煤礦特殊開(kāi)采方法

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1、煤礦特殊開(kāi)采方法的應(yīng)用摘要隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦業(yè)開(kāi)采技術(shù)也在發(fā)生著巨大的變化，使我們的開(kāi)采量達(dá)到了前所未有的程度。本文就論述幾種現(xiàn)在用到的開(kāi)采技術(shù)。關(guān)鍵詞煤礦開(kāi)采特殊方法1.物探方法在煤礦采空區(qū)的應(yīng)用1.1煤礦采空區(qū)地球物理特征由于歷史多種原因,我國(guó)目前已形成的煤礦采空區(qū)或小煤窯大多集中在50~200m,煤層采厚為1~4m。地下煤層被開(kāi)采厚,在地下形成了空洞,破壞了原本平衡的地下應(yīng)力系統(tǒng),產(chǎn)生局部應(yīng)力集中,覆巖在應(yīng)力的作用下發(fā)生了變形、斷裂、位移和冒落等,并重新達(dá)到了應(yīng)力平衡,在采空區(qū)上形成了“三帶”,增刊李曉斌:物探方法在煤礦采空區(qū)的應(yīng)用跨落帶:煤層踩空上部巖層出

2、現(xiàn)塌落。斷裂帶:塌落帶上方巖體因彎曲變形過(guò)大,在采空區(qū)上方產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,兩側(cè)受到剪應(yīng)力,因而巖體出現(xiàn)大量裂隙,巖石的整體性受到破壞。彎曲帶:斷裂帶以上到地面,在自重應(yīng)力的作用下產(chǎn)生彎曲變形,而不再破裂。如果采空區(qū)較深,煤層較薄,且上覆巖堅(jiān)硬,則垮塌的可能性較小,即使垮塌下身,對(duì)地面的影響也較小;反之,則對(duì)地面的影響較大,尤其是當(dāng)采空區(qū)尚未充填密實(shí),如果建造高層建筑將誘發(fā)地基繼續(xù)深陷。冒落帶由于塌陷作用,使其物性發(fā)生變化,增大了目標(biāo)體的規(guī)模,有助于采空區(qū)探測(cè)。其發(fā)育高度與上覆巖及采厚有很大的關(guān)系,對(duì)于中硬性上覆巖的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:Hli=100∑M57±6·3(中硬)

3、(1)式中,Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度(m);∑M為煤層累計(jì)開(kāi)采厚度;±6·3為計(jì)算中誤差,與巖性有關(guān)。1.2　采空區(qū)地球物理探測(cè)方法一般而言,利用地球物理探測(cè)技術(shù)探測(cè)煤礦采空區(qū),除了埋深外,采空區(qū)的探測(cè)在很大程度上依賴(lài)其上覆巖的破壞程度,應(yīng)綜合考慮其復(fù)雜性與多變性。①采空區(qū)上方裂隙帶發(fā)育的范圍與采空區(qū)面積有關(guān)。對(duì)正在進(jìn)行開(kāi)采的采空區(qū),冒落帶、裂中國(guó)礦業(yè)第20卷隙帶不發(fā)育,其電阻率表現(xiàn)為高阻特性,波速表現(xiàn)為低速;當(dāng)采深比較大時(shí),用地球物理方法探測(cè)具有一定的困難。②開(kāi)采后廢棄的采空區(qū),其上覆巖已發(fā)生了充分的形變,并達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài),冒落帶、裂隙帶均已發(fā)育成熟。當(dāng)采空區(qū)充水

4、時(shí),表現(xiàn)為低阻特性;當(dāng)采空區(qū)不充水時(shí),表現(xiàn)為高阻特征。③采空區(qū)的物理特性隨時(shí)間變化的,最終在平衡后趨于穩(wěn)定。在采空區(qū)冒落帶、裂隙帶穩(wěn)定前,其電阻率隨穩(wěn)定程度而變化。這變化受多種因素的影響,如冒落帶及裂隙帶范圍、圍巖巖性、充填性及含水程度等。因而,在探測(cè)時(shí),應(yīng)充分考慮其復(fù)雜性及多變性。對(duì)于剛剛形成的采空區(qū),冒落帶、裂隙帶等不發(fā)育,其電阻率一般為高阻特性,地震波速具有明顯的波阻抗特性。對(duì)于煤層開(kāi)采較深、水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的采空區(qū),其地球物理方法探測(cè)具有一定的困難。隨著時(shí)間變化,當(dāng)應(yīng)力趨于新的平衡穩(wěn)定,采空區(qū)的地球物理特性將發(fā)生變化,如冒落帶、裂隙帶等均已發(fā)育成熟,甚至采空

5、區(qū)中充水等。這些復(fù)雜性和多變性在選用地球物理方法時(shí)要充分考慮。1.2.1　地震探測(cè)方法在煤礦采空區(qū)探測(cè)中應(yīng)用較多的是地震探測(cè)方法,具有勘探精度較高、效果好的特點(diǎn),但是成本相對(duì)較高。淺層折射法在覆蓋層探測(cè)中具有技術(shù)優(yōu)勢(shì),由于煤礦被采空,在地震反射記錄上,形成煤層反射波的地球物理前提已不存在,因此煤層反射波的缺失是解釋采空區(qū)的依據(jù)之一。另外,煤礦采空區(qū)使其在地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)物性與周?chē)缳|(zhì)差異很大的不均體。因此在煤層采空區(qū),即使在地震記錄上接收不到反射波,但仍能接收到該不均勻體(煤層采空區(qū))的背向散射波。因此散射波也是解釋采空區(qū)的另一特征。另外,煤層被采空后,在其上方及

6、周?chē)纬闪嗣奥鋷?、裂隙發(fā)育帶及受其影響產(chǎn)生的地表變形帶。由于煤層采空區(qū)的存在,改變了地層的速度結(jié)構(gòu)眾所周知,橫波速度(Vs)是反映土體力變性質(zhì)的指標(biāo)。天然源面波勘探是研究地下介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)的有效方法,煤層采空區(qū)的存在將會(huì)在面波頻散曲線上形成較大的“之”字型回折,而正常地層的頻散曲線則較平滑。是未被采空地段的頻散曲線,可見(jiàn)煤層未被采空區(qū)的頻散曲線較光滑。圖3(b)煤層是被采空后的頻散曲線,在埋深130m處有一較大的“之”字型特征。天然源面波勘探(即微動(dòng)勘查)是一種物探新技術(shù),眾所周知,我們生活的地球無(wú)時(shí)無(wú)刻不在震動(dòng),只不過(guò)這種震動(dòng)太微弱,我們感知不到,這種震動(dòng)來(lái)自?xún)蓚€(gè)方

7、面:一是氣壓、海浪、潮汐產(chǎn)生的低頻震動(dòng);二是各種人文活動(dòng)也產(chǎn)生較高頻率的震動(dòng)。經(jīng)研究得知,微動(dòng)是一種平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程,且面波占整個(gè)能量的70%以上,而面波又不同于體波具有頻散現(xiàn)象。利用這一特征采用觀測(cè)到微動(dòng)的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可得到頻散曲線,并用此來(lái)解釋地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。一般而言,為了調(diào)查采空區(qū)對(duì)近地表土體的影響程度,選擇多道瞬態(tài)面波勘探。1.2.2　電法探測(cè)方法電阻率法通過(guò)測(cè)量流過(guò)埋置在地表的電極間的電流所引起的電壓的空間變化,來(lái)直接測(cè)量大地的總電阻。該類(lèi)方法對(duì)孔隙流體化學(xué)含量的變化敏感,但不提供大地力學(xué)性質(zhì)的直接信息,通常無(wú)法達(dá)到地震反射法所能