❶ 評價原理與方法
（一）主要影響因子
由於地下水系統是一個開放系統，所以其脆弱性與其埋藏條件、補給源等有著密切的關系，包括包氣帶岩性、地形地貌、含水層水文地質條件等，還與人類活動也有一定的關系（圖4-6）。因此，地下水脆弱性評價需要考慮的因素較復雜，應結合具體問題遴選主要影響因子。
地下水脆弱性評價因子，包括兩部分：一是固有脆弱性評價因子；二是特殊脆弱性評價因子。固有脆弱性評價因子主要有土壤性質、包氣帶特徵、含水層特徵、補給量、地形、含水層的下伏地層以及與地表水或海水的水力聯系狀況。在地下水特殊脆弱性評價時，除考慮了以上因子外，還需要考慮與人類活動有關的影響因子和影響污染物發生降解的地質條件和污染物特性。
1）土壤（soil media）是地球最表層風化地帶，它對地下水的補給有很重要的影響作用。一般情況下，土壤的顆粒愈小，地下水入滲補給量愈小，入滲水流所攜帶進入地下水中的污染物愈少。另一方面，土壤中含有大量的微生物，是污染物進行物理-化學分解的重要條件。
圖4-6 地下水脆弱性評價有關因子
2）包氣帶（vadose zone）位於土壤層之下、地下水位以上非飽水區，通常將土壤層納入其中。包氣帶的厚度決定污染物下移進入地下水含水層的所需時間。包氣帶厚度愈大，地下水脆弱性愈弱，地下水愈不容易遭污染。包氣帶的岩性以及其滲透性，也是重要影響因素。粘土地層組成的包氣帶，有利於地下水免遭受污染。
3）凈補給（net recharge）是指來自研究區含水層以外的水分對地下水凈補給量，它增加儲存資源（水量）。這部分水量在補給地下水的同時，還攜帶一定數量的污染物進入含水層中。補給量愈大，進入含水層中的污染物幾率或數量愈大，地下水脆弱性愈強，愈容易遭污染。
4）含水層特徵（aquifer media）是指含水層岩性、厚度、有效孔隙度、水力傳導系數和儲存能力等，這些因素都影響污染物在含水層中遷移、聚集和稀釋狀況。
5）地形（topography）主要是指陸地表面的坡度和植被覆蓋率。陸地表面的坡度控制污染物隨著雨水產匯流而遷移狀況。當地形坡度較緩，降雨就不容易形成徑流，污染物進入地下水中潛在性較大；反之，地形坡度較大，則降雨易形成快速徑流，不利於污染物進入地下水中。植被覆蓋率通過延緩降雨地面產流的時間，增大入滲速率而影響污染物進入地下水中情勢。
6）含水層導水系數是決定污染物在含水層的傳播速度，傳導系數愈大，污染物傳播速度愈快，地下水的脆弱性愈強。
（二）評價方法
地下水脆弱性評價方法很多，一般包括4個步驟：①建立評價指標體系；②確定指標體系中各因子的權重；③應用數學方法計算；④評價分級與編繪地下水脆弱性分布圖。
地下水脆弱性評價方法的選取，應根據研究區的自然地理狀況、相關數據情況及研究目的來確定。比較常用的評價方法，有：過程數學模擬法、統計方法、模糊數學法和疊置指數法（表4-13）。
表4-13 地下水脆弱性評價方法對比
註：引自薑桂華，2002。
1.過程數學模擬法
過程數學模擬法是在水流和污染質運移模型基礎上，建立一個脆弱性評價數學表達式，然後將各評價因子量化處理之後應用該式進行求解，由此可得出一個有關地下水脆弱性的綜合指數。
該方法最大的優點是它可以描述影響地下水脆弱性的物理、化學和生物等過程，但只有在充分認識污染質在地下水環境中遷移過程，並有足夠的水文地質資料和長序列污染質遷移監測數據，才能取得比較好的結果。盡管描述污染質運移的二維、三維等模擬模型很多，但在區域地下水脆弱性評價中，多數採用包氣帶的一維過程模型。例如 Britt等（1996）從包氣帶的衰減能力、污染質的對流-彌散以及污染質代謝物的毒理性等角度，應用衰減因素指數模型、污染質滲漏潛勢指數評價模型和分級指數模型開展了相關研究。這3種方法，需要輸入的數據較少，便於廣泛應用；缺陷是不能模擬污染質遷移、轉化詳細過程。
2.統計方法
統計方法是通過對已有的地下水污染監測數據進行數理統計分析，確定地下水脆弱性評價的主要因子，然後採用分析方程進行計算，再根據計算結果進行脆弱性分析（Mi⁃chael，1999）。Tesoruero等（1997）和Sophocleous等（1998）分別採用邏輯回歸分析和線性回歸分析方法，評價了
應用統計方法進行地下水脆弱性評價，需要有足夠的相關監測資料。在地下水脆弱性評價中，這種方法不如疊置指數法和過程數學模擬法應用廣泛（薑桂華，2002）。
3.模糊數學法
模糊數學法是在確定評價因子、各因子的分級標准和因子賦權的基礎上，採用單因子模糊評判和模糊綜合評判進行地下水脆弱性評價的。這種方法在我國地下水脆弱性評價中應用較多（陳守煜，2002；周金龍，2004）。
4.疊置指數法
疊置指數法是通過選取評價參數的分指數進行疊加，然後形成一個反映地下水脆弱程度的綜合指數，再根據綜合指數進行評價。該方法又分為「水文地質背景參數法」和「參數系統法」。前者是通過條件類似地區的已知脆弱性標准，進行比較分析來確定研究區地下水脆弱性。這種方法需要建立多組地下水脆弱性評價的標准模式，且多為定性或半定量性評價，一般適用於地質、水文地質條件比較復雜的大區域。後者是將選擇的評價參數，構建成為參數系統，每個參數都有一定的取值范圍，這個范圍又分為幾個區間，每一個區間給出相應的評分值或脆弱度（即參數等級評分標准），然後將各參數的實際資料與該標准進行比較評分，進而獲得評分值或脆弱度。該方法又分為「矩陣系統法」、標定系統法和計點系統法。
疊置指數法所需數據比較容易獲得，演算法簡單，易於掌握，是國外最常用的一種方法（孫才志，2000）。它的缺陷是評價指標分級和評分沒有統一的標准，具有很大的主觀性。
（三）評價因子權重確定
確定各影響因子對目標影響的權重，是地下水脆弱性評價的基礎工作，對評價結果具有顯著的影響。確定權重方法主要有主觀賦權法和客觀賦權法兩類。主觀賦權法是指由專家根據經驗主觀判斷確定評價因子權重，評價結果具有一定的主觀性，這類方法有層次分析法、最小平方法、專家調查法、環比評分法和TACTIC法。客觀賦權法是指根據原始數據之間關系來確定評價因子的權重，它具有較強的數學理論依據，這類方法有主成分分析法、熵值法、神經網路法和灰色關聯度法等。目前比較普遍的做法是通過多種方法確定權重，然後相互驗證確定權重的合理性。
1.層次分析法
層次分析法（AHP）是一種定量與定性相結合的多目標決策分析方法，它是將決策者的經驗判斷給予量化，在目標結構復雜且缺乏必要數據情況下更為實用。該方法是在建立有序遞階的指標系統基礎上，通過指標之間兩兩比較對系統中各因子給予優劣評判，進而確定各因子權重系數。具體步驟：①建立層次結構，構造判斷矩陣，明確上一層次因子與其所屬層次因子之間的權重關系；②所有因子權值層次排序及求解權向量；③檢驗和修正各判斷矩陣的一致性。
與其他方法相比，AHP方法的最大優點是通過一致性檢驗保持邏輯上的一致性，當出現3個以上的指標相互比較時，不會出現內部相互矛盾、不協調一致問題。
2.BP神經網路法
人工神經網路法（ANN）是指在計算機上採用一定演算法模擬人腦智能的技術，它是由大量具有非線性響應運算功能的神經元構成，形成一種並行分布式的信息處理系統，各神經元之間權值可以不斷調整，使系統具有自學習能力（尚麗，2002）。
BP（Back Progagation）網路演算法又稱為反向傳輸演算法，是一種多層學習演算法。BP網路演算法模型為：
設n維m個學習樣本X=（x11，x12，…，xmn），已知與其對應的教師d=（d1，d2，…，dm），同時存在一個連接權W=（w1，w2，…，wn），通過輸入樣本、連接權和作用函數，產生一個輸出項Y=（y1，y2，…，ym），於是有
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
f（x）=1/（1+ex） （4-64）
式中：netji為節點i在學習第j個樣本時的輸出項；Yj為第j個樣本的輸出項；m為學習樣本；n為樣本節點；f（x）為輸出作用函數。
每個輸入樣本，網路輸出（ym）與期望輸出（dm）之間誤差為
E=Ej=（dm-ym） （4-65）
則，總誤差為
權重修正為
ΔW（j，i-1）=ηyj（dj-yj）（4-68）
當E小於某一數值時，權重修正的網路學習結束。
假設有m個n維變數，則求取權重的計算模型為
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
權向量為
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
該模型為數據輸入層、中間隱含層（權重層）和輸出層3層。在輸入向量、權向量和作用函數後，會產生m個1維輸出向量：
dT（m）=（d1，d2，…，dm）
同時，根據實際資料，得到m個1維實際結果向量：
YT（m）=（y1，y2，…，ym）
於是，有
W（m+1）=W（m）+ΔW（m）
ΔW（m）=η［dm-f（ym）］f（ym）sgn［dm-f（ym）］
已知樣本變數X（n）和實際結果向量Y（m），則可以求得連接權W（n）。
3.灰色關聯度法
灰色關聯度法是一種比較常用的方法，具體演算法如下。
設有m個子因素（X1，X2，…，Xm），它們都與母因素（X0）有一定關聯。每個評價指標都有N個統計值，構成母序列和子序列：
母序列｛X0（i）｝，i=1，2，…，N
子序列｛Xk（i）｝，i=1，2，…，M
為了進行比較，將母序列和子序列進行標准化處理，使所有的值在0～1之間。
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
式中：
經標准化後的數列，無量綱，則第k條子線在某一點t與母線在該點的距離：
Δ0k（t）=｜X0（t）-Xk（t）｜ （4-70）
可用Δ0K（t）值衡量它們在t處的關聯性。Δ0k（t）愈小，子線與母線在t處的關聯性愈好。母、子序列在t=1到t=N的關聯性，用關聯系數表示，有
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
式中：ξ0k（i）為第k條子線與母線X0在i點關聯系數，其值滿足0≤ξ0k≤1，ξ0k愈接近1，它們的關聯性越好；Δmin，Δmax為m條子線在區間［1，N］母線的距離Δ0k（i）的最大值與最小值；ζ為分辨系數，一般取0.5。
於是，有第k條子線與母線在［1，N］間的關聯度為
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
採用下式使關聯度之和為「1」，對關聯度進行標准化。標准化後的關聯度，可作為每個評價指標的權重。
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
（四）脆弱性評價方法
1.DRASTIC模型
DRASTIC法是一種評價地下水污染潛勢的分級標准化系統方法，也是地下水脆弱性評價中參數系統法的一個經典方法，被較廣泛應用。該方法由美國水井協會（NWWA）和美國環境保護局（USPEA）於1987年合作研發，它綜合了40多位水文地質學專家的經驗，適用於大尺度區域性地下水脆弱性評價。DRASTIC模型取7個參數的開頭字母組成DRASTIC模型名稱，D為地下水位埋深（Depth to Water）、R為凈補給（Net Recharge）、A為含水層介質（Aquifer Media）、T為地形（Topography）、S為土壤介質（Soil Media）、I為非飽和帶影響（Impact of Vadose Unsaturated Zone）和C為含水層水力傳導（Hydraulic Conctivity of the Aquifer）。DRASTIC法已被美國40個縣和許多國家採用，包括不同水文地質條件地區，例如喀斯特地區多含水層系統。
DRASTIC方法有4個主要假定：①污染物存在於地表；②污染物通過降雨滲入地下；③污染物隨水遷移；④研究區面積不小於100英畝（約0.4km2）。
DRASTIC評價模型為
DrDw+RrRw+ArAw+SrSw+TrTw+IrIw+CrCw=DRASTIC（4-74）
式中：D，R，A，S，T，I和C分別為地下水位埋深、凈補給、含水層介質、土壤介質、地形、非飽和帶影響和含水層水力傳導系數；r和w分別為評價指標等級和權重；DRAS⁃TIC為綜合指數，該值代表地下水脆弱性的不同程度。DRASTIC值愈小，地下水脆弱性愈低；DRASTIC值愈大，地下水脆弱性愈高。
2.評價指標及特徵值
DRASTIC模型的各評價因子含義及其對地下水脆弱性影響情況如下。
1）地下水位埋深（Depth to Water）：地下水位埋深是指從地面至地下水位的距離。地下水位埋深愈淺，地下水愈容易遭污染，地下水脆弱性愈高；反之，地下水愈不容易遭污染，地下水脆弱性愈低。地下水位埋深分級及特徵值，如式4-75所示
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
式中：f（h）為地下水位埋深評分；h為地下水位埋深（m）。
2）凈補給（Net Recharge）：是指每年在單位面積到達地下水位的總補給水量。地下水入滲補給量愈小，隨之進入地下水中污染物愈少，則地下水脆弱性愈低；反之，地下水入滲補給量愈大，隨之進入地下水中污染物愈多，則地下水脆弱性愈高。
降雨入滲影響評分表達式，如下式4-76（Jeffrey D.，2001）：
RN=（Recharge×0.265722）1/2+1 （4-76）
式中：RN為降雨入滲影響評分；Recharge為單位面積的地下水凈補給量（m3/km2·a）。
3）地形（Topography）：是指地表面的傾斜度。地形坡度愈小，愈不利於降雨在地面形成徑流，而污染物愈容易通過入滲進入地下水中，脆弱性愈高；反之，地形坡度愈大，愈利於降雨在地面形成徑流，而污染物愈不容易通過入滲進入地下水中，脆弱性愈低。
地形坡度影響評分表達式，如式4-77：
區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究
式中：RT為地形坡度影響評分；a為地形坡度。
4）包氣帶影響（Impact of the Vadose Zone）：包氣帶評分值與含水層岩性評分相似。當含水層上覆為滲透性較弱的粘土時，則評分較低；當含水層上覆為滲透性較弱的砂性土時，則評分較高。
5）含水層岩性（Aquifer Media）：岩土顆粒愈大，或裂隙較多，則脆弱性評分愈高。
6）含水層水力傳導系數：它影響污染物在含水層的遷移速度。傳導系數愈大，污染物遷移速度愈大，則脆弱性評分愈高。
7）土壤類型（Soil Media）：土壤顆粒愈小，或含有大量微生物，則脆弱性評分愈低。
3.權重體系
在建立DRASTIC評價模型時，根據評價不同目的，賦予每個評價因子一個分級特徵值（1～10之間），並建立兩套相關的權值系列（1～5），其中顯著性最高的權值為5，最低為1。
❷ 地層特性研究
地層層序初步建立後，必須對該地區的地層特性進行研究。其內容包括厚度、岩性以及對不整合面上下地層分布的研究。常用的手段是地質分析推理和地下制圖方法，通過繪制剖面圖、平面分區圖、平面等值線圖來達到恢復與展現地下地層結構的目的。對這些圖件的綜合解釋，有助於建立正確的地層對比關系，有助於構造的研究，有助於建立地下地層結構的時空概念，從而指導油氣田的勘探與開發。
（一） 地層厚度的研究與應用
1. 等厚圖的編制
等厚圖是最基本的地層特性圖件。地下地層等厚圖的資料來源於錄井或測井資料的對比結果。井點之間的厚度變化是通過等值線來體現的。勾繪的等值線，即等厚線，要與圖上各井點的厚度相吻合。井點之間的等值線由內插法作出，但要與沉積特點相一致。因為等厚線的分布受物源區大小、遠近，相對沉積速率，剝蝕作用等因素的控制，如果不考慮這些因素而採用井間機械內插，必然會出現解釋上的不協調或與其他地質現象不協調的矛盾。圖2-5A是根據井點提供的地層厚度內插作圖的，既沒有考慮到中心區沉積較厚，也沒有考慮到在地層缺失區地層減薄率的變化。圖2-5B用同樣資料，但考慮了上述因素，勾出的等值線圖能較真實地反映客觀情況。在圖2-5B的西區，零線到200m厚度線間的密集等值線表明那裡的地層沿著花崗岩斜坡分布，說明西邊為近岸沉積，地層減薄率大是由於花崗岩體上升受剝蝕所致，密集的等值線應保持與花崗岩體平行。在圖的東區地層加厚率大，岩心樣品為粗的長石砂岩和礫岩，推斷其物源為花崗岩體，從密集的等厚線及粗的岩性，可以進一步圈定禿頂花崗岩區的形狀和范圍。此外，在圖的東南部位，厚度為190m，450m，590m的3個井點間厚度變化率小，岩性為細粒沉積，推斷該區為一地勢較高的平緩台地，向東南方向傾沒。由B圖與剖面圖C的綜合解釋，可以看出東區沉降較早，西區沉降較晚。
圖2-4 地層對比中常見地質現象實例
圖2-5 在不整合面和花崗岩之間 （C）用同樣厚度數據勾出兩種不同的等厚圖 （A、B） （據Low，1977）
等厚圖是利用直井的鉛直厚度資料，當地層水平時，直井所穿地層的鉛直厚度等於地層真厚度，當地層傾斜時，鉛直厚度大於真厚度。所以，在有構造傾角變化的地區，應一律用真厚度作等厚圖。當然根據工作需要也可作鉛直厚度等值圖，如利用地層頂面構造圖推算底面構造圖時，就要利用鉛直厚度等值圖。
2. 等厚圖的應用
等厚圖很有意義，它經常能揭示出令人困惑的問題。等厚圖的應用很廣泛，包括：
（1） 指導勘探工作，如預測探井標准層深度和估計完鑽井深以下的深部標准層海拔。
（2） 利用地層等厚圖與地層頂面構造圖疊加，編繪地層底面構造圖。
（3） 利用不同時期等厚圖研究古構造。
（4） 利用不同時期等厚圖配合岩相圖，研究沉積環境，建立相的時、空概念。
（二） 岩相圖的編制與應用
如何把一套反映環境的岩層組合變化表現出來，是地層特性研究的另一個重要課題。常用手段是編制岩相圖。
在編制各類岩相圖件之前，首先要對井的剖面資料予以整理，即在對比基礎上，確定出同一時間層段的井號、井深、岩性、分層厚度、分岩類統計厚度，以及各岩類所佔厚度的百分比值，等等。在此基礎上，可以按資料准備程度及要求，編制各種類型的相圖。表現岩性組合的圖件形式有剖面圖、平面圖及立體圖3類。平面圖又可有等值線圖、分區圖及點圖3種形式。表現相變化最直觀的圖件是立體圖，但當相變快、井剖面資料少時，難以做到。目前，運用最多的是岩性組合平面展布圖。在計算機處理數據與作圖日益普及的今天，需廣泛開展岩性組合的定量研究。
1. 岩相圖
岩相圖是把能夠說明岩相的主要岩性組合，以分區形式表現出來，它的背景圖為該層的等厚圖。如圖2-6所示，圖中按主要岩性組合劃分為6個相區。從圖上可以清楚了解到物源區、沉積區、盆地相對升降等區域性變化情況。對於簡單的砂泥岩地層，可以選擇能說明相帶特徵的資料，如砂岩體形態或測井曲線形態等作為分區的依據。
圖2-6 岩相圖 （岩性組合圖） 與等厚圖 （據Low，1977）
當岩性變化復雜，井點資料少，勾畫不出岩相帶的平面分布時，可以點圖形式直接將資料整理結果標在井位上。以圓的直徑表示該井所鑽遇某層段的視厚度值，圓內用不同符號代表各種岩性在層段內所佔的百分比。從圖上可以粗略地看出各種主要岩類的厚度及岩性組合的大致變化。
2. 等岩圖
等岩圖是一套圖件的組合 （圖2-7）。先以等值線形式表示某層段內不同岩類的厚度分布，然後在各等厚圖上按不同岩性類型分區。一個地區等岩圖採用何種岩性組合方式，要看用所選岩性組合作出的等岩圖能否明確表示出主要岩類的分布特點。對一套等岩圖、地層等厚圖以及表明沉積物礦物組分的圖件進行綜合分析，對闡明沉積物源區，判斷沉積環境以及了解沉積過程都極為重要。顯然，分的層段越薄，研究也就越仔細。對大套多層重復的岩性組合，由於劃分不出薄的制圖層，因而分岩類研究較為有利。
圖2-7 等岩圖 （據Lerey，1977）
3. 比率圖
在制圖層段中，求一種岩類的累計厚度與其餘岩類總厚度之比，將該值標於井位旁邊，按內插法勾繪等值線圖。在勾等值線圖時，要注意與地質特徵相吻合。
4. 百分比圖
在要制圖的層段，計算某一種岩類的累計厚度與該層段總厚度之比，以百分數表示。將該值標於井位旁邊，按內插法勾繪等值線圖。
以上介紹了各種常規圖件的編制方法及其代表意義。在多數情況下，不管什麼類型的地層圖件，都僅僅顯示了某個方面的基本特徵，它並不能精確完整地描繪出一個復雜的地層結構。所以，在研究地層特徵時，必須將所有編繪的各類圖件進行綜合分析，並且對上下相鄰層段也進行類似的研究，以建立地層發育的時、空概念。此外，為了評價可能的儲集岩，還需要細分相帶，進行定量的測繪制圖。
❸ 盆地動力學背景
鶯歌海盆地位於印支半島與南海北部大陸邊緣交接區(圖2－2)。從鶯歌海盆地形成的動力學背景來看，印度－亞洲大陸的陸－陸碰撞和太平洋板塊向歐亞板塊俯沖是該盆地發育的一級區域構造控制背景，南海擴張也對其施加了重要的影響。這些區域構造活動對南海大陸邊緣盆地形成與演化均起到重要的控製作用。鶯歌海盆地形成演化的研究是揭示南海西北部大陸邊緣歷史、地球動力學過程及其印度－亞洲大陸碰撞和太平洋板塊俯沖的相互關系的關鍵地區之一。
印－澳板塊對歐亞板塊的構造演化影響最大的地質過程是印度地塊在青藏地區與歐亞板塊的碰撞活動。晚古新世，隨印度－歐亞板塊之間的會聚速率從170mm/y迅速減小到60mm/y左右，印度地塊與歐亞板塊在56Ma(晚古新世)開始碰撞，一直到中始新世末期(約43.5Ma)時，全面碰撞並逐漸向歐亞板塊楔入。這種大規模的陸－陸碰撞一方面導致了喜馬拉雅碰撞帶內發生大陸地殼的相互沖斷疊置和加厚作用，另一方面引起當時呈角狀凸出在歐亞板塊南緣的印支半島發生擠出運動(Tapponnier等1986，1990)，形成東南亞地區大規模的逃逸構造(圖2－2所示)。
圖2－2 鶯歌海盆地區域動力學背景
印支地塊內部及邊緣發育多條作為逃逸構造邊界的巨型走滑斷裂。該地塊的東北側為NW向哀牢山－紅河斷裂，該斷裂現今表現為右旋走滑，分隔了華南地塊和印支地塊。其陸地上的延伸長度在1000km左右，該帶的核心區帶為一個10km寬的韌性剪切帶，對該帶內糜棱岩的顯微構造和宏觀構造運動學研究證實了該剪切帶具有左旋剪切的運動過程，位移量在300～700km以上(Tapponnier等，1990;Leloup等，1995)，同位素年齡值為35～22Ma之間(Scharer等，1990;Leloup等，1993，1995)。40Ar/39Ar熱年代學研究表明，紅河斷裂帶在34～25Ma之間為一緩慢的冷卻作用時期，之後在25～17Ma之間經歷了快速的隆升，並且在抬升過程中存在左行走滑的運動分量(Leloup等，1995)。第四紀地貌及近代地震震源機制揭示5Ma以來紅河斷裂帶北段表現為右旋走滑運動，滑移速率為7±3mm/y(Leloup等，1995;Allen，1984)。大量的證據表明，印度－歐亞板塊自晚古新世開始碰撞，其最顯著的構造效應是引起印支半島與華南地塊發生相對運動。通過印支半島與華南地塊中生代沉積盆地之間的古地磁對比研究，其結果普遍支持中生代以後印支半島相對於華南地塊曾發生左行運動(Funahara等，1993;Yang和Besse，1993)，並且揭示了印支半島內部的古地塊在左行運動過程中發生了差異的順時針旋轉。
紅河斷裂帶向SSE方向延伸，進入海域，海域延伸長度也在1000km左右。紅河斷裂帶南段的構造活動遠較北部復雜，紅河斷裂帶南段臨近海域的地帶由多條平行的NW向斷裂帶，如黑水河斷裂帶、齋河斷裂、齊江斷裂、馬江斷裂帶等組成，在河內及其海域中的延伸處均以裂谷形態出現。Rangin(1995)詳細研究了越南東京灣凹陷內紅河斷裂帶的發育演化特徵，研究揭示30Ma以前，印支地塊與華南地塊的相互錯動是由多條NW向斷裂帶的左行走滑運動組成的，地殼的變形以伸展作用為主，形成一系列伸展斷陷(Rangin等，1995)。30Ma以後，紅河斷裂的左旋走滑幅度減小，僅幾十千米，不超過100km，其中15.5Ma的界面是一個重要的分界面，從30Ma至15.5Ma之間左行走滑運動表現為轉換伸展作用，而15.5Ma至5.5Ma則為轉換擠壓作用。
鶯歌海盆地內鶯西斷裂帶向北延伸與紅河斷裂、黑水河斷裂和馬江斷裂相連接，Ran-gin等(1995)詳細研究過這個地區海域范圍內的構造變形樣式和演化。鶯西斷裂帶向北延伸到越南的東京灣凹陷後，構造樣式變化為一套約30km寬的波狀褶皺發育區，並伴生有明顯的逆沖斷層。這種強烈的反轉發生在SN向的鶯西斷裂和NW向的齋河－紅河－齊江斷裂帶的弧形過渡區段。Rangin(1995)將其確定為S50－S30(15.5～5.5Ma)構造反轉時期的產物，認為這是一套左旋擠壓作用機制下形成的褶皺－沖斷構造。Rangin(1995)的研究還證明，30Ma之前，越南東京灣主要表現為左旋走滑總體背景下的區域性的伸展斷陷作用，而30Ma之後，紅河斷裂的左旋位移明顯減小，不超過幾十千米，其中30Ma至15.5Ma之間為左行走滑變形場內的轉換伸展作用。而15.5Ma至5.5Ma則為左行走滑變形場內轉換擠壓作用，而且變形區域局限在邊界斷裂帶內不到30km寬的范圍，構造反轉的強度從NW向SE方向逐漸減弱，沒有波及鶯西斷裂帶，相反，在S50～S30期間，臨高凸起地區處於微弱的伸展狀態。圖2－3所示的簡單模式可以解釋這種同一個時期、不同位置顯示出不同的構造應力場狀態的情形(即S50～S30期間北部Tonkin灣區擠壓而南部鶯西－臨高區拉伸)。圖中的斷面類似於紅河斷裂帶，產狀陡傾，在S50～S30期間，盡管其位移量已經急劇減小，但是仍然處於左旋滑移狀態，滑移過程中並伴生有圍繞垂直於斷面的一個軸的順時針旋轉(圖2－3中的旋轉箭頭1)，形成「樞紐斷層」，同時古地磁資料顯示印支地塊在向南東的滑移過程中存在順時針的水平旋轉(圖2－3中的箭頭2)。在樞紐線的北側向南東運移的印支地塊以及其順時針的水平旋轉作用在SN向的鶯西斷裂和NW向的齋河－紅河－齊江斷裂帶的弧形過渡區段，可以導致左旋擠壓變形場，形成強烈的逆沖斷層和擠壓褶皺。在樞紐線的南側，斷塊向下旋轉，同時印支地塊的順時針的水平旋轉導致拉伸應力場，表現為正斷層(貫通式或隱伏式)作用。由於印支地塊向SE運移，反轉的力源來自於NW一側，所以構造反轉的強度向南逐漸減弱以至消失。
圖2－3 紅河斷裂帶附近印支地塊與華南地塊相對運動簡化模式圖
正是由於以上動力學背景，導致鶯歌海盆地始新世開始伸展，晚漸新世—中新世雖然具有熱沉降地層結構特點，但是沉降史分析顯示具有非常快速的、幕式的沉降。這些伸展盆地的形成與印支地塊大規模向東南擠出逃逸過程中地塊及其內部的次級地塊順時針旋轉引起的伸展作用有關。
❹ 原位開採油砂礦藏的綜合勘探方法與應用
單玄龍1 付永昌2 管宏圖3 羅洪浩1
（1.吉林大學地球科學學院，吉林 長春 130061； 2.吉林中財石油開發有限公司，吉林 長春 130122； 3.中化地質礦山總局吉林地質勘查院，吉林 長春 130022）
摘 要：我國適合原位開採的油砂油地質資源量為41.14×108t，可采資源量為19.16×108t。油砂原位開 采方法主要有兩類：熱采和溶劑提取。針對我國油砂資源分布廣、非均質性強和厚度不大、含油率中等地質 特徵，將油砂勘探劃分為預探、普查和詳查三個不同階段，明確了不同階段的主要目的和工作方法手段。借 鑒加拿大油砂勘探方法，提出了一套適合我國油砂原位開采方法的地質-地球化學和地球物理的綜合勘探方 法，包括化探法、瞬變電磁法或油氣自電法、鑽探、測井、分析測試和地質綜合研究等。預探階段以物化探 為主，通過少量預探井進行異常驗證，結合典型樣品的分析測試數據，確定油砂礦是否具有遠景。在遠景區 進行普查，普查階段以普查井岩心研究、測井解釋和岩心系統分析測試數據為主，確定油砂礦有無工業規模。在有規模的油砂礦區進行詳查，詳查階段以詳查井岩心研究、測井解釋和地質綜合研究為主，確定油砂礦的 成藏條件與主控因素、計算油砂儲量、評價開采經濟技術條件並完成開發可行性建議。最後在松遼盆地西部 油砂礦藏勘探中進行了應用，取得了良好的勘探效果。本文提出的油砂綜合勘探方法旨在促進我國油砂原位 開採的工業化，並對規范我國埋藏油砂勘探具有一定的指導意義。
關鍵詞：松遼盆地；油砂；原位開采；勘探方法；應用
The Comprehensive Exploration Method and Application of Oil Sands in situ
Shan Xuanlong1，Fu Yongchang2，Guan Hongtu3，Luo Honghao1
（1.The college of the earth science，Jilin university，Changchun 130061，China； 2.Zhongcai petroleum development Co.Ltd，Changchun 130122，China； 3.Jilin Geological Exploration Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau，Changchun 130022，China）
Abstract：Oil sands in place is about 41.41×108t for in situ，and reserves and resources are 19.16×108t in China.SAGD and SOIV are main development methods in situ.Exploration for oil sands is divided into three stages： preliminary，prospecting and general exploration，and objectives and methods are brought up according to geological conditions of oil sands in China.The authors bring up an geological，geochemical and geophysical comprehensive exploration method of oil sands in situ，including geochemical exploration，transient electromagnetic method or oil-gas self- potential method，drilling，logging，forecasting and analysis and geological comprehensive research.The geochemical and geophysical explorations are important on preliminary stage，and the geochemical and geophysical anomalies would be tested by some drillings，and it is estimated that the oil sands is perspective or not.Then，on the perspective area，prospecting exploration would be carried on.It is estimated that the oil sands has commercial scale or not by more drillings，logging，analytical data.If it has commercial scale，General exploration would be done.On the stage，forming conditions and main factors of oil sands，calculation of reserves，developing economic and technica 1 conditions，exploitable proposal would be made.At last the method was applied in oil sands exploration in west Songliao basin，and got good explorating result.We hope that the method can promote instrialization of oil sands development in situ and it can become the standard for oil sands exploration.
Key words：Songliao basin；oil sands；in situ；exploration method；application
引言
我國的油砂資源相當豐富［1］。據全國新一輪油氣資源評價結果，我國油砂資源量近60×108t，是 重要的石油天然氣補充資源。它們在能源、化工、材料等領域顯示出巨大的應用前景。這些資源的開發 利用將對緩解我國能源供給緊張形勢，維護我國能源安全意義重大。
近年我國油砂地質與成因研究取得了重要進展。目前，我國油砂研究地質與成因研究的主要進展為 以下四個方面：油砂礦藏開展了較為系統的地質研究［2～17］，基本建立了適合我國的油砂資源評價體系 與潛力分析［18～20］，基本查清我國油砂形成的構造背景和成藏模式［21～25］，探索了油砂勘探方法，包括 化探法［26］、瞬變電磁法［27］、油氣自電法［28］等。
我國大部分油砂資源適合原位開采，但缺少針對原位開採油砂礦藏的勘探方法。我國適合原位開采 油砂埋深深度為100～500m，預測油砂油地質資源量為41.14×108t，可采資源量為19.16×108t。但如 何獲得這些油砂資源分布的詳細特徵，是制約我國油砂原位開採的關鍵因素之一。國外油砂原位開采方 法主要有兩類：熱采和溶劑提取［29，33］。本次研究針對我國油砂實際地質條件，提出了一套適合兩類油 砂原位開采方法的地質-地球化學和地球物理的綜合勘探方法，並在松遼盆地西部鎮賚油砂礦藏勘探中 進行了應用，取得了良好的效果。
1 原位開採油砂礦藏的綜合勘探方法
參照油氣勘探規范和油砂的實際地質特徵，將油砂勘探階段劃分為預探、普查和詳查三個階段，每 個階段的勘探目地和勘探方法如表1。
表1 原位開採油砂礦藏的勘探階段與方法
預探階段是某地區利用瞬變電磁法或油氣自電法進行了油砂勘探，結合油砂化探方法，確定了本區 油砂層位置和深度。再通過預探井和測井（包括伽馬測井、電阻率測井、密度測井、中子測井）進行 油砂礦層的驗證，並獲取油砂樣品，分析油砂含油率，綜合以上工作成果，分析這一地區油砂的前景。
普查階段是在預探基礎上，選擇有前景的地區鑽探普查井，井距1600m，並進行測井（包括伽馬測 井、電阻率測井、密度測井、中子測井、油砂層溫度和壓力），取得5類樣品（油砂樣、油樣、儲層物 性樣、油砂力學性質樣、油砂分離和合成油實驗樣）。鑽井液體通常會污染岩心。當取小直徑岩心樣品 時，特別要注意這點。取出的岩心切成75厘米長，兩端加蓋封閉，並用膠帶封好，在現場冷藏。了解 油砂層的厚度、分布、品質等，初步估算油砂資源量，確定油砂規模。
詳查階段是針對普查認為有規模的油砂礦，制在800～400m，並進行測井（包括伽馬測井、電阻率 測井、密度測井、中子測井、油砂層溫度和壓力），增加5類樣品的數量，進行分析測試。本階段要求 查清搞清油砂礦地質條件及控制因素、計算油砂礦儲量、評價開采經濟技術條件、開發可行性建議。
2 原位開採油砂礦藏的綜合勘探方法的應用實例——松遼盆地西部× ×油 砂礦
松遼盆地西斜坡油砂主要是在0～300m以淺，其中0～100m油砂油地質資源量1.64×108t，100～ 300m油砂油地質資源量3.11×108t，為西斜坡油砂主要富集深度，適合進行原位開采。
××油砂礦位於吉林省的西北部，行政區劃隸屬白城市。構造位置屬於松遼盆地西部斜坡超覆帶（圖1）。油砂富集於上白堊統姚家組和嫩江組中。
圖1 油砂礦構造位置圖
松遼盆地位於西太平洋陸地邊緣北部，其主體部分位於黑龍江板塊群的中部，該板塊群北部西伯利 亞板塊，南部中朝板塊。松遼盆地的地理位置西鄰大興安嶺，東鄰張廣才嶺，向北經孫吳-遜克盆地穿 過小興安嶺是俄羅斯的捷雅盆地，南部是渤海盆地的下遼河斷陷；在東西方向上構成兩峽一盆的盆山體 系。黑龍江板塊群在二疊紀末期已固結為統一的 塊體，三疊紀後中國東部地應力場由近東西向的 主導方向轉變為北北東方向，並使中國東部陸內 處於一個以伸展作用為主的張性環境，在此基礎 上中生代盆地群開始發育。松遼盆地主要由基底 和蓋層兩部分組成，前中生代地層為盆地的基底，經過多期碰撞拼貼形成，由前古生代、早古生代 與晚古生代地層組成。盆地的蓋層為中新生代地 層，包括侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第 四系，其中白堊系最為發育。
2.1 油砂化探
由於油砂性質與原油中的重油相近上，選擇 烴類（甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、乙 烯、丙烯）作為尋找油砂的直接指標。研究區油 氣化探測量統計結果表明，在台地丘陵景觀區內，烴類異常中乙烷/乙烯比值在12～58之間，在草原 景觀區內，乙烷/乙烯比值在33～82之間，表明烴 類異常是由地下深處的油氣藏（油砂）引起［26］。
研究區內共圈出3處以烴類為主的油砂土壤 化探異常，Ht1異常呈塊狀，Ht2異常呈條帶狀，Ht3異常呈串珠狀（圖2）。
圖2 台地丘陵區（左）和草原區（右）化探異常特徵［26］
2.2 瞬變電磁法
在油砂化探異常區域，進行瞬變電磁測量，在剖面2D反演視電阻率等值線圖（圖3）上，在整個 區域普遍存在淺部泥岩層，引起低阻正常場，視電阻率為5～15Ω·m，計算深度為-30～100m，推斷 泥岩為油砂礦體上覆標志層。其下為過渡層，視電阻率為15～25Ω·m，計算深度為-100～-150m，推斷為砂岩層。再下為異常所在層，視電阻率為25～100Ω·m，計算深度為-150～-200m，推斷為含 油砂岩層［27］。
圖3 礦區地面瞬變電磁0000線2D反演視電阻率斷面圖［27］
2.3 鑽探與測井
先針對化探和瞬變電磁方法確定的油砂可能的位置和深度，布置預探井。在化探異常地區先後布置 了13個鑽孔進行驗證。結果有11個孔見到了油砂，取得了良好的地質效果。與預測結果不一致的僅有 兩個鑽孔，預測准確率近84.6％。其中施工在瞬變電磁異常和化探異常區上的6個鑽孔全部見礦，見 礦率100％。ZK006見礦深度為141.53m，ZK002見礦深度為174.8m，與瞬變電磁計算深度一致。分析 測試數據表明油砂含油率平均大於7％。綜上分析鎮賚油砂礦具有較好前景。
在圈定的具有遠景的區域內進行普查工作，按1600m的井距布置普查井63口，並進行測井（包括 伽馬測井、電阻率測井、密度測井、中子測井、油砂層溫度和壓力），圖4為Zk1609的綜合柱狀圖。系 統測試5類樣品57件。初步了解了本區油砂形成的地質過程和資源量。
2.4 油砂礦藏地質
臨近的齊家-古龍凹陷青山口組和嫩江組烴源岩在燕山晚期進入生油門限.原油生成之後，進入 「儲層」，此時正逢晚中生代的重要構造運動——燕山運動晚期，它使松遼盆地西部邊緣地帶強烈抬升，儲層中的原油在構造運動的動力支持下開始向抬升方向由地層深處向淺處運移，運移過程中，在 「與 地表水不連通的」 系統內原油被「稠化」，變稠了的原油被地層帶到地表，當地層遭強烈剝蝕，變稠變 重的原油開始向地表泄漏，發生了根本性的轉變，由 「與地表水不連通的系統（封閉系統）」 向 「與地 表水連通系統」（開放系統）轉變，稠化了的原油與地表水接觸，被水洗、氧化、生物降解，使稠變了 的原油進一步變稠變重，流動性大減，一部分便與剝蝕層的岩石碎屑-細砂、粉砂發生了物理方式相互結合，形成油砂。
圖4 ZK1609的綜合柱狀圖
2.5 油砂儲量和開采經濟技術條件
礦區內地質儲量5734.97×104t，根據加拿大現有開采技術的經驗以及礦區的實際情況初步預定油 砂礦的開采系數為65％，據此計算油砂礦的可采資源儲量為：5734.97×65％＝3727.73×104t。
本區油砂礦藏埋深150～200m，厚度變化較大，從0.5m到26m左右，多數油砂層厚3～5m，含油 率均值大於7％，綜合上述特徵，適合採用原位有機溶劑提取法進行開采。從當今世界石油價格來看，每桶（國際標准）油的價格為104美元/桶（時價），普查區油儲量約為3.6億桶，可採油儲量約為 2.34億桶，資源價值約為2.34億×104美元/桶＝243.36億美元，約合人民幣1594億元。
3 結論
針對我國油砂實際地質條件和國內外油砂原位開采技術特點，提出了一套適合油砂原位開采方法的 地質-地球化學和地球物理的綜合勘探方法。將油砂勘探劃分為預探、普查和詳查三個不同階段，明確 了不同階段的主要目的和工作方法手段。最後在松遼盆地西部油砂礦藏勘探中進行了應用，取得了良好 的效果。為我國油砂原位開採的工業化奠定了地質勘探基礎，並對規范我國埋藏油砂勘探具有一定的指 導意義。
由於本方法只在一個油砂礦的勘探中進行了應用，而且還只是進行到普查階段，因此隨著勘探的不 斷深入，本方法還有待進一步完善。
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❺ 礦井防治水方法研究
（一）煤層底板高壓灰岩水帶壓開采技術
對於華北型煤田，防範煤層底板水的主要方法是帶水壓安全開采。雖然深部高壓水存在，若充分利用隔水層的防護作用，可消減部分水壓值，在不進行或很少進行疏水降壓的情況下將可實現帶壓開采。當礦井採煤工作面突水系數Ts大於0.06MPa/m時，應當採用降壓疏干或（和）煤層底板注漿加固方法減小突水系數，以保證煤礦安全生產。
1.帶壓開采技術
與華北型煤田類似，鄭煤集團各礦井二1煤開采應採用帶壓開采技術。所謂帶壓開采就是煤層底板受承壓水威脅，充分利用煤層底板至承壓含水層間隔水層性能，在不採取或在國家經濟、技術條件許可情況下，採取某些技術措施後，實現安全採掘的一種綜合性防治水技術。國內外對該技術曾做過大量研究，特別是近幾年在我國進行了較為廣泛而深入的研究，取得了顯著成績。
評價帶壓開采安全的標準是突水系數。20世紀60年代由煤炭工業組織的焦作會戰提出的突水系數是
鄭州煤礦區水害防治規劃研究
式中：P——水壓值（MPa）；
M——隔水層厚度（m）。
20世紀70年代煤炭科學研究總院西安分院和其他有關單位對上式所表示的突水系數進行了修正，提出以下突水系數公式：
鄭州煤礦區水害防治規劃研究
式中：Cp——采動後底板導水破壞深度（m），其他符號同前。
該公式1984年5月由煤炭工業部正式批准作為礦井水文地質規程防治底板突水的依據，並於1986年寫入「煤礦防治水工作條例（試行）中」。
突水系數在以往的應用中取得了顯著成效，解放了受水害威脅的大量煤炭資源，特別是在突水可能性分區上已有了較為明確的界限值，所以在評價鄭煤集團各煤礦二1煤帶壓開采時，我們採用了煤炭科學研究總院西安分院提出的公式。
就整個華北型煤田而言，關於底板奧陶系灰岩突水可能性分區問題，可以考慮以下方案：
Ⅰ區：奧陶系灰岩承壓水面以上的地區；
Ⅱ區：奧陶系灰岩承壓水面以下，但突水系數Ts＜0.06MPa/m；
Ⅲ區：突水系數Ts介於0.06～0.15MPa/m的地區；
Ⅳ區：突水系數Ts＞0.15MPa/m的地區。
Ⅰ區不存在底板奧陶系灰岩突水問題；Ⅱ區為可能發生底板突水危險地區，應在加強礦井防治水工作的情況下進行帶壓開采；Ⅲ區發生底板突水危險較大，僅在構造簡單的地段採取可靠安全技術措施後才可進行帶壓開采；Ⅳ區是發生底板突水最危險的地段，底板突水是不可避免的，只有在採取疏水降壓把突水系數Ts減小到0.15MPa/m以下才能實施帶壓開采。
按照以上公式，我們初步計算了奧陶系灰岩含水層對二1煤層的突水系數。結果顯示，本井田內存在突水系數超過臨界突水系數，需要進行底板水防治和底板改造。
為了在本井田實施帶壓開采技術，必須做好以下工作：
1）把防治水工作的重點放在二1煤層頂板砂岩水和底板奧陶系灰岩水上，採用綜合物探、化探和鑽探等各種手段，查明陷落柱、斷層和裂隙密集帶等，以及固井質量差的廢舊鑽孔；並採用留設防水煤柱或底板加固等手段對地質異常體進行改造，做到採煤工作面底板不出水或不出大水，以節約排水費用，保護水資源和生態環境。
2）根據涌水量預測結果，適當加大礦井和採煤工作面排水能力，以防不測。
3）發展突水預測預報技術。實現突水預測預報的可視化和適時化，建立水害預警系統，推進礦井防治水信息系統集成。
4）在採掘過程中為防治底板出現災害性突水，應堅持先探後掘、先探後采和先注漿後掘進、先注漿後回採的技術原則。為了節約工程量和保證安全，在採取鑽探、物探、化探等綜合手段時，應堅持物化探先行、鑽探驗證的技術方法，以杜絕採掘巷道誤揭陷落柱和落差大的斷層。
5）關於避災路線和通訊聯系。在有突水危險，尤其是有大危險突水的地區，安全暢通的避災路線是保證不發生人員傷亡的有效途徑。同時應具備暢通的通訊聯系，以達到及時將井下的情況迅速報告和將調度命令傳達到每一個井下工作人員的目的。
6）礦井防治水工作管理。煤礦設專門負責礦井防治水領導小組，配備探水鑽和專職探水組。嚴格地講沒有徵兆的突水是不存在的，所以每個生產班應設水情觀測員負責水文地質資料收集和突水前兆觀測。
2.中間指示層
為了研究奧陶系灰岩含水層與太原組薄層灰岩的水力聯系，在帶壓開采工作面各布置了一個中間層地下水動態監測孔，本規劃還要求在今後設計的每一個采面中，至少應布置一個中間層地下水動態監測孔。終孔層位在L1-4薄層灰岩底面。
3.煤層底板注漿加固改造
應根據物探及鑽探探測結果，分析煤層底板的實際情況，對煤層底板存在垂向越導通道的區段，進行注漿加固，以防堵為主，確定注漿層位。注漿層位可以是奧陶系灰岩頂部含水層、薄層灰岩含水層和隔水層中的可注層位及構造薄弱帶。目前焦作和肥城等大水礦區已成功地在九里山、韓王等多個礦區實施底板注漿加固改造，取得了巨大經濟效益。
應對准備注漿加固的工作區編制專門設計方案，其中包括注漿層位、注漿孔布置、注漿方法、注漿系統和注漿工藝等。
4.疏干降壓
疏干降壓一般應在主要充水含水層（薄層灰岩含水層）中進行。可以採用疏干鑽孔、疏干巷道等。對於鄭煤集團各礦井，由於煤層下部的L7，L8灰岩處於煤層底板采動破壞帶內，由於采動裂隙的存在，L7，L8灰岩水勢必通過采動裂隙進入回採空間，增大工作面的涌水量，在個別富水區段還可能引起涌水量過大而影響生產，因此，應對L7，L8灰岩進行超前疏干降壓，減少其對工作面回採的影響。准備實施疏干降壓的礦井，應進行數值模擬計算，以確定疏干漏斗和疏干水量的變化。
疏干降壓應編寫專門設計，內容包括疏干降壓工程布置，疏干降壓計算結果以及疏干降壓的安全措施等。
（二）頂板砂岩水控制技術
1.頂板砂岩富水性探測
由於在不同岩石所組成的地質體中，岩石的含水性對其相對電阻率有較大的影響，含水地層具有相對電阻率較低的物性特點，且含水程度的差異與地層電阻率的變化幅度相對應，所以，通常採用電磁探測技術測量地下地質體中的電性分布規律進而達到探查礦區導含水地質體的分布及其導含水條件。這種對地層電性參數的獲取是三維地震等彈性探測方法所不能及的。
在工作面形成以前，應首先在地表進行瞬變電磁法勘探，探查頂板砂岩的富水性。
在採煤工作面形成後，直流電法在下巷中進行，而音頻電穿透則需同時在上巷和下巷中進行。直流電法對地質異常體在垂向上的分布分辨比較清晰，而音頻電穿透法對地質異常體的位置分辨比較清晰，因此兩者結合可以取得滿意的效果。
（1）音頻電穿透法
音頻電穿透法是利用電磁波在介質中傳播時，其電流強度隨介質層電阻率的大小而有規律變化的特徵，進而計算出穿透各點的視電阻率相對關系，做出反映探測區域富水性強的等視電阻率平面等值線圖，並可結合具體水文地質條件推斷出頂底板含水體的性質、富水性大小、空間形態及分布范圍，為防治水工作提供依據。該方法的主要用途如下：
1）採煤工作面底板下100m內富水區域探測；
2）採煤工作面頂板100m內富水范圍探測；
3）工作面內老窯分布范圍探測；
本規劃選用這種方法探測井下工作面隱伏含水斷層、破壞帶和裂隙帶空間位置及其賦水性變化。
（2）井下直流電法
井下直流電法主要用於巷道頂底板探查，工作面頂板探查和掘進堵頭超前探測。具體解決以下問題。
1）巷道頂底板探查：①利用現有的巷道工作，探查深度可達100m，可探測含水層深度，局部富水體深度范圍、導升高度及沿巷道方向分布寬度；②提供沿巷道方向垂向電阻率切片剖面，用於解釋工作面巷道底板100m深度內的含水、導水體，潛在的突水通道、底板隔水厚度、含水層厚度、含水層原始導升高度；③要求巷道內無大范圍積水。
2）工作面頂底板探查：①改變工作方法利用巷道側壁可以探測工作面內的隱伏含水構造；②利用多條巷道（上巷、下巷、切眼等）的數據進行立體成圖——對工作面底板不同深度進行類似「CT」成像的斷面、平面切片，分離出電法含水異常區域，得到視電阻率異常斷面圖、平面圖，進行立體解釋。
3）掘進堵頭超前探查：①利用巷道超前探測使用三極空間交會探測法，可以預測堵頭前方80m范圍內存在的導、含水構造（斷層、陷落柱、裂隙破碎帶、老窯巷道），提供前方80m范圍內岩石的視電阻率變化信息；②異常為相對異常，可以肯定解釋正常區不會存在突水或出水的危險，解釋的異常區不能肯定一定出水；③預測堵頭的後方必須有不小於前方探測深度的施工空間；④智能傻瓜化資料處理，容易掌握使用。
2.采動三帶的探測
煤層頂板采動三帶的探測採用水文地質鑽孔觀測法和物探方法結合的探測方法。
（1）水文地質鑽孔觀測法
水文地質鑽孔觀測法的實質是在采空區地面布置一定數量的觀測鑽孔，在鑽進過程中測定鑽孔沖洗液的漏失量、鑽孔水位變化，並記錄各種異常現象，經綜合分析確定垮落帶和斷裂帶的最大高度及破壞特徵。
1）觀測內容和方法：①鑽孔沖洗液漏失量觀測。沖洗液漏失量是指鑽進單位時間或單位進尺沖洗液的漏失量。通過對鑽孔中沖洗液漏失量的觀測，可以確定斷裂帶的頂點以及了解垮落帶和斷裂帶內覆岩的破壞特徵。沖洗液漏失量的測定方法有兩種：一是使用流量表觀測，另一種是測定水池中水量的變化。②鑽孔水位觀測。在鑽孔沖洗液正常循環過程中以及沖洗液完全漏失前，應對鑽孔中的水位變化進行觀測，這也是確定斷裂帶頂點和覆岩破壞的重要標志。③鑽孔沖洗液循環中斷狀況觀測。此時應記錄鑽孔深度和鑽孔沖洗液循環中斷的時間。④記錄鑽進過程中的異常現象。在鑽進過程中，及時記錄掉鑽、卡鑽及鑽具振動等異常現象，此外還應注意有無吸風或瓦斯湧出現象。
2）觀測結果的分析整理。導水裂縫帶高度主要是根據鑽孔沖洗液消耗量和鑽孔水位觀測等結果加以確定，垮落帶高度則主要是根據鑽進異常現象加以確定。各觀測鑽孔一般均在第四系下套管止水後開始觀測，一般可分為3種類型，其一是從某一孔深位置開始，鑽孔沖洗液消耗量明顯增大，孔內水位顯著下降，而且向下鑽進時繼續保持這種趨勢，直至鑽孔沖洗液全部漏失，孔內水位很低或無水；其二則是從某一孔深位置開始，鑽孔沖洗液突然全部漏失，孔內水位很低或無水；其三是導水裂縫帶頂界以上的岩層程度不同地出現鑽孔沖洗液全部漏失現象，甚至同時伴有孔內水位很低或無水現象。位於淺部區且岩柱尺寸較小的鑽孔一般均屬前兩種類型，而位於深部區及岩柱尺寸較大的鑽孔一般則屬後一種類型。鑽孔沖洗液法具有簡單、易操作、可靠、實用、觀測數據較能反映實際導水情況等優點，是獲取冒落帶和導水裂縫帶高度及特徵的基本方法。
i.裂隙帶頂點的確定。有下列情況之一時，即可認為進入了裂縫帶：①若岩體的原始滲透性較差，當鑽孔的沖洗液漏失量顯著增加，即大於1L/min或0.1L/s·m時；②鑽孔水位顯著降低，水位下降速度加快，甚至無水時；③岩心有縱向裂縫及輕微吸風現象時。
ii.垮落帶頂點的確定。鑽孔進入垮落帶以前，沖洗液早已完全漏失，孔內無水。此時應根據鑽進中的異常現象及岩心破碎情況來確定垮落帶的頂點。
iii.垮落帶和導水裂縫帶高度的確定。垮落帶和導水裂縫帶的高度，分別等於鑽孔孔口至煤層的垂直距離減去垮落帶和裂縫帶起始點的鑽孔孔深。考慮到垮落帶和裂縫帶內覆岩的壓縮量，因此有
H垮=H-h1+W
H導=H-h2+W
式中：H——鑽孔孔口至煤層頂面的垂直距離（m）；
h1——垮落帶起始點至鑽孔孔口的垂直距離（m）；
h2——裂縫帶起始點至鑽孔孔口的垂直距離（m）；
W——垮落帶和裂縫帶內覆岩的壓縮量，相當於打鑽過程中地表點的下沉值（m）。
3）鑽孔的孔位、孔徑、孔數及施工時間。鑽孔孔數一般以5個為宜，分布布置在采空區地面沿煤層走向和傾向主斷面上，每個主斷面上布置3個鑽孔，其中一個位於兩個主斷面的交點上，鑽孔位置應選在能獲得垮落帶和裂縫帶的最大高度的地方，走向主斷面上鑽孔應位於距開切眼30～50m、距停采線20～30m的采空區內，傾向斷面上采空區中央應布置一觀測鑽孔，其餘兩個鑽孔應設在距回風巷和運輸巷3～5m的采空區一側地表。鑽孔孔徑一般為91mm。
（2）形變-電阻率探測法
1）基本原理。岩體的電阻率大小不僅取決於岩性，還與岩體中的裂隙大小、裂隙數量及充水程度密切相關。地下煤層采出後，上覆岩體遭受破壞，裂隙增多，阻礙了電流傳導，導致電阻率增大。但若裂隙內充水，因水的導電性能優於岩體，電阻率便相應降低。因此，對比開采前後岩體電阻率的變化規律，就可探測出覆岩的破壞高度和破壞形態。
2）觀測方法。首先，在某一固定點上測量岩體電阻率隨深度的變化，以確定岩體的破壞高度。固定O點，對稱地打入A1B1及M1N1電極，M1N1的距離一般可取為A1B1距離的1/30～1/3。通過測量電流及電位差，即可計算出探測高度為A1B1/2時的視電阻率ρs1。加大供電極距到A2B2，測量電極距按比例擴大至M2N2，獲得探測深度為A2B2/2時的視電阻率ρs2。依此進行，即可得出視電阻率ρa隨探測深度的變化曲線。實際上真正的探測深度H與供電極距AB具有如下關系：
鄭州煤礦區水害防治規劃研究
式中換算系數K因地而異，可依實測資料反演得出。
之後，固定某一探測深度H，測量岩體視電阻率ρa隨某一剖面的變化。對比開采之後視電阻率的變化情況，則可確定出覆岩的破壞高度和沿某剖面覆岩的破壞形態。鑽孔沖洗液消耗量觀測法（簡稱為鑽孔沖洗液法）是通過直接測定鑽進過程中的鑽孔沖洗液消耗量、鑽孔水位、鑽進速度、卡鑽、掉鑽、鑽孔吸風、岩心觀察及地質描述等資料來綜合判定垮落帶和導水裂縫帶高度及其破壞特徵的一種方法。
3.頂板砂岩水的預疏放
對頂板砂岩水進行預疏放為工作面回採大幅度降低水壓，以防頂板冒落時大流量突水沖潰工作面，減少工作面涌水對回採的影響。一般採取兩種形式：
1）頂板疏放鑽孔。在用物探手段查明頂板富水區的前提下，為了減少頂板砂岩水對回採的影響，探明工作面頂板上方岩層賦水狀況，對二1煤頂板上覆含水層進行預疏放，對頂板砂岩水提前疏水降壓，降低由於頂板冒落引起頂板水集中湧入工作面的峰值強度，消除或減弱工作面回採時砂岩水對開採的威脅。在工作面上巷施工放水鑽孔，將頂板砂岩水相對集中的涌水方式改為相對分散的、循序漸進的逐段放水方式。分析水文地質條件，調查礦井裂隙發育方向，提高單個鑽孔放水效率，擴大放水區域，減少放水孔數量。為獲得頂板砂岩資料，將放水鑽孔水文地質條件探測分解消化於逐段放水之中。
2）疏水巷。當放水鑽孔對頂板砂岩含水層疏放效果不理想時，可以在適當地段修建疏水巷道，該巷道應與頂板砂岩徑流方向垂直，盡可能切穿頂板砂岩裂隙，以達到最佳的放水效果。通過疏水巷道對工作面頂板砂岩含水層的襲奪，形成以疏水巷道為中心的降落漏斗，達到減少工作面涌水的目的。
4.排水措施
由於煤層頂板主要為數百米的砂岩弱含水層，含水性雖然較弱，但存在局部強含水段。採用放頂煤工藝後，頂板破壞加大，導水裂隙發育向上延伸可達百米以上，上下溝通多個含水段。採煤後隨著頂板垮落，上覆砂岩水多從老塘以老塘水形式湧出，老塘水受到堵塞時積聚，當壓力升高超過臨界值時突然湧出，危害嚴重，因此需考慮對涌水採取排水措施。
（1）采空區埋設花管
為了將采空區積水引出采空區，可預先在采空區每隔20m設置一根花管，沿下巷向上巷布置，花管長100m左右。將采空區水引至下巷排出。需要說明的是由於二1煤較軟，因此並不能完全將涌水排除，該花管只能減少涌水在采空區的積聚，減小大量積水對工作面生產的危害。
（2）施工泄水巷
1）專用泄水巷。專用泄水巷在工作面下巷北側，距離下巷約5m，在煤層底板下的細砂岩中修建，泄水巷涌水採用自流形式。每隔50m施工一條聯絡巷，或在低凹地段設置聯絡巷，將工作面涌水排除，這樣可以在水量較大的情況下仍不影響生產。
2）施工雙下巷。在距離工作面下巷約20m處再施工一條巷道，該巷道對工作面可以作為泄水巷，可以將工作面涌水排出，同時該巷道也可以作為相鄰工作面的上巷。每隔50m設一條聯絡巷，以保證工作面涌水順利進入泄水巷。缺點是增加了掘進巷道，同時增加了維護費用。
❻ 地球物理勘探技術面臨的問題與發展趨勢
隨著勘探領域的擴大與深入，遇到的地質條件越來越復雜，地球物理勘探將面臨多種多樣的問題。其中主要問題可以概括為以下3個方面，今後的發展也將圍繞克服這些問題而開展。
1.提高微弱地球物理信號的採集與處理水平
地球物理勘探技術是依據對觀測的地球物理場數據的分析來實現探測目的的。因此，數據採集是地球物理工作的基礎。歷史的發展充分說明，數據採集精度的提高，使得地球物理探測的應用效果、應用范圍不斷擴大。例如重力儀的精度從20世紀50年代的(0.2～0.4)×10-5m/s2提高到目前的(0.01～0.03)×10-5m/s2，使得重力勘探的能力和應用范圍大大加強和拓寬。地球物理方法和理論的進展，需要數據採集技術的進步作保證才能得以實現。世界上所有地球物理技術發達的國家，都有強大的儀器研究與製造業做後盾。為了使我國地球物理工作的發展居於世界先進水平，也必然要加強儀器的研製。
其中包括：①高性能探測換能器的研製，如新型地震檢波器和核射線探測器等；②高性能人工源的研製，在地球物理方法中，除觀測重力場和磁場等天然場的方法之外，有許多是藉助人工場激發的物理場進行的，如地震勘探和大部分電法勘探，為了獲得更多的地質信息，場源往往起很大作用，因此，各種場源的研究，也會是今後發展的一個重要方面，如高性能的震源、大功率的電源、高產額的射線源等；③高性能數據記錄系統的研製，隨著方法的進步，數據量的加大，要求記錄系統有更高的性能，例如三維地震和高密度電法，都要求儀器的道數增加。為了提高探測的解析度，則要求記錄系統的帶寬和動態范圍加大等。
地球物理數據處理的目的是消除各種干擾因素，突出所需的地質信息。這些干擾因素包括：與測量技術有關的影響因素、環境影響因素以及非研究目標的其他地質因素的影響等。不同地球物理方法，受各種因素的影響程度不同，因而處理的重點和方法也不相同。以地震勘探為例，為了提高數據的精度，需要消除近地表因素對一致性的影響；為了有效地提高解析度，需要進行提高信噪比處理；在反射傾角比較大時，為了減少空間假頻，需要進行道內插處理；為了提高解釋精度，需要進行提高地震數據的保真處理等。
2.非均勻地質體的探測與描述
幾何形體簡單、物性分布均勻、埋藏深度較淺且易於發現的礦產資源，今後將越來越少，物探人員面對的將是岩性不均勻、結構與構造復雜、物理性質在縱向和橫向上均有較大變化，並且埋藏較深、地質條件復雜的勘探對象。為了查明空間上不均勻變化的對象，必須獲得足夠的能表徵地下內部結構和性質的參數，才有可能比較細致地勾畫出對象的復雜特徵。所謂足夠的參數，一是指參數的種類，二是指每種參數的數量。為了清晰顯示研究對象的空間特徵，近20年來各種物理場的成像研究取得很大進展，包括地震波成像、電磁波成像和位場成像等。
地震波成像可以在地面、井間和井地之間進行。在已知速度的情況下可以進行幾何結構成像，或已知幾何結構的情況下進行物性結構成像。地震波成像在石油天然氣勘探中已取得一些實用的效果，其中突出的實例如利用疊前深度偏移清楚地獲得了古潛山的內幕(楊長春等，1996)，但是目前地震勘探實際觀測的主要還是縱波的垂直分量，多波多分量的觀測與應用研究還只是開始。另外，實際地下介質不僅具有縱向和橫向的不均勻性，而且具有縱向橫向的各向差異性。只有充分地利用地震波的多種信息，才能夠對岩性變化、裂隙的發育狀況和孔隙中流體的性質有更准確的了解。井向地震波層析成像比地面地震的解析度高，隨著井下設備的發展，將成為開發地震的重要工具。單井地震波成像即保持井下地震波不受表層干擾的優點，同時不受需要兩口井的限制，有可能得到較大發展。超聲波井壁成像是成像技術在油田勘探中的另一項重要應用，它可以劃分裂縫發育層段，從而有效地圈定裂縫儲層，目前它的解析度還比較低，定量解釋技術有待開發。
電磁波成像包括低頻的電磁感應法和大地電磁測深，以及高頻的探地雷達成像等。電磁波成像也可以在地面、井下、井間或井地間進行。相對於地震波成像，電磁波成像的方法理論和技術還處於發展的初始階段，許多地方沿用了地震波成像的方法技術。但是由於描述電磁波傳播過程的方程中含有擴散項，且其傳播常數為復數，因此採用地震波成像方法和技術處理電磁波成像問題，往往得不到理想的效果。目前，低頻電磁波成像的應用還處於萌芽階段(何繼善1997)，因此，電磁波成像的進一步發展，必須根據自身的特點探索新的路子。
由於高頻電磁波方程可以簡化為類似於彈性波的波動方程，所以探地雷達的數據處理和解釋多採用反射地震的方法技術，主要修改在於尺度標定和參數選擇。跨孔的高頻電磁波成像，當井間距離不大時，在探測高導金屬礦體和溶洞方向已取得一些成功實例。為了提高高頻電磁波法對幾何結構的解析度，發展針對其動力學特徵的處理技術勢在必然(王妙月等，1998)。
隨著數據採集技術的改進，直流電阻率法成像方法近年來也取得了一些進展。在理論上，直流電阻率法成像與地震波和電磁波成像方法不同，直流電場由拉普拉斯方程描述。由於直流電阻率法觀測設備與野外作業方法簡單、探測深度較大，因此在油氣勘探、金屬礦勘探和工程勘查中應用前景更廣闊。
地球物理對復雜對象的探測，是在計算機技術迅猛發展的帶動下才得以實現的。成像技術的特點是未知數多，觀測數據量大，只有觀測信息對每個未知數的覆蓋次數足夠多，才能使解出的未知數比較可靠。同樣，地球物理勘探結果可視化的需求也推動了計算機技術的進步，並且計算機將在今後的地球物理數據的運算中起主要作用。
3.綜合利用多種信息，減少地球物理反問題的多解性
地球物理勘探是通過在地表、空中或井下局部地球物理場的觀測結果，去分析推斷地下不能直接觀測部分物質的性質和形態。由於物質形態和性質變化對地球物理場影響的等效現象，使得反問題解答不唯一。如果再考慮觀測誤差和干擾等因素的影響，以及描述物理場的數學表達和計算方法的不精細，問題就進一步復雜化。從某種意義上講，地球物理探測技術就是圍繞著如何減少多解性的影響，給出更可靠的地質答案這一目的向前發展的。今後仍將沿這個方向繼續前進。
地球物理探測的對象越復雜，表徵其性質、結構和構造的變數越多。另外，不同的地質對象可能具有某些相同的物理性質。因此，為准確描述一個復雜的探測對象，或區分不同的研究對象，都應該綜合利用多種信息，這已成為廣大研究人員的共識。例如在油氣勘探中，除地震、測井數據綜合外，綜合使用其他勘探數據，如重磁勘探和電法勘探數據，在處理復雜地質條件的問題時，也是非常重要的。隨著多種信息綜合應用的進展，油氣勘探研究思路也在發生變化。油儲地球物理的發展就是一個很好的說明(劉光鼎等，1998)。可以預計，隨著復雜探測對象的不斷出現，將推動綜合信息找礦方法進一步發展。同時，將推動下列幾個方面的研究向前發展。
1)新方法和新參數的探索：地球物理勘探理論和方法在客觀需要的推動下，始終是在不斷完善已有方法和探索新的方法兩個方面同時前進的。新的物理參數的應用，將減小多解性的影響，例如，當地震波被利用之後，通過縱橫波綜合利用，大大減小了對岩性判斷的不確定性。地震勘探中對多波多分量的研究，電法勘探中地電化學法和電磁導彈的研究，以及震電效應和震磁效應的研究等，都是為探索新方法和新參數所做努力的一部分。當地球物理數據中不含有足夠的地質信息時，只依靠數據處理是達不到目的的，必須增加新的物性參數以補充和豐富地球物理數據中攜帶的地質信息，再通過適當的數據處理方法才有可能獲得可靠的地質結論。
2)「直接」找礦和「間接」找礦相結合(孫文珂，1991；趙文津，1991)：「直接」找礦是根據礦體或礦體群產生的地球物理場異常直接指出礦體或礦體群的屬性、具體位置或其他有關情況。「間接」找礦是根據礦床的直接控礦因素及近礦圍岩引起的異常現象指出礦床可能的分布地段。為了正確確定物探的任務是「直接」找礦還是「間接」找礦，就需要正確了解勘探對象的地質、地球物理特點，建立目標物的地質-地球物理模型。地球物理勘探的目的是要對地質單元作精細的刻畫，因此模型首先是以地質模型為基礎。通過模型建立將得出最佳的勘探工作程序和方法組合，即勘查工作模式，以及識別目標物的標志，即預測目的物的准則(孫文珂，1988，1991)。預測准則就是能指示或圈出礦產資源目的物存在的有效標志信息組合或系統。在這個系統中，如果既包括「直接」找礦信息，又包括「間接」找礦信息，將會大大減小解的非唯一性的影響。通過礦床成因模式的研究，使人們對不同的成礦地質背景下不同類型礦床的成因及礦床賦存條件，能有一個比較清楚的了解。因此，藉助於礦床成因模式，人們可以獲得清楚的找礦思路和找礦工作方向。地球物理工作者在礦床成因模式的基礎上，結合地球物理場的特徵分析，逐步形成了比較完整的綜合找礦模式，用以指導勘查工作和作為資料解釋的依據。按照「模式找礦」的思路，國內外都有許多成功的找礦實例(何繼善，1997；趙文津，1991)。然而，礦床模式只能代表人們當時對已取得的礦床特徵、礦床成因認識的總和。地質情況的變化是十分復雜的，完全相同的情況是很難遇到的。因此，既要重視模式找礦，同時又要考慮到會不會有未包括在已概括的找礦模式之內的新類型礦床或新的礦產資源。特別是在一個新的地區不要拘泥於某一種模式。
3)正反演方法的改進：地質現象十分復雜，其物理場特徵的數學表述不夠准確，往往是造成正反演不準確的原因。例如，一個非線性問題，往往由於不恰當的用線性近似處理，得不到好的結果。因此，地球物理工作者應不斷吸收數學等相關學科的最新成果，來改進地球物理正反演方法，以取得可靠的地質效果。
4)多參數聯合反演：對同一研究對象的兩種以上物理場的觀測結果，或同一種物性參數兩種以上不同觀測方式得到的結果進行聯合反演，是減小解非唯一性影響的有效途徑之一(王家映，1997)。
5)數據綜合管理：為了有效地實現多種信息綜合應用，數據的綜合管理是關鍵因素之一。地球物理與地質數據類型的多樣性和數據量的不斷增大，使得數據管理的任務更加復雜。為了能有效地存儲和管理大量的勘探數據，提出了數據倉儲概念，以便為多種數據集成創造條件。
小結
通過簡單的介紹物探方法的分類、實質、特點及地球物理勘探在資源勘查中的作用，地球物理勘探面臨的任務、問題及發展趨勢，激勵學生學習熱情，樹立信心，努力掌握物探技術。
復習思考題
1.何謂地球物理勘探?
2.地球物理勘探面臨的任務?
3.地球物理勘探在資源勘查中的作用?
❼ 研究背景及意義
中國礦產資源豐富，開采歷史悠久，地下礦產資源采出後留下大量的采空區，特別是自20世紀80年代以來，中國礦業開采秩序較為混亂，非法、無規劃的亂采濫挖現象嚴重，在一些國有礦山周邊留下大量的不明采空區，致使礦山開采條件惡化，給礦山生產和安全帶來嚴重影響。采空區按礦產被開採的時間，可分為老采空區、現采空區和未來采空區。礦體被采出後，自頂板開始由下向上依次垮落、斷裂、離層、彎曲變形並在地表一定范圍內形成下沉盆地。采空區上覆岩層按其破壞程度不同，從下到上大致可劃分為「三帶」：垮落帶、導水裂隙帶和彎曲帶。采空區上方地表存在下沉和水平兩種移動，傾斜變形、曲率變形與水平變形3種變形。地下開采地表移動分開始期、活躍期、衰退期3個階段[1]。老采空區的移動主要應考慮衰退期結束後的地表移動，主要包括兩個部分：①是已采塊段對地表影響尚未結束的部分；②是采動碎裂岩體及上覆岩層在覆岩重力作用下逐步壓實變形過程，此變形受上覆岩層地質環境條件的影響，如地下水的軟化、風化及外部荷載影響等，使煤岩體強度降低，導致結構失穩，引起地表產生連續或非連續變形，這一時間過程往往比較漫長，由此帶來一系列環境地質災害問題，如山體邊坡發生蠕滑而變形，甚至產生采空區大面積塌陷等，而塌陷區會導致地下水位下降以至枯竭、耕地破壞、生態環境惡化、道路變形破壞、房屋倒塌等，給礦區或穿越礦區的鐵路、公路等工程建設留下很大隱患。
煤炭是中國的基礎能源和重要原料，在一次性能源生產和消費構成中歷來佔70%左右，在國民經濟發展中具有重要的戰略地位。「煤為基礎、多元發展」，是解決中國能源問題的基本方略，但在今後相當長的時間里，以煤炭為主體的一次能源結構不會改變。中國的煤炭消費量已由2005年的18.43×108t增長至2011年的37.27×108t，年均增幅達到12.45%，煤炭產量由2005年的21.13×108t增長到2011年的35.20×108t，年復合增長率為8.88%，預測「十二五」期間，全國煤炭需求總量仍將保持增長態勢，到2015年中國煤炭需求總量將達到40×108t[2]。煤炭采出後導致上覆岩層移動和變形，岩體強度也會降低，在建築荷載或列車動荷載作用下，甚至無建築荷載或列車動荷載而由於其他地質原因作用下，有可能使老采空區重新「活化」，使冒落岩體再壓密而導致地表產生新的移動和變形，甚至垮落，形成塌陷坑。采空區的存在對工程建設及地表建（構）築物能產生潛在的安全威脅並具有以下特點：采空區特徵難以弄清，其「活化」過程受多種自然因素和人為因素的影響並難以直接觀察，采空區活化失穩破壞具有突發性，塌陷時間難以准確預計。
隨著煤炭資源的大規模開發和利用，在給社會帶來巨大的經濟效益和社會效益的同時，也給礦山周圍生態環境帶來嚴重的傷害和破壞。采空區突然塌陷引發突發性地質災害給人民群眾財產和生命安全帶來了巨大的經濟損失和威脅，2011年7月28日，因連日強降雨，河北遷西縣金信鐵選廠紅石崖嘴礦區職工宿舍發生地表塌陷，造成6人遇難。2007年8月29日凌晨3時許，陝西省神木縣孫家岔鎮邊不拉煤礦礦井采空區發生塌陷引發地震，附近村民在睡夢中被驚醒。2005年12月26日13時05分，位於河南省安陽縣都里鄉林州市三鑫工貿公司都里鐵礦，突然發生大面積塌陷，形成一個長約100m、寬約50m、平均深度6m的大坑。經勘驗，這一地表塌陷區地下空洞是1992 年鐵礦采空後留下的，塌陷與鐵礦現採掘活動沒有直接關系，在這起突發的地質災害中，共有8人墜落、3人失蹤。在晉城礦區，鐵路從運營開始就受到了采空區的危害和影響，由於采空區本身還未穩定以及機車車輛動載的影響，線路經常處於不穩定狀態，給行車安全帶來了極大的隱患，1999年4月1日清晨，成庄線路巡道工發現DK2+600、DK2+800 路段又突然下陷長約12m，線路兩側田地出現多處最寬約10cm的裂縫，軌道幾何尺寸發生嚴重變形，偏差極大，由於發現及時，迸行了迅速處理，防止了列車脫軌、顛覆重大事故的發生（圖1.1）。位於四川省甘洛縣境內的成昆鐵路K309—K312段線路兩側存在大量鉛鋅礦，形成多處采空區，危及鐵路安全要求，當地政府提前採取有效的預防治理措施後，確保成昆鐵路的運營安全。隨著礦產資源不斷被開采，類似由於采空區的變形破壞給鐵路安全運行帶來隱患的報道還在增多。
圖1.1 鐵路附近采空區塌陷
鐵路沿線采空區在火車動荷載的作用下更易引起地表變形和采空區塌陷，影響鐵路路基的穩定性，是鐵路運營必須解決的一個嚴重問題。首先威脅著鐵路運輸的安全，由於采空區本身未穩定以及機車車輛動載的影響，采空區沉陷不斷發生，線路處於不穩定狀態，給行車安全帶來極大隱患；其次影響鐵路運輸效率，采空區的沉陷造成線路的不穩定，使行車不能按照規定的時間和速度要求行駛，運輸生產效率受到嚴重的影響；再者增加鐵路線路的維護保養難度和工作量，采空區地段線路極不穩定，且沉陷發生在時間和空間上都不能確定，因而線路的幾何狀態變化也變得復雜，很難控制和掌握，需要經常性地監測和維護。因此采空區頂板的穩定性問題作為鐵路建設的不良地質問題已越來越突出。鐵路線路是延伸性的建築物，如果某一區段出了故障，全線通車將受到影響，如果不對地下采空區迸行穩定性評估及加固處理，就可能引起地表沉陷並降低路基的穩定性，給行車帶來不安全因素。在地表的拉伸區，線路也發生拉伸變形；在地表的壓縮區，線路亦發生壓縮變形，將在鋼軌內部產生拉應力或壓應力，當鋼軌內部的應力大於許用應力時，將在列車運行動荷載作用下，導致鋼軌線路失穩造成列車脫軌事故[3，4]。
采空區是一種特殊的岩土工程對象，實際上是礦山開采沉陷學的延伸、拓廣與發展，是開采沉陷學與岩土力學、土木工程、礦山地質、采礦工程、地下工程式控制制相結合的產物。因此，對老采空區頂板穩定性影響因素分析研究，迸而更合理的對采空區穩定性做出評價，不僅是對采空區迸行安全管理的前提和制定治理措施的依據，而且對保證鐵路在設計使用年限內安全營運有著重要的理論和現實意義。
❽ 城市地下岩土工程發展的背景
城市地下岩土工程是岩土工程的一部分，是城市可持續發展，特別是我國大城市可持續發展所面臨的諸多問題之一，更是擺在岩石力學工作者面前的新課題和新任務。
1 城市地下岩土工程是新世紀城市建設的重要環節
隨著國民經濟的高速發展，我國城市化水平正在快速提高，從1990年的18.96%提高到1997年末的28.9%。城市化水平的提高標志著城市工程建設的飛速發展。但是，我國城市建設基本上沿用「攤大餅」的粗放發展模式，給國民經濟帶來不應有的損失。主要是：
(1)城市范圍無限制地外延擴展，耕地損失嚴重。據衛星遙感資料判斷和測算，1986～1996年間，全國31個特大城市城區實際佔地規模擴大50.2%，有的城市佔地成倍增長。另據預測，至2010年，我國城市總數將從1996年的640座增加到1 000座，其結果是佔用了大量耕地。到下世紀中葉，我國城市化水平將提高到65%左右，這意味著城市人口將比1990年增加7億多人，按每個城市人口用地100 m2計，將佔用耕地1億多畝。土地問題是我國可持續發展的關鍵，城市人口急劇增長與地域規模的限制已成為城市發展的突出矛盾，城市 發展非走節約土地的集約化發展模式不可。
(2)城市人口密度大，形成了所謂的「城市綜合症」。首先表現在城市交通阻塞，行車速度緩慢。例如北京市幹道的平均車速比10年前降低50%以上，且正以年遞減2 km/h的速度持續下降。上海、北京每公里道路的汽車擁有量相應為506輛與345輛，為發達國家大城市相應擁有量的1倍及至數倍。其次是，由於城市基礎設施落後於城市面積的擴展和城市人口的增長，造成城市環境的惡化。當前我國城市環境形勢日趨嚴重，大氣污染日趨加劇，全國500多座城市大氣質量達到一級標準的不到1%，酸雨面積超過國土面積的40%，重慶等城市尤為嚴重；城市污水80%未經處理排入江河；城市地下水受到污染；垃圾圍城現象普遍；雜訊污染普遍超標，建築空間擁擠，城市綠地減少，生態惡化。
(3)城市總體抗災抗毀能力偏低。在城市總體規劃中，除防洪、防空外，目前尚缺少綜合防災的內容，城市基礎設施的防災措施處於空白。為了克服這方面的弊端，解決城市人口、環境、資源三大危機，醫治「城市綜合症」，實施城市可持續發展，世界發達國家都在把地下空間作為新的國土資源，開發利用城市地下空間，成為越來越受到重視的城市建設指導方針和發展方向。
城市功能空間能轉入和宜轉入地下的領域是很廣闊的，包括商業、交通、部分市政設施、文化娛樂休閑、部分工業生產、倉儲、防災(避難)和救災空間等。充分利用地下空間是城市立體化開發的最重要組成部分。它可以達到擴大空間容量、提高開發集約度、消除步車混雜、交通順暢、商業更加繁榮，地面綠地增加，環境優美開敞，購物與休閑，娛樂相互交融的多功能效果，與向城市上空發展的模式相比，是一種更為合理的發展模式。
向地下要土地、要空間已成為城市建設發展的必然趨勢，顯示了無比的優越性。我國及國外大城市的地下商業城(街)、地下車庫、地下影劇院、地下鐵道、地下人防系統，是眾所周知的城市地下工程。有的國家已開始實施和計劃採用地下污水收集和處理設施、地下垃圾處理廠、地下超導磁直接儲存電能、地下供熱供冷系統、地下多功能公用隧道(共同溝)以及具有抗災功能的地下空間系統。它們是未來城市建設的發展方向。
2 城市地下岩土工程的特點及難點
眾所周知，地下岩土工程是一個具有悠久歷史的領域。可以說自有人類以來就有岩土工程，特別是進入工業社會以後岩土工程處處存在，但是城市岩土工程，除了傳統的地面房層工程外，地下岩土工程卻是隨著現代城市的興起而發展的。經過最近幾十年的實踐，無論從設計、施工、設備和工藝，還是理論、技術和經驗，都已達到相當高的水平，特別是深埋地下岩石工程，更是達到了較成熟的程度。
但是，城市地下岩土工程卻具有與一般岩土工程不同的特點，主要是：多數埋深較淺。地面建築、交通設施密集，地下管線多，開挖造成的影響大，地質條件復雜，多以土體為主，常有膨脹土、沙層、地下水，尤其是沿海沿江城市，淤土、軟土的開挖難度更大。因此，城市地下岩土工程存在許多需要解決的特殊問題。主要是：
(1)淺埋、超淺埋暗挖施工技術。城市地下工程的埋深，不僅直接影響工程造價，而且關繫到工程使用方便與否，因此，城市地下工程一般埋深較淺。在淺埋、特別是超淺埋的條件下，地下工程需要穿越建築物和線路、街道，地面保護成為施工技術中的首要問題。
(2)復雜、惡劣環境下的開挖技術。諸如流砂層、膨脹土、高壓縮性軟土淤土、風化破碎岩石、高濃度瓦斯地層、大涌水、硫化氫、岩溶、高應力、地下管線、地面大車流量、大型載重車多、建築物密集等等，都是地下岩土工程施工中的難題。
(3)大斷面隧道開挖、支護技術。主要是地鐵車站及商場、倉庫、廳、室，其跨度尺寸達10 m以上。
(4)開挖影響控制技術。隨著工程埋深的減小，開挖對地面的影響越來越大，在超淺埋條件下，開挖影響的控制與開挖方式、施工工藝、支護方法等眾多因素有關，是地下工程施工中最為復雜的問題。
3 城市地下岩土工程的開挖技術及其適應條件
我國城市地下工程建設起步較晚，隨著人防、地鐵、地下商場、倉庫、影劇院等大量工程的建設，特別是近年來的工程實踐，城市地下空間開挖技術得到了長足發展和提高。我國城市地下隧道及井孔工程先後採用了明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構法、沉管法、凍結法及注漿法等，這些技術有的已達到國際先進水平。
3.1 明挖法
明挖法具有施工簡單、快捷、經濟、安全的優點，城市地下隧道式工程發展初期都把它作為首選的開挖技術。其缺點是對周圍環境的影響較大。
明挖法的關鍵工序是：降低地下水位，邊坡支護，土方開挖，結構施工及防水工程等。其中邊坡支護是確保安全施工的關鍵技術。主要有：
(1)放坡開挖技術。適用於地面開闊和地下地質條件較好的情況。基坑應自上而下分層、分段依次開挖，隨挖隨刷邊坡，必要時採用水泥粘土護坡。
(2)型鋼支護技術。一般使用單排工字鋼或鋼板樁，基坑較深時可採用雙排樁，由拉桿或連梁連結共同受力，也可採用多層鋼橫撐支護或單層、多層錨桿與型鋼共同形成支護結構。
(3)連續牆支護技術。一般採用鋼絲繩和液壓抓鬥成槽，也可採用多頭鑽和切削輪式設備成槽。連續牆不僅能承受較大載荷，同時具有隔水效果，適用於軟土和鬆散含水地層。
(4)混凝土灌注樁支護技術。一般有人工挖孔或機械鑽孔兩種方式。鑽孔中灌注普通混凝土和水下混凝土成樁。支護可採用雙排樁加混凝土連梁，還可用樁加橫撐或錨桿形成受力體系。
(5)土釘牆支護技術。在原位土體中用機械鑽孔或洛陽鏟人工成孔，加入較密間距排列的鋼筋或鋼管，外注水泥砂漿或注漿，並噴射混凝土，使土體、鋼筋、噴射混凝土板面結合成土釘支護體系。
(6)錨桿(索)支護技術。在孔內放入鋼筋或鋼索後注漿，達到強度後與樁牆進行拉錨，並加預應力錨固後共同受力，適用於高邊坡及受載大的場所。
(7)混凝土和鋼結構支撐支護方法。依據設計計算在不同開挖位置上灌注混凝土內支撐體系和安裝鋼結構內支撐體系，與灌注樁或連續牆形成一個框架支護體系，承受側向土壓力，內支撐體系在做結構時要拆除。適用於高層建築物密集區和軟弱淤泥地層。
3.2 暗挖法
適用於城市中不能採用明挖法施工的地方，亦適用於鬆散層及含水鬆散層地層。
一般應按照「新奧法」原理設計和施工，採用較強的初期支護，先注漿後開挖的方法。施工原則是：「管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測」。一般用30～50 mm鋼管超前棚頂導管，然後注入水泥或化學漿，形成「結石體」，以增強圍岩自穩能力。每次開挖進尺0.75 m左右，先進行環狀開挖，留核心土，預噴5～8 cm混凝土，架拱架和鋼筋網，再噴25～30 cm混凝土，形成初期支護，做防水層後再做二次襯砌。
暗挖法有單拱單跨和多拱多跨暗挖施工技術。北京地鐵西單車站為多拱多跨。也有三連拱、四連拱、五連拱地鐵車站、公路隧道和地下商場。北京天外天地下商場為五連拱結構。還有平直牆暗挖施工技術。國際上傳統的暗挖法其頂部都是拱形結構，我國創造出平頂直牆超淺埋暗挖施工技術，如北京長安街過街道。
在岩石中進行暗挖施工時，一般採用鑽爆法。為了保護圍岩的自承能力，普遍採用光面爆破技術。為了減少對地面的振動影響，還採用微差爆破及合理設計爆破參數等減振技術。
3.3 蓋挖法
指的是邊坡支護為連續牆、混凝土灌注樁，其上為蓋板所構成的框架結構，並在其保護下開挖及結構施工的方法。它具有快速、經濟、安全的優點，是較明挖法對環境影響少，較暗挖法成本低的一種方法。適於市區高層建築密集區。
蓋挖法可分為由淺而深地逐層開挖、逐層做結構的蓋挖逆作法以及依次開挖至底後再做結構的正作法兩種。前者適用於地質條件復雜、開挖斷面大的情況，後者反之。
3.4 盾構法
指的是全斷面推動園筒狀鋼盾構進行開挖的方法。施工方法有人工、半機械及全機械化多種。盾構由液壓千斤頂推進。用盾構法能完成直徑幾十厘米至十多米尺寸的隧道，以及雙聯、三聯和四聯盾構的大型工程。它適於穩定和不穩定鬆散含水地層。
從施工技術上看，盾構法有泥水盾構法、土壓平衡法(可控制地面沉降)、開敞式機械化盾構、氣壓盾構、插刀盾構及混合盾構等多種。在岩石地層中，也可採用隧道掘進機(岩石盾構)。
此外，國內外還開發了稱為「地老鼠」的非開挖技術，包括導向鑽進、定向鑽進、沖擊矛、夯管、水平頂管及螺旋鑽等。我國首都機場跑道下採用這種方法完成一次頂進�273 mm、壁厚8 mm、長110 m作為安裝通訊電纜用的鋼管。我國最長鋪管長度可達500 m，最大鋪管直徑800 mm，鋪設設備達到國際先進水平。
3.5 凍結法
地層凍結法是採用人工製冷固結不穩定鬆散砂土地層或軟岩地層，並隔斷地下水的施工方法。在擬開鑿的地下工程周圍鑽鑿一定數量的凍結孔，通過凍結管中的供液管，循環由製冷設備提供的低溫鹽水，使地層局部形成不透水且有一定強度能抵抗地壓的凍結壁，並在其保護下進行開挖施工，工程完工後，凍結壁融化，地層岩土恢復原狀。此法適用於鬆散含水地層，已在煤礦廣泛採用。上海地鐵1#線、2#線的聯結通道及泵站、上海楊樹浦水廠泵站基坑、北京地鐵大北窯區間隧道等復雜高難地段，均用此法獲得成功，並首次試成水平凍結技術及液氮快速凍結技術。
3.6 沉管(箱)法
沉管(箱)法是採用將事先預制的鋼筋混凝土結構，焊封頭部鋼板、然後放水浮運沉入到設計的位置來建造水下岩土工程的方法。國外及我國煤礦均有大量施工實例。廣州珠江隧道採用了這種方法。適於修建過江、過海隧道的水中部分及淺表土層中的豎井施工。
3.7 鑽井法
鑽井法是一種用途廣泛、技術先進的岩土井、孔施工方法，其全部開挖工程在地面操作，工人不需「入地」，勞動強度小，它是通過專門的大直徑鑽機(我國最大鑽井直徑9.3 m)驅動鑽桿及鑽頭鑽進，泥漿護壁，壓氣排渣，井壁漂浮下沉，壁後充填固井等工序，一次超前鑽進，分級擴孔成井。我國煤礦已成功採用此法完成47個深井井筒。此外還有由下而上施工的反井鑽進技術。鑽井法在我國礦山、鐵路、交通、國防、水電等復雜及水下岩土工程中得到成功應用。
3.8 注漿法
注漿法指的是通過注漿設備以選定的注漿工藝利用鑽孔進行岩土加固的一種施工技術。它早就被廣泛應用。根據注漿材料不同有單液和雙液注漿，水泥注漿、粘土水泥和化學材料注漿；根據注漿機具不同有重力注漿和壓力注漿，有滲透注漿和噴射注漿等。
近年來發展起來的高壓噴射注漿法，在岩土工程的加固和治水中更是發揮了獨特作用，例如高壓旋噴樁法、高壓定噴牆法以及水平旋噴法。三重管高壓旋噴樁法在上海地鐵1#線的施工中，對淤泥地層進行帷幕堵水、防滲加固，效果十分理想。高壓旋噴樁與灌注樁結合法在高層建築地基基坑護坡工程中更是得到廣泛應用。
4 城市地下岩土工程中的開挖影響及環境保護
城市地下岩土工程中的開挖影響指的是開挖引起的圍岩移動與地面沉降，不包括其它擾民影響。地下開挖必然會在其周圍岩土體中引起位移與變形。由於開挖深度小，其影響必然要波及到地面上，但由於開挖寬度有限，其影響也是可以控制的。影響的程度與范圍，取決於眾多因素。對於淺理、超淺埋隧道式開挖工程，主要取決於開挖方式、斷面跨度、導坑形式、機具、支護方式與時機、構件剛度、回填、地面載荷(動、靜載)、岩土體性質及地下水抽排等。
據實測研究，隧道式開挖引起的地面沉降，其橫剖面一般呈盆狀，大體上用可概率積分曲線來描述。
對於淺埋和超淺埋隧道式開挖引起的地面沉降，其最大下沉值大致由開挖空間支護前的下沉、地下水抽排引起的下沉以及開挖空間支護後的下沉等構成。這些下沉可通過採取一定的減沉措施減少到最小程度。從北京、上海和廣州等城市的地鐵施工實例結果看，北京地鐵「復—八線」兩側高大建築物累計下沉量最大僅為2.5 mm，北京地鐵西單車站正上方累計地表最大下沉量也未超過30 mm；廣州地鐵有一段隧道橫穿市區主幹道天河路，隧道頂距路面7 m，地層為飽含水細砂層，地下密布有供水管、污水管及電纜線，地面晝夜車流量約12萬輛，還有載重30～60 t大型集裝箱運輸車快速通過。開挖後，據對128個測點觀測，最大下沉為20.7 mm，低於國際上地面沉降控制標准。
根據國內外淺埋開挖實踐，地面減沉的措施有：
(1)圍岩預加固。為了加固軟弱和鬆散岩、土體，一般採取導坑或全斷面預注漿。對於軟弱或破碎岩體，採用單液或雙液壓力預注漿；對於鬆散土體，採用單液或雙液高壓旋噴預注漿。
(2)強力支護。包括預支護、提高支護構件剛度及壁後充填等。預支護有管棚和插板兩種方法。管棚鑽孔深度受導坑尺寸限制，可兼作注漿管，適用條件廣泛。插板需用千斤頂頂進，具有防水效果，但不能用於卵石地層。及時支護可以有效減少支護前的下沉。鎖腳錨管是用於分步支護構件基礎的穩定，為下部開挖與支護安裝創造良好條件，減少上部支護構件的沉降。提高支護構件剛度可以減少支護後的下沉。壁後充填是減少支護構造與岩土體之間空隙的有效措施，在一次支護和二次支護後採用小導管注漿法進行充填。
(3)分步開挖，及時支護。實踐證明，分步開挖、及時支護可以有效地減少圍岩及地面下沉。例如北京長安街過街道，跨度大(開挖跨度11.6 m)、超淺埋(表土厚度僅0.6～1.0 m)、有動載、地下管線多，為了減少地面下沉，採用「中洞法」分步施工，地面下沉減到24 mm，效果良好。
(4)降水—回灌技術，是治理地下水和減少地面下沉的有效方法，已在北京地鐵施工中推廣應用。一般是「淺抽深灌」或「前抽後灌」。據北京地鐵「復—八線」實測，採用此法後其兩側高大建築物下沉未超過2.5 mm。
值得研究的是，近年來我國試驗成功的「高水速凝材料」，具有快速固結含水砂層的性能。如能在地下工程中進行試驗，對於阻隔地下水滲入施工空間，將具有良好的應用前景。
5 國外地下岩土工程開挖技術的新進展
(1)全過程機械化。從護坡、土方開挖、結構施工，包括暗挖法施工的拱架安裝、噴射混凝土、泥漿配製和處理等工序的機械化，同時採用計算機技術進行監控，從而保證了施工安全、快速施工和優良的工程質量。
(2)盾構法得到較大發展。近30年內英、美、法、日等國大量採用盾構施工技術，日本已生產盾構近萬台，用於地鐵、鐵路、公路，水工及管網施工，已出現雙聯、三聯、四聯盾構，能完成三跨地鐵車站，開挖寬度達17 m。日本正設想設計直徑80 m的盾構，在地下建造人造太陽和住宅區。
(3)微型盾構和非開挖技術已廣泛應用。主要用於建造各種直徑的雨、污水、自來水管道和電纜管道。微型盾構就是直徑2 m以下的盾構。刀盤掘進，遙控和衛星定位控制方向和坡度，然後安裝管片。非開挖技術就是採用微型鑽機，通過切割輪成孔，退回鑽桿後安裝管線或電纜。
(4)預砌塊法施工技術。拱圈是在土方開挖後採用拼裝機安裝，管片上留有注漿孔，襯砌拼裝完成後，由注漿孔向壁後注漿，堵塞空隙，增強圍岩與襯砌的共同作用。法國用此法施工的最大單拱跨度達24.48 m。
(5)預切槽法施工技術。意、法等國製造了一種地層預切槽機，採用鏈條沿拱圈將地層切割出一條寬15 cm，長4～5 m的槽縫，然後向槽縫內噴射混凝土，並在其保護下開挖土方，做防水層及二次襯砌，形成隧道。
(6)頂管大管棚法。修建地鐵車站時，在頂管內灌混凝土，形成大管棚，再在其保護下進行暗挖施工。
(7)微氣壓暗挖法。就是在具有1個大氣壓以下的壓縮空氣環境下，按照「新奧法」原理進行施工。優點是可以排出地下水，保證工作面乾燥；由於氣壓存在，可減少地面沉降；還可降低襯砌成本。
(8)數字化掘進，又稱計算機化掘進(Data drilling，Computerised drilling)，應用於硬岩工程的開挖。在數字化掘進時，鑽桿的推進是程序化的，從一個洞到另一個洞也是自動的。掘進機手可以同時管理3套鑽桿，其作用是監督鑽桿的運動，必要時予以調整。孔位、孔深和掘進序列預先已在掘進機的計算機軟體中安排，掘進方向由激光束控制，實現了孔的嚴格定位，從而可以實現掘進工藝的最優化以及曲線隧道的掘進。數字化掘進的優點是：控制隧道掘進的超挖；實現掘進方案的優化；消除了工作面上的人工測量。
作者簡介 劉天泉 教授，院士，1927年生，1958年畢業於波蘭克拉科夫礦冶學院采礦系，獲碩士學位，1959年起至今，在煤炭科學研究總院從事地下開挖影響理論與控制技術研究工作。地址：北京市和平里煤炭科學研究總院，郵碼：100013。
作者單位：劉天泉（中國工程院院士，煤炭科學研究總院）
錢七虎（中國工程院院士，總參軍事科學技術委員會）
參 考 文 獻
1 城市地下空間開發利用設計與施工技術.中國建築科學研究院，1998(8)
2 錢七虎.可持續城市化與地下空間開發利用.世界科技研究與發展，1998(10)
3 邵根大.北京地下鐵路建設中最新的技術進步.北京地鐵建設，1994(5)
4 侯景岩等.北京地鐵工程降水—回灌技術研究.北京地鐵建設，1996(4)
5 洪伯潛等.地下工程特殊施工技術.能源與礦業工程學部學術報告匯編，1998
6 傅同雷.從廣州地鐵施設中探求防止地面下沉的方法.北京地鐵建設，1996(3)
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❾ 動態法測定煤層氣井壓裂裂縫方位技術
張金成1 王愛國1 王小劍1 丁娜2
(1.大港油田石油工程研究院 天津 300280 2.青海油田鑽采工藝研究院 敦煌 736002)
摘要:本文介紹一種應用地球物理方法，即電位法測定壓裂裂縫方位、長度等參數的測試技術，它是針對油(煤)層所固有的特點，進行了大量室內外試驗及理論研究後取得的科研成果。在簡要闡述電位法測試技術的基本原理、測量方法及測量儀器的基礎上，文章重點對山西吉試1井、延長油礦8118井的現場應用效果進行了分析，證明了電位法測試技術的可行性及在油(煤)層氣田勘探與開發領域中所發揮的重要作用。
關鍵詞:電位法 測量儀器 測量工藝 裂縫監測
Dynamic Testing Technology of Orientation by Potentiometry Method for Coalbed Fracturing
ZHANG Jincheng1WANG Aiguo1WANG Xiaojian1DING Na2
1. Dang Gang Oil Field Co，Tianjin 300280，China; 2. Qing Hai Oil Field Co，Dunhuang 736002，China
Abstract: An applied geophysics method is introced in this paper and this is a new testing technology of o- rientation and length by testing potentiometry of coal-bed fracturing. For attaining the scientific research，substan- tial field experiment and the theory study was carried out based on a large number of physical model and indoor ex- periments against the inherent characteristics of coal-bed seams. The measurement technology was assessed in ap- plication that it had high accuracy and not any break to proction compared with other measurement meth- ods. After showed the fundamental principles of testing、measuring instruments and measuring methods，the tes- ting data of well JiShi 1 and well WuShi 5 3 was focusly analyzed and the result indicated the testing technology of orientation by potentiometry method was entirely feasible and had more significance for coal-bed fracturing.
Keywords: Potentiometry method; Measuring instruments; Measuring technique; Orientation of coal-bed fracturing
作者簡介: 張金成，1961 年生，高級工程師; 1990 年畢業於成都地質學院物探系，2002 年畢業於吉林大學地探學院，獲工程碩士學位; 先後在有關刊物發表學術論文十餘篇，電位法井間監測技術研究獲大港油田集團一等獎; 多年來一直從事井間監測技術的研究工作。聯系電話: 022 25925803 ( 13802162056) E mail: zjc_ 2056@sohu. com
1 研究背景
對煤層氣藏的可采儲量進行經濟評價後，若要經濟的開採煤層氣，煤層中必須發育並廣泛分布裂縫系統(割理面必須與井筒相聯)，這樣才能加速煤層氣的排水降壓，促使煤層氣解吸並流向井底。眾所周知，煤層的主要特徵表現在:煤層割理發育、彈性模量低，這樣水力壓裂在煤層中形成和支撐長裂縫是極其困難的。鑒於此，人們常把水力壓裂看作是一種將井筒與割理系統連通的作業過程，但遠離井筒後還仍然是與普通砂岩一樣，主要以平行於最大主應力方向的彎彎曲曲的垂直裂縫和水平裂縫為主。
針對煤層固有的特點(近於非彈性體)，在「九五」期間進行了地面電位法測定煤層氣井壓裂裂縫方位的研究與試驗工作，2000年在地面電位法技術的基礎上，又開展了《動態法測定壓裂井壓裂裂縫監測技術》的研究工作，成功的研製出DCT50型動態影像監測系統，該系統可對壓裂全過程實現實時、可視化動態監測，進一步擴大了方法的應用范圍。在此基礎上，2008年又開展了一體化精密儀器系統DDPI—EM的研發，並申請相關發明專利兩項，這套系統能提供一種高測量精度的、抗干擾的能載入偽隨機編碼的可控信號，其中的可控信號載入有偽隨機編碼，在煤層氣井內深層發射，在地面測試人工電場時，能夠排除干擾背景，可清晰地分辨深層低阻異常體。至此，形成了完整的具有鮮明特色的動態法測定煤層氣壓裂裂縫方位技術。
2 測試原理和基本公式
假設地層是一個無限大的均勻介質，若通過導線及套管以恆定電流向地層供電，在地層中則形成一人工電場，在供電電極以外任一點M(x，y，z)觀測電場的電位為:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
對於平面環形測量來說，只與井深h和測量環半徑r有關，上式可改寫為:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
式中:ρ為地層視電阻率(Ω·m);I為供電電流強度(A);h為測試目的層深度(m);r為觀測點M到點源dz之間的距離(m)。
當場源為任意形狀時，計算外電場電位應在場源處劃出一個面元ds，如果ds處的電流密度為j，則從ds處流出的電流為jds，它在觀測點M產生的電位dUM仿上式可寫為:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
積分得外電場電位:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
從(3)式看出，當觀測點M相同時，由於場源的幾何形狀不同，所產生的電位值也不相同。
壓裂施工中，如果所用的壓裂液相對於地層為一個良導體，即液體電阻率與地層介質的電阻率相比差異較大時，利用被測井套管向地層供以高穩定度的電流(被偽隨機碼調制)，這部分壓裂液在地層中即可看作為一個場源，由於它的存在將使原電場(未進行壓裂施工前的地面電場)的分布形態發生變化，即大部分電流集中到低阻體帶，這樣勢必造成地面的電流密度減小，地面電流密度減小相應的地面電位也會發生較大的變化。鑒於此，若在被測壓裂井周圍環形布置多組測點，採用高精度的電位觀測系統，實時監測壓裂施工過程中地面電位變化，並通過一定的數據處理，就可達到實時解釋裂縫延伸方位等有關參數的目的(圖1)。
圖1 壓裂裂縫監測原理圖
3 測量儀器系統
系統的總體研製方案(圖2):整體儀器設計其主要的設計思想就是採用整體系統思維方法，不再認為發射儀和接受儀是各自獨立的模塊，而是相互共同工作和反饋的統一體，它們由單片機C8051F236共同管理。單片機與個人電腦進行通訊，最終實現由計算機統一管理，最終儀器系統主要性能指標如下:
·最大輸出電流:20A;
·最大輸出電壓:500V;
·穩流精度:1%內(在負載變化±20%，輸入變化±20%以內);
·頻率穩定度:0.01%;
·輸入阻抗:80MΩ;
·解析度:1μV;
·電位測量精度:優於0.5%;
·動態監測范圍±2V。
圖2 系統總體研製方案
4 野外工作的方法技術
4.1 測點及測線布置
測點的布置是以A井為圓心環形設置內(N)、中(COM)、外(M)呈放射狀對應的多環測點，測點間夾角為15°，測環半徑可用經緯儀或紅外測距儀測定，同時測點位置要有明顯的標志，以保證兩次測量沒有幾何誤差;在測點布置完後敷設測網，在有條件的地區，測量電極、測量線及供電線預先埋設或布置，這是保證測量精度的重要方面(圖3)。
圖3 測點及測線布置
4.2 B井的選擇
在壓裂井A周圍形成人工電場，還應在A周圍再選一口井B使之與壓裂井A形成閉合迴路，AB兩井之間距離一般應大於A井的壓裂層段深度，而不應太小，這樣做改善了AB間表層電流密度大的情況，有利於提高充電異常的分辨力，通常遵循以下原則進行選擇:(1)AB之間距離D>壓裂層位的深度H(m)，(2)B井深度HB≥A井壓裂層位的深度H(m)。
4.3 降低壓裂液電阻率
壓裂液電阻率與壓裂層段圍岩介質電阻率的差異越大，就越有利於異常顯示。為了達到這個目的。壓裂施工中必須在壓裂液中加入有利於導電的金屬鹽類，通常可按3%比例在壓裂液中加入食鹽即能達到導電性差異的要求。
4.4 施工工序
主要施工步驟如下:①按施工設計布置測點(夾角一般為15°，測環數隨地質任務而定)、測線及供電線;②選擇發送與接收系統參數(如碼寬度和碼長)，進行調試使之滿足設計要求的測量精度;③注液施工，同時測試工作也開始進行，直至注液施工結束。
4.5 數據處理
在實際數據處理工作中，我們選用了「視純異常法」進行數據處理，考慮供電電流的變化，需要對注入工作液前、後測得的電位差數據進行了歸一處理。即:
中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集
式中:US為標准視純異常(mV/A);UQMN、UHMN分別為注入工作液前、後測得的電位差數據(mV);IQ、IH分別為注入工作液前、後時的供電電流(A)。
數據處理後，給出了視純異常曲線圖和環形圖。在視純異常曲線圖中橫坐標表示測點的方位角，縱坐標表示視純異常值;在視純異常環形圖中，圓點為被測井，環外標出測試點方位角，正北方向(N)為0°並順時針旋轉，90°為正東(E)方向、180°為正南(S)方向、270°為正西(W)方向。
5 現場應用實例
5.1 吉試1井測試
吉試1井是煤層氣項目經理部在山西大寧吉縣地區部署的一口煤層氣勘探評價井，其地理位置在山西省蒲縣皮條溝村西200m，構造位置為鄂爾多斯盆地東部晉西饒褶帶古驛背斜。為了確定吉試1井煤層壓裂裂縫的延伸方向，煤層氣項目經理部委託大港油田鑽采院，對該井的8#煤的壓裂裂縫方向進行測試，由圖4至圖6可以看出:Us視純異常曲線在360°范圍內出現了近兩個周期的變化，極小值分別對應了No.16(N45°E)和No.4(S45°W)，且兩者的異常幅度差很大。認為壓裂施工所形成的裂縫為一對稱不等長裂縫，根據反演計算，NO.16(N45°E)方向的裂縫長度為89m，NO.4(S45°W)方向的裂縫長度為66m(圖6)。
5.2 武試5-3井測試
圖4 吉試1井8#煤80100視純異常曲線
圖5 吉試1井8#煤100120米視純異常曲線
武試5井組的各井位置見圖7所示，本次現場實施壓裂裂縫測試的是武試53井，試驗井組所在區塊以往探井的施工資料表明該區塊延伸壓力梯度變化很大，部分井延伸壓力梯度很高，尤其是中心井武試5井，延伸壓力梯度高達0.044MPa/m，在前置液階段甚至高達0.05MPa/m，一方面反映了區域煤層的非均質性，另一方面反應煤層裂縫非常復雜，延伸困難。總體評價是:特低孔、特低滲，目的層上下隔層有一定的應力遮擋效果;延伸壓力梯度變化較大，部分井延伸壓力梯度較高，煤層多裂縫發育程度高，裂縫延伸困難。
圖6 吉試1井8#煤測試成果圖
圖7 武試5井組位置圖
現場測試資料數據處理後所得到的視純異常曲線見圖8至圖10，①視純異常曲線在360°范圍內出現了近兩個周期的變化，認為壓裂施工中，形成了兩翼對稱不等長裂縫，裂縫中心方位角為30°和210°方向，其中60°方向為長裂縫(圖8，9);②經模擬計算，30°方向裂縫長度為79.96m，210°方向裂縫長度為60.97m(見圖10)。
圖8 武試5—3井視純異常曲線
6 結論
應用地球物理方法來研究和確定油(煤)層水力壓裂裂縫方位，在生產與科研中具有實際應用的意義，同時該研究成果也為電位法開辟了新的領域。它是以充電法的基本理論為依據，通過對結合實際所給數學模型的合理分析和比較系統的物理模擬試驗取得的，如按所提供的一套野外工作方法與技術並採用研製的動態觀測系統在所論的條件下，可較成功的用來確定埋藏深度在3000m以內壓裂裂縫的主導方位和該基礎上所進行的裂縫長度的預測研究，這不僅對研究壓裂工藝效果，合理的經濟的制定開發方案有一定的指導意義，而且對解決其他類似工程問題也有一定的參考價值，故具有廣闊的應用前景。
圖9 武試5—3井視純異常環形圖
圖10 武試5-3井裂縫長度等值線圖
參 考 文 獻
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張金成 . 2001. 電位法井間監測技術 . 地震地質 Vol. 23 ( 2) 292 ～300
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