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1、成 绩中 国 矿 业 大 学2010 级 硕 士研究生课程考试试卷考试科目 采矿新技术 考试时间 2011年4月 学生姓名 王龙飞 学 号 ZS10020129 所在院系 矿业工程学院 任课教师 柏建彪 中国矿业大学研究生院培养管理处印制深部矿井陷落柱与物探技术的简单应用摘要：本论文基于对矿井深部陷落柱的探测案例分析，从各种探测方法的原理和优缺点适应性出发，对不同类型的陷落柱分别采用不同的方法或者综合方法进行勘探，从而能够更加精确的了解矿井深部的地质构造，减少因陷落柱问题二引发的矿井事故，更加保证从事煤炭工作人员的生产安全。关键词: 深部矿井开采； 陷落柱 ； 电法勘探； 综合勘探技术This
2、 paper, based on deep mine collapse column detection case studies from a variety of detection methods and advantages and disadvantages of adaptability of the principle of different types of collapse columns were integrated in different ways or methods of exploration, allowing more precise understand
3、ing of mine the deep geological structure, reducing the fall issue of the second column of mine caused an accident, and more to ensure staff engaged in coal production safety. In the end, the paper will summarize a set of reasonable comprehensive detection method for detecting more precise.Keywords:
4、 Deep mine production; collapse column; electrical prospecting; integrated exploration technology1 现阶段的基本问题煤矿深部开采是世界上大多数主要采煤国家目前和将来要面临的问题。在世界主要采煤国家中,德国、英国、波兰、俄罗斯、日本等国家采矿业较为发达,煤矿开采深度每年以816 m 的速度增加,率先进入了矿井的深部开采。国外部分煤矿深部开采现状见表1。表1 国外煤矿深部开采现状 国别 英国 日本 德国 波兰 南非 俄罗斯平均开采深度/m 700 1125 947 690 2450 1300我国的国有
5、重点煤矿中,采深大于700 m 的有75 多处,约占我国煤矿开采总数的12.5 % ,分布在开滦、北京、鸡西、沈阳、抚顺、新汶、徐州和长广等开采历史较长的东部矿区。在采深超过1 000 m 的矿井中,有沈阳彩屯矿(1 199 m) ,开滦赵各庄矿(1 160 m) ,新汶孙村矿(1 055 m) ,北票冠山矿(1 059 m) 和北京门头沟矿(1 008 m) 。开滦唐山矿、马家沟矿和林西矿, 阜新王家营矿等矿井的开采深度接近1 000 m。我国国有重点煤矿开采深度的变化趋势见表2 。表2 我国煤矿深部开采深度的变化趋势 时间/a 1980 1995 2000 2010 2020 开采深度/m
6、 288 428 500 700 1200 随着矿井深度的加深的，带来的问题也开始增多，如岩爆频率和强度均明显增加、巷道围岩变形量大、采场矿压显现剧烈、巷道底臌量大、瓦斯涌出量增大、地温升高、作业环境恶化，陷落柱错综复杂。 其中岩溶陷落柱是影响我国一些煤矿正常采掘和安全生产的地质问题之一，陷落柱的存在不仅给煤矿的安全生产造成严重威胁,而且降低了煤矿的经济效益。深部煤炭开采是未来矿上发展的主流,进行深部开采所带来的采矿技术研究势在必行，因此,有必要总结陷落柱的发育规律,找出合适的探测方法，从而减少事故的发生。 2 矿井深部开采的探测技术及国内研究历史现状陷落柱危害巨大，对它的预测是煤矿开采过程中
7、必须首先解决的大问题。近10年来，人们在从地质角度对陷落柱进行研究的同时，已经从陷落柱的物探探测技术方面进行了大量的研究工作。而井下工作比井上开展得更普遍。 目前，井下对陷落柱的探测及预测一般采取下述方法进行：（1）利用陷落柱发育规律预测 利用陷落柱发育的分区性、与断裂构造的共生性，做出陷落柱发育密度等值线图，有重点地进行预测预报。地下水强径流带及附近，是预测预报的重点地段。（2）利用井下发现的异常现象预报 当采掘工作工作面接近陷落柱时，煤层及顶底板会发生各种异常现象。一是煤岩层产状发生向陷落柱倾斜的变化，倾角变化在5度左右，一般在距陷落柱30m左右可发现明显变化，倾斜方向指向陷落柱位置；二是
8、裂隙或小断层增多，主要是落差较小的正断层，断层倾向指向陷落柱方向，走向围绕陷落柱发育；三是煤层及顶底板出现淋水现象，这种情况仅限于含水的陷落柱（3）巷探 利用小断面巷道可以查明陷落柱的确切位置、形状和大小等。更重要的是可以查明陷落柱的井下出露特征及对周围正常煤层的破坏程度和影响范围等。在没有钻探条件或钻探达不到预期效果的地区，尽管其工作量大、费用高，但只要生产需要，就应该对物探认为没有突水危险的陷落柱进行巷探。但巷探必须结合采掘生产需要，尽量做到一巷多用。（4）钻探 钻探具有比巷探工程量小、费用低，比物探结果更直观更准确的特点。它使用范围广，既可查明巷道前方有无陷落柱，也可查明回采工作面内有无
9、隐伏陷落柱的存在。（5）无线电波透视法勘探 其方法是在工作面回风巷发射，运输巷接收或在运输巷发射，回风巷接收。将个测点的理论场强值、实测场强值及衰减值绘制成三条曲线进行比较，便可初步判断陷落柱的位置及规模。（6）槽波地震勘探 槽波地震分透射法和反射法两种。透射法适用于探测回采工作面中的隐伏陷落柱，反射法适用于探测掘进巷道及工作面内的陷落柱。反射法还可以根据槽波传播速度和反射波到达时间来确定陷落柱的位置。（7）瑞利波勘探 瑞利波只需要一条巷道就可探测，并能确定陷落柱的位置。（8）直流电法勘探 直流电法适用于陷落柱含水性的探测，当陷落柱含水时，将在曲线上表现出稳定的低阻段，其宽窄代表了含水性的大小
10、。但一般来说直流电法对陷落柱的含水性探测效果较好，而对陷落柱的位置和形态探测精度较低。（9）红外线测温 红外线测温对陷落柱的含水性探测效果较好，且对各种巷道条件都适用。如果陷落柱含水，则在其周围形成一个稳定的低温场，造成煤层温度异常区。 多年来，对陷落柱进行的物探方法方面的研究报导多属单个物探分支，多具有片面性。1990-1992年间，中国矿业大学先后在山西的晋城、阳泉等地进行了陷落柱的综合探测研究，利用遥感、直流电法、高精度磁法、重力、测氡、甚低频电法及反射波地震等方法在已知陷落柱上进行了研究。但因当时认识不足，且未能预先对陷落柱进行有针对性的知识储备性的研究。未能取得突破。之后，该校对直流
11、电法探测陷落柱进行了研究，以数值模拟、水槽物理模型等为手段，取得了非常重要的成果，但因为直流电法本身的局限性，该法难以得到推广应用；与此同时，该校还对地震方法探测陷落柱进行了一定的研究，但仅限于简单的超声模拟及数值计算及井下实验，野外地震方法的研究应用没有涉及。近年来，有些单位和研究人员也进行了物探方法探测陷落柱的研究。如：张献民等进行了高密度电法探测陷落柱的有限数值模拟及实际探测，得到了相关装置参数、资料处理等方面的有益结论；中国煤田地质局组织进行了三维地震勘探陷落柱的研究工作；杨德义等人认为，绕射波是地震探测陷落柱的标志，并提出了“延迟绕射波”的概念。同时，井下探测陷落柱的研究，如层析成像
12、、微重力、瞬变电磁等也有人进行过。 因煤矿开采等方面的迫切需求，目前在山西等地，对陷落柱的探测已经成为电法勘探的主要目标之一，选择陷落柱的深部矿井电法勘探的课题为研究对象，对矿井的开采有很大帮助。因此，本课题的研究具有重大的实际意义和潜在的经济价值以及社会意义。3 矿井深部开采的地球物理特征我国关于陷落柱的记录最早出现在20世纪40年代初的文献中。在此之前，山西太原西山煤矿、阳泉煤矿、灵石富家滩石膏矿和河北井陉煤矿都发现了这种构造。陷落柱又称岩溶塌陷, 它是岩溶发育到晚期的必然产物。没有岩溶的产生发展, 就没有陷落柱的形成。因此, 要弄清陷落柱的成因, 必须首先了解岩溶产生的先决条件。岩溶是形
13、成陷落柱的先决条件， 此溶洞的形成机理是岩溶陷落柱形成过程中的核心问题：一般认为，岩溶发育必须具备4个条件：一是有可溶液性岩层；二是具有良好的地下水通道； 是有丰富饱和的侵触性水质；四是有地下水排泄口，以便加剧地下水的交替作用。笔者认为：这4个条件无疑是形成岩溶发育必备的物质条件，但由于岩溶洞穴仅是局部地层中形成的构造体，因此，对上述物质条件都具备的一个煤田或一个矿区来讲，其关键只涉及导致下部岩溶洞穴发育局部区域范围内地质和条件的分析研究，对揭露和正确反映岩溶洞穴形成的本质特征才具有重要意义：在4个物质条件都具备的煤田或煤矿 ，在构造力作用下，引起的局部溶性岩层较强的褶皱变彤或断裂位移，以及在
14、其伴生的节理或劈理等构造发育 ，使局部岩层结构强度、稳固情彤和整体性等发生了变化。原正常岩层遭到不同程度的破坏，极易形成岩层破碎发育区，并存地下水的强烈交替破坏作 下，被侵蚀“掏空”形成岩溶洞穴的发育部位。 因此，岩溶洞穴的形成必须具备以下两点：一是必须具备岩溶发育的上述4个物质条件；二是必须具备岩溶洞穴的地质环境。 由于地下水在煤系地层下伏可溶性雷口坡灰岩裂隙内长期冲刷、溶蚀的结果或者说在长期的物理, 化学作用下形成的溶洞暗河,在上覆岩层的重力作用下, 溶洞顶部地层逐步破碎塌陷, 最终形成了陷落柱。按形成时代分类：包括古陷落柱和现代陷落柱。按照碳酸盐岩的出露情况，岩溶可分为三种类型：裸露型岩
15、溶，指可溶岩裸露地表的地区所发育的岩溶；覆盖型岩溶，指被松散堆积物覆盖的岩溶；埋藏型岩溶，指已成岩的非可溶性岩层之下的可溶岩层所发育的岩溶。岩溶塌陷在各类岩溶区都有发生，而陷落柱是煤系下伏溶洞塌陷的产物，属埋藏型岩溶塌陷。华北地区岩溶陷落柱已见于晋、冀、豫、陕、苏等省的二十余个煤田中，以汾河沿岸，太行山东、西麓矿区最为发育，如西山、汾西、霍州、阳泉、井陉等矿区。 按几何形态分类：平面形态、剖面形态、中心轴的形态是反映陷落柱几何形态的基本要素，克根据这些要素对陷落柱进一步分类。根据平面形状可分为：圆形、椭圆形、不规则形陷落柱（图2-2-1）。图3-1 陷落柱的平面示意图根据剖面形状可分为：圆锥状、圆筒状、斜塔状和不规则状陷落柱（图1-2）。（a）圆通形陷落柱 （b）锥体形
