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1、地球物理學在采礦工程中的應(yīng)用 2東撼晨斜技2011年第4期 地球物理學在采礦工程中的應(yīng)用 白向根,郭現(xiàn)偉 (兗礦集團濟寧三號煤礦,山東濟寧272069) 摘要地球物理學作為一門基礎(chǔ)科學,在眾多領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用.該文以地球物理學的基本理論為指導,根據(jù)地球物理場的特點,闡 述了地球物理學在采礦工程中的應(yīng)用,包括應(yīng)用地球物理方法解決礦山開采引起的地質(zhì)問題,對于礦井建設(shè)及科學采礦均具有重要意義. 關(guān)鍵詞地球物理學電磁輻射聲發(fā)射紅外輻射采礦工程 中圖分類號TD326文獻標識碼A 目前我國煤炭產(chǎn)量增長較快,煤炭開采過程中遇 到的問題越來越多,尤其是東部礦井開采深度加大,開 采

2、引起的地質(zhì)問題也更加明顯,許多問題急需解決. 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 裂時均有電磁輻射信號產(chǎn)生.隨著應(yīng)力升高,電磁輻 射信號基本上呈增強趨勢.但有時在初始加載階段, 電磁輻射強度較高,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) 和脈沖電磁場.當載荷較低或變形較為緩慢時,靜電 ?收稿日期:2010—11—30 作者簡介:白向根(1971一),男,任兗礦集團濟寧三號煤礦掘進二 區(qū)區(qū)長,多年從事礦井掘進區(qū)隊管理工

3、作. 場占優(yōu)勢.電磁輻射信號是陣發(fā)性的脈沖信號,而不 是連續(xù)的,這說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能量的積累過程,在 能量的積累過程中不產(chǎn)生電磁輻射或電磁輻射很弱. 在應(yīng)力峰值之后,應(yīng)力越來越低,電磁輻射也呈減弱趨 勢. 1.2煤巖電磁輻射在煤與瓦斯突出預測中的應(yīng)用 應(yīng)用電磁輻射監(jiān)測儀監(jiān)測到的工作面煤巖電磁輻 射信號(強度E和脈沖數(shù)N)是煤巖體變形破壞程度和 強度的綜合反映;煤巖所受應(yīng)力作用越大,變形破壞 過程越強烈,產(chǎn)生的電磁輻射信號越強.當煤巖體無 法承受地應(yīng)力(包括采動應(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、又不足以抵制動力 現(xiàn)象時,煤巖動力災(zāi)害即將發(fā)生.煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象 是經(jīng)歷一個發(fā)展過程后產(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),電磁輻射信號較強,且一段時間內(nèi) F式: ∑(一)≤14√n,(7級導線,測站數(shù)為n) 本文案例l中,每一測站中兩遍測角誤差一盧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)常對測量資料進行總結(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、時調(diào)整,避免 事態(tài)進一步惡化. (2)利用貫通測量的優(yōu)越性,充分利用貫通聯(lián)測 的分析成果. 根據(jù)貫通聯(lián)測情況進行精度評定,能夠總結(jié)出施 工導線資料是否符合標準,對迎頭的施工測量有指導 意義. (3)《煤礦測量規(guī)程>規(guī)定,在布設(shè)井下導線時,一 般每隔1.5～2.Okra應(yīng)加測陀螺邊,以加強井下導線方 向控制.鑒于沿空掘進過程中測量工作的特殊性,可 以適當調(diào)整,當沿空導線總長度約1000kin時及時加測 陀螺定向邊,檢查現(xiàn)場導線精度,防止問題發(fā)現(xiàn)太晚, 偏差太大,造成無法挽回的損失. (4)加強與采掘單位的配合.沿空施工過程中與 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)場煤柱情況,對測量工作是 一 種校核,另一方面對一些碎部工程情況不明的采空 區(qū),也能盡早發(fā)現(xiàn)問題,防患于未然. (5)建立健全碎部測量排查制度,優(yōu)化管理模式. 堅持責任落實到個人,讓每一個測量人員都認識 到其重要性,防止遺漏和測量錯誤.每年組織一次有 針對性的井下碎部工程大排查活動,以適應(yīng)井下復雜 多變的情況. 擬訂下發(fā)《關(guān)于加強碎部工程技術(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) 上述方案已成功運用于濟寧三號煤礦123上05膠 順沿123上04采空區(qū)掘進

7、,163下05膠順沿163下04采 空區(qū)掘進,53下07輔順沿53下06采空區(qū)掘進,方案可 行,正確指導了現(xiàn)場安全施工. 2011年第4期東撼爰甜技3 煤巖體變形破壞速度逐漸加劇,煤巖電磁輻射信號呈 現(xiàn)逐漸增強趨勢,煤巖電磁輻射信號充分反映了煤巖 災(zāi)害發(fā)生的危險程度. 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,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) 變能力達到一定程度時,將發(fā)生應(yīng)力的重新分布,從而 達到新的穩(wěn)定狀態(tài).在這一過程中往往伴隨有范性流 變,微觀龜裂,錯位的發(fā)生與堆積以

8、致裂紋的產(chǎn)生與發(fā) 展.這實際上就是應(yīng)變能的釋放過程.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沖擊礦壓檢測原理 由于地應(yīng)力的增大和開采擾動的影響,深部采區(qū) 較淺部采區(qū)煤巖的動力傾向性相對增大,發(fā)生沖擊礦 壓的幾率也相對增加.隨著我國開采深度的逐年加 深,沖擊礦壓越來越突出.聲發(fā)射相對強弱指標以事 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)的時間序列

9、,有效地消除了測點布置,地質(zhì)構(gòu)造等 因素對聲發(fā)射信號的影響,采用聲發(fā)射技術(shù)對沖擊礦 壓的危險性評價及預測預報方面有顯著的成效. 綜合考慮巖體聲發(fā)射事件率,能率及其相對強弱 指標等參數(shù),進行巖體穩(wěn)定性趨勢分析,可以更準確 地預測采場圍巖的穩(wěn)定狀態(tài),有利于礦壓監(jiān)測與預報, 對井下實現(xiàn)安全生產(chǎn)特別重要. 3紅外監(jiān)測 3.1煤巖變形破壞的紅外變化 巖石在壓剪破裂過程中,其發(fā)射率基本不變,紅外 輻射變化實際上是由表面物理溫度的變化引起的】. 溫度來源為熱一力耦合效應(yīng).巖石加載過程中存在 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 整個加載過程,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 的輻射溫度場復雜多樣化. 3.2紅外輻射探測預測)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個區(qū)域始終存在,并隨 著工作面的推進而前移.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 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)力越來越高,煤體變形量越來越大,處于裂隙發(fā)育 煤體強化階段至裂隙

11、發(fā)育階段,因此在煤體內(nèi)產(chǎn)生的 紅外輻射信號也會有相應(yīng)的變化特征.在應(yīng)力集中 區(qū),在應(yīng)力達到最大值的過程中,煤體的變形破裂過 程也越來越強烈,紅外輻射信號變化最強.越過峰值 后進入c區(qū),紅外輻射信號將有所變化,整體出現(xiàn)下 降趨勢.采用非接觸紅外輻射探測法測定的是煤巖總 體紅外輻射強度的變化,監(jiān)測的是應(yīng)力松弛區(qū)和應(yīng)力 集中區(qū)的變化過程. 沖擊地壓是地應(yīng)力和煤體共同作用的結(jié)果,經(jīng)過 一 個流變發(fā)展過程后產(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,或處于逐漸增強的變形破裂過程中, 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 破壞嚴重時,沖擊危險性就大,紅外輻射溫度就高,變 化幅度也大,因此通過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態(tài)變化過程, 來預測沖擊地壓發(fā)生危險的可能性. 4結(jié)束語 (1)在鼓勵探尋新概念和提倡新思路的同時,地 球科學正在比以往任何時候都注重積累改善了精度, 頻率和分辨率的數(shù)據(jù).研究地球物理場的特性,掌握 地球物理場的規(guī)律及監(jiān)測方法是將地球物理方法成功 用于采礦工程中的關(guān)鍵. (2)電磁輻射法預測煤巖動力災(zāi)害是完全可行 的,方法簡單,省時省力,預測精度高,真正實現(xiàn)了非 接觸空間預測. (3)由

13、于地應(yīng)力的增大和開采擾動的影響,深部 采區(qū)較淺部采區(qū)煤巖的動力傾向性相對增大,發(fā)生沖 擊礦壓的幾率也相對增加,隨著我國開采深度的逐年 加深,沖擊礦壓越來越突出,采用電磁輻射和聲發(fā)射 技術(shù)對沖擊礦壓的危險性評價及預測預報方面有顯著 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,則預示著沖擊 地壓發(fā)生危險的可能性. 4參戰(zhàn)晨甜技2011年第4期 橫河煤礦1:2000地形圖修測精度分析 戰(zhàn)軍祥,朱長青,宗觀紅 (山東宏河集團橫河煤礦,山東鄒城273514) 摘要該文對礦區(qū)地形圖測量的誤差來源,精度計算做了分析,提出了提高測繪精度

14、的措施. 關(guān)鍵詞地形匿平面精度高程精度 中國分類號TD172文獻標識碼B 橫河煤礦1:2000比例尺地形圖是在建井初期進 行施測繪制的,保持了原有的自然地形情況.隨著礦 井的開發(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,對井 田區(qū)域地形圖進行了修測. 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),原有控制點能滿足要求時,直接在原控制點測 圖,控制點不能滿足要求時,進行圖根控制點的加密后 測量.碎部點的采集使用RTS632全站儀及手持式對 中桿.本文從理論上對測圖精度進行簡要分析. 1觀測值中誤差 1.1水平角觀測的誤差

15、 水平角觀測誤差主要來源于以下幾個方面: (1)儀器對中誤差(m中),目標偏心誤差(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: a一水平角. p=206265 由兩公式可以看出,目標對中誤差與水平角大小 無關(guān),影響它的主要因素是兩邊的長度,邊長越短,誤 差越大.而儀器對中誤差與水平角大小有關(guān).當在 ,收稿日期:2010—10—19 作者簡介:戰(zhàn)軍祥,男,大學,工程師,現(xiàn)任山東宏河集團橫河煤礦 礦長. 180.左右,以及兩邊長度相差較大時,對中誤差較大.

16、 實際上,光學對點器的誤差一般為3mm左右,手 持式對中桿誤差為10ram左右,若設(shè)測距長度為s,也 可用下列近似計算公式: m=士0.O03p/s(3) /71+目=0.O01p/s(4) (2)觀測誤差(/7/,觀).觀測誤差由照準誤差() 和讀數(shù)誤差(m.)組成. m:土(5)m土【 式中:一望遠鏡放大倍數(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),照準目標后多次 重復顯示的讀數(shù)差一般不超過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 的觀測時間,避開不利的觀測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 的觀測方法,認真操作,嚴格置平,盡量保持兩目標同 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,半測回方向中誤差 m=士 半測回測角中誤差/’/1.睪=m. 參考文獻: [1]王恩元,何學秋,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 變化的實驗研究[.,].遼寧工程技術(shù)大學(自然科學版)2ool [5]郭文奇,張擁軍,安里千,等.紅外輻射測預測煤礦沖擊地壓的試 驗研究[朋.北京煤炭科學技術(shù).2007 [6]A1B1Dat~D1$ornette.地球物理學中物理學應(yīng)用的可喜進展.世 界地震i~JA.2006