矿井地质研究现状及发展方向

摘要：矿井地质涉及媒碳开采的每一个阶段，对矿井的设计，矿山机械的选择，矿井安全等都有重要的意义。目前绝大部分的矿井都采用多种手段联合勘探。以增加成果的可靠性。

关键词：地质构造；矿井地质；矿井构造

中图分类号：TD163

文献标识码：A

文章编号：1674－1145(2010)03－0151－02

矿井地质是一门探索性、适用性都非常强的技术科学。无论是在矿井建设阶段还是矿井生产阶段，都直接为煤矿生产建设服务。煤碳的开发大体历经远景规划、矿区总体设计、矿井设计、矿井建设和矿井生产等阶段，每一步都必须以地质资料为依据。尤其是机采过程中，为了充分发挥机械的效能，采掘机械是按照一定的地质条件来设计的。主要的目的和任务是：查明地质条件、提供地质资料、指导采掘生产，组织矿床勘探、进行储量管理、调查伴生矿产。

一、国内矿井构造研究现状

分析地质构造要从宏观与微观，定性与定量两方面进行，要从几何学、运动学、动力学角度进行全面分析，深入研究构造的展布与组合规律，对构造的表达力求可视化。围绕这几方面我国地质工作者取得了一系列的成果。

(一)矿井构造规律研究

数理统计研究是矿井构造规律研究的最基本、最常用的方法。主要分析展布方向、组合规律、分析断层力学性质、形成机制等，在此基础上总结出断层、褶皱的规模、等级、总体分布以及各种构造间的切割、配套关系，并与区域构造格局和演化规律联系起来，提出矿井的构造发育规律。但是并非规律类推出来的构造完全符合事实，有的恰好相反，因为影响这个井田构造特征的除了区域应力场外，还有岩石的力学性能，地层的厚度等。以下这张构造运动矢量图说明这个问题：在同一期构造应力场下(印尼8.7级大地震)下，在川滇这个小地理区域范围内上，地壳的运动方向竟然有如此大的变化，这就说明矿井的构造特征不一定与区域构造特征相似，有时候甚至是相反的。在现实的矿井生产过程中，就是因为矿井构造有时无规律这个原因，给生产带来的很大的困难，所以在巷道掘进之前需要进行各种各样的物探，并且重视采掘对比。

(二)煤岩学研究在构造上的应用

在进行构造煤和高温高压变形煤的EPR实验得出结论：镜质组反射率同样也是变形煤微观结构演化的外在反映，并且揭示了应变环境和应力作用的特征，是煤田构造应力和应变分析的良好标志物之一。琚宜文、姜波(2005)在进行构造煤结构成分应力效应的傅里叶变换红外光谱研究时，结果表明，在各类构造煤中，芳香结构、脂肪结构以及含氧官能团的结构成分吸收频率几乎一致，但吸收峰的强度却不相同，这正是在构造应力作用下构造煤变形程度及变形机制不同所引起的。在低、中和高煤级变质变形环境形成的不同类型构造煤中，随着构造变形的增强，富氢程度降低，富氧程度也越来越低，而缩合程度增高，但不同类型构造煤结构成分的含量变化又有区别。该法应用于构造煤结构成分应力效应的研究，取得了较满意的效果。

(三)矿井构造复杂程度评价研究

在构造复杂程度评价方面地质工作者一直最求从定性向定量的发展，从80年代开始，随着新理论新方法在矿井构造研究中的应用以及计算机技术的高速发展，矿井构造研究打破了传统的规律分析的工作方法，进入了定性研究与定量评价预测相结合的新时期。国内夏玉成等(1991)将灰色关联分析方法引人模糊综合评判，用经过归一化处理的关联度代替模糊综合评判中的因素权重，从而实现了权重集的自动赋值及模糊综合评判过程的计算机化。汪吉林、姜波(2005)等提出矿井构造系统的混沌时间序列分析。该方法基于基于实测的煤层底板的倾角、断层强度、断裂信息维等描述矿井地质构造的指标数据，依据地质构造具有自相似的特性，模拟了矿井地质构造演化的时间序列，并通过重建相空间的方法，计算了时间序列的关联维。朱宝龙(2001)等使用人工神经网络(ANN)对矿井构造进行定量评价，它是一种非线性动力学系统。它具有良好的自适应性、自组织性及很强的学习、联想、容错及抗干扰能力。因此，用于定量评价渴望建立接近于人类思维模式的定性与定量相结合的综合评价模型。人工神经网络首先要用已知样本对网络进行训练，整个评价过程基本由计算机自动完成，从而可大大降低人为因素的干扰。另外也有不少学者利用判别法，灰色理论对矿井构造进行预测。

(四)矿井构造的可视化研究

随着虚拟现实技术的发展，对构造的表达上力求可视化，对于地下的三维地质体，通过计算机虚拟制造技术在屏幕上生动的展现，而且还可以建立各种地质模型，进行数值模拟。谢晓佳，邓月华(2008)曾经利用MulfiGen Creator虚拟现实技术的矿井三维建模对矿井可视化及井下人员的动态显示系统的研究。汪吉林，丁陈建，吴圣林(2008)在复杂地貌和地质构造条件下基于FLAC3D的复杂地貌三维地质建模。

(五)矿井地质勘探技术手段研究

目前，矿井地质勘探的主要技术手段是钻探、巷探和物探。各种技术手段的选择，取决于地质要求，技术上的可能和经济上的合理。柴登榜(1992)提出“地质是基础，物探为主导，化探为辅助、钻探来验证”的方针，为矿井物探技术的发展指明了方向。矿井物探技术作为一项矿井技术手段而被越来越多的矿井地质工作者所重视。主要的勘探种类有地震勘探、电法勘探、矿井地质雷达、电透视法勘探、钻井地球物理(测井)等。对于井田煤层构造已成熟勘探手段有二维地震勘探、电法勘探和钻孔勘探；对于采区内的小构造，包括落差五米左右的断层、陷落柱、老窑及采空区的空间分布形态已成熟的物探技术有：三维地震勘探、瞬变电磁法、矿井直流电法、瑞利波地震勘探等。尤其是三维地震应用最为广泛，已成为认识地下三维世界的常规方法。

(六)地质构造变形数值模拟研究

地质构造变形数值模拟实验的主要内容之一是研究构造应力与构造变形，即应力与应变的关系问题。因此，开展构造地质基础的数值模拟实验，是地质构造变形数值模拟实验的主要内容之一。

(七)3S技术支持下的地质构造调查分析

3S是指遥感RS、地理信息系统GIS、卫星全球定位系统GPS技术。采取遥感(RS)技术对地质构造TM影像特征进行分析，建立不同断裂遥感解译标志，利用人机交互方式解译出不同断裂，借助地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)将地质构造信息和相关地质资料进行空间叠加对比和实地验证分析的基础上，对地质断裂及活动性断裂构造进行深入研究和遥感影像新构造类型分区。这种勘探技术不但省时、省力、省财，资料科学客观，而且可有效地弥补野外地质工作难以观察到的情况，从宏观和空间上一目了然地掌握、分析断裂的延伸和展布特征以及断裂间的相互关系。

二、发展趋势

在构造地质学研究中，构造变形年代的确定和变形机制的研究历来是一个难题。正如王鸿祯院士指出的那样：地质学从本质上来讲，是具有历史科学的特征，都有一个历史演化过程。另外在构造学说无法解释的问题上，将会出现新的理论，新的研究方法。比如地体构造理论、大火成岩省学说、真极移理论、地质构造的流变学等这些都将为构造地质学理论的完善做出贡献，当然了也影响着矿井地质学的发展，但是矿井地质学与生产联系紧密，因此又有其自身的一些特点。

矿井地质的首要任务就是要查清是否有对开采影响较大断层、褶皱、陷落柱等，因此矿井地质勘查手段和仪器的发展是第一关，今后将仪器发展将使矿井地质工作走向新的台阶，能够查出更小落差的断层等。要对查出的构造作出评价，以便于矿井的设计与开采，如何才能准确的评价，尤其定量性的评价是今后工作的重点。另外，利用计算机来管理矿井是今后的一种趋势，这就要求对构造的表达要进行数字化、可视化，这将是矿井地质发展的一个亮点。

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