■于師建

（山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院山東青島266590）

“礦井地球物理勘探”課教學實踐與探索

■于師建

（山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院山東青島266590）

“礦井地球物理勘探”課程對地質工程專業(yè)學生了解礦井地球物理的新技術及所解決的礦井地質問題具有重要的現(xiàn)實意義。教學內(nèi)容設置了五種用于礦井井下的物探方法。教學方法突出理論與實際相結合、樹立綜合物探思想、加強實驗演示教學。課程考查方式采用兩類方式。以實際礦井地質問題為中心，讓學生了解從勘探方法選擇、勘探設計、數(shù)據(jù)采集、資料處理到地質解釋的全過程。適應地質工程專業(yè)學生的特點，重點培養(yǎng)學生的實際應用能力。

礦井地球物理勘探教學

煤礦安全生產(chǎn)工作是煤礦企業(yè)生存與發(fā)展的基本要求，是礦業(yè)類高等院校履行教育職能的重要組成部分。礦井地球物理勘探在實現(xiàn)礦井安全方面發(fā)揮了重要作用。2009年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局和國家煤礦安全監(jiān)察局頒發(fā)的《煤礦防治水規(guī)定》中，在地面水文地質補充勘探和井下水文地質勘探中對礦井物探工作均作了明確的規(guī)定[1]。為了滿足新形勢下與煤炭行業(yè)有關的本科專業(yè)教育的要求，我校在培養(yǎng)面向煤炭企業(yè)的卓越工程師中的地質工程專業(yè)開設了“礦井地球物理勘探”課程，目的是讓將來從事煤礦地質工作的技術人員了解礦井地球物理的新技術方法及所解決的地質問題。

由于地質工程專業(yè)的學生，在前期基礎課的學習中，缺少場論、數(shù)理方程等方面的知識積累，對于這樣一門內(nèi)容豐富，涉及面廣泛的課程，如何最大限度地發(fā)揮這門課程的作用，突出地質工程專業(yè)學生的特長，增強他們的學習興趣和教學效果，我國許多從事“地球物理勘探”教學的老師在教學方法、實踐教學、設計性和綜合性實驗實施、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面做了有效的探索[2-6]。針對“礦井地球物理勘探”課程，筆者在教學實踐中，從教學內(nèi)容、教學方法和考查方法上進行了有益的探索，取得了較好的教學效果。

1 教學內(nèi)容設計

礦井地球物理勘探，是用于礦井地質勘查的各種地球物理勘探方法的總稱。它是將在地面上成熟的各種地球物理勘探方法移殖到礦井井下，在煤巷內(nèi)以煤層、煤層頂?shù)装鍘r層作為主要研究對象探查未被開采煤層的不連續(xù)性，以及有關的地質構造破壞與地質異常體。與地面物探比較，礦井物探具有探測目標近，方法多樣，以及在多數(shù)情況下從數(shù)據(jù)采集到處理和解釋必須考慮全空間問題等特點。

煤炭企業(yè)生產(chǎn)的特殊性，要求礦井物探能夠及時、準確預測預報工作面內(nèi)和掘進工作面前方各種地質破壞與異常，諸如：小斷層與褶曲、陷落柱、煤層的沖刷與風化、煤層的分叉與合并、煤層厚度的變化、巖漿巖侵入體、老窯采空區(qū)、可能的涌水點及通道、頂板與圍巖的穩(wěn)定性等……。針對地質工程專業(yè)學生的專業(yè)需求、培養(yǎng)目標以及該課程的基本理論與體系，安排“礦井地球物理勘探”課程，教學學時30學時。如何在有限的學時內(nèi)使學生能夠掌握理論知識與基本應用是該課程教學的一大難點，為此，必須合理設計和安排教學內(nèi)容。

根據(jù)目前礦井物探發(fā)展和實際應用現(xiàn)狀，課程的教學內(nèi)容和學時分配如下：

（1）礦井直流電法勘探，包括電剖面法、電測深法、電透視法、電法超前探測法，8學時；

（2）坑道無線電波透視，4學時；

（3）礦井地質雷達探測，2學時；

（4）礦井瞬變電磁法勘探，6學時；

（5）礦井地震勘探，主要包括槽波地震勘探、瑞利波勘探和地震波超前探測，8學時；

（6）實驗性教學，2學時。

針對地質工程專業(yè)學生的特點，總結了煤礦主要解決的水文地質和構造地質9個方面的問題，并結合大量的實際勘探工程，讓學生根據(jù)不同的地質任務，全面了解從勘探方法選擇、勘探設計、數(shù)據(jù)采集、資料處理到地質解釋的全過程。

2 教學方法研究

2.1 理論教學方法探討

地球物理類勘探課程特點決定了在教學過程中必然涉及到抽象的數(shù)學物理方程，在講課過程中，盡量避開理論公式的推導過程，重點放在數(shù)學模型的建立及對結果的物理解釋上，使學生從不同勘探方法滿足的數(shù)理方程理解勘探方法的數(shù)學本質。例如，在講授均勻交變電磁場在導電介質中的傳播一節(jié)時，從麥克斯韋方程和物性方程建立數(shù)學模型，略去推導過程，直接給出磁場強度和電場強度所滿足的方程：

式中，為介質的電導率，為介質的磁導率，為介質的介電常數(shù)。對場的頻率高、電導率低的介質同，（1）和（2）式右端的第一項可忽略，方程變?yōu)椴▌有苑匠?，對應的勘探方法為地質雷達，反映地下電磁波阻抗差異界面；反之，在低頻和良導介質情況下，右端的第二項可忽略，方程變?yōu)闊醾鲗苑匠?，電磁擾動的傳播是按擴散規(guī)律傳播的，對應的勘探方法為瞬變電磁法和大地電磁法，本質上是一種體積勘探方法。

2.2 樹立綜合物探的思想

各類物探手段所反映的物理特征決定了它的適用條件和范圍。如：地震手段測量的參數(shù)為折射、反射、透射地震波的旅行時，表現(xiàn)的物理特征是地下巖石密度和彈性模量，它們決定地震波傳播速度；電法測量地下巖石電阻、電壓、電位等參數(shù)，表征的物理場是電導率等。因此，在授課過程中讓學生樹立綜合物探的思想，在應用物探方法時，要深入研究勘查對象的地質物性條件，對癥下藥，分析是否滿足適用條件，選用適合的方法，注意用多種有效的物探手段綜合解釋，才能有針對性解決礦井地質中的問題，取得預期的地質效果。例如在介紹某礦突水通道綜合探測實例時，針對導致煤礦突水的小煤窯采空、充水、塌陷等特點，按照地質任務及精度要求，優(yōu)化出了以高分辨電測深法、穩(wěn)態(tài)瑞利波法為主，電剖面法和高密電阻率法為輔的快速綜合物探技術，具有多參數(shù)、多方法、立體綜合勘探的優(yōu)勢，對突水通道具有聚焦作用，快速、準確的解決了所提出的地質問題。

2.3 增加實驗演示環(huán)節(jié)

“礦井地球物理勘探”所涉及的物探方法多，為了使學生全面了解應用于礦井的各種物探裝備，保證教學效果，實現(xiàn)教學目標，在現(xiàn)有的學時中增加實驗演示教學的學時，提高學生的直觀認識和對地球物理勘探的興趣。主要實驗演示的物探方法有：SIR30E地質雷達，900Mhz天線，室內(nèi)實測演示；RESECSⅡ三維高密度電法儀演示性介紹；SUMMITⅡ槽波地震儀演示性介紹；WKT E無線電波坑透儀演示性介紹；PROTEM47礦井瞬變電磁儀演示性介紹。

3課程考查方式探討

通過課程學習，學習成果不僅體現(xiàn)在學生所知、所了解的內(nèi)容，更重要的是能夠體現(xiàn)學生能將學習成果應用于實際的能力，為此在考查方式上采用了兩種類型，一是通過試卷類課堂考試的方式，考查學生對課程的重要知識點掌握的程度；二是應用類，為了使學生掌握根據(jù)不同的地質任務和采用的物探方法，設計了四種物探方法題目：（1）工作面無線電波坑透實測數(shù)據(jù)處理與解釋；（2）地質雷達巷道超前探測實測數(shù)據(jù)處理與解釋；（3）三極直流電法超前探測數(shù)據(jù)處理與解釋；（4）工作面頂?shù)装搴畬痈凰运沧冸姶盘綔y數(shù)據(jù)處理與解釋。提供給學生相關的工程背景材料和原始物探數(shù)據(jù)，要求按下述內(nèi)容編寫勘探報告：（1）地質、地球物理特征；（2）工作方法及質量評價；（3）數(shù)據(jù)處理方法及結果；（4）解釋推斷。通過應用類形式的考查，學生在實踐應用能力方面可以得到很大提高。

4 結語

針對地質工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需要，設計了豐富合理、聯(lián)系有機的教學內(nèi)容，采用傳統(tǒng)的板書教學手段，綜合運用現(xiàn)代多媒體技術、多種物探儀器實物演示以及豐富的案例分析等教學，讓學生真正能夠理解礦井地球物理的重要性和所能解決的礦井地質問題。通過兩類考查方式的考核，即能使學生掌握所知、所了解的內(nèi)容，又能提高學生能將學習成果應用于實際的能力。

[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局和國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定 [M]，煤炭工業(yè)出版社，2009

[2]熊章強，朱德兵，嚴家斌，等.提高地球物理學科野外實踐教學效果的探索與實踐[J]，中國地質教育，2012年第4期，132-134

[3]李勤."地球物理勘探"課程在地質工程專業(yè)教學的探索 [J]，大學教育，2014年第4期，111-112

[4]孫建國.淺論地球物理專業(yè)本科階段的創(chuàng)新能力培養(yǎng) [J].中國大學教育，2011年第10期，29-31

[5]譚茂金，鄒長春，徐敬領.地質-地球物理復合專業(yè)測井教學優(yōu)化設計與探索 [J]，中國地質教育，2013年第4期，78-82

[6]張平松,劉盛東.地球物理勘探課程設計性和綜合性實驗實施與思考 [J],中國地質教育，2005年第4期，97-99

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-6-365-1

于師建（），男，教授，博士研究生，研究方向為安全工程、礦井物探方面的教學和科研。