gòu)造破壞煤，即瓦斯突出煤層由兩種電性不均勻的介質(zhì)構(gòu)成。瓦斯突出的物理實(shí)質(zhì)是瓦斯突出煤體受地應(yīng)力和瓦斯壓力綜合作用在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出來(lái)的地球物理場(chǎng)。因此，從事地球物理和瓦斯突出預(yù)測(cè)研究的同仁們進(jìn)行了地球物理方法預(yù)測(cè)瓦斯突出的有益嘗試，并取得了明顯的效果.

二、根據(jù)煤體的能量輻射預(yù)測(cè)瓦斯突出

1.紅外輻射預(yù)測(cè)瓦斯突出

紅外輻射現(xiàn)象是大自然演化過(guò)程中普遍存在的。巖體組分的礦物晶格中，原子振動(dòng)以及這類(lèi)振動(dòng)所處的各能態(tài)之間的躍遷是紅外輻射的直接能量來(lái)源。煤礦地下巖體的紅外輻射變化主要是受巷道環(huán)境溫度場(chǎng)的變化和地應(yīng)力激發(fā)所致（陳健民，1995年）。試驗(yàn)觀測(cè)表明，凡是具有一定規(guī)模動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的礦井，往往造成溫度場(chǎng)異常。前蘇聯(lián)學(xué)者馬耶夫斯基等的研究表明，瓦斯突出發(fā)生時(shí)瓦斯大量解吸，瓦斯解吸時(shí)煤體的溫度下降速率大大超過(guò)機(jī)械加載過(guò)程中的溫度升高（黃祖焰等，1986年）。紅外輻射是瓦斯突出的準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)和發(fā)生階段產(chǎn)生的明顯的熱效應(yīng)，它是突出演變過(guò)程中理化綜合效應(yīng)的外部反映指標(biāo)之一。因此，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者采用測(cè)定煤巖體的溫度變化，進(jìn)行瓦斯突出危險(xiǎn)程度預(yù)測(cè)。測(cè)溫預(yù)測(cè)礦井動(dòng)力現(xiàn)象起源于一些研究者利用溫度指標(biāo)監(jiān)測(cè)開(kāi)采卸壓狀況。波蘭和前蘇聯(lián)自60年代起就采用鉆孔中的溫度與工作面煤壁溫度差值作為預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行瓦斯突出預(yù)測(cè)。N.A.雷日科和N.R.耶列明按溫度狀況預(yù)測(cè)煤層近工作面地帶的突出危險(xiǎn)性，P.A.

列依包爾斯基和L.M.庫(kù)菲爾尼柯夫根據(jù)溫度變化評(píng)價(jià)煤體的沖擊危險(xiǎn)性。波蘭煤礦用點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)法和連續(xù)溫度監(jiān)測(cè)法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出（趙艾葉，1994年）。我國(guó)貴州省的六枝礦務(wù)局等曾利用工作面溫度變化預(yù)測(cè)瓦斯突出的危險(xiǎn)性。根據(jù)煤巖體的紅外輻射預(yù)測(cè)瓦斯突出在國(guó)內(nèi)外瓦斯突出礦井都得到了應(yīng)用，也取得了

一些成效。測(cè)溫技術(shù)也由傳統(tǒng)的水銀柱溫度計(jì)、半導(dǎo)體點(diǎn)溫度計(jì)發(fā)展到非接觸式紅外測(cè)溫儀。但有一些學(xué)者對(duì)用煤體溫度作為評(píng)價(jià)瓦斯突出危險(xiǎn)性指標(biāo)持有異議（謝晉珠，1992年），認(rèn)為鉆孔溫度與煤壁溫度的差值主要是受礦井大氣溫度和工作面供風(fēng)量的影響，與煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性關(guān)系不大。

2.電磁輻射預(yù)測(cè)瓦斯突出

1970年D.Finkelstein和J.R.Powell首次提出，巖體電磁輻射是巖體中礦物受強(qiáng)大地應(yīng)力作用而引發(fā)的一種壓電效應(yīng)（陳健民，1995年）。何學(xué)秋等對(duì)含瓦斯煤的電磁輻射進(jìn)行了全面的研究。研究結(jié)果表明，含瓦斯煤在變形破壞過(guò)程中具有不同程度的電磁輻射產(chǎn)生，孔隙氣體對(duì)電磁輻射有重要的影響，可利用電磁輻射預(yù)測(cè)瓦斯突出。俄羅斯B.P.斯克托維奇和P.B.葉果洛夫通過(guò)測(cè)定機(jī)械載荷在巖體內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度和振幅預(yù)測(cè)沖擊地壓。我國(guó)煤科總院重慶分院研制出了測(cè)量煤體天然電磁輻射強(qiáng)度評(píng)價(jià)瓦斯突出的新型瓦斯突出預(yù)測(cè)儀，并在全國(guó)推廣應(yīng)用。

三、根據(jù)地電場(chǎng)變化規(guī)律預(yù)測(cè)瓦斯突出

煤與瓦斯突出是介質(zhì)在地應(yīng)力、瓦斯內(nèi)能綜合作用下復(fù)雜的力學(xué)破壞過(guò)程。在這一過(guò)程中動(dòng)力現(xiàn)象激發(fā)了包括具有明顯熱效應(yīng)在內(nèi)的各類(lèi)電磁輻射（黃錄基等，1983年），地電場(chǎng)特性也隨之而改變。地電場(chǎng)不僅反映原生地質(zhì)體的因素，而且還可以表征采動(dòng)應(yīng)力集中影響程度、瓦斯運(yùn)移動(dòng)能和煤體破壞極限應(yīng)力帶寬度、煤的孔隙率和煤的強(qiáng)度等因素（楊其中，1987年）。換句話(huà)說(shuō)，地電場(chǎng)的電勢(shì)和電流強(qiáng)度變化反映了瓦斯突出參數(shù)的變化。俄羅斯B.·96·焦作工學(xué)院1997年T.塔拉索夫研究表明突出動(dòng)力現(xiàn)象常常發(fā)生在卸壓帶邊界上和裂隙產(chǎn)生過(guò)程的前沿，煤從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閭瘟髯儬顟B(tài)，伴隨著地電場(chǎng)的急劇消失，導(dǎo)致吸附能力大大減小，相應(yīng)地由于雪崩般解吸瓦斯，瓦斯壓力增加1倍以上。造成了瓦斯的靜壓和動(dòng)壓短時(shí)升高。地電場(chǎng)電勢(shì)降落是發(fā)生瓦斯突出的前兆。因此，根據(jù)地電場(chǎng)電勢(shì)的變化規(guī)律可進(jìn)行瓦斯突出預(yù)測(cè)。理論和實(shí)驗(yàn)室研究表明，根據(jù)地電場(chǎng)電勢(shì)的變化規(guī)律可以預(yù)測(cè)瓦斯突出。但迄今為止國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)到該項(xiàng)地球物理方法預(yù)測(cè)瓦斯突出技術(shù)付諸于實(shí)踐的報(bào)道。

四、探測(cè)瓦斯突出煤體預(yù)測(cè)瓦斯突出

1.用脈沖超聲波探測(cè)瓦斯突出煤體

2.無(wú)線電波透視探測(cè)瓦斯突出煤體

實(shí)驗(yàn)室大量測(cè)定結(jié)果表明，具有不同結(jié)構(gòu)和含氣條件的瓦斯突出煤體和非突出煤體具有明顯不同的電性特征（呂紹林等，1996年）。瓦斯突出煤體的存在及在空間上的分布決定了瓦斯突出煤層具有典型的非均勻性質(zhì)。因此，瓦斯突出煤層可視為電性非均勻、各向異性的層狀介質(zhì)。當(dāng)電磁波穿透原生結(jié)構(gòu)遇到嚴(yán)重破壞的瓦斯突出煤體時(shí)，瓦斯突出煤體中存在的各種規(guī)則和不規(guī)則的界面自然對(duì)電磁波產(chǎn)生影響，包括吸收、反射、二次輻射等物理作用，比起正常煤體對(duì)電磁波的吸收來(lái)說(shuō)，一般會(huì)造成更大的損失。同時(shí)煤層中存在的地質(zhì)構(gòu)造弱面（常常與瓦斯突出煤體加厚共生）也會(huì)造成電磁波能量消耗。電磁波能量就會(huì)明顯減弱或屏蔽形成陰影，陰影區(qū)出現(xiàn)的位置即是瓦斯突出煤體富集的部位或瓦斯突出煤體與構(gòu)造共

生的位置。焦作工學(xué)院根據(jù)實(shí)驗(yàn)室獲得的瓦斯突出煤體的電性參數(shù)和無(wú)線電波響應(yīng)，實(shí)施了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)瓦斯突出煤體，對(duì)工作面瓦斯突出煤體分布進(jìn)行了區(qū)劃。結(jié)合地質(zhì)觀測(cè)綜合分析預(yù)測(cè)了瓦斯突出帶。

結(jié)論

瓦斯突出地球物理場(chǎng)的電磁波響應(yīng)特征客觀地反映了瓦斯突出關(guān)鍵層的空間分布規(guī)律。反過(guò)來(lái)，研究瓦斯突出地球物理場(chǎng)的電磁波特征可以進(jìn)行瓦斯突出關(guān)鍵層的區(qū)域性分布的探測(cè)。含有不同厚度關(guān)鍵層的瓦斯突出地球物理場(chǎng)具有明顯不同的彈性波響應(yīng)特征。瓦斯突出地球物理場(chǎng)的響應(yīng)特征研究為提出瓦斯突出預(yù)測(cè)新技術(shù)提供了理論依據(jù)。