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矿井采煤工作面安全开采采动地应力监测系统简介 |
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摘要：该文从矿井采煤工作面安全开采采动地应力监测系统研制前的技术准备工作入手，介绍该设备的前身DYL-1型地应力探测仪在深部地应力探测的效果，SYT物性探测仪的探测精度和斜向远距离探测运输大巷的探测效果，说明了该设备研制的可行性和目前该设备的概况及相应研究成果。 |
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| 1. 前言 | |||||||||
| ....煤层在开采的过程中，由于煤层附近的地应力平衡系统遭到破坏，煤层中潜伏的隐患—瓦斯突放引起的爆炸、地下水的导通出现突水淹井，底鼓或冒顶给煤层开采、运输带来的不便，诸如此等矿井下面的地质灾害出现的事故，在最近一段时间内频繁发生。根据2000全国煤矿事故分类统计中，由于顶板事故造成的死亡人数达1534人，瓦斯爆炸事故造成的死亡人数达3311人，水害事故造成的死亡人数达218人。尽管水害的死亡人数较少，但造成的经济损失很大，如全国统配煤矿在“六五”“七五”10年间，共发生突水事故92起，直接经济损失14.2亿元以上,减少煤炭产量3000万吨以上。如何提前预测这些地质灾害的发生，在煤层开采的过程中，随时监测煤层附近前、后、左、右、上、下6种空间内的地层地应力平衡系统遭到破坏后的应力调整变化情况，结合矿山的地质情况，适时作出可能发生的地质灾害，可能是减少井下事故发生的一个有效途径。 ....河北廊坊龙港科技开发公司和煤炭科学研究总院西安分院应用上面的研究思路在最近几年煤矿事故不断发生这样背景下联合开发出“矿井采煤工作面安全开采采动地应力监测系统”。下面简单介绍一下该系统的工作原理。 |
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| 2. 矿井采煤工作面安全开采采动地应力监测系统研制前期的准备工作 | |||||||||
| ....利用天然电磁波场源研制的DTY型地电探测仪对煤矿地质问题、SYT物性探测仪在石油系统的探查效果在多种文献中均有报道（1-12），其中SYT物性探测仪的探测效果荣获原煤炭部科技成果三等奖（证书编号：99-3-17-01）。在上述研究的基础上，我们开发的DYL-1型地应力探测仪从1997年开始先后在安徽省淮南市地震局、深圳市民防办、西安市地震局立项研究大区域应力场在5公里、7公里、10公里三个深度界面附近应力变化等值线图，从该图中确定出地应力的高值区、深大断裂、褶皱和地热异常区。在项目验收时受到了专家们的好评，其中1997年12月底由安徽省地震局组织国家地震局有关专家对项目研究成果进行鉴定时，专家们一致认为，该项技术可以在工程、矿山、石油、地震危险性分析等方面有广泛的应用前景，在国内尚属首创。这样就为如何将深部（5-10公里）相对地应力测量转化为浅部（1000米范围内）相对地应力测量从原理上面作了可行性前期试验的第一步。图1就是2000年西安附近地应力探测的研究成果图之一。 | |||||||||
| .... |  .........................图1 西安附近地应力探测的研究成果 |
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....目前我们研制的SYT—4型物性探测仪在河北境内探测新生代的含水层时，仪器在地面上自动采集不同深度地层反射上来的电磁波，以电压值的形式通过一定的数理方程处理、数据分类判断，打印的电磁波拟合电阻率曲线竟然和测井的电阻率曲线基本吻合，电磁波拟合电阻率曲线对地下高阻的含水层显示也是曲线向右偏移，在深度上一般不超过5米的情况下，其吻合程度达到了80%以上，经过实验：目前该仪器在地面上的一个测点探测的一条电磁波拟合电阻率曲线基本上相当于在该点位打钻后电测井中的电阻率曲线，该仪器的详细资料可参考煤炭科学技术（18）。这样的探测结果，就保证了研制“矿井采煤工作面安全开采采动地应力监测系统”的探测精度。 |
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 ........图2 斜向探测地下700米深的运输大巷 |
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| 3. 地应力监测系统简介 | |||||||||
| 3.1 地应力监测系统工作原理 | |||||||||
| ....相对的应力测量是借助于实验室内的光弹试验。当把一个透明的试件在压力机上施加压力或拉力时，试件上就会出现不同的花纹，整个过程有如图3。这个实验告诉了人们这样一个简单的道理。就是当物体受力时，尽管物质的成分没有发生变化，但由于体形变导致其电阻率发生变化。由于电阻率的变化，从而导致对某一频率电磁波的反射率发生变化。 | |||||||||
 ...........图3 试验室内的光弹试验 |
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| ....上述试验条件有四个：一是要有一个稳定的光源－灯泡，二是有一个能反射光源发光的试件，三是有能使试件是否受力的压力机，四是有能接收从试件上反射回来的电磁波的感光器材-眼睛或照相机。 ....DYL型相对地应力探测仪工作原理与光弹实验具有相似性。有如下面的表 1。很显然相对地应力测量的电压值只能反映地下某一层位所受体应力大小对电磁波反射时的综合效应。 ....表1光弹实验过程与DYL型地应力探测技术工作原理对比图： |
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| ....地应力天然电磁波法勘探的理论计算公式是（1） | |||||||||
 其中  |
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式中: |
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| 3.2地应力监测系统组成、监测方式和相关研究成果 | |||||||||
 ......图4 是传感器方阵示意图 |
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 ..................................图5 监测系统设备照片 |
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| ....该监测系统主要分为四部分：传感器方阵；设备监测系统；软件处理系统；成果表达方式 图4是传感器方阵示意图，图5是设备监测系统照片。传感器方阵和设备监测系统放在矿山调度室内，调整传感器方阵的角度，使其探测的深度正好控制住采掘工作面的上方、下方、前方、后方、左方、右方。控制工作面前方、后方某一点位处的范围与工作面前方、后方某一点位处距离调度室的斜向距离有关，具体计算公式如下： |
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 .........................(1) |
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 ..................(2) |
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| ....其中：l 工作面前方某一点位处距离调度室的斜向距离；a 方阵球面半径；b 传感器中心之间的间距；α传感器方阵与地面的夹角；l0探测的深度根据公式（1）（2）可以计算出监测系统控制采掘工作面前方、后方某一点位处的平面范围。 依据公式（3）（4）可以计算工作面前方、后方某一点位处控制的深度范围： |
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 .........................(3) |
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 ...................(4) |
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 ................图6 监测系统在第四纪地层中中探测的地应力等值线图 |
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| ....监测系统探测120米需要110分钟，之后转入处理在微机大屏幕上显示出采掘工作面附近不同深度层位的地应力等值线图，值班人员根据不同深度层位的地应力等值线图的变化情况判断煤层可能发生的地质灾害来自那个部位。图6是监测第四纪地层层位地应力平衡系统没有受到破坏时的地应力等值线图，图7、8是煤层层位地应力平衡系统受到破坏前后的地应力等值线图。 | |||||||||
 .......图7 煤层压裂前地应力等值线图 |
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 .......图8 煤层压裂后地应力等值线图 |
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| 4.讨论 | |||||||||
| ....矿山安全开采采动地应力监测系统的研制不是申请国家、省部科研基金开发的新型物探仪器，因此没有经过耗资较大的工业性试验和专家评审，因此在矿山开采过程中能否发挥应有的作用，还有待于在多个煤矿中进行实践，在事故出现之前或之后的经验总结中，还需要矿山的工作人员在实际观测过程中不断摸索，不断修正相关的技术指标，才能逐渐消除因开采带来的地下地质灾害的隐患。很显然，这是一个漫长的过程。负责矿山安全开采的技术人员能够人尽其才，物探仪器在做到物尽其用的过程中能够不断地改进，这同样是一个相辅相成的发展过程。 | |||||||||
| 参考文献 (1) 瞬论及地震短临预报，王文祥，刘勇等，陕西人民出版社，1997年3月 (2) 瞬论及地震短临预报，王文祥，杨武洋，陕西人民出版社，2002年5月 (3) 浅析压裂前后不同储层的地应力状态，煤田地质与勘探，2000年 (4) 充水巷道探测与传统电磁波定义的质疑，王文祥，汤寒松，唐方头，煤炭学报，1998年第23卷第1期 (5) 塔里木盆地轮南奥陶系风化壳SYT法物性探测试验研究，王文祥，汤寒松，唐方头，杨武洋，地球物理学进展，1996年第13卷第3期 (6) 从小构造的探测浅析SYT法的探测精度，王文祥，唐方头，汤寒松，杨武洋，煤炭科学技术，1998年第10期 (7) 浅析被动源法中的数据处理，王文祥，中国地球物理学会年刊，1994年 (8) 浅析被动源法中?地电探测中的地层倾角校正，王文祥，汤寒松等，中国地球物理学会年刊，1996年 (9) 逆向运算方法在油气勘探中的应用，王文祥，中国地球物理学会年刊，1997年 (10) 浅析煤层、砂岩层压裂前后的地应力状态，王文祥，杨武洋，唐方头，煤田地质与勘探2001年第一期P30 |
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MDCB科研开发组 2001-2008 |