【word】 地球物理學(xué)在采礦工程中的應(yīng)用

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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

2、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:20101130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

3、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

4、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)14n,(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)

5、井下導(dǎo)線時(shí),一般每隔1.52.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

6、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),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

7、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

8、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,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

9、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

10、越來(lái)越大,處于裂隙發(fā)育煤體強(qiáng)化階段至裂隙發(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巖的應(yīng)力變化狀

11、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

12、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,

13、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6m=P(+)(2)式中:心距:口,6_

14、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:20101019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.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

15、: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.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.20022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.20073】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.20084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)2ool5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).20076A1B1DatD1$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iJA.2006