采矿地球物理学概论 第八章 微重力

1、整理课件整理课件8开采引起的重力场重力法是一种地球物理方法。它是重力法是一种地球物理方法。它是根据地层中岩石介根据地层中岩石介质质量分布的不均匀性来测量重力的异常变化。质质量分布的不均匀性来测量重力的异常变化。重力的变重力的变化取决于地层的尺寸、形式、埋藏深度以及该地层与周围化取决于地层的尺寸、形式、埋藏深度以及该地层与周围岩层之间的岩层之间的密度差异密度差异。 测量仪器的高精密度（测量仪器的高精密度（210-9ms-2）可使其可使其广泛用于广泛用于小结构，岩相变化的测量以及由于采矿引起的密度分布变小结构，岩相变化的测量以及由于采矿引起的密度分布变化化。 目前，采矿重力法主要应用于开采引起的岩

2、体体积变化；目前，采矿重力法主要应用于开采引起的岩体体积变化；地层震动的预测；地层震动的预测；小范围内煤层构造的变化；局部空洞的小范围内煤层构造的变化；局部空洞的定位。定位。整理课件rfG34整理课件整理课件整理课件整理课件8.1 物理基础物理基础 根据牛顿定律，物体之间的引力是密度、大小、形根据牛顿定律，物体之间的引力是密度、大小、形状及距离的函数：状及距离的函数：2rGdmdF 式中式中 dF单元的引力单元的引力G 引力常数引力常数G=6.6710-11 Nm2kg2dm单元质量单元质量r 单元距测量点的距离单元距测量点的距离整理课件由于岩石介质密度分布的不均匀性，可以测量由于岩石介质密度

3、分布的不均匀性，可以测量重力的变化。重力（法向）与地理宽度的变化可用重力的变化。重力（法向）与地理宽度的变化可用下式表示下式表示a(1+Sin2Sin2) (8-2)式中式中法向重力值法向重力值a 考虑相对平面的法向重力值考虑相对平面的法向重力值、系数系数地理宽度地理宽度整理课件8.2 井下测量重力的递减法井下测量重力的递减法 为了同一平面观测到的重力进行相互比较，采用为了同一平面观测到的重力进行相互比较，采用Bouger递减递减法，如图法，如图8-1所示。假设巷道的观测点处于所取平面的最低高度。所示。假设巷道的观测点处于所取平面的最低高度。图8-1测量重力变化示意图巷道约定水平面井筒gtgt

4、gt平均高度gghghd+2Gghg+2Gdhdhs地面形状整理课件Rg02式中：g0地球表面的平均重力值R地球的平均半径（6370m）引力常数hd测量点距约定水平的高度hsmhg从地表平均高度起距测量点的深度g，d岩层hg和hd的平均密度gt地表重力修正值gg井下井巷中观测点的重力修正值整理课件在重力差法的测量中，地表的重力修正值在重力差法的测量中，地表的重力修正值gt是个是个常数，而实际岩石的平均密度值为常数，而实际岩石的平均密度值为2.6103kg/m2，因此，所测点的因此，所测点的Bouger递减的微重力异常为：递减的微重力异常为：重力微异常为差的异常，计算第重力微异常为差的异常，计算

5、第i次测量与第一次次测量与第一次测量之差测量之差(gig1)或相邻二次之差或相邻二次之差(gigi-1)或或第第i次与所选的某次之差（次与所选的某次之差（gigk），），式中式中ki。整理课件8.3 测量方法与观测仪器测量方法与观测仪器 重力法进行测量时，重力仪布置在危险区域附重力法进行测量时，重力仪布置在危险区域附近，测量巷道的倾角不大于近，测量巷道的倾角不大于10，测量巷道最好，测量巷道最好在观测区域的上部或下部，最好是石门穿过在观测区域的上部或下部，最好是石门穿过2个以个以上的煤层。测量点的间距一般为上的煤层。测量点的间距一般为1050m，m。整理课件测量仪器有美国公司测量仪器有美国公司

6、Worden，LaCwta-Romberg和加拿大公司和加拿大公司Scintex生产的重力仪。重力生产的重力仪。重力仪主要测量重力值的变化，其灵敏度很高（仪主要测量重力值的变化，其灵敏度很高（10-7到到10-8重力值）。其原理如图重力值）。其原理如图8-2所示，这种情况下，所示，这种情况下，重力的微小变化，将使产生较大的倾斜度。重力的微小变化，将使产生较大的倾斜度。整理课件42513mgFs0ll系统臂长，系统臂长，2回转轴，回转轴，质量，质量，弹簧，弹簧，弹性弹性作用臂，作用臂，平衡状态时与平面的夹角，平衡状态时与平面的夹角，mg重力重力图图8-2 重力仪原理示意图重力仪原理示意图整理课件

7、8.4 多水平重力剖面多水平重力剖面 对于地层中的上下两层岩层，由于其密度不同，而且在对于地层中的上下两层岩层，由于其密度不同，而且在各分层边界面不平的情况下，则在该边界的上下形成重力异各分层边界面不平的情况下，则在该边界的上下形成重力异常，如图常，如图8-3所示。所示。1复合层上部的重力异常曲线；复合层上部的重力异常曲线；2复合层下部的重力异常曲线复合层下部的重力异常曲线图图8-3 密度分布不均边界密度分布不均边界21的重力异常的重力异常g1212整理课件实际中，对于两水平来说，可用重力异常来：实际中，对于两水平来说，可用重力异常来： 1）揭露测量水平之间的地质情况；）揭露测量水平之间的地质

8、情况； 2）研究开采引起的岩层密度的变化；）研究开采引起的岩层密度的变化； 3）揭露岩体引力升高的影响下，膨胀过程的发展。）揭露岩体引力升高的影响下，膨胀过程的发展。整理课件8.5 冲击地压的预测预报冲击地压的预测预报 重力法广泛用于矿山震动与冲击矿压的预测预报之中。重力法广泛用于矿山震动与冲击矿压的预测预报之中。其主要是其主要是确定在有冲击地压危险的区域，微重力异常曲线确定在有冲击地压危险的区域，微重力异常曲线RBGA趋向性的变化特征。趋向性的变化特征。 一般情况下，一般情况下，在发生震动与冲击矿压前，岩体的体积在发生震动与冲击矿压前，岩体的体积将会增加，从而使岩体的密度降低，微重力异常值将

9、会增加，从而使岩体的密度降低，微重力异常值RBGA将发生变化。其变化趋势为将发生变化。其变化趋势为T，该趋势的斜率估计量为该趋势的斜率估计量为A，见图见图8-4所示。所示。整理课件AMPi1定义为定义为i1的振幅度。它是的振幅度。它是RBGA曲线的梯度值，其变化对应着岩石密度梯度的曲线的梯度值，其变化对应着岩石密度梯度的变化，与岩层开采引起的应力变化具有简单的变化，与岩层开采引起的应力变化具有简单的关系。关系。AMPi1增加时对应着压力的集中，可增加时对应着压力的集中，可以提前预计观测区域内岩层释放的能量。以提前预计观测区域内岩层释放的能量。AMPi1减小时，对应岩层应力释放，卸压。减小时，对

10、应岩层应力释放，卸压。整理课件测量长度点号-40040801621263136414651566166Ti-1(RBGA)i-1Gal(AMP)图图8-4 微重力异常的趋势及变化幅度微重力异常的趋势及变化幅度LAMPtgA 整理课件波兰与德国的研究结果表明，波兰与德国的研究结果表明，AMP(t)AMP(t)和和( (t)t)存在着如下关系：存在着如下关系： AMP AMPs s(E)(E)D(E)D(E)Rez(E) (8-6)Rez(E) (8-6) 式中式中 AMPAMPs s(E)(E)研究期间内能量总和对应的研究期间内能量总和对应的AMPAMPi i1 1增加总和。增加总和。 D(E)

11、 D(E)经验趋势，实际中经验趋势，实际中D(D() )按最小二乘法确定按最小二乘法确定 D=AE+B D=AE+B Rez(E) Rez(E)正态分布的随机变量。正态分布的随机变量。 整理课件 采用观测站的形式，可以用以前的采用观测站的形式，可以用以前的AMPAMP为基为基础，根据当前最大的础，根据当前最大的AMPAMPs s(t)(t)来预测将来岩体内释来预测将来岩体内释放的能量值放的能量值E E。 根据测量重力变化，可以确定应力集中区域，根据测量重力变化，可以确定应力集中区域，对冲击地压及震动危险区域进行定位。图对冲击地压及震动危险区域进行定位。图8-58-5为为STASZICSTASZ

12、IC矿观测的重力异常矿观测的重力异常RBGARBGAi-1i-1与趋势与趋势T Ti-1i-1的分的分布图。布图。整理课件图图8-5 STASZIC矿观测的重力异常矿观测的重力异常RBGAi-1与趋势与趋势i-1的分布图的分布图整理课件由图可见，在由图可见，在3337之间存在之间存在AMPi-1的异常变化。说明该的异常变化。说明该部分是卸压区。在第部分是卸压区。在第8系列，系列，AMP出现了较大的增长，说明压出现了较大的增长，说明压力迅速增长。发生能量为力迅速增长。发生能量为E8107J的震动。而的震动。而AMP9-1和和AMP10-1表明，震动发生后产生的压力降。而后在表明，震动发生后产生的

13、压力降。而后在AMP11-1表明，表明，压力又回到原来的水平。而压力又回到原来的水平。而AMP14-1和和AMP16-1的压力跳动是两的压力跳动是两次破坏顶板和放卸压振动炮的结果。其后高应力保持次破坏顶板和放卸压振动炮的结果。其后高应力保持3周到第周到第17循环的循环的AMP17-1。整理课件8.6 揭露老巷及其充填程度揭露老巷及其充填程度 地下的老巷和采空区对地表建筑物及工业区有很大的威胁。地下的老巷和采空区对地表建筑物及工业区有很大的威胁。根据老巷与采空区上方重力场中的密度与周围岩体的密度之差，根据老巷与采空区上方重力场中的密度与周围岩体的密度之差，可以采用重力垂直梯度的分布确定其位置。可

14、以采用重力垂直梯度的分布确定其位置。 重力垂直梯度的分布定义为：重力垂直梯度的分布定义为：zzwWhgzg式中：式中： z 垂直方向垂直方向h重力测量水平之高重力测量水平之高zzw重力垂直梯度的导数，单位为重力垂直梯度的导数，单位为etwesz（）整理课件图图8-6为两条巷道上方重力垂直梯度的分布，根据曲线为两条巷道上方重力垂直梯度的分布，根据曲线zzw的极小值，可以很好的确定巷道的位置。的极小值，可以很好的确定巷道的位置。 图图8-7表示了在地表测量的巷道上方重力垂直梯度表示了在地表测量的巷道上方重力垂直梯度zzwm。从图上可以清楚的看到，巷道上方的从图上可以清楚的看到，巷道上方的zzw出现

15、最小出现最小值。值。 图图8-8表示了保护煤柱上方重力垂直梯度的变化情况。表示了保护煤柱上方重力垂直梯度的变化情况。zzw出现的最大值的情况与压力分布以及煤柱的破裂区域联出现的最大值的情况与压力分布以及煤柱的破裂区域联系在一起。系在一起。整理课件2040608010012002040100200-20-40-60Wzzw, Emm处的重力垂直梯度分布处的重力垂直梯度分布整理课件1112公路隧道隧道建筑物图图8-7 地下巷道的定位（其中地下巷道的定位（其中1为重力异常曲线，为重力异常曲线，2为测点）为测点）整理课件10203040461124004080120160zzwH，m距离，m图图8-8

16、 煤柱与巷道上方煤柱与巷道上方zzw分布分布根据根据Fajlclewicz的研究，的研究，zzw的负振幅与巷道中非充填的负振幅与巷道中非充填部分的体积成比例关系，这样就可以计算开采后充填的程度。部分的体积成比例关系，这样就可以计算开采后充填的程度。整理课件8.7 揭露井筒周围岩层条件及变形揭露井筒周围岩层条件及变形 确定井筒周围岩层密度的方法称之为重力垂直剖面法确定井筒周围岩层密度的方法称之为重力垂直剖面法PPGR（某个岩层的重力是五倍厚上覆岩层重力的叠加）某个岩层的重力是五倍厚上覆岩层重力的叠加） 图图8-9介绍了密度变化的五层岩层模型在有井筒的情况下，介绍了密度变化的五层岩层模型在有井筒的

17、情况下，密度的变化。其中密度的变化。其中C部分中有空洞部分中有空洞Pm。S为该模型的垂直重力为该模型的垂直重力曲线。在这种情况下，空洞形成了曲线曲线。在这种情况下，空洞形成了曲线S的异常。井筒周围的的异常。井筒周围的空洞是岩石压出的根源，因此可以借助于空洞是岩石压出的根源，因此可以借助于PPGR的异常关系来的异常关系来确定和研究井筒周围的空洞的分布。经验表明压出过程中确定和研究井筒周围的空洞的分布。经验表明压出过程中PPGR的负异常将增加其幅度，因此的负异常将增加其幅度，因此PPGRi+1PPGRi（1,2,3 ）是研究的基础。在同一点测量）是研究的基础。在同一点测量PPGR值。值。PPGR曲

18、线曲线之差之差整理课件可以给出井筒附近压凸出的具体数量的程度。可以给出井筒附近压凸出的具体数量的程度。PPGRi-1(i1)曲线及垂直坐标轴的面积与岩石压出量成比例。曲线及垂直坐标轴的面积与岩石压出量成比例。GdzPPGRYMbii2011式中式中引力常数引力常数积分段（垂直方向）积分段（垂直方向）出现压出过程的区域宽度（未知）出现压出过程的区域宽度（未知）i-1=iYi次测量与第一次测量之间压出的岩石次测量与第一次测量之间压出的岩石 量，量，i为线密度为线密度或用两个量相比，求出其压出量的相对增长率。或用两个量相比，求出其压出量的相对增长率。整理课件-0.300.3p0ABCS4090H,m

19、4090H,mR2(A)R2(B)R2(C)R2(D)P-2000200R,mH,m211227g,mGal-0.020.51-2.100.16-0.023g,10 Kgm-3R2(P)=R1(C)=18.5mR1(A,B,D,P)=3.5m图图8-9 井筒的模拟研究井筒的模拟研究整理课件图图8-10为为Maciej井的研究情况，井深井的研究情况，井深199m，剖面为第四纪，剖面为第四纪，三叠纪和石炭纪。第四纪，三叠纪为近水平，石炭纪为三叠纪和石炭纪。第四纪，三叠纪为近水平，石炭纪为75SE，在在3049和和5778m有水的影响有水的影响 测了四个系列的测了四个系列的PPGR，时间间隔为时间间

20、隔为69个月。从地表到个月。从地表到81m，每隔每隔3m设一个测点，深部每设一个测点，深部每915m设一个例点，采用设一个例点，采用Worden Masterms-2。从从PPGR2-1的曲线分布可以注意到，岩石的曲线分布可以注意到，岩石的压出集中在第四纪和三叠纪，深度从地表到的压出集中在第四纪和三叠纪，深度从地表到50m。PPGR3-1表表明，压出很可能既在垂直也在水平方向上出现。考虑压出量的明，压出很可能既在垂直也在水平方向上出现。考虑压出量的增加，则：增加，则：整理课件上式表明，在第二、三测量段压出量比上一段增加上式表明，在第二、三测量段压出量比上一段增加了了30%。同样，在第四纪和三叠

21、纪一、二测量段，其值。同样，在第四纪和三叠纪一、二测量段，其值为为400%。 第四纪的压出强度为第四纪的压出强度为50%，而，而PPGR3-1表示，该动力表示，该动力过程只出现在下部分。但过程只出现在下部分。但PPGR4-1表明。在第四次测量表明。在第四次测量时，压出活动已降低。时，压出活动已降低。30. 11223MM整理课件-3-2-101ms-22.4 2.62.22.01.8-4-2024-0.8-0.40ms-20102030405060708090100110120130140150160170180a)b)c)d)e)f)图图8-10 Maciej 井垂直重力剖面测量结果井垂直重

22、力剖面测量结果a 井壁周围表面影响的地形重力修正值井壁周围表面影响的地形重力修正值b 井筒支护、邻近巷道影响的采矿重力修正值井筒支护、邻近巷道影响的采矿重力修正值c 地质剖面地质剖面d 各层密度与平均密度各层密度与平均密度e Bouger重力异常分布重力异常分布f PPGR随时间异常差的变化随时间异常差的变化整理课件8.8 8.8 微重力方法在地质灾害调查中的应用实例微重力方法在地质灾害调查中的应用实例 8.8.1 8.8.1 概述概述 微重力测量是国际上世纪微重力测量是国际上世纪70年代形成的新技术，它年代形成的新技术，它具有精度高、分辨率高、快速、经济等优点，已在诸多具有精度高、分辨率高、

23、快速、经济等优点，已在诸多领域获得广泛应用。领域获得广泛应用。 主要特点有两个：主要特点有两个： 一是探测对象小，测量范围小；一是探测对象小，测量范围小； 二是测量精度高，可达微伽级（二是测量精度高，可达微伽级（10-8ms-2或或10-9g）。）。整理课件微重力测量和传统重力测量的主要差别微重力测量和传统重力测量的主要差别: 最基本的差别在于测量精度提高了三个数量级，传统最基本的差别在于测量精度提高了三个数量级，传统重力测量是毫伽级（重力测量是毫伽级（10-5ms-2），微重力测量是微伽级），微重力测量是微伽级（10-8ms-2）。）。测量方法和途径有很大发展。传统重力测量测点稀疏，测量方法

24、和途径有很大发展。传统重力测量测点稀疏，而且只在地表进行，获得二维数据。微重力测量测点而且只在地表进行，获得二维数据。微重力测量测点密集，可深入到竖井和多层坑道，甚至在物体内部进密集，可深入到竖井和多层坑道，甚至在物体内部进行，获得丰富的三维数据。行，获得丰富的三维数据。 现今的数字模拟和反演技术是传统的重力勘探时现今的数字模拟和反演技术是传统的重力勘探时期不可比拟的。如今几乎可以任意修正模型去逼近观期不可比拟的。如今几乎可以任意修正模型去逼近观测值，因而能得到更真实的解。测值，因而能得到更真实的解。整理课件 用微重力测量进行重力勘探之所以能找矿、发现空用微重力测量进行重力勘探之所以能找矿、发

25、现空穴和解决地质问题，是基于各种岩矿、洞穴、构造与周穴和解决地质问题，是基于各种岩矿、洞穴、构造与周围物质存在密度差异。在解释重力异常时岩矿密度又是围物质存在密度差异。在解释重力异常时岩矿密度又是解释的基础。因此在微重力测量中，岩矿密度的测定是解释的基础。因此在微重力测量中，岩矿密度的测定是一项重要工作，因此，在测量工作中，专门对岩矿密度一项重要工作，因此，在测量工作中，专门对岩矿密度测定的取样、测定和数据整理给以详细明确地规定。测定的取样、测定和数据整理给以详细明确地规定。整理课件 重力加速度重力加速度g是最基本的物理量之一，重力是最基本的物理量之一，重力加速度加速度g及其微小变化量及其微小

26、变化量g的精确测量，在生的精确测量，在生产、国防和科学实践中有极其重大的作用。产、国防和科学实践中有极其重大的作用。 重力垂直梯度是地球重力沿铅垂方向的变化重力垂直梯度是地球重力沿铅垂方向的变化率，它在重力测量学和应用地球物理学的重力率，它在重力测量学和应用地球物理学的重力勘探中的地位是仅次于重力（加速度）的一个勘探中的地位是仅次于重力（加速度）的一个参数。研究这个参数的分布与变化，可以提供参数。研究这个参数的分布与变化，可以提供关于地球形状与地下密度异常体及其活动性的关于地球形状与地下密度异常体及其活动性的一些信息。一些信息。 整理课件 岩溶塌陷探测岩溶塌陷探测 广西桂林市某研究所生活区位于

27、桂林市东郊、桂林广西桂林市某研究所生活区位于桂林市东郊、桂林孤峰平原、漓江河谷东侧的坡洪积台地上，原地貌呈垅孤峰平原、漓江河谷东侧的坡洪积台地上，原地貌呈垅岗缓坡地形，全区均为第四系沉积物粗盖。土层厚度一岗缓坡地形，全区均为第四系沉积物粗盖。土层厚度一般大于般大于15m，土层中除填土层外，主要为红黄、棕黄色土层中除填土层外，主要为红黄、棕黄色粘土或亚粘砾（卵）石层；下伏基岩为上泥盆统桂林组粘土或亚粘砾（卵）石层；下伏基岩为上泥盆统桂林组（D3t）深灰色石灰岩，岩溶较为发育。该所处在一近深灰色石灰岩，岩溶较为发育。该所处在一近南北向溶槽的东侧，属易发育土洞和塌陷的典型粗盖岩南北向溶槽的东侧，属易

28、发育土洞和塌陷的典型粗盖岩溶区。溶区。整理课件该所该所1979年底土建工程基本结束。近年来由于大量年底土建工程基本结束。近年来由于大量抽吸岩溶地下水，改变了地下水的赋存状态，加速了土抽吸岩溶地下水，改变了地下水的赋存状态，加速了土洞的发育。洞的发育。1991年年5月的一深夜，一场大雨过后，在距月的一深夜，一场大雨过后，在距该所锅炉房墙基不足该所锅炉房墙基不足lm处发生了直径约处发生了直径约3m、坑深约坑深约3m的岩溶塌陷。为查明隐伏溶（土）洞的发育情况，搞清的岩溶塌陷。为查明隐伏溶（土）洞的发育情况，搞清隐患以进行综合治理，在院内开展了点距为隐患以进行综合治理，在院内开展了点距为2m的微重的微

29、重力详查工作。力详查工作。整理课件根据实测重力异常的分布规律，查出了四条近南北根据实测重力异常的分布规律，查出了四条近南北向延伸与隐伏岩溶发育有关的串珠状局部重力低异常带，向延伸与隐伏岩溶发育有关的串珠状局部重力低异常带，这些串珠状的重力低异常正好反映了隐伏岩溶发育的不这些串珠状的重力低异常正好反映了隐伏岩溶发育的不均匀性。在均匀性。在I号异常带上实施钻探工程以验证物探异常，号异常带上实施钻探工程以验证物探异常，在位于塌坑南约在位于塌坑南约65m处（即处（即37.5/5号测点）的号测点）的ZK4mm厚厚土层中的软塑和流塑层（见图土层中的软塑和流塑层（见图5）。此软层上覆有）。此软层上覆有23m

30、厚的粘土、粘土砾卵石持力层对大型建筑物的威胁是不厚的粘土、粘土砾卵石持力层对大型建筑物的威胁是不可忽视的。可忽视的。整理课件 图图5 桂林市某研究所第桂林市某研究所第5测线物探地质综合剖面图测线物探地质综合剖面图整理课件物探第物探第10测线的测线的g布布m处（即塌坑西侧）进行钻探处（即塌坑西侧）进行钻探（ZK1mm高的半充填溶洞（图高的半充填溶洞（图6）。看来物探异常与钻）。看来物探异常与钻探结果吻合，物探先行，为准确定孔位、查明隐患提供探结果吻合，物探先行，为准确定孔位、查明隐患提供了可靠的依据。了可靠的依据。整理课件图图6桂林市某研究所第桂林市某研究所第10测线物探地质综合剖面图测线物探地质综合剖面图整理课件8.8.3 8.8.3 土洞探测土洞探测m，m2为了查明原漏勘和新发育的土洞，排除隐患，在区为了查明原漏勘和新发育的土洞，排除隐患，在区内进行了地面微重力工作。内进行了地面微重力工作。整理课件微重力工