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1、煤矿特殊开采方法的应用摘要随着技术的不断发展，煤矿业开采技术也在发生着巨大的变化，使我们的开采量达到了前所未有的程度。本文就论述几种现在用到的开采技术。关键词煤矿开采特殊方法1.物探方法在煤矿采空区的应用1.1煤矿采空区地球物理特征由于历史多种原因,我国目前已形成的煤矿采空区或小煤窑大多集中在50~200m,煤层采厚为1~4m。地下煤层被开采厚,在地下形成了空洞,破坏了原本平衡的地下应力系统,产生局部应力集中,覆岩在应力的作用下发生了变形、断裂、位移和冒落等,并重新达到了应力平衡,在采空区上形成了“三带”,增刊李晓斌:物探方法在煤矿采空区的应用跨落带:煤层踩空上部岩层出
2、现塌落。断裂带:塌落带上方岩体因弯曲变形过大,在采空区上方产生较大的拉应力,两侧受到剪应力,因而岩体出现大量裂隙,岩石的整体性受到破坏。弯曲带:断裂带以上到地面,在自重应力的作用下产生弯曲变形,而不再破裂。如果采空区较深,煤层较薄,且上覆岩坚硬,则垮塌的可能性较小,即使垮塌下身,对地面的影响也较小;反之,则对地面的影响较大,尤其是当采空区尚未充填密实,如果建造高层建筑将诱发地基继续深陷。冒落带由于塌陷作用,使其物性发生变化,增大了目标体的规模,有助于采空区探测。其发育高度与上覆岩及采厚有很大的关系,对于中硬性上覆岩的经验计算公式为:Hli=100∑M57±6·3(中硬)
3、(1)式中,Hli为导水裂缝带高度(m);∑M为煤层累计开采厚度;±6·3为计算中误差,与岩性有关。1.2 采空区地球物理探测方法一般而言,利用地球物理探测技术探测煤矿采空区,除了埋深外,采空区的探测在很大程度上依赖其上覆岩的破坏程度,应综合考虑其复杂性与多变性。①采空区上方裂隙带发育的范围与采空区面积有关。对正在进行开采的采空区,冒落带、裂中国矿业第20卷隙带不发育,其电阻率表现为高阻特性,波速表现为低速;当采深比较大时,用地球物理方法探测具有一定的困难。②开采后废弃的采空区,其上覆岩已发生了充分的形变,并达到新的应力平衡状态,冒落带、裂隙带均已发育成熟。当采空区充水
4、时,表现为低阻特性;当采空区不充水时,表现为高阻特征。③采空区的物理特性随时间变化的,最终在平衡后趋于稳定。在采空区冒落带、裂隙带稳定前,其电阻率随稳定程度而变化。这变化受多种因素的影响,如冒落带及裂隙带范围、围岩岩性、充填性及含水程度等。因而,在探测时,应充分考虑其复杂性及多变性。对于刚刚形成的采空区,冒落带、裂隙带等不发育,其电阻率一般为高阻特性,地震波速具有明显的波阻抗特性。对于煤层开采较深、水文地质条件相对简单的采空区,其地球物理方法探测具有一定的困难。随着时间变化,当应力趋于新的平衡稳定,采空区的地球物理特性将发生变化,如冒落带、裂隙带等均已发育成熟,甚至采空
5、区中充水等。这些复杂性和多变性在选用地球物理方法时要充分考虑。1.2.1 地震探测方法在煤矿采空区探测中应用较多的是地震探测方法,具有勘探精度较高、效果好的特点,但是成本相对较高。浅层折射法在覆盖层探测中具有技术优势,由于煤矿被采空,在地震反射记录上,形成煤层反射波的地球物理前提已不存在,因此煤层反射波的缺失是解释采空区的依据之一。另外,煤矿采空区使其在地下地质结构中形成一个物性与周围界质差异很大的不均体。因此在煤层采空区,即使在地震记录上接收不到反射波,但仍能接收到该不均匀体(煤层采空区)的背向散射波。因此散射波也是解释采空区的另一特征。另外,煤层被采空后,在其上方及
6、周围形成了冒落带、裂隙发育带及受其影响产生的地表变形带。由于煤层采空区的存在,改变了地层的速度结构众所周知,横波速度(Vs)是反映土体力变性质的指标。天然源面波勘探是研究地下介质横波速度结构的有效方法,煤层采空区的存在将会在面波频散曲线上形成较大的“之”字型回折,而正常地层的频散曲线则较平滑。是未被采空地段的频散曲线,可见煤层未被采空区的频散曲线较光滑。图3(b)煤层是被采空后的频散曲线,在埋深130m处有一较大的“之”字型特征。天然源面波勘探(即微动勘查)是一种物探新技术,众所周知,我们生活的地球无时无刻不在震动,只不过这种震动太微弱,我们感知不到,这种震动来自两个方
7、面:一是气压、海浪、潮汐产生的低频震动;二是各种人文活动也产生较高频率的震动。经研究得知,微动是一种平稳的随机过程,且面波占整个能量的70%以上,而面波又不同于体波具有频散现象。利用这一特征采用观测到微动的数据经处理后可得到频散曲线,并用此来解释地下的地质结构。一般而言,为了调查采空区对近地表土体的影响程度,选择多道瞬态面波勘探。1.2.2 电法探测方法电阻率法通过测量流过埋置在地表的电极间的电流所引起的电压的空间变化,来直接测量大地的总电阻。该类方法对孔隙流体化学含量的变化敏感,但不提供大地力学性质的直接信息,通常无法达到地震反射法所能
