我國現(xiàn)在已是世界上最大的產(chǎn)煤國，每年產(chǎn)量高達(dá)11.5億噸，全世界有1/4的煤是從中國的地底下挖掘出來的。但是由于在我國能源結(jié)構(gòu)中，煤占71%，油氣占22%，其它能源只占7%，這種過分依賴于煤炭的生產(chǎn)活動(dòng)不僅對資源的可持續(xù)供應(yīng)造成了很大壓力，而且由于技術(shù)設(shè)備和采礦方法落后，以及體制和管理上的問題，煤礦開采引發(fā)了大量的地質(zhì)災(zāi)害，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和極大的經(jīng)濟(jì)損失。

    一、煤礦地質(zhì)災(zāi)害的種類及其危害

    在我國，煤礦地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、地面沉陷及塌陷、瓦斯突出、突水、泥（矸）石流、礦區(qū)水土流失等, 嚴(yán)重危及著礦山正常生產(chǎn)和人民生活。采空塌陷造成的損失最為嚴(yán)重，在我國重點(diǎn)煤礦，平均采空塌陷面積約占礦區(qū)含煤面積的十分之一。其中，山西作為產(chǎn)煤大省，是采空塌陷災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)。全省共15萬多平方公里的土地，采空區(qū)就達(dá)2萬多平方公里，相當(dāng)于總面積的七分之一。目前，采空區(qū)中6000平方公里的地域已經(jīng)遭受了地質(zhì)災(zāi)害。采空區(qū)上方的地面沉陷往往造成房屋倒塌、地面裂縫、地面建筑物斑裂、公路及橋梁斷裂等。

    據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中國歷年來煤炭開采造成的地表塌陷區(qū)累計(jì)已超過40萬公頃，每年形成的塌陷土地面積在1.5?2.0萬公頃，其中耕地占30%。再加上日益嚴(yán)重的礦區(qū)水土流失，破壞了大量不可再生的土地資源。中國富煤地區(qū)往往是貧水地區(qū)，全國重點(diǎn)礦區(qū)缺水的占71%，嚴(yán)重缺水的占40%。煤層頂部由于采動(dòng)造成的裂隙對含水層自然疏干，導(dǎo)致礦區(qū)地下水位大面積下降，使得礦區(qū)及周邊居民生活用水變得更加困難。另一方面，大量的地下水資源因煤系地層的破壞而滲透到礦井，這些礦井水含有大量的煤粉、巖粉和其他污染物，經(jīng)過一系列的氧化、水解等反應(yīng)，使其具有很高的酸性，這種未經(jīng)任何處理的酸性礦井水會(huì)嚴(yán)重污染地下水，影響居民生活飲用水的安全。

    二、煤礦地質(zhì)災(zāi)害的地球物理特征

    利用物探方法勘查煤礦地質(zhì)災(zāi)害，主要是依據(jù)地下介質(zhì)層間的電性、密度、放射性、彈性等物性差異。當(dāng)煤層未被采動(dòng)時(shí),地層一般呈現(xiàn)成層性和完整性,在小區(qū)域內(nèi)同一地層的電性差異不會(huì)太大，而且煤層與其頂?shù)装鍘r性上的差異是一個(gè)較為穩(wěn)定的波阻抗界面,具有良好的彈性波反射條件；當(dāng)煤層被采動(dòng)后，煤層在空間上的連續(xù)性被打破,采動(dòng)區(qū)頂板垮落，當(dāng)采空區(qū)為坍塌物和空氣充填，無水或水很少時(shí)一般采空空間的電阻率較圍巖高，當(dāng)采空區(qū)為坍塌物和水充填將導(dǎo)致采空空間的電阻率較圍巖低。一旦這種水平方向電性的均一性被打破且其在三維空間上具有一定規(guī)模時(shí)便可改變縱向電性的變化規(guī)律，從而表現(xiàn)為局部的、區(qū)域性的電性異常,為開展電法工作提供了物性前提和解釋依據(jù)。同時(shí)，在此區(qū)域煤層反射波的中斷、扭曲、振幅和頻率特征等的變化都為開展二維、三維地震勘探提供了工作前提。

    在煤礦采空區(qū)，斷隙發(fā)育,有利于氡的聚集,所以在采空區(qū)上方覆蓋層中可測到高值氡異常；而在塌陷區(qū),由于地表覆蓋層下塌與下覆地層的相連,形成較發(fā)育的裂隙,所以氡向地表的遷移通暢,但此時(shí)氡氣保存條件差,所以形成氡異常不高；而在殘留煤柱處,由于煤層的孔隙及裂隙不發(fā)育,上覆地層的應(yīng)力破壞較小,地層裂隙不發(fā)育,所以不利氡的運(yùn)移,因此在地表覆蓋層中形成低氡濃度。氡值的差異反應(yīng)了地下地質(zhì)環(huán)境的變化，指示了煤礦采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域、范圍和強(qiáng)度。

    三、應(yīng)用物探方法勘查煤礦地質(zhì)災(zāi)害

    物探方法在尋找礦產(chǎn)資源、探明隱伏礦床等資源勘查領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。由于煤礦地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往也造成地下介質(zhì)層間的物性差異，因此便可以將多種物探方法用于煤礦地質(zhì)災(zāi)害的勘查，包括電法勘探、磁法勘探、地震勘探、放射性勘探等。

    高密度電法是近年來發(fā)展起來的物探方法,廣泛應(yīng)用于災(zāi)害調(diào)查及工程勘察中。它是一種直流電阻率法，應(yīng)用的地球物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，通過向大地供直流電,采用點(diǎn)陣式布電極,密集采樣觀測和研究電場的空間分布規(guī)律,和常規(guī)電阻率法一樣，它通過A、B電級向地下供電流I，在M、N極間測量電位差△U，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值PS＝K△U／I，反演結(jié)果為二維視電阻率斷面圖。根據(jù)實(shí)測的視電阻率斷面進(jìn)行計(jì)算、處理、分析，從而獲得地層中的電阻率分布情況，以此劃分地層、圈閉異常、確定冒裂帶等。通過研究高密度電法獲得的數(shù)據(jù)資料,可以對災(zāi)害體的縱、橫向發(fā)展的規(guī)模有更深入的了解。

    瞬變電磁法是一種基于電磁感應(yīng)原理的物探方法，利用不接地回線(大回線磁偶源)或接地線源(電偶源)向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期間，測量地下介質(zhì)的感應(yīng)電磁場(二次場)電壓隨時(shí)間的變化。根據(jù)二次場衰減曲線的特征，就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，間接解決如陷落柱、采空區(qū)、斷層等地質(zhì)問題. 由于該方法是純二次場觀測，故與其他電性方法相比，具有體積效應(yīng)影響小、對地形、地物條件要求小、抗干擾能力強(qiáng)有體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高、對低阻反應(yīng)敏感等特點(diǎn)。同時(shí)，瞬變電磁勘探對地下良導(dǎo)電介質(zhì)具有較強(qiáng)的響應(yīng)能力，適用于進(jìn)行煤層頂?shù)装搴?隔)水層劃分、煤層陷落柱探測、斷層及裂隙發(fā)育帶導(dǎo)(含)水性評價(jià)等工作，是一種高效、快捷的物探方法。

    采煤活動(dòng)使得地下地質(zhì)體的橫向連續(xù)性遭到破壞,巖石中氡元素的運(yùn)移和集聚作用發(fā)生異變,在地表面能測到氡值的異常。氡射氣元素向采空區(qū)運(yùn)移,在采空區(qū)積聚,在地表形成一個(gè)與采空區(qū)形態(tài)相應(yīng)的氡異常區(qū)。因此,可以通過測量地表氡元素的濃度(實(shí)際上是測量氡衰變所釋放的α射線的強(qiáng)度) 來準(zhǔn)確圈定煤礦采空區(qū)的位置與范圍。此外，根據(jù)氡氣異常的峰值狀態(tài)還可以確定巖溶陷落柱的位置和范圍。由于地下的氡氣通過構(gòu)造、裂隙、地下水搬運(yùn)由深部向地表遷移，測量氡氣的濃度可間接反映地質(zhì)體的裂隙系統(tǒng)的情況，并可分析其開啟度、連通性及破碎程度,對預(yù)測滑坡能起到一定的指示作用。氡及其子體可以在地層中長距離運(yùn)移，并且隨溫度的升高，煤巖中氡的析出量有規(guī)律的增加，因此能夠通過地面同位素測氡技術(shù)精確定位地下火源位置和推算火源溫度。

    此外，二維和三維地震方法憑借其豐富的信息量、較高的分辨率、信噪比和準(zhǔn)確的空間歸位在煤礦地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用日益廣泛。雖然物探方法眾多，但適用條件各不相同，在實(shí)際工作中應(yīng)該結(jié)合煤礦特殊的地形地質(zhì)條件、勘探對象的地球物理特征等，選取適當(dāng)?shù)姆椒?，以最小的?jīng)濟(jì)投入獲取最好的勘查效果。