深層礦床開采地質(zhì)條件及其綜合探測(cè)研究

李 菲，郭慶妮，張 晨，崔 娜，康璐燕，安 楚

(陜西省地質(zhì)科技中心，陜西 西安 710065)

地質(zhì)勘測(cè)的研究結(jié)果顯示，我國擁有非常豐富的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)備量，但我國地質(zhì)比較復(fù)雜，不同地區(qū)礦體形成條件存在較大差異，很大程度上增加了礦產(chǎn)開采的難度，影響著礦井生產(chǎn)的安全性。特別是我國東部地區(qū)，礦產(chǎn)資源比較豐富，但地質(zhì)開采條件上存在較大的時(shí)空差異性。通過從地質(zhì)條件控制角度來深入分析礦產(chǎn)安全生產(chǎn)的主要地質(zhì)因素，并進(jìn)行綜合分析，可有效提升礦體生產(chǎn)的安全性。但我國在此方面的研究還不夠深入，因此，本文基于理論實(shí)踐，對(duì)深層礦床開采地質(zhì)條件及其綜合探測(cè)做了如下分析。

1 深層礦床的類型

與地表及淺層礦床開采地質(zhì)條件相比，深層礦床地質(zhì)更加復(fù)雜，發(fā)展至今，仍無一套科學(xué)先進(jìn)的綜合勘測(cè)技術(shù)，這在一定程度上限制了我國深層礦事業(yè)持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，亟需一套細(xì)致科學(xué)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并制定與之相應(yīng)的探測(cè)技術(shù)才能有效滿足實(shí)際需求。根據(jù)開采地質(zhì)條件影響因素的不同，深層礦床可以分為以下幾種：

1.1 根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分類

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)成的不同，深層礦床可以分為兩大類：第一類是褶皺斷裂壓類，就我國地質(zhì)條件而言，此種類型的深層礦床主要分布在華北平原及其外帶變形區(qū)域中，擠壓變形是此類深層礦床的主要特征，斷層主要呈現(xiàn)褶皺狀樣式；第二類是斷裂斷塊壓類，此類深層礦床主要分布在太行山及其周圍，主要特征為后期會(huì)發(fā)生伸展變形，以斬壘組合為主。

1.2 根據(jù)水文地質(zhì)進(jìn)行分類

根據(jù)水文地質(zhì)的不同，深層礦床也可以分為兩大類，其一淡水壓類，此類深層礦床的主要特征是未確定積水范圍和邊界；其二深部高壓巖溶水，此類深層礦床的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，特別是在華北石炭一二疊紀(jì)以巖溶水為主要代表的礦層中，床地質(zhì)條件就是典型的深部高壓巖溶水深層礦床，地板高承壓巖溶水會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成非常嚴(yán)重的威脅。

1.3 根據(jù)動(dòng)力地質(zhì)進(jìn)行分類

根據(jù)動(dòng)力地質(zhì)問題的不同，深層礦床同樣可以分為兩大類，一種是地應(yīng)壓類，深層礦床在高地應(yīng)力的作用下，巖體會(huì)發(fā)嚴(yán)重的塑性變形，使得圍巖發(fā)生劇烈移動(dòng)，從而導(dǎo)致巷道發(fā)生變形或者破壞，在進(jìn)行礦開采時(shí)，隨著沖壓的升高會(huì)增加井底開采的危險(xiǎn)性，需要高度重視；另一種是礦井瓦斯壓類，研究表明，就深層礦床而言，開采的深度越大，地質(zhì)條件的變化也會(huì)更加復(fù)雜多變。

2 不同類型礦床勘測(cè)方法

深層礦床開采地質(zhì)條件的勘測(cè)方法與淺層以及表層的勘測(cè)方法不同。就我國目前深層礦床開采地質(zhì)條件勘測(cè)方法而言，淺層和表層礦勘測(cè)時(shí)主要采用的是地面鉆探法，輔以地面物探法。深層礦床開采地質(zhì)條件的勘測(cè)，則需要以地震勘測(cè)和電磁波勘測(cè)的相關(guān)理論為主要切入點(diǎn)，然后再逐層解決問題。

2.1 三維立體多波地震勘測(cè)法

大量應(yīng)用實(shí)例表明，此種深層礦床勘測(cè)方法與傳統(tǒng)三維地震勘測(cè)法相比，擁有更多的地震屬性，而且勘測(cè)的結(jié)果更加真實(shí)可靠，不但可以從三維立體多波地震勘測(cè)結(jié)果中提取更多的復(fù)合參數(shù)，還可以精確勘測(cè)目標(biāo)性質(zhì)。目前在深層礦床勘測(cè)中，地震勘測(cè)是主流的發(fā)展方向[1]。上世紀(jì)80年代，美國采用礦層甲烷氣儲(chǔ)層特征來進(jìn)行分量地震描述，取得的效果也比較好。而我國對(duì)于三維立體多波地震勘測(cè)法研究的起步比較晚，各項(xiàng)技術(shù)和操作方法還不夠成熟，但已在波場(chǎng)正演、有限差分正演、遺傳算法等方面的理論研究和實(shí)際應(yīng)用中取得了一定成績，具有良好的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 電磁勘探法

電磁勘探法的勘測(cè)原理是：根據(jù)巖層或者礦石導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性的不同，通過電磁感應(yīng)進(jìn)行礦勘探的一種勘探方法。國外電磁法勘探儀器和裝備的優(yōu)勢(shì)非常明顯，并且在反演理論和方法等方面的進(jìn)步非常大。

我國礦產(chǎn)企業(yè)對(duì)于反演方面進(jìn)行了全方位的探析，同時(shí)也獲得了一定的進(jìn)展。此種方法在解決奧灰以上底層含水條件探測(cè)中，可有效滿足50m～250m以內(nèi)小構(gòu)造和含水層的探測(cè)。

2.3 深層礦床綜合物探法

深層礦床地質(zhì)勘測(cè)的真實(shí)有效性，直接決定了后期開采和運(yùn)輸工作能否順利開展。就目前我國深層礦發(fā)展現(xiàn)狀而言，與美國、德國、英國等發(fā)達(dá)國家相比，還存在很大差距。但在探測(cè)理論、探測(cè)方法、探測(cè)原則等方面的差距并不明顯。目前許多勘測(cè)工作主要集中在淺層礦床勘測(cè)中，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也同樣集中在淺部勘測(cè)上，但淺層和深部礦床開采地質(zhì)條件存在較大差距[2]。

通過淺部開采條件下的地質(zhì)作用和特征幾乎不可能推斷出深部開采地質(zhì)條件，而且存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)此類情況，需要構(gòu)建出勘測(cè)平臺(tái)，并制定完善綜合勘測(cè)理論體系，才能為深層礦床勘測(cè)和開采奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 地質(zhì)構(gòu)造問題為主的深層礦床

就我國深層礦床發(fā)展現(xiàn)狀而言，進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造研究時(shí)面臨的問題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是相關(guān)資料比較少，其二是技術(shù)難度大。因此，在實(shí)際研究過程中應(yīng)主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行切入：

第一，切實(shí)加強(qiáng)對(duì)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的研究力度，把地質(zhì)條件、地球物理、區(qū)域構(gòu)造格局等全部融入?yún)^(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究中，并對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行全面收集和整理，然后再對(duì)地質(zhì)構(gòu)造控制所造成的影響進(jìn)行深入分析，詳細(xì)掌握該區(qū)域深層礦床地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育規(guī)律。

第二，根據(jù)現(xiàn)有淺層勘測(cè)結(jié)構(gòu)和相關(guān)資料，以三維立體地震勘測(cè)法為主，以探鉆控制和驗(yàn)證為輔，逐步構(gòu)建一套深層礦床地質(zhì)構(gòu)成綜合探測(cè)的研究方法和體系。

4 水文地質(zhì)問題為主的深層礦床

此類深層礦床可以進(jìn)一步劃分為老空水和深部高壓巖溶水。華北礦體在一二疊紀(jì)礦山主要以巖礦為代表，這類礦床地質(zhì)條件相對(duì)比較復(fù)雜，而且礦層底板高承壓的奧灰?guī)r溶水會(huì)促使深層礦床帶壓開采，任何一個(gè)細(xì)微的環(huán)節(jié)控制不當(dāng)，都會(huì)引發(fā)高壓水害等質(zhì)量通病的發(fā)生[3]。需要采用一系列先進(jìn)科學(xué)且合理的勘測(cè)技術(shù)才能有效提升勘測(cè)的真實(shí)性。

在實(shí)際勘測(cè)過程中，想要最大限度地提升深部礦床水文地質(zhì)勘測(cè)的真實(shí)性，需要從以下幾個(gè)方面入手。

（1）詳細(xì)查明礦層水位的基礎(chǔ)地質(zhì)特征，并以水文地質(zhì)條件為主要切入點(diǎn)，根據(jù)出水力學(xué)和水化學(xué)特征的實(shí)際情況，制定排泄條件和地下水補(bǔ)給方法。

（2）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)觀測(cè)，并建立完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)控制體系，有針對(duì)性的提出相應(yīng)的解決措施和防治水方法。

（3）根據(jù)實(shí)際情況，選擇與之相適的綜合勘測(cè)方法為勘查手段，同時(shí)綜合分析抽水試驗(yàn)結(jié)果和流量測(cè)礦井結(jié)果，積極查明預(yù)開采礦層的富水含量，并找到影響分布規(guī)律。

（4）為最大限度上保證勘測(cè)的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行多次分析、研究和對(duì)比驗(yàn)證，同時(shí)還要在采空區(qū)和小窯積水范圍調(diào)查之上，結(jié)合物探和井下鉆探兩種方法，盡快查明積水邊界。查探清楚灰?guī)r與灰?guī)r溶洞的分布規(guī)律，并深入了解巖溶水、地表水和礦系地層含水、層水力聯(lián)系情況，以及可能對(duì)深部礦產(chǎn)開采造成的影響[4]。

5 動(dòng)力地質(zhì)問題為主的深層礦床

在進(jìn)行地應(yīng)壓類深層礦床開采時(shí)，針對(duì)容易發(fā)生高低應(yīng)力的情況，可充分結(jié)合地質(zhì)構(gòu)成分析情況、現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量和反演算法等，積極預(yù)測(cè)出礦區(qū)深部地應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，隨著開采深度的增加，進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充測(cè)量，然后把反演數(shù)值和數(shù)值模擬相互結(jié)合，就可以有效計(jì)算出深部應(yīng)力場(chǎng)的全部參數(shù)。

而針對(duì)深層礦床類型的地質(zhì)條件，在實(shí)際開采過程中，隨著開采深度的增加，地質(zhì)條件也會(huì)更加復(fù)雜。隨著礦體重金屬含量和壓力的不斷提高，會(huì)增加礦井在開采過程中面臨的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致礦井演變?yōu)橹亟饘俚V井[5]。

針對(duì)此類問題，需要先清楚了解地質(zhì)構(gòu)造格局分布情況、地層分布狀況、水文地質(zhì)條件等，然后結(jié)合實(shí)際，選擇與之相適的勘測(cè)方法?？梢圆捎蒙钽@結(jié)合測(cè)井組合的方法來確定礦體的分布范圍，并推斷出其相應(yīng)的分布狀況，并快速測(cè)定礦體儲(chǔ)層的重金屬壓力，從而進(jìn)行有效的對(duì)重金屬含量進(jìn)行預(yù)測(cè)算。

6 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合理論實(shí)踐，深入研究了深層礦床開采地質(zhì)條件及其綜合探測(cè)，研究結(jié)果表明，隨著礦產(chǎn)開采的不斷深入，許多表層和淺層礦產(chǎn)資源已經(jīng)面臨枯竭，正逐步向更深的方向發(fā)展，但我國對(duì)深層礦床地質(zhì)條件勘測(cè)的研究還不夠深入，需要積極采取一系列方式方法、綜合探測(cè)技術(shù)和模式，才能有效保證勘探的精確性和效率，符合我國目前礦產(chǎn)事業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的相關(guān)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。