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1、地球物理學(xué)在采礦工程中的應(yīng)用 2東撼晨斜技2011年第4期 地球物理學(xué)在采礦工程中的應(yīng)用 白向根,郭現(xiàn)偉 (兗礦集團(tuán)濟(jì)寧三號(hào)煤礦,山東濟(jì)寧272069) 摘要地球物理學(xué)作為一門(mén)基礎(chǔ)科學(xué),在眾多領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用.該文以地球物理學(xué)的基本理論為指導(dǎo),根據(jù)地球物理場(chǎng)的特點(diǎn),闡 述了地球物理學(xué)在采礦工程中的應(yīng)用,包括應(yīng)用地球物理方法解決礦山開(kāi)采引起的地質(zhì)問(wèn)題,對(duì)于礦井建設(shè)及科學(xué)采礦均具有重要意義. 關(guān)鍵詞地球物理學(xué)電磁輻射聲發(fā)射紅外輻射采礦工程 中圖分類號(hào)TD326文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 目前我國(guó)煤炭產(chǎn)量增長(zhǎng)較快,煤炭開(kāi)采過(guò)程中遇 到的問(wèn)題越來(lái)越多,尤其是東部礦井開(kāi)采深度加大,開(kāi) 采

2、引起的地質(zhì)問(wèn)題也更加明顯,許多問(wèn)題急需解決. 1煤巖變形破壞的電磁輻射及應(yīng)用 1.1受載巖石電磁輻射特性 砂巖,泥巖和混凝土在壓縮和拉伸條件下變形破 裂時(shí)均有電磁輻射信號(hào)產(chǎn)生.隨著應(yīng)力升高,電磁輻 射信號(hào)基本上呈增強(qiáng)趨勢(shì).但有時(shí)在初始加載階段, 電磁輻射強(qiáng)度較高,這是由于加載方向與原始主應(yīng)力 方向不一致,巖石試樣產(chǎn)生收縮變形,并伴隨微破裂所 致.電磁輻射主要有2種形式,即表面電荷(靜電場(chǎng)) 和脈沖電磁場(chǎng).當(dāng)載荷較低或變形較為緩慢時(shí),靜電 ?收稿日期:2010—11—30 作者簡(jiǎn)介:白向根(1971一),男,任兗礦集團(tuán)濟(jì)寧三號(hào)煤礦掘進(jìn)二 區(qū)區(qū)長(zhǎng),多年從事礦井掘進(jìn)區(qū)隊(duì)管理工

3、作. 場(chǎng)占優(yōu)勢(shì).電磁輻射信號(hào)是陣發(fā)性的脈沖信號(hào),而不 是連續(xù)的,這說(shuō)明巖體的變形及破裂不是連續(xù)性的,而 是陣發(fā)性的,變形及破裂需要一個(gè)能量的積累過(guò)程,在 能量的積累過(guò)程中不產(chǎn)生電磁輻射或電磁輻射很弱. 在應(yīng)力峰值之后,應(yīng)力越來(lái)越低,電磁輻射也呈減弱趨 勢(shì). 1.2煤巖電磁輻射在煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)中的應(yīng)用 應(yīng)用電磁輻射監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)到的工作面煤巖電磁輻 射信號(hào)(強(qiáng)度E和脈沖數(shù)N)是煤巖體變形破壞程度和 強(qiáng)度的綜合反映;煤巖所受應(yīng)力作用越大,變形破壞 過(guò)程越強(qiáng)烈,產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)越強(qiáng).當(dāng)煤巖體無(wú) 法承受地應(yīng)力(包括采動(dòng)應(yīng)力,構(gòu)造應(yīng)力等),瓦斯壓 力等綜合作用,且卸壓區(qū)的煤巖體

4、又不足以抵制動(dòng)力 現(xiàn)象時(shí),煤巖動(dòng)力災(zāi)害即將發(fā)生.煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象 是經(jīng)歷一個(gè)發(fā)展過(guò)程后產(chǎn)生的突變行為,因此,在突 變發(fā)生前必然有明顯的前兆現(xiàn)象,即煤巖體處于高度 集中的應(yīng)力狀態(tài),電磁輻射信號(hào)較強(qiáng),且一段時(shí)間內(nèi) F式: ∑(一)≤14√n,(7級(jí)導(dǎo)線,測(cè)站數(shù)為n) 本文案例l中,每一測(cè)站中兩遍測(cè)角誤差一盧1 已經(jīng)違背了偶然誤差的基本性質(zhì),雖然符合界限性的 特征,兩遍差值符合限差,但是呈現(xiàn)出一定的規(guī)律,已 經(jīng)演變?yōu)橐环N系統(tǒng)誤差: ∑(/32一』91)一180”-4-14.~/n-(63”) 因此,經(jīng)常對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行總結(jié)分析是非常必要, 往往能夠發(fā)現(xiàn)事態(tài)發(fā)展的潛在規(guī)律,并及

5、時(shí)調(diào)整,避免 事態(tài)進(jìn)一步惡化. (2)利用貫通測(cè)量的優(yōu)越性,充分利用貫通聯(lián)測(cè) 的分析成果. 根據(jù)貫通聯(lián)測(cè)情況進(jìn)行精度評(píng)定,能夠總結(jié)出施 工導(dǎo)線資料是否符合標(biāo)準(zhǔn),對(duì)迎頭的施工測(cè)量有指導(dǎo) 意義. (3)《煤礦測(cè)量規(guī)程>規(guī)定,在布設(shè)井下導(dǎo)線時(shí),一 般每隔1.5～2.Okra應(yīng)加測(cè)陀螺邊,以加強(qiáng)井下導(dǎo)線方 向控制.鑒于沿空掘進(jìn)過(guò)程中測(cè)量工作的特殊性,可 以適當(dāng)調(diào)整,當(dāng)沿空導(dǎo)線總長(zhǎng)度約1000kin時(shí)及時(shí)加測(cè) 陀螺定向邊,檢查現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線精度,防止問(wèn)題發(fā)現(xiàn)太晚, 偏差太大,造成無(wú)法挽回的損失. (4)加強(qiáng)與采掘單位的配合.沿空施工過(guò)程中與 采掘保持好聯(lián)系,可以經(jīng)常與施工單位

6、協(xié)調(diào)好,要求定 期鉆探,一方面可以了解現(xiàn)場(chǎng)煤柱情況,對(duì)測(cè)量工作是 一 種校核,另一方面對(duì)一些碎部工程情況不明的采空 區(qū),也能盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,防患于未然. (5)建立健全碎部測(cè)量排查制度,優(yōu)化管理模式. 堅(jiān)持責(zé)任落實(shí)到個(gè)人,讓每一個(gè)測(cè)量人員都認(rèn)識(shí) 到其重要性,防止遺漏和測(cè)量錯(cuò)誤.每年組織一次有 針對(duì)性的井下碎部工程大排查活動(dòng),以適應(yīng)井下復(fù)雜 多變的情況. 擬訂下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)碎部工程技術(shù)管理有關(guān)規(guī) 定》相關(guān)文件,要求其他單位協(xié)助做好碎部工程管理工 作,由個(gè)別單位重視轉(zhuǎn)變?yōu)槿V上下都重視. 4小結(jié) 上述方案已成功運(yùn)用于濟(jì)寧三號(hào)煤礦123上05膠 順沿123上04采空區(qū)掘進(jìn)

7、,163下05膠順沿163下04采 空區(qū)掘進(jìn),53下07輔順沿53下06采空區(qū)掘進(jìn),方案可 行,正確指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)安全施工. 2011年第4期東撼爰甜技3 煤巖體變形破壞速度逐漸加劇,煤巖電磁輻射信號(hào)呈 現(xiàn)逐漸增強(qiáng)趨勢(shì),煤巖電磁輻射信號(hào)充分反映了煤巖 災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)程度. 2聲發(fā)射技術(shù) 2.1聲發(fā)射技術(shù) 材料受到外載荷作用時(shí),由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻 及各種缺陷的存在造成應(yīng)力集中,從而使局部應(yīng)力分 布不穩(wěn)定.當(dāng)這種不穩(wěn)定的應(yīng)力分布狀態(tài)所積蓄的應(yīng) 變能力達(dá)到一定程度時(shí),將發(fā)生應(yīng)力的重新分布,從而 達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài).在這一過(guò)程中往往伴隨有范性流 變,微觀龜裂,錯(cuò)位的發(fā)生與堆積以

8、致裂紋的產(chǎn)生與發(fā) 展.這實(shí)際上就是應(yīng)變能的釋放過(guò)程.這種被釋放的 應(yīng)變能,一部分是以應(yīng)力波的形式發(fā)射出去,由于最先 注意到的應(yīng)力波發(fā)射現(xiàn)象是人耳可聽(tīng)領(lǐng)域內(nèi)的聲波, 所以就稱它為聲發(fā)射口.聲發(fā)射(AcousticEmission, 簡(jiǎn)稱AE)就是材料在外載荷或內(nèi)力作用下以彈性波的 形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象. 2.2沖擊礦壓檢測(cè)原理 由于地應(yīng)力的增大和開(kāi)采擾動(dòng)的影響,深部采區(qū) 較淺部采區(qū)煤巖的動(dòng)力傾向性相對(duì)增大,發(fā)生沖擊礦 壓的幾率也相對(duì)增加.隨著我國(guó)開(kāi)采深度的逐年加 深,沖擊礦壓越來(lái)越突出.聲發(fā)射相對(duì)強(qiáng)弱指標(biāo)以事 件率和能率的變化率為基礎(chǔ),并考慮了巖體聲發(fā)射參 數(shù)的時(shí)間序列

9、,有效地消除了測(cè)點(diǎn)布置,地質(zhì)構(gòu)造等 因素對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響,采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)沖擊礦 壓的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面有顯著的成效. 綜合考慮巖體聲發(fā)射事件率,能率及其相對(duì)強(qiáng)弱 指標(biāo)等參數(shù),進(jìn)行巖體穩(wěn)定性趨勢(shì)分析,可以更準(zhǔn)確 地預(yù)測(cè)采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定狀態(tài),有利于礦壓監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào), 對(duì)井下實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)特別重要. 3紅外監(jiān)測(cè) 3.1煤巖變形破壞的紅外變化 巖石在壓剪破裂過(guò)程中,其發(fā)射率基本不變,紅外 輻射變化實(shí)際上是由表面物理溫度的變化引起的】. 溫度來(lái)源為熱一力耦合效應(yīng).巖石加載過(guò)程中存在 兩種熱效應(yīng)一熱彈效應(yīng)和摩擦熱效應(yīng).熱彈效應(yīng)貫穿 整個(gè)加載過(guò)程,而摩擦熱效應(yīng)僅出現(xiàn)在巖石出現(xiàn)微

10、破 裂的塑性階段.兩種熱效應(yīng)的共同作用使得巖石表面 的輻射溫度場(chǎng)復(fù)雜多樣化. 3.2紅外輻射探測(cè)預(yù)測(cè))中擊地壓的原理 在采掘面前方,依次存在著松弛區(qū)(即卸壓帶) A,應(yīng)力集中區(qū)B和原始應(yīng)力區(qū)C,如圖1所示.采掘 空間形成后,煤體前方的這3個(gè)區(qū)域始終存在,并隨 著工作面的推進(jìn)而前移.在A區(qū),煤體已發(fā)生屈服, 在煤體內(nèi)部形成了大量的裂隙,煤體已大量破壞,其 內(nèi)部附存的能大部分得到釋放,已不能承受太大的應(yīng) 長(zhǎng) D工作面走向距離 圖1工作面應(yīng)力狀態(tài)分布示意圖 力作用.因此,該區(qū)域的應(yīng)力較低.由A區(qū)到B區(qū), 應(yīng)力越來(lái)越高,煤體變形量越來(lái)越大,處于裂隙發(fā)育 煤體強(qiáng)化階段至裂隙

11、發(fā)育階段,因此在煤體內(nèi)產(chǎn)生的 紅外輻射信號(hào)也會(huì)有相應(yīng)的變化特征.在應(yīng)力集中 區(qū),在應(yīng)力達(dá)到最大值的過(guò)程中,煤體的變形破裂過(guò) 程也越來(lái)越強(qiáng)烈,紅外輻射信號(hào)變化最強(qiáng).越過(guò)峰值 后進(jìn)入c區(qū),紅外輻射信號(hào)將有所變化,整體出現(xiàn)下 降趨勢(shì).采用非接觸紅外輻射探測(cè)法測(cè)定的是煤巖總 體紅外輻射強(qiáng)度的變化,監(jiān)測(cè)的是應(yīng)力松弛區(qū)和應(yīng)力 集中區(qū)的變化過(guò)程. 沖擊地壓是地應(yīng)力和煤體共同作用的結(jié)果,經(jīng)過(guò) 一 個(gè)流變發(fā)展過(guò)程后產(chǎn)生的突變行為,具有明顯的前 兆,即工作面前方煤體處于高應(yīng)力狀態(tài),產(chǎn)生的紅外 輻射溫度較高,或處于逐漸增強(qiáng)的變形破裂過(guò)程中, 煤體紅外輻射溫度逐漸增高.紅外輻射溫度變化和煤

12、 巖的應(yīng)力變化狀態(tài)以及變形破壞有關(guān),應(yīng)力高和變形 破壞嚴(yán)重時(shí),沖擊危險(xiǎn)性就大,紅外輻射溫度就高,變 化幅度也大,因此通過(guò)定量分析紅外輻射溫度變化, 可以直觀地判斷煤體的受力和破壞的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程, 來(lái)預(yù)測(cè)沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn)的可能性. 4結(jié)束語(yǔ) (1)在鼓勵(lì)探尋新概念和提倡新思路的同時(shí),地 球科學(xué)正在比以往任何時(shí)候都注重積累改善了精度, 頻率和分辨率的數(shù)據(jù).研究地球物理場(chǎng)的特性,掌握 地球物理場(chǎng)的規(guī)律及監(jiān)測(cè)方法是將地球物理方法成功 用于采礦工程中的關(guān)鍵. (2)電磁輻射法預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害是完全可行 的,方法簡(jiǎn)單,省時(shí)省力,預(yù)測(cè)精度高,真正實(shí)現(xiàn)了非 接觸空間預(yù)測(cè). (3)由

13、于地應(yīng)力的增大和開(kāi)采擾動(dòng)的影響,深部 采區(qū)較淺部采區(qū)煤巖的動(dòng)力傾向性相對(duì)增大,發(fā)生沖 擊礦壓的幾率也相對(duì)增加,隨著我國(guó)開(kāi)采深度的逐年 加深,沖擊礦壓越來(lái)越突出,采用電磁輻射和聲發(fā)射 技術(shù)對(duì)沖擊礦壓的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面有顯著 的成效. (4)如果煤巖體紅外輻射溫度的變化規(guī)律是升溫 一 降溫一大幅度升溫一大幅度降溫,則預(yù)示著沖擊 地壓發(fā)生危險(xiǎn)的可能性. 4參戰(zhàn)晨甜技2011年第4期 橫河煤礦1:2000地形圖修測(cè)精度分析 戰(zhàn)軍祥,朱長(zhǎng)青,宗觀紅 (山東宏河集團(tuán)橫河煤礦,山東鄒城273514) 摘要該文對(duì)礦區(qū)地形圖測(cè)量的誤差來(lái)源,精度計(jì)算做了分析,提出了提高測(cè)繪精度

14、的措施. 關(guān)鍵詞地形匿平面精度高程精度 中國(guó)分類號(hào)TD172文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B 橫河煤礦1:2000比例尺地形圖是在建井初期進(jìn) 行施測(cè)繪制的,保持了原有的自然地形情況.隨著礦 井的開(kāi)發(fā)建設(shè),原有的地物地貌發(fā)生了很大的變化,已 不適應(yīng)礦井的生產(chǎn)建設(shè)需要,為滿足生產(chǎn)的需要,對(duì)井 田區(qū)域地形圖進(jìn)行了修測(cè). 由于礦區(qū)基本控制網(wǎng)已經(jīng)形成,不必重新建立控 制網(wǎng),原有控制點(diǎn)能滿足要求時(shí),直接在原控制點(diǎn)測(cè) 圖,控制點(diǎn)不能滿足要求時(shí),進(jìn)行圖根控制點(diǎn)的加密后 測(cè)量.碎部點(diǎn)的采集使用RTS632全站儀及手持式對(duì) 中桿.本文從理論上對(duì)測(cè)圖精度進(jìn)行簡(jiǎn)要分析. 1觀測(cè)值中誤差 1.1水平角觀測(cè)的誤差

15、 水平角觀測(cè)誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面: (1)儀器對(duì)中誤差(m中),目標(biāo)偏心誤差(rrl,目) m中:p”e,/a2+b2 . - 2cosa. (1)√ 2口6 m=P √(+)(2) 式中:心距: 口,6__夾角的兩邊長(zhǎng): a一水平角. p=206265 由兩公式可以看出,目標(biāo)對(duì)中誤差與水平角大小 無(wú)關(guān),影響它的主要因素是兩邊的長(zhǎng)度,邊長(zhǎng)越短,誤 差越大.而儀器對(duì)中誤差與水平角大小有關(guān).當(dāng)在 ,收稿日期:2010—10—19 作者簡(jiǎn)介:戰(zhàn)軍祥,男,大學(xué),工程師,現(xiàn)任山東宏河集團(tuán)橫河煤礦 礦長(zhǎng). 180.左右,以及兩邊長(zhǎng)度相差較大時(shí),對(duì)中誤差較大.

16、 實(shí)際上,光學(xué)對(duì)點(diǎn)器的誤差一般為3mm左右,手 持式對(duì)中桿誤差為10ram左右,若設(shè)測(cè)距長(zhǎng)度為s,也 可用下列近似計(jì)算公式: m=士0.O03p/s(3) /71+目=0.O01p/s(4) (2)觀測(cè)誤差(/7/,觀).觀測(cè)誤差由照準(zhǔn)誤差() 和讀數(shù)誤差(m.)組成. m:土(5)m土【 式中:一望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù),此處取=30, 則m,:4-2.0”. 由于采用液晶顯示的讀數(shù)系統(tǒng),照準(zhǔn)目標(biāo)后多次 重復(fù)顯示的讀數(shù)差一般不超過(guò)5,所以取m=5. 則m觀==佤 (3)夕卜界影響,n外. 外界條件的影響比較復(fù)雜,從理論上很難定量分 析.主要是由外界氣象條件的影響造成的.

17、選擇有利 的觀測(cè)時(shí)間,避開(kāi)不利的觀測(cè)條件可以減弱其影響. 一 般可取m林=-i-3. (4)儀器誤差/’/Z 由于儀器在制造和檢校過(guò)程中,不可能完全滿足 理論上的要求,不可避免的存在殘余誤差.采用合理 的觀測(cè)方法,認(rèn)真操作,嚴(yán)格置平,盡量保持兩目標(biāo)同 距等高,可以減弱其影響.根據(jù)有關(guān)資料介紹可取m儀 :3o 綜上所述,半測(cè)回方向中誤差 m=士 半測(cè)回測(cè)角中誤差/’/1.睪=m. 參考文獻(xiàn): [1]王恩元,何學(xué)秋,劉貞堂,等.受載巖石電磁輻射特性及其應(yīng)用研 究[J].200’2 [2]張艷霞,何暉.巖石聲發(fā)射的Ka/ser效應(yīng)研究進(jìn)展[-,].地下空 閫與工程.2007 [3】段偉.煤巖試樣變形破壞聲電效應(yīng)試驗(yàn)研究[_,].能源技術(shù)與管 理.2008 [4]董玉芬,杜洪貴,任偉杰,林毅明.遼寧煤巖的紅外信息隨應(yīng)力 變化的實(shí)驗(yàn)研究[.,].遼寧工程技術(shù)大學(xué)(自然科學(xué)版)2ool [5]郭文奇,張擁軍,安里千,等.紅外輻射測(cè)預(yù)測(cè)煤礦沖擊地壓的試 驗(yàn)研究[朋.北京煤炭科學(xué)技術(shù).2007 [6]A1B1Dat~D1$ornette.地球物理學(xué)中物理學(xué)應(yīng)用的可喜進(jìn)展.世 界地震i~JA.2006