矿区监测范文（精选7篇）
矿区监测 第1篇
铁法矿区位于辽宁省北部的调兵山市境内，是辽宁省重要的煤炭生产基地。由于煤炭的开采，给调兵山市带来的一系列地面变形与沉陷等问题，这些问题对矿区及周围的环境产生了不良的影响，在一定程度上影响了矿区及调兵山市的环境和经济发展。为减免矿区地质环境灾害的发生，建立地面监测网及监测站;并通过全面地质灾害的监测，确定矿区现状地质灾害的形成条件、稳定状态和发展趋势;分析预测地质灾害变化规律及趋势;并提出合理可行的综合治理方案，为调兵山市城市规划和铁法矿区科学合理的开发煤炭资源提供科学依据。
1 铁法矿区研究概况
地下开采引起的岩层及地表移动是复杂的时空过程，由于岩体介质的复杂性和开采方法的多样性，复杂岩体及地表移动预测尚难以采用纯理论方法解决。铁法矿区经过近三十年的努力，各矿均建立了地表移动观测站，观测站总数达19个，这些观测站基本涵盖了铁法矿区各种地质采矿条件，为建立铁法矿区地表移动变形预测方法和预测参数体系提供了实测基础。
2 工作具体方案
2.1 地质灾害调查
a)查明铁法矿区地质灾害现状，完善地质灾害监测网络;b)通过对地表沉陷与变形情况的调查，分析并研究影响地表沉陷与变形的主要因素，为合理布置地表变形监测网点提供建议。
2.2 地质灾害监测与评价
a)通过对地表沉陷与变形监测，分析并研究影响地表沉陷与变形的主要因素;b)根据矿区地下采空区的分布现状与煤炭资源的开发与利用情况，进行地表变形监测;c)确定采空区地表移动与变形的影响范围，合理布设地质灾害观测线及监测点;d)探讨地表沉陷与变形的综合治理方法，预测今后地表沉陷与变形的发展演化趋势，为调兵山市城市规划提供参考依据。
3 实物工作量
a)采空区地质报告50部;b)收集利用钻孔1 200个;c)地质灾害调查面积146 Km2;监测网站10个;下沉曲线测量点5 110个;d)地质灾害观测线60条，完成监测点720个;调查照片50张。
4 铁法矿区地质环境背景
a)地理位置
铁法矿区位于辽宁省调兵山市，距沈阳市103 km，距铁岭市35 km，距法库县城15 km，距康平县城43.5 km。南北长约29.5 km，东西宽约17.4 km。矿区可开拓面积约150.86 Km2，区内所属有铁煤集团七对生产矿井。为大明矿、晓明矿、小青矿、晓南矿、大兴矿、大隆矿、小青矿。地理坐标为：东经：123°30′04″～123°43′00″;北纬：42°19′14″～42°34′11″。
b)地层
铁法矿区地层由下而上分别为太古界前震旦系(Anz)、中生界晚白垩世阜新组(k1)含煤岩系、早白垩世孙家湾组(K2)碎屑岩和新生界第四系(Q)松散层。其中：阜新组自下而上可分为四段：底部砂岩、砾岩段;下含煤段;中部砂、泥岩段和上含煤段。其中上含煤段含煤10层(由上而下编号1-10号煤层)，下含煤段含煤10层(由上而下编号为11-20号煤层)。
c)构造
铁法煤田在大地构造中的位置是：中朝准地台华北断坳下辽河断陷法库断凸。具体构造位置是大明安碑—大台向斜的西部，煤层总的构造形态与向斜总的方向一致，东翼岩层平缓，倾角小于10°。铁法矿区内构造以断裂为主，特别是西南部断层比较发育，并伴有宽缓的褶皱、水平或波状层理。火成岩活动，对煤层有一定的影响。褶皱不大发育，有北北东向和北西西向两组，褶皱构造控制煤层的展布和厚度变化，对生产无大影响。断裂多为高角度正断层，倾角多为60°～70°。
d)煤层
煤系地层主要为晚白垩系上部含煤组，共含煤20层，可采12层，可采煤层总厚度平均为35 m，最大厚度可达70 m。煤层赋存稳定，含煤性好，含煤系数为3.5%，煤层生产能力33.75 t/m2。
煤层倾角一般为4°～10°，属缓倾斜煤层。单层厚度稳定，层与层之间差别很大，但大多数中厚煤层厚度变化由东向西逐渐增厚，南北相差不大。煤层结构中等至复杂，对比清楚，煤层与顶底板多为过渡接触，少为明显接触和冲刷接触，顶底板一般较完整。
5 地质灾害类型与特征
5.1 地质灾害类型
通过对铁法煤田采煤沉陷区及受损村庄地质灾害调查，主要类型为地面沉陷与地面塌陷，次要类型为地面沉陷伴生的地裂缝。
5.2 地质灾害特征
a)地面沉陷：地面沉陷过程是渐变的，较为缓慢，造成的变化是地面高程的普遍的均匀的降低;从区域上来说，对地面的原始形态影响不大，主要是形成浅而大的平底盆地，进行简单的人工排水及修整，即可用作农耕用地或养鱼池。b)地表塌陷：在时间上突发或在短时期内发生，形成较明显的地形破坏和塌坑，深度较大、面积较小;大多数塌陷坑内有积水。
c)地裂缝：一是对应于开采边界的裂缝，发生在开采边界周围，位于采区边界周围的拉伸区，裂缝方向大致平行于开采边界，裂缝宽度和落差较大，平行于采区边界方向延伸;二是开采动态裂缝，裂缝位置在工作面推进位置前方，随工作面向前推进，出现在工作面前方动态拉伸区，裂缝宽度和落差较小，呈弧形分布，裂缝方向大致与开采工作面平行而垂直于工作面推进方向，长度大致与工作面的采宽相近。
6 矿区地面变形监测
6.1 建立地表移动观测站
根据各矿井采空区分布情况，分两个方向布设观测线，一路由北向南，线路为：大明二矿→大明一矿→晓明矿→小青矿;另一路由南向北，线路为：晓南矿→大兴矿→大隆矿→小青矿，共布设观测线60条，观测点720个。在老矿井大明矿建立2个地表移动观测站，在新矿井晓南矿、大隆矿、小青矿各建立1个地表移动观测站。
6.2 铁法矿区地表移动观测站：
a)大明矿：EW407地表岩移观测和ES704地表岩移观测;b)晓南矿：西二706工作面观测站;c)大隆矿：东三701工作面观测站;d)小青矿：W2 713工作面观测站。
7 铁法矿区各矿地表移动变形参数
根据矿区地表移动站实测资料求得了相关的地表移动参数，见表1。
8 地面沉陷与变形发展预测
8.1 近期2008～2014年地表沉陷与变形范围
单位为Km2
8.2 远期2014年～闭坑地表沉陷与变形范围
单位为Km2
9 矿区采煤沉陷区生态治理方案
根据矿区内各矿井的地质、水文地质条件和环境评价情况，综合考虑煤层开采情况、土地塌陷情况以及土地利用情况，按照地面沉陷与变形等级分区规划治理，采取治理方案。本区沉陷地治理可采用挖深抬高，建立良好的排水设施，实施水产养殖和耕作相结合的种养模式，也可采用充填法、直接利用法等进行土地生产力的恢复和整治。恢复后的土地用于农业生产，确保耕地数量，提高耕地保护率。
10结论
通过对铁法矿区地质灾害类型及特征的调查与分析，建立60条矿区地质灾害观测线，共计720个地质灾害监测点，达到对矿区地质灾害情况进行实时观测的目的。根据地表移动观测站监测数据，求得各矿地表移动变形参数，并预测了地面沉陷与变形发展趋势。提出了矿区采煤沉陷区治理规划方案，为开发煤炭资源提供了科学依据。
摘要：通过建立铁法矿区地质灾害监测网,对矿区现状的地质灾害进行了评价,查明了矿区的地质环境现状和主要地质灾害,提出了矿区采煤沉陷区治理规划方案,为开发煤炭资源提供了科学依据。
矿区监测 第2篇
抚顺西露天矿矿区动态变化卫星遥感监测
利用Landsat和中巴资源卫星影象数据,应用卫星遥感技术,监测抚顺西露天矿自80年代以来矿区动态变化情况.
作 者：满瀛 岳品一 张永红 作者单位：辽宁省环境科学研究院;辽宁省环境遥感技术应用重点实验室(筹)辽宁,沈阳,110031刊 名：城市建设与商业网点英文刊名：CHENGSHI JIANSHE YU SHANGYE WANGDIAN年，卷(期)：2009“”(26)分类号：关键词：中巴卫星 遥感 抚顺西露天矿
矿区形变监测数据动态分析研究 第3篇
关键词：时间序列,预测,矿区形变,回归分析
矿区开采常常会由于开采区地表的移动引起地表沉陷或边坡滑坡现象,从而造成有损人民生命财产的事件发生,因此我们需要用形变监测的方法对其进行监测,由于形变是动态的过程,因此数据处理的方法也应该是动态的[1]。
时间序列分析法主要应用于预测,尤其是针对在经济方面的预测。随着深入研究时间序列分析法的理论和应用两个方面,时间序列分析法的应用日趋增大。到目前为止,它已涉及到地理学、天文学、化学、生物学等各种自然科学中。此外,在工程技术领域,在国民经济、市场经济、生产管理、人口等社会领域都得到了广泛的研究和应用并已经获得了很多重大的突破[2]。
时间序列分析法的模型在广义时序分析方法发展中的一个突破是:从非参数模型发展到参数模型,亦即是出现目前所提到的时间序列分析法(以下简称时序分析)。1927年,著名学者G.U.Yule提出了关于时序中用于预测的AR模型,这是ARMA模型中的一个特例,在该模型中滑动平均参数全部为零。1931年,他又运用AR模型进行了预测。此后逐步发展了ARMA模型、多维ARMA模型、非平稳时序模型和非线性时序模型等多种模型[3]。
1 矿区形变监测数据动态理论分析
时序分析的基本思路是:针对平稳的、正态的、零均值的时间序列问题,观测值yt的值不仅仅与前n步的取值有关,而且还与前m步的各个干扰有关联[4,5]。时间序列的自相关关系是指时间序列在不同时期观测值之间的相关关系。
定义1:{yt}的滞后为k的自协方差函数为:
当k=0时,即得到{yt}的方差为:r0=δy2。
定义2:滞后k的自相关函数:
可以看出:ρ0≡1,0≤ρk≤1。
它对MA模型具有截尾性,而对AR模型不具备截尾性。
滞后期为k的偏自相关函数值是指去掉yt+1,yt+2,yt+3,…,yt+k-2,yt+k-1的影响之后,反映观测值yt和yt+k之间关系的数值。
MA(q)过程的自相关函数在q步之后就截止为零,截尾性是MA序列的独有特征,根据此特征可推断出模型MA(q)的阶数。但是,在AR(p)过程中却没有出现这样的特征。
2 矿区形变工程响应
选择某矿区沉陷监测区地表及边坡监测的30组数据进行时间序列法分析,取前27期数据进行分析,后3期数据作为预报比较值。为方便自相关函数的计算,从而简化数据建模的过程,我们对相关数据进行标准化处理,该标准化处理过程的公式如下所示:
其中,E(y)为序列均值;D(y)为序列方差。
标准化处理后的数据如表1所示。
mm
由式(1),式(2)得自相关函数^ρk和偏相关函数见图1,图2。
由图1,图2可知,样本自相关函数图形呈正弦线型衰减波,而偏自相关函数图形则在滞后两期后迅速趋于0。因此可初步判断该序列满足2阶自回归过程AR(2)。方程表达式为:
最小二乘估计:
算得^φ=(1.143 34-0.113 14)T,相应的模型残差序列为:
同理可算得未来3期的预测结果,如表2所示。
mm
时间序列预报与实测数据对比见图3。
根据图4,我们可以得出以下结论:应用AR(2)模型,模拟实测序列与预报序列的变化趋势基本上是一致的,其表明时间序列在模拟时具有非常好的效果,基本上能反映出地表相关的变化情况,在短时间内的预报精度较高。
3 结语
本论文用时间序列分析法来处理数据,并且介绍了时序模型的相关概念以及模型的选取。用该方法进行预测时,由于突出了时间序列,但是暂不考虑外界因素对其产生的影响,因而产生了预测误差这一缺陷。在时序分析预测的过程中,我们必须要对矿区的新变化进行分析和研究,在确定预测值的时候,必须要充分考虑这些新变化所带来的影响,不能按照矿区以前和目前的旧的变化规律机械地向外延伸。
矿区形变监测是一个复杂的问题,它的发生、发展是一个缓慢的过程,时间跨度大,这给实测数据的获取带来很大的局限性。由于所用数据仅是2010年12月～2011年3月的,要想使模型更接近实际,分析其季节性和周期性变化趋势,则应采用更多的数据。同时监测地下水疏降引起的地表沉降,还需要综合考虑当地的气候、地质条件以及用水、补水情况。
参考文献
[1]刘志平,何秀凤.稳健时序分析方法及其在边坡监测中的应用[J].测绘科学,2007,32(2):73-80.
[2]高永梅.祁东矿工业广场地表沉降监测与预计分析[D].合肥:安徽理工大学,2004.
[3]陈敦云.变形监测应用技术[J].福建地质,2009(4):219-223.
[4]杨叔子,吴雅.时间序列分析的工程应用(上册)[M].武汉:华中理工大学出版社,1989.
吉林省某矿区放射性监测及评价 第4篇
1 测量与采样
1.1 测量
用美国产1027型专业连续氡监测仪, 经过厂家刻度比对, 测量空气中的氡浓度, 探测限为0.037 Bq/L;用经卫生部标准刻度的BH 3103X (γ) 巡测仪测量井下及周围γ剂量率;用经过标准泥沙样品刻度过的CANBERRA S-95多道分析仪测量水样、岩石和土样中的放射性核素238U、232Th、226Ra、40K的含量, 分析方法采用国家标准[1], 固体介质238U和226Ra最低探测限为0.3 Bq/kg, 40K和232Th最低探测限为0.2 Bq/kg。
1.2 采样
在了解矿井地质和矿山情况的基础上, 选择有代表性的点, 进行取样。矿区空气中氡浓度和环境γ剂量率监测位点分别为矿井内、矿区地表、生活区和外围区中。矿井内充分考虑掘进作业、采场和运输巷道, 都是在正常工作通风情况下进行测量的。
天然放射性核素分析样品采集方法分别为:水样取自尾矿排水口、井下沉淀池, 采集后, 经HNO3酸化, 调pH值为2.0～3.0[2];矿石样取自金矿石料样、废石料、尾矿场尾矿粉, 土样取自废石堆旁及尾矿坝。固体样采集时铲除堆放物表面3 cm层, 在堆放物四周按上、中、下3个部位分别采集1 kg样品, 均匀混合后取2 kg在实验室95 ℃以下烘干, 再研磨成粒径不大于0.16 mm的粉末, 封装在Φ75 mm×50 mm的聚乙烯样品盒内[2]。
2 测量结果及分析
2.1 测量结果
矿区空气中氡浓度监测结果见表1。矿区环境γ剂量率监测结果见表2。矿区天然放射性核素比活度分析结果见表3。
注:表中水样4种天然放射性核素放射性比活度小于探测限的数据, 按1/2探测限计。
2.2 结果与讨论
2.2.1 矿区空气中氡浓度
2.2.1.1 矿区氡浓度分析
由表1可见, 矿区的氡浓度差别很大。矿井内的氡浓度范围为4140～8290 Bq/m3, 平均值为 (5.62±1.45) kBq/m3, 远远超出了其规定限值[3], 其中矿井内的最高氡浓度可达8290 Bq/m3, 是标准限值[3]的21倍;矿区房屋室内氡浓度为192 Bq/m3, 室外氡浓度为35 Bq/m3, 但均低于国家标准规定的限值[4]。
2.2.1.2 矿区氡浓度剂量估算
计算公式和参数都选自联合国原子辐射效应科学委员会 (UNSCEAR) 1993年报告[5]。室内停留因子取0.8[6];室内、外氡及子体平衡因子分别取0.4、0.8;氡平衡当量浓度暴露的剂量转换因子取9 nSv/ (Bqh/m3) 。通过计算得到在矿区井下开采工人的△HE (Rn) 为20.87 mSv。矿区居民△HE (Rn) 为5.29 mSv。
2.2.2 γ辐射外照射
2.2.2.1 γ辐射外照射分析
由表2可见, 矿区的外照射γ剂量率差别较大。矿井内γ剂量率范围在107～225 nGy/h, 其中9中45线岩脉工程γ剂量率较低, 平均值为 (111±2) nGy/h;而其他矿井部位γ剂量率较高, 平均值为 (194±19) nGy/h;矿区居民室内γ剂量率平均值为 (125±5) nGy/h;周围林区公路、矿区公路的γ剂量率平均值为59 nGy/h, 而尾矿顶面、尾矿侧面的γ剂量率较前者稍有增高, 平均值为90 nGy/h。与吉林省本底[7]比较, 矿井下、矿区室内及其周围环境的γ剂量率均在本底范围内, 属于正常水平。
2.2.2.2 γ辐射外照射剂量估算
计算公式和参数取自UNSCEAR 1982年报告[6]。室内居留因子取0.8;每Gy环境天然γ辐射所致居民以Sv为单位的有效剂量转换因子取0.7。室外γ剂量率取矿区和林区公路的平均值为59 nGy/h, 矿区房屋室内γ剂量率为125 nGy/h, 经现场了解, 矿工在井下平均每天工作时间为4 h, 年工作时间为1000 h。则通过计算得到在矿区井下开采工人的△HE (γ) 为0.71 mSv, 矿区居民△HE (γ) 为0.69 mSv。
2.2.3 天然放射性核素
由表3各种样品比活度分析结果看, 矿区238U、232Th和226Ra有浓集现象, 但232Th和226Ra还在吉林省环境本底[7]范围内, 只有238U与吉林省本底6.29～96.02 Bq/kg相比, 超出30.84 Bq/kg, 主要集中在尾矿场尾矿粉中。40K含量在本底范围内。
3 环境影响评价
3.1 矿区氡浓度
矿区室内外氡浓度均在国家规定限值内, 矿井下氡浓度远远超过标准限值, 说明现有的井下通风系统在现有情况下不能满足降低氡及其子体的要求。在深部开拓过程中更应强制采取连续通风措施, 使矿井内空气与外界保持连续循环, 将氡浓度降到标准规定限值以下。
3.2 γ辐射水平
矿区室内外及矿井下的γ剂量率均在吉林省环境本底范围内, 不会对人员和环境造成附加辐射伤害。
3.3 天然放射性核素比活度
矿区238U、232Th和226Ra虽有浓集现象, 但只有238U超出本底30.84 Bq/kg, 与本底相比, 超出量很小, 且主要集中在尾矿坝, 其远离生产、生活区, 又无挥发性, 所以对人员和环境的影响可忽略。
4 附加剂量
附加剂量 (ΔHE) 指生活在矿区的居民或各类工作人员所接受的人均有效剂量与生活在对照点的居民或各类工作人员所接受的人均年有效剂量之差。经监测结果可知, 此矿区居民因吸入氡及其子体内照射和γ辐射外照射所致附加年人均有效剂量分别为5.29和0.69 mSv, 合计为5.98 mSv;矿区井下开采工人因吸入氡及其子体内照射和γ辐射外照射所致附加年人均有效剂量分别为20.87 mSv和0.71 mSv, 合计为21.58 mSv。由此可知, 矿区井下工作人员和其他工作人员的人均年附加剂量均超过国家标准规定的职业人员和公众的年剂量限值[8], 主要来自矿区氡浓度的影响, 应加强通风加以解决, 不会产生由附加辐射引起的确定性效应, 随机效应也可忽略。
5 建议
①加大矿井通风强度, 增加送风和排风井, 增大矿井、巷道的通风量。增加办公室的换气次数。②在深部开采过程中, 应按期进行γ剂量率和氡浓度监测, 避免意外事件的发生。③对于尾矿坝和废石堆应进行敷土并恢复植被处理, 减少在扬尘和散落过程中放射性物质对环境的影响。
参考文献
[1]GB11743-89.土壤中放射性核素的γ能谱分析方法.
[2]国家环境保护局.环境监测技术规范.2007-09-01.
[3]GB16356-1996.地下建筑氡及其子体控制标准.
[4]GB/T16146-1995.国家住房内氡浓度控制标准.
[5]联合国原子辐射效应科学委员会.电离辐射源.UNSCEAR1993年报告.北京:原子能出版社, 1995.
[6]联合国原子辐射效应科学委员会.电离辐射源与生物效应.UN-SCEAR1982年报告.辐射防护通讯, 1993 (增刊) .
[7]国家环境保护局.中国环境天然放射性水平, 1995-10.
论声发射技术在矿区地震监测的应用 第5篇
声发射 (Acoustic Emission) 简称AE, 也称为应力波发射, 是指材料内部局部区域在外界 (温度或应力) 的影响下, 伴随能量快速释放而产生的瞬态弹性波现象。它是一种常见的物理现象, 各种材料声发射信号的频率范围很宽, 但各不相同, 从几赫兹的次声频、二十赫兹至两万赫兹的声频到数兆赫兹的超声频;声发射信号有很大幅度的变化范围, 主要表现为从一米量级的地震波到十米的微观位错运动。当声发射释放的应变能足够大时, 就会产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时都会有声发射发生, 但是许多材料的声发射信号强度比较弱, 致使人耳不能直接听见, 而是需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。因而, 用仪器记录、探测, 并且分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术被称之为声发射技术。
20世纪50年代初期, Kaiser在德国做了大量的研究工作, 他观察到锡、铝、锌、钢、铜、铅、铸铁、黄铜等金属和合金在形变过程中都会产生声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即:“材料在被重新加载时, 在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”。现在材料的这种不可逆现象被人们称为“Kaiser效应”。与此同时, Kaiser还提出了突发型和连续型声发射信号的概念。这些都标志着现代声发射技术的开始。
1 声发射技术监测的基本原理
声发射技术的基本原理是:由外部条件 (如热、力、磁、电等) 的作用而使物体变形、断裂后产生并发射出声信号, 然后通过接收这些信号, 并加以分析、处理和研究, 进而推断材料内部缺陷及性质的状态变化信息。也就是说弹性波从声发射源发射出来, 在传播到材料的表面, 引起能用声发射传感器探测到的表面位移, 然后探测器就会把材料的机械振动波转换为电信号, 之后将被处理、放大、记录。由于内应力的变化, 在固体材料中就会产生声发射信号, 引起内应力变化的因素很多, 通常是在材料处理、加工或使用过程中发生的, 如位错运动与断裂、扩展、外加负荷的变化、裂纹萌生、热胀冷缩、无扩散型相变等等。由此观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的效果。总体来说, 声发射技术的主要特点为:声发射现象的特性对材料本身极为敏感, 机电产生的噪音也会对其干扰, 因此, 要获得正确的数据, 必须有非常丰富的数据库资料和现场检测的经验;声发射检测技术, 通常需要合适的加载程序。有时需要特地作准备, 但多数情况下, 完全可以利用现成的加载条件;目前声发射检测只能给出声发射源的强度、活性和部位, 不能显示出声发射源内缺陷的大小和性质, 仍需结合于其它无损检测方法一起使用。
2 声发射技术在矿区监测中的应用
众所周知, 我国矿产产出地的自然条件比较差, 地质情况也比较复杂。主要是由于我国内陆大多是由多幕次的小型地块组合而成的, 主要矿产经受了多方向和多期次强度较大的改造, 这样就造成了煤矿产出地的地质条件极为复杂, 随之产生的灾害较多。世界上几乎所有国家的煤矿都不同程度地受到冲击矿压的威胁, 所谓的冲击矿压又可以称之为岩爆, 是指矿井井巷或者采矿工作面四周的岩体, 由于机械外力造成弹性变形能的瞬时释放, 便会产生具有强烈破坏的能量, 通常会伴有巨响及气浪和煤岩体抛出等现象。它的破坏性巨大, 是煤矿重大灾害之一。因此, 通过声发射技术对矿压的预测预防也是煤矿开采安全生产的关键之一。
在煤矿开采过程中, 岩石在机械外力而产生的压力作用下发生开裂和变形的破坏过程中, 将会以脉冲形式释放弹性能, 此时就会产生声发射或应力波现象, 也可以把这种声发射现象称为地音。由此可见, 煤岩体再被破坏时的能量释放程度可以由声发射信号的强弱反映出来。也就是说, 地音监测法的原理是, 用拾震器或微震仪连续或间断地监测岩体的声发射现象, 然后根据正常波与测得的声发射波或应力波的变化规律对比, 来判断岩体或煤层发生冲击时所造成的倾向度。再根据震相曲线和地震学的相关经验, 便可以计算出发生冲击地压准确的震源位置。由于各种煤岩体的微震和声发射有不同的特性, 并且具有各向异性和不均质性等特点, 其传播速度差异性较大。此外, 各处的开采条件和地质也不尽相同, 矿井下常伴有强烈的环境噪音干扰, 微震信号和声发射信号在煤岩体中产生和传播情况将是非常复杂的, 可能产生次数较多的绕射、折射和反射, 也可能发生波型变换等现象。因此, 在使用中应注意与其他预测方法相结合, 以保证预测的准确性。可见, 运用声发射技术预报矿区山体滑坡、地震和矿井井下地震先兆尤为重要。
3 声发射技术在地震监测中的应用
地震预测被公认为是世界的科学难题。其实, 运用声发射技术在预测与地震类似的材料破裂已得到较好解决。总的来讲就是利用高频声发射技术, 在潜在震源周围布设宽频钻孔应变仪, 既可以检测震源区的高频极微震活动, 又能监测缓慢的地壳形变活动, 这将会提供丰富的信息给地震预测分析研究人员。根据材料破裂理论及声发射技术检测材料破裂的实践, 地震前地震仪器没有记录到前震, 并不等于没有极微弱的、振动频率在目前地震仪器观测频带之外的地层微破裂、高频极微震发生。如果有灵敏度更高、观测频带更宽的仪器, 很可能在大地震发生前会记录到震前高频极微震或地声信息而作出某种程度的预警, 灾难就会得以避免。
在地震孕育过程中, 震源部位的岩体受压压力聚集, 内应力增大。当地震孕育到一定阶段, 震源部位岩体所受压力到一定程度后, 岩体内会产生微观裂纹和宏观裂隙的扩展以及产生新的宏观裂隙, 甚至会伴随着一定范围内岩体的局部断裂破坏。微观裂纹和宏观裂隙的扩展和新宏观裂隙的产生, 岩体内局部岩体的断裂破坏, 都会发生声发射现象, 其中岩体内局部岩体先行发生断裂破坏, 一定会发生极强的声发射事件, 这其实就是人们通常所说的大震之前有预震的现象。随着岩体受压压力的增加, 声发射事件的频度和强度会随之加速增加, 到达临震前, 声发射事件的频度与强度会十分强烈。特别是大地震及特大地震, 临震前, 岩体内局部岩体先行发生断裂破坏的现象会十分明显, 强烈的声发射事件会很多。总之, 经过多年的不懈努力, 我国的地震预报总结出长、中、短、临渐进式的预报思路。在确定了中、短期地震危险区后, 进一步跟踪震情发展, 加密布设埋设在井下基岩中的可以监测地层微破裂高频信号的宽频仪器, 会比人耳和动物更早监测到大量高频极微震和地声。对这些来自地下宝贵信息的科学分析, 定能帮助震区摆脱噩运。
结束语
由此可见, 煤矿矿区的岩体声发射信号和地震初期声发射信号与地质岩体发生破坏的综合状态有关, 随着不同的破坏阶段, 其参数也相应的发生变化。因此, 通过对声发射各参数随时间的变化情况进行实时的分析和监测, 就可以保证矿区生产的稳定性, 还可以减少地震所带来的损失。
摘要：随着当今科技的不断发展和创新, 声发射技术已作为一种无损的检测方法, 被广泛应用于诸多领域, 主要包括煤矿业、石油化工工业、电力工业、材料试验、民用工程、航天和航空工业、金属加工、交通运输业等, 其中在矿区监测和地震初期监测方面的作用尤为突出。
关键词：声发射技术,矿区监测,地震监测,主要应用
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矿区监测 第6篇
西部矿区表现为第四纪冲基层非常浅、软弱基岩埋藏深、含水层较多等特点, 特别是基岩较多为侏罗系, 其属于软弱不稳定岩层, 遇水软化, 有的水解成为砂岩、软泥和砾石, 而且含水多为空隙裂隙含水层, 浆液扩散难, 预注浆效果差[1,2,3]。由于岩体和地质的复杂性, 掘进煤巷工程中, 当围岩渗水较多时, 造成巷道围岩性质变化、围岩应力集中、支护困难。因软岩巷道支护设计不合理, 产生巷道破坏、返修乃至停产, 造成巨大的资源浪费, 软岩巷道支护常出现顶板离层、片帮、底鼓等破坏形式下软岩巷道工程支护问题一直是困扰我国煤炭生产的一个重要问题[4]。对于西部矿区在这种特殊地质条件下的巷道, 采用常规的锚网喷索注支护结构是否安全可靠, 目前还缺少可靠的理论指导和成功的工程经验, 故对泊江海子井田区巷道支护实施动态监测, 分析实测数据后提出优化方案, 进而指导施工。
1 工程概况
泊江海子井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区境内的泊江海子镇, 区内地形总体趋势是南高北低, 在此基础上又表现为西高东低, 属高原半沙漠地貌。井田西北部, 海拔标高+1 505.92 m, 最大地形标高差为133.42 m;一般地形海拔标高在+1 420~+1 380 m。而矿区巷道局部过煤层, 煤层具有弱沥青光泽, 层理裂隙明显, 容易片状剥离, 抗压强度很低, 在围压下变形破坏严重。巷道裸露的软岩颗粒主要由石英、长石、云母、黏土质颗粒和少量岩屑组成, 其中, 巷道围岩粉细砂岩单轴抗压强度平均29.93MPa, 砂质泥岩单轴抗压强度平均24.05 MPa, 尤其是砂质泥岩吸水软化后平均7.8 MPa, 甚至泥化、砂化, 砾岩及粒级的砂岩失水后易干裂破碎。在这种特殊地层条件下的深井巷道和硐室, 原巷道支护采用锚梁网喷索支护结构, 巷道断面为直墙半圆拱形, 墙高和拱高分别为1.5 m和2.95m, 巷道成型后初喷30~50 mm混凝土, 以封闭围岩, 复喷达到设计厚度150 mm, 其主要支护参数为: (1) 锚杆:φ22, 2.5 m, 间排距:800×800;高强拱形托盘尺寸为150×150×12; (2) 锚索:φ17.8, 7.3 m, 间排距:2 000×1600; (3) 钢筋网:φ6, 网孔为100×100; (4) 锚条:孔距为800 mm, 中间网孔距:2 000×1 600。
2 断面布置
根据泊江海子矿施工和工程地质水文条件, 在胶轮车放硐室埋向北深34 m处和+803.5辅运石门向里60 m处, 各设置一个测试断面, 编号分别为A1和A2, 在两断面距巷道底部1m的两侧直墙处﹑两侧肩部和顶部各布置一个锚杆测力计和锚索测力计, 以确定锚杆所承受的拉力;在B1处布置一个测试断面, 以监测巷道顶板下沉和巷道的收敛情况;在C1断面的钢筋网上, 在距巷道底部1 m的两侧直墙处﹑肩部和顶部各布置一个环向混凝土应变计, 以便监测混凝土的应变。监测断面图如图1所示。
3 监测分析
3.1 锚杆受力分析
A1和A2两个测试断面的锚杆受力随时间变化曲线如图2~3所示。
在监测周期内, 此断面所监测的锚杆平均受力为72.4k N, 顶部锚杆受力最大, 达118.25 k N, 右肩上部锚杆受力最小, 为11.08 k N;从图2中还可看出, 元件受力呈现阶段式增长, 元件埋设10 d内, 顶部锚杆拉力增大最快, 平均每天增加4.5 k N。元件埋设10~45 d内, 各部位锚杆受力变化较缓, 增长率小于0.4 k N。45~67 d, 各部位锚杆受力增长较前一阶段增长较快, 平均每天增加0.8 k N。之后两个月各部位锚杆受力增长率小于0.1 k N, 比较平稳, 说明围岩与锚杆支护结构趋于稳定, 达到共同作用状态。当巷道围岩达到稳定状态, 锚杆拉力就不再增加, 也达到一个相对稳定的状态[5]。个别部位如右肩和右肩上部锚杆锚固力在前几天有所减小, 可知此部位锚固效果较差, 锚固范围有所折减, 但后期随围岩与支护结构相互作用, 锚固力也慢慢增加, 最后趋于稳定。整体上看在180 d后锚杆后受力有缓慢较小趋势, 但围岩还是很稳定。
在监测周期内, 此断面所监测的锚索平均受力为45.38k N, 最大值达64.47 k N, 存在于巷道左肩部位置。右肩部锚索受力最小, 为22.8 k N。从图中3还可看出, 元件埋设10 d内, 左肩部锚索拉力增大最快, 平均每天增加1.9 k N。元件埋设10 d后, 西-C左肩上部和东-A右肩部锚索出现先平稳后缓慢增长的变化, 变化小于0.16 k N, 后期各部位锚索受力变化不明显, 直到160 d后, 锚索受力也呈缓慢减小趋势, 说明孔隙裂隙水对围岩的弱化也对锚索受力有一定的削弱影响。左肩部锚索优先调动了深部围岩的应力来达到围岩与支护结构的相互耦合。
3.2 收敛变化
B1断面顶板下沉和两帮收敛变化曲线如图4所示。
数据显示, 此巷道两帮收敛还不稳定, 顶板下沉增至50 mm左右, 说明巷道还未进行应力重分布, 变形不稳定。只有装测钉后, 混凝土变形会慢慢减小。
3.3 混凝土应变
C1断面混凝土应变随时间变化曲线如图5所示。
数据表明, 混凝土喷层环向压应变变化逐渐放缓, 是由于混凝土收缩变形以及支护与围岩相互作用, 应力调整的结果。此巷道右肩部东-a混凝土喷层受力最大, 达到-1507.7με, 小于混凝土的极限压应变, 且各部位应变变化速率均小于2με/d。
4 支护设计优化
通过对巷道支护的实际监测数据进行分析, 对岩石巷道提出以下优化方案。
(1) 锚杆采用Φ20 mm左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆 (σs=335 MPa) , 长度为2 500 mm, 间排距1 000 mm×1 000mm, 托盘采用150 mm×150 mm×10 mm高强度拱形托盘, 强度不低于250 k N。每根锚杆采用2支MSK2350锚固剂, 锚固长度为1 300 mm, 钻孔Φ28 mm。锚固力不小于125k N。
(2) 锚索直径Φ15.24 mm, 长度为6 300 mm。锚索布置按“3-2-3”布置, 正顶一根, 两边间距2 000 mm各一根, 排距2 000 mm;均垂直于巷道岩面安设。采用1支K2350、2支Z2350锚固剂, 锚固长度1 500 mm, 锚固力不小于250 k N, 预紧力不小于100 k N。高强度拱形托盘的规格为300 mm×300 mm×16 mm或者20#槽钢300 mm×200 mm×9 mm+2 mm垫片。锚索支护结束后剪切锚索外露端, 锁具外露长度小于80 mm。
(3) 钢筋网采用Φ6 mm的钢筋焊接, 网孔100 mm×100 mm, 规格为2 000 mm×800 mm。铺设时网间搭接1孔用Φ14铁丝孔孔相连。
(4) 钢筋托梁 (锚条) 为Φ12圆钢制作, 规格:Φ12 mm×1 800 mm×70 mm, 锚条孔间距与锚杆间距一致。
(5) 喷射混凝土强度等级为C20。铺底混凝土强度等级C30。
5 数值模拟
为了模拟泊江海子煤矿+803.5 m辅运石门巷道支护稳定性及支护效果, 以辅运石门试验段560 m附近现场情况为基础, 根据现有设计断面, 建立分析模型, 即采用直墙半圆拱断面, 巷道净宽5.6 m, 直墙净长1.5 m, 净高4.3m。为避免数值模型的边界效应, 取模型的两侧及上下边界距巷道中心的距离为30 m, 沿巷道轴向前后边界距离12m。
根据泊江海子煤矿803.5 m辅运石门巷道的断面尺寸, 用相应的锚梁网喷索联合支护, 并分析围岩应力和位移分布特征。先对岩体没有软化时原支护塑性区模拟分析, 然后对优化后的支护结构塑性区进行模拟分析, 并作对比。其主要的初始边界条件如下:
为了能适应所建模型剖面x-y-z坐标系, 经过坐标旋转, 逆时针旋转109°得到新的应力结果 (巷道轴向为y向, 垂直巷道走向向北侧为x向) :
根据上述结果, 按深度比例折算到模型边界进行初始化应力状态。优化前后支护结构塑性区分布如图6所示。
由图6模拟结果可以看出, 图6a塑性区相对较小, 底板中心以下1.3 m内过去和现在都存在剪切破坏, 顶板0.4~0.9 m范围内曾发生剪切破坏, 由于该地区的岩石为遇水易软化, 该支护结构还不是最优的支护结构;图6b为了防止巷道顶板的渗水漏水现象, 支护时尽可能少打锚索和锚杆孔, 减小了支护的密度, 而此时的岩石已完全软化, 塑性区相对增加, 从图中可以看出, 直墙到肩部的单元曾发生了拉破坏, 拱肩部最大屈服达到4 m, 顶底靠近巷道表面单元以剪切破坏为主。
6 结论
1) 从锚杆监测曲线可以看出:观测前期, 锚杆拉力变化较大;观测中期, 比较稳定;而在观测后期锚杆受力有缓慢较小的趋势, 这是由于在孔隙裂隙水的作用下对围岩的弱化、渗透引起的;
2) 混凝土喷层环向压应变在混凝土收缩变形以及支护与围岩相互作用, 应力调整的作用下, 变化逐渐放缓;
3) 优化后巷道顶底表面单元以剪切破坏为主, 优化前后受剪应力变化都不是很强烈, 但是优化后的支护结构大大的减弱了支护密度, 有效节省了材料, 降低了工程的成本, 对西部矿区遇水软化岩石巷道支护具有很好的指导意义。
摘要：通过以西部矿区的泊江海子井田内软岩巷道为对象, 首先, 对原巷道支护结构进行受力和变形监测, 结果表明:锚杆拉力在观测后期有减小的趋势, 而混凝土应变值变化也较大;然后根据所监测的数据提出了优化方案, 并利用有限元软件对优化前后的支护方案进行了对比分析, 结果为该矿的开采施工提供了可靠的理论依据, 并为后续软岩巷道支护的理论研究提供了有力的实例参考, 对西部矿区矿井建设具有很强的指导意义。
关键词：西部矿区,软岩巷道,监测,数值模拟
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矿区监测 第7篇
1 微地震监测技术
1.1 微地震监测的基本原理
微震监测技术 (microseismic monitoring technique, 简称MS) 是近年来从地震勘查行业演化和发展起来的一项跨学科、跨行业的新技术。微震监测技术的基本原理是:岩石在应力作用下发生破坏, 并产生微震和声波。在破裂区周围的空间内布置多组检波器实时采集微震数据, 经过数据处理后, 应用震动定位原理, 可确定破裂发生的位置, 并在三维空间上显示出来, 如图1所示。
在图1中, 采场上方岩层受采动影响断裂, 能量以震动和声波的形式向周围传播, 到达预先埋设的多组检波器。由于震源 (岩层断裂位置) 与检波器之间的距离不同, 震动波传播到检波器的时间也不相同, 即检波器上的到时是不相同的。根据各检波器不同的到时差, 进行震源定位和能量计算, 得到岩层断裂的位置和能量。
1.2 震源定位技术
震源的定位技术最初是沿用地震行业里的各种定位方法, 如P波法、双差定位法等。由于采矿行业内的微震监测与大地地震监测相比有其自身的特点, 如测区面积小、震动频繁等, 因此要求矿山微震监测系统的定位精度高、处理数据及时、能量计算准确。姜福兴教授根据矿山微震监测的特殊性, 研究了各种定位方法的差异, 评价了这些方法的误差, 提出用于矿山高精度定位的“复合四—四定位方法”, 使定位精度大幅提高, 在合理布置测区后, 空间三分量平均误差控制在10 m左右。
1.3 微震监测结果的展示技术
不同的工程应用, 需要展示的微震监测结果的形式也不相同。但最基本的展示技术包括以下几个方面:①平面展示;②剖面展示;③按时间范围展示;④按区域范围展示;⑤按能量范围展示;⑥岩层范围的统计。
2 测区布置和标定炮参数
2.1 测区布置
赵固一矿是个大水量矿区, 该工程是在赵固一矿12011工作面进行的。12011工作面煤层平均厚度为6.9 m, 煤层倾角为1.1°～5.7°, 平均3.4°, 工作面标高为-487.5～-601.1 m, 回采工作面最大涌水量为7.6 m3/min, 正常涌水量为1.5 m3/min。煤层顶底板情况如表1所示。
2.1.1 测点布置原则
针对本项目需要解决的问题, 12011工作面顶板和底板都是监测的重点, 并且为了保证测区能形成合理的空间监测结构, 降低高度方向上的监测误差, 故采用顶板测点和底板测点相结合的台网布置方式。
为了能够精确监测破裂位置, 同时考虑到可靠性, 在距离开切眼100 m处设第1个钻孔, 每隔20 m 左右布置1个钻孔, 共布置12个检波器, 监测控制的距离达到500多m, 包括监测工作面“见方”和正常推进期间的岩层破裂规律。
2.1.2 钻孔设计参数
测区布置27个钻孔, 其中14个顶板钻孔, 13个底板钻孔。检波器安装钻孔孔口均位于轨道巷的巷道壁上, 两相邻钻孔空间距离20 m, 其中在距切眼100 m处开始布置第1组监测钻孔;井下监测分站位于12011轨道巷距离切眼650 m处 (底板注浆9#钻场) 。
2.2 标定炮实验
人工放炮作业是进行正式数据采集前必须完成的重要工作, 这将为资料解释工作提供重要的基础资料。进行人工放炮作业的主要目的:标定各传感器的安装方位, 检查各传感器的极性是否正确, 确定微地震波的传播速度, 标定定位精度等。
12011工作面采场周围均为实体煤, 标定炮钻孔位置为距离切眼107 m处, 布置在顶板岩层。标定炮钻孔直径97 mm, 倾角80°, 一次装药起爆, 爆破人工震源坐标为 (7 186.1, 9 241.2, -492.2) 。
标定炮放炮过程及波形特征:放炮时刻为2010年7月24日21时03分55秒。放炮后, 各检波器均记录到有效波形, 如图2所示。从图2中可以清楚看出, 所有检波器都收到质量极好的信号, 表明检波器安装和整个监测系统工作状态良好。
复合定位结果: (x, y, z) = (7 193.16, 9 239.16, - 493.52) , 坐标变换后的炮点定位结果为 (467 193.16, 3 919 239.16, - 493.52) , 实际炮点坐标为 (467 186.1, 3 919 241.2, -492.2) 。
误差:x方向7.06 m, y方向2.44 m, z方向1.306 m, 平均误差3.602 m, 误差在预计的范围内, 定位精度能够满足工程应用。实际定位时由于震源性质和传播介质性质的差别, 定位精度将出现波动, 平均能够达到10 m以内的精度。
3 微震监测结果
国际上微震监测技术推进缓慢的重要原因之一, 是数据处理软件不能及时准确地给用户提供监测结果并利用其指导生产。微震监测系统仅完成了微震数据的采集、事件定位计算和能量计算, 提供基于微震监测的采矿应用基础数据。但对基于微震监测的更深入的研究, 如冲击地压预测预报、导水断裂带高度监测、底板突水监测预警等, 仅有这些数据是远远不够的, 还必须研究微震监测结果的多维展示技术。
微震监测结果的多维展示技术是将微震监测结果按照时间信息、空间位置、能量信息以及相互之间任意组合的综合显示技术, 根据分析目的和要求, 展示微震监测结果, 从而找到微震监测结果与采场应力场之间的联系, 为微震事件分析提供帮助。因此, 微震监测结果的多维展示技术是一座架起地球物理方法 (微震监测技术) 与采矿工程实践 (冲击地压预测) 之间的桥梁, 是决定微震监测技术能否成功应用的关键[8,9,10]。
赵固一矿研究成果采用固定工作面进行展示。固定工作面是将工作面位置在平面图上固定不动, 计算每天的各个微震事件点与工作面的相对位置, 再将其投影在平面图上, 形成了工作面不动, 每天的微震事件显示在固定工作面周围的特殊显示方式。固定工作面展示微震事件是非常重要的一种展示手段, 通过这种方式, 可以非常容易地判断微震事件超前工作面的分布形态, 为确定采场影响范围提供依据。图3～5展示了固定工作面平面图、倾向剖面图和走向剖面图。
通过对比图3～5, 结合矿山压力与岩层运动理论, 可以看出:
1) 工作面的超前支承压力影响范围最大为164 m, 且主要集中在老顶及以下层位, 事件能量较大, 煤体完整且处于弹性状态, 锚杆受力和巷道变形均不明显。
2) 微地震事件在距工作面42 m左右位置比较密集, 事件主要集中在老顶岩层层位, 且能量较大, 煤体比较完整且处于应力塑性状态, 锚杆受力较大, 巷道变形明显。
3) 侧向煤柱微地震事件高发区在15 m左右, 且此处的煤体破裂严重, 处于塑性状态。
4) 顶板破裂高度最大可以达到80 m左右, 在此高度微震事件发生较少且对岩石的破裂影响程度不明显, 岩石完全处于弹性状态。
5) 在顶板高度30 m内, 微地震事件发生比较多, 且此时的微震事件已严重破坏了岩体, 岩石处于塑性状态, 岩体承载强度大大降低。
6) 底板的破裂范围最大能达到70 m左右, 但此时微震事件发生较少, 对岩体不会造成严重破坏。微震事件在底板25 m左右, 达到顶峰, 此时底板破裂严重, 处于塑性状态, 岩体的承载力受到较大的影响。
4 结论
1) 根据微震监测结果展示, 可以得出低位岩层高度约为30 m, 直接顶厚度约为12 m, 老顶厚度约为18 m, 高位岩层高度约为55 m。
2) 微震事件显现规律再现了岩层运动破裂的整个过程, 揭示了岩层运动的范围和围岩应力分布规律。平面图上, 微震事件影响范围达到164 m, 工作面前方42 m左右微震事件分布比较密集;在超前层位上, 先是高位顶板岩层发生破裂, 然后是低位岩层发生破裂。
3) 微震事件表明, 12011工作面顶板在侧向15 m 岩层破裂比较严重。工作面顶板的破裂范围达到80 m左右, 在30 m左右比较密集。工作面底板岩层破裂平均深度在22 m左右, 最大破裂深度在70 m。
4) 微震事件显现规律揭示了工作面开采过程中的岩层破裂规律, 为掘进施工、留设煤柱、工作面安全开采和预防顶底板突水提供了科学可靠的依据。
5) 微地震监测技术的监测结果表明, 该监测技术完全能够对大水量矿区厚煤层大采高工作面的围岩运动进行监测, 并可以了解围岩破裂情况, 再结合矿压理论对预防顶底板突水、围岩的运动及应力分
布进行科学可靠的指导, 该监测技术较常规的监测手段具有明显的优势。
摘要：赵固一矿涌水量大, 顶底板较软, 上覆岩层运动规律不明。通过对该矿12011工作面的微地震监测, 得出顶底板破裂范围, 以及煤层的支承压力分布情况, 并为防治顶底板突水提供了科学的依据。
关键词：微地震监测,大水量矿区,围岩破裂,厚煤层,支承压力
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