01采矿地球物理绪论ppt课件

1、采矿地球物理学概论.六、学时分配表学时分配表 .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的成果；2考试，占70的成果。 . 地球物理学 是一门以地球为研讨对象的运用物理学。其中，对固体地球的研讨，在二十世纪六十年代以来，获得极大开展。它已成为地学的重要组成部分，并且浸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察看、丈量本钱低、获得的信息量大、研讨丈量具有非破坏性等优点

2、，因此是主要采矿丈量方法之一。 在二十一世纪，采矿地球物理方法将是采矿平安技术以及有益矿物的经济、高效开采方面运用的最根本的丈量工具。 .1. 地球科学 地球科学以整体的地球作为研讨对象，包括自地心至地球外层空间非常宽广的范围，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、化学和生物三大根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.按圈层范围 .按学科交叉 .按服务目的 大气科学 大气物理学 地球物理学 固

3、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.按圈层范围 .按学科交叉 .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. 大气科学研讨大气圈

4、的组成、构造和气候过程， 海洋科学研讨水圈海洋部分的物理、化学、生物景象的运动过程， 地文科学研讨地球表层的地理环境， 地质科学研讨地球的物质成分、内部构造、外部特征、各圈层间的相互作用和演化历史。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.地球物理学及其开展 地球物理学(Geophysics)是以地球为研讨对象的一门运用物理学。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位置。 地球物理学的研讨范围甚广，包括从地球最深部的地核到大气圈的边境。它是由地震学(Seismology)、地磁学(Geomagnetics)、地电学

5、(Geoelectricity)、重力学(Gravity)、地热学(Geothermicity)、大地丈量学(Geodesy)、大地构造物理学(Tectonophysics)、地球动力学(Geodynamics)等根底科学组成。. 地球物理学用物理学的原理和方法研讨地球的外形、内部构造、物质组成及其运动规律，讨论地球来源、构成以及演化过程， 为维护生态环境、预测和减轻地球自然灾祸、勘探与开发能源和资源做出奉献。图1-1为地球物理学的构成和开展现意图。.图1-1 地球物理学的构成和开展现意图. 研讨宏观景象和根本实际的叫做实际地球物理学(Theoretical Geophysics)或“纯地球物

6、理学(pure Geophysics)，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(Exploration Geophysics)或运用地球物理学(Applied Geophysics)，研讨岩层运动以及煤岩动力景象的那么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。. 人类察看和研讨地球物理景象曾经有几千年的历史，早在公元前1177年的商朝，我国就有关于地震的记载。实践上，现代物理学是从研讨地球物理问题开场的。例如牛顿Newton经过研讨地球和月球的运动发现了万有引力定律，克雷假设(Clairaut)研讨地球的外形，拉普拉斯(

7、Laplace)研讨地球的来源，高斯(Gause)研讨地球磁场，开尔芬(Kelvin)研讨地球的弹性、热传导和许多其他地球物理问题。. 18l9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，由于胜利地把地球物理学方法用于矿产资源勘探当中，使它得以迅猛开展。最近构成的采矿地球物理学，开展更是迅速。. 地球物理学开展的总趋势有两种：一是多学科的综合，二是科学的国际协作。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讨方案。60年代初，近50个国家参与了上地幔方案，主要研讨内容包括： (1) 全球性的地壳断裂系统；

8、(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)地壳及地幔的构造及其横向不均匀性。 这个方案延续了10年，于l970年终了，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开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艰苦发现相媲美。 70年代以后，国际间围绕着地球动力学、岩石圈构造等问题开展了一系列的多学科综合研讨。. 19741979年，国际地球动力学方案作为上地幔方案的延续，主要处理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。国际岩石圈方案(19802000年)也正在实施中，这个方案的四个研讨领域是：(1)全球变化

9、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.采矿地球物理学的根本义务 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处理采矿现场的实践问题，例如矿床的勘探问题，矿山动力景象，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讨称之为振动法，包括微震法、振动法和地音法； 岩体内重力变化的研讨，称之为重力法； 地电景象的研讨，称之为地电法； 还有热法，原子能法等。 这些研讨方法都需求特殊的丈量仪器和实际指点。.1) 震动法 采矿作业突破了岩体内原有的应力平衡形状，其结果呵斥了岩体内变

10、形能的聚积。这些能量以忽然的方式动力释放，产生震动，并使变形添加。 与大地地震相比，其震动频率高，影响范围小。震动能量为ll0 2ll0 10J，里氏震级为04.5级，振动频率为150Hz，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景象。 详细的说，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， 以此为根底，进展震动危险的预测预告，如预告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。.

11、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。地音与岩石的动力景象及弹性波的发射有关，是在应力作用下，岩体构造的非弹性变性，构造非稳定的结果。. 采矿地音法是以脉冲的方式记录弱的、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形状，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形状等。.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

12、的过程或景象。 岩石破裂电磁辐射的观测和研讨是从地震任务者发现震前电磁异常后开场的。在近25-30年内岩石破裂电磁辐射效应的研讨，无论是在实际研讨方面，还是在运用研讨方面，都获得了飞速开展，特别是在地震方面用于预告。. 从九十年代开场，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展了较为深化的定性和定量研讨。研讨阐明，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景象，与煤岩体的变形破裂过程亲密相关。. 电磁辐射可用来预测冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾祸动力景象。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

13、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祸防治措施的效果;评价边坡稳定性;确定采掘面周围的应力应变，评价混凝土构造的稳定性等。.4) 振动法 振动法处理采矿作业引起的地质动力景象问题，主要是根据地震波的传播速度的变化，确定岩石构造破坏过程开展的各阶段，如弹性阶段的高应力，对应比较大的振动频率，阐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能够发生高能量的震动甚至冲击地压。. 振动法处理矿山压力问题，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

14、岩块实验的静态有很大差别，这些参数更符合实践。 . 振动法处理地质问题，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展。当煤层的延续性出现问题时，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，甚至全部消逝等。.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丈量重力的异常变化。 丈量仪器和丈量方法的开展，促进了重力法的广泛运用，丈量仪器的高精度性(2Xl0 -9 m/s2)可使其广泛运用于小构造、岩像变化的丈量以及由于采矿作业引起密度分布的变化。 目前，重力法主要研讨开采引起岩体体积的变化;岩体震动、冲击地压的预测预告;小范围内煤层

15、构造的变化;部分空洞的定位等方面。 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处理地质、采矿技术、预测预告等方面的问题，其运用范围非常广泛。 地质电法主要丈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。 主要处理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;巷道应力形状的监测。.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运用性进展了卓有效果的研讨，并建立了从 射线到

16、极远红外线的延续波谱图。其中具有热效应的红外波长范围为：0.75m1000m。. 3.2 采矿地球物理方法优点： (1) 与打钻孔、掘巷道探测来说，察看、丈量本钱低； (2) 采矿中的许多景象和过程只能用采矿地球物理方法才干进展丈量、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景象，而采用其他丈量方法那么不能够做到； (3)获得的信息量大。 .(4)研讨丈量具有非破坏性。这对采面的平安性及巷道维护的稳定性等都具有重要意义； 采矿地球物理学的根本义务是处理采矿作业的平安性和保证矿井消费的延续性。主要处理关于开采引起的地质动力景象和瓦斯动力景象震动、冲击矿压、突出以及对煤层及周围岩层

17、物理力学参数认识的矿山压力问题，关于煤层延续性的地质问题，如冲刷、侵蚀、尖灭、断层等。.3.3矿山压力问题 采用采矿地球物理方法可延续或即刻记录采矿作业引发的振动景象，以此可延续评价、并在一定程度上预测研讨区域的震动性及危险性，如冲击矿压、煤和瓦斯突出等，并可以评价灾祸防治措施的有效性。 还可以提早认识岩体的构造及物理力学特性，如弹性模量、泊松比等。这是矿山压力研讨中最根本的参数，而其只需丈量弹性波的传播速度即可获得。. 同时，采用采矿地球物理方法可提早消除采掘面前方冲击矿压的危险地段和不平安地段。 (1) 对于采矿活动引发的地质动力景象的研讨： 地质动力景象的延续记录、评价、分析和诊断采用微

18、震法和地音法； 提早认识潜在的危险区域，如应力升高的地点采用振动法，地质电法，重力法和热法； 评价灾祸防治措施的效果采用振动法，地音法和地质电法。.(2) 岩石物理力学参数确实定，可采用振动法就可以完成。 其根底是丈量两种不同类型的地震波纵波和横波在介质中的传播速度。这种方式得到的参数称之为动态参数，与实验室获得的静态参数有明显的区别动态参数更接近于岩体的实践特性。.3.4地质问题 采矿地球物理方法可以对煤层的构造区进展探测和定位，如煤层中特别容易出现的断层、侵蚀、煤层分叉等。在集中化消费的今天，这对保证煤层开采的节拍性和延续性，具有艰苦的意义。 . 对于提早确定任务面前方煤层的构造问题，主要采用振动法来完成。震动法可根据煤层中地震波传播的延续性、振幅的变化，或者利用煤层非延续外表断层面、侵蚀面出现的反射波信息等来确定任务面煤层的构造问题。还可采用其他方法，如电磁波法对其进展研讨。目前进展的雷达法研讨就属于这类。另外，采用重力法也可获得一些地质方面的信息。. 3.5其他问题 (1)采掘面区域内水的诊断，其灾祸危险性评价，主要采用地质电法。 (2)壁情况的评价，主要采用地质电法、振动法、重力法和雷