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1、地球物理学在采矿工程中的应用2东撼晨斜技2011年第4期地球物理学在采矿工程中的应用白向根,郭现伟(兖矿集团济宁三号煤矿,山东济宁272069)摘要地球物理学作为一门基础科学,在众多领域得到了成功的应用.该文以地球物理学的基本理论为指导,根据地球物理场的特点,阐述了地球物理学在采矿工程中的应用,包括应用地球物理方法解决矿山开采引起的地质问题,对于矿井建设及科学采矿均具有重要意义.关键词地球物理学电磁辐射声发射红外辐射采矿工程中图分类号TD326文献标识码A目前我国煤炭产量增长较快,煤炭开采过程中遇到的问题越来越多,尤其是东部矿井开采深度加大,开采引起的地质问题也更加明显,许多问题急需解决.1煤
2、岩变形破坏的电磁辐射及应用1.1受载岩石电磁辐射特性砂岩,泥岩和混凝土在压缩和拉伸条件下变形破裂时均有电磁辐射信号产生.随着应力升高,电磁辐射信号基本上呈增强趋势.但有时在初始加载阶段,电磁辐射强度较高,这是由于加载方向与原始主应力方向不一致,岩石试样产生收缩变形,并伴随微破裂所致.电磁辐射主要有2种形式,即表面电荷(静电场)和脉冲电磁场.当载荷较低或变形较为缓慢时,静电?收稿日期:20101130作者简介:白向根(1971一),男,任兖矿集团济宁三号煤矿掘进二区区长,多年从事矿井掘进区队管理工作.场占优势.电磁辐射信号是阵发性的脉冲信号,而不是连续的,这说明岩体的变形及破裂不是连续性的,而是
3、阵发性的,变形及破裂需要一个能量的积累过程,在能量的积累过程中不产生电磁辐射或电磁辐射很弱.在应力峰值之后,应力越来越低,电磁辐射也呈减弱趋势.1.2煤岩电磁辐射在煤与瓦斯突出预测中的应用应用电磁辐射监测仪监测到的工作面煤岩电磁辐射信号(强度E和脉冲数N)是煤岩体变形破坏程度和强度的综合反映;煤岩所受应力作用越大,变形破坏过程越强烈,产生的电磁辐射信号越强.当煤岩体无法承受地应力(包括采动应力,构造应力等),瓦斯压力等综合作用,且卸压区的煤岩体又不足以抵制动力现象时,煤岩动力灾害即将发生.煤岩动力灾害现象是经历一个发展过程后产生的突变行为,因此,在突变发生前必然有明显的前兆现象,即煤岩体处于高
4、度集中的应力状态,电磁辐射信号较强,且一段时间内F式:(一)14n,(7级导线,测站数为n)本文案例l中,每一测站中两遍测角误差一卢1已经违背了偶然误差的基本性质,虽然符合界限性的特征,两遍差值符合限差,但是呈现出一定的规律,已经演变为一种系统误差:(/32一91)一180”-4-14./n-(63”)因此,经常对测量资料进行总结分析是非常必要,往往能够发现事态发展的潜在规律,并及时调整,避免事态进一步恶化.(2)利用贯通测量的优越性,充分利用贯通联测的分析成果.根据贯通联测情况进行精度评定,能够总结出施工导线资料是否符合标准,对迎头的施工测量有指导意义.(3)煤矿测量规程>规定,在布设
5、井下导线时,一般每隔1.52.Okra应加测陀螺边,以加强井下导线方向控制.鉴于沿空掘进过程中测量工作的特殊性,可以适当调整,当沿空导线总长度约1000kin时及时加测陀螺定向边,检查现场导线精度,防止问题发现太晚,偏差太大,造成无法挽回的损失.(4)加强与采掘单位的配合.沿空施工过程中与采掘保持好联系,可以经常与施工单位协调好,要求定期钻探,一方面可以了解现场煤柱情况,对测量工作是一种校核,另一方面对一些碎部工程情况不明的采空区,也能尽早发现问题,防患于未然.(5)建立健全碎部测量排查制度,优化管理模式.坚持责任落实到个人,让每一个测量人员都认识到其重要性,防止遗漏和测量错误.每年组织一次有
6、针对性的井下碎部工程大排查活动,以适应井下复杂多变的情况.拟订下发关于加强碎部工程技术管理有关规定相关文件,要求其他单位协助做好碎部工程管理工作,由个别单位重视转变为全矿上下都重视.4小结上述方案已成功运用于济宁三号煤矿123上05胶顺沿123上04采空区掘进,163下05胶顺沿163下04采空区掘进,53下07辅顺沿53下06采空区掘进,方案可行,正确指导了现场安全施工.2011年第4期东撼爰甜技3煤岩体变形破坏速度逐渐加剧,煤岩电磁辐射信号呈现逐渐增强趋势,煤岩电磁辐射信号充分反映了煤岩灾害发生的危险程度.2声发射技术2.1声发射技术材料受到外载荷作用时,由于内部结构的不均匀及各种缺陷的存
7、在造成应力集中,从而使局部应力分布不稳定.当这种不稳定的应力分布状态所积蓄的应变能力达到一定程度时,将发生应力的重新分布,从而达到新的稳定状态.在这一过程中往往伴随有范性流变,微观龟裂,错位的发生与堆积以致裂纹的产生与发展.这实际上就是应变能的释放过程.这种被释放的应变能,一部分是以应力波的形式发射出去,由于最先注意到的应力波发射现象是人耳可听领域内的声波,所以就称它为声发射口.声发射(AcousticEmission,简称AE)就是材料在外载荷或内力作用下以弹性波的形式释放应变能的现象.2.2冲击矿压检测原理由于地应力的增大和开采扰动的影响,深部采区较浅部采区煤岩的动力倾向性相对增大,发生冲
8、击矿压的几率也相对增加.随着我国开采深度的逐年加深,冲击矿压越来越突出.声发射相对强弱指标以事件率和能率的变化率为基础,并考虑了岩体声发射参数的时间序列,有效地消除了测点布置,地质构造等因素对声发射信号的影响,采用声发射技术对冲击矿压的危险性评价及预测预报方面有显着的成效.综合考虑岩体声发射事件率,能率及其相对强弱指标等参数,进行岩体稳定性趋势分析,可以更准确地预测采场围岩的稳定状态,有利于矿压监测与预报,对井下实现安全生产特别重要.3红外监测3.1煤岩变形破坏的红外变化岩石在压剪破裂过程中,其发射率基本不变,红外辐射变化实际上是由表面物理温度的变化引起的】.温度来源为热一力耦合效应.岩石加载
9、过程中存在两种热效应一热弹效应和摩擦热效应.热弹效应贯穿整个加载过程,而摩擦热效应仅出现在岩石出现微破裂的塑性阶段.两种热效应的共同作用使得岩石表面的辐射温度场复杂多样化.3.2红外辐射探测预测)中击地压的原理在采掘面前方,依次存在着松弛区(即卸压带)A,应力集中区B和原始应力区C,如图1所示.采掘空间形成后,煤体前方的这3个区域始终存在,并随着工作面的推进而前移.在A区,煤体已发生屈服,在煤体内部形成了大量的裂隙,煤体已大量破坏,其内部附存的能大部分得到释放,已不能承受太大的应长D工作面走向距离图1工作面应力状态分布示意图力作用.因此,该区域的应力较低.由A区到B区,应力越来越高,煤体变形量
10、越来越大,处于裂隙发育煤体强化阶段至裂隙发育阶段,因此在煤体内产生的红外辐射信号也会有相应的变化特征.在应力集中区,在应力达到最大值的过程中,煤体的变形破裂过程也越来越强烈,红外辐射信号变化最强.越过峰值后进入c区,红外辐射信号将有所变化,整体出现下降趋势.采用非接触红外辐射探测法测定的是煤岩总体红外辐射强度的变化,监测的是应力松弛区和应力集中区的变化过程.冲击地压是地应力和煤体共同作用的结果,经过一个流变发展过程后产生的突变行为,具有明显的前兆,即工作面前方煤体处于高应力状态,产生的红外辐射温度较高,或处于逐渐增强的变形破裂过程中,煤体红外辐射温度逐渐增高.红外辐射温度变化和煤岩的应力变化状
11、态以及变形破坏有关,应力高和变形破坏严重时,冲击危险性就大,红外辐射温度就高,变化幅度也大,因此通过定量分析红外辐射温度变化,可以直观地判断煤体的受力和破坏的动态变化过程,来预测冲击地压发生危险的可能性.4结束语(1)在鼓励探寻新概念和提倡新思路的同时,地球科学正在比以往任何时候都注重积累改善了精度,频率和分辨率的数据.研究地球物理场的特性,掌握地球物理场的规律及监测方法是将地球物理方法成功用于采矿工程中的关键.(2)电磁辐射法预测煤岩动力灾害是完全可行的,方法简单,省时省力,预测精度高,真正实现了非接触空间预测.(3)由于地应力的增大和开采扰动的影响,深部采区较浅部采区煤岩的动力倾向性相对增
12、大,发生冲击矿压的几率也相对增加,随着我国开采深度的逐年加深,冲击矿压越来越突出,采用电磁辐射和声发射技术对冲击矿压的危险性评价及预测预报方面有显着的成效.(4)如果煤岩体红外辐射温度的变化规律是升温一降温一大幅度升温一大幅度降温,则预示着冲击地压发生危险的可能性.4参战晨甜技2011年第4期横河煤矿1:2000地形图修测精度分析战军祥,朱长青,宗观红(山东宏河集团横河煤矿,山东邹城273514)摘要该文对矿区地形图测量的误差来源,精度计算做了分析,提出了提高测绘精度的措施.关键词地形匿平面精度高程精度中国分类号TD172文献标识码B横河煤矿1:2000比例尺地形图是在建井初期进行施测绘制的,
13、保持了原有的自然地形情况.随着矿井的开发建设,原有的地物地貌发生了很大的变化,已不适应矿井的生产建设需要,为满足生产的需要,对井田区域地形图进行了修测.由于矿区基本控制网已经形成,不必重新建立控制网,原有控制点能满足要求时,直接在原控制点测图,控制点不能满足要求时,进行图根控制点的加密后测量.碎部点的采集使用RTS632全站仪及手持式对中杆.本文从理论上对测图精度进行简要分析.1观测值中误差1.1水平角观测的误差水平角观测误差主要来源于以下几个方面:(1)仪器对中误差(m中),目标偏心误差(rrl,目)m中:p”e,/a2+b2.-2cosa.(1)2口6m=P(+)(2)式中:心距:口,6_
14、夹角的两边长:a一水平角.p=206265由两公式可以看出,目标对中误差与水平角大小无关,影响它的主要因素是两边的长度,边长越短,误差越大.而仪器对中误差与水平角大小有关.当在,收稿日期:20101019作者简介:战军祥,男,大学,工程师,现任山东宏河集团横河煤矿矿长.180.左右,以及两边长度相差较大时,对中误差较大.实际上,光学对点器的误差一般为3mm左右,手持式对中杆误差为10ram左右,若设测距长度为s,也可用下列近似计算公式:m=士0.O03p/s(3)/71+目=0.O01p/s(4)(2)观测误差(/7/,观).观测误差由照准误差()和读数误差(m.)组成.m:土(5)m土【式中
15、:一望远镜放大倍数,此处取=30,则m,:4-2.0”.由于采用液晶显示的读数系统,照准目标后多次重复显示的读数差一般不超过5,所以取m=5.则m观=佤(3)夕卜界影响,n外.外界条件的影响比较复杂,从理论上很难定量分析.主要是由外界气象条件的影响造成的.选择有利的观测时间,避开不利的观测条件可以减弱其影响.一般可取m林=-i-3.(4)仪器误差/Z由于仪器在制造和检校过程中,不可能完全满足理论上的要求,不可避免的存在残余误差.采用合理的观测方法,认真操作,严格置平,尽量保持两目标同距等高,可以减弱其影响.根据有关资料介绍可取m仪:3o综上所述,半测回方向中误差m=士半测回测角中误差/1.睾=m.参考文献:1王恩元,何学秋,刘贞堂,等.受载岩石电磁辐射特性及其应用研究J.20022张艳霞,何晖.岩石声发射的Ka/ser效应研究进展-,.地下空阃与工程.20073】段伟.煤岩试样变形破坏声电效应试验研究_,.能源技术与管理.20084董玉芬,杜洪贵,任伟杰,林毅明.辽宁煤岩的红外信息随应力变化的实验研究.,.辽宁工程技术大学(自然科学版)2ool5郭文奇,张拥军,安里千,等.红外辐射测预测煤矿冲击地压的试验研究朋.北京煤炭科学技术.20076A1B1DatD1$ornette.地球物理学中物理学应用的可喜进展.世界地震iJA.2006