掘进头超前探测论文（共8篇）
掘进头超前探测论文 篇1
目前,我国机械化采煤量已超过70%,在煤矿综合机械化生产过程中,首先遇到的问题是不能准确地预测工作面前方有何种地质异常体及其准确位置、规模大小,以致造成巨大的经济损失和人员伤亡。这些地质异常体包括:小断层与褶曲、陷落柱、煤层的冲刷与风化、煤层的分叉与合并、岩浆岩体、溶洞、老空区、可能的涌水点及通道等。所有这些地质破坏与异常,即使规模不大,如果未能提前准确预测,就将直接影响综采优势的发挥和矿井水患的有效防治,并危及矿井的安全。现阶段我国东部主要矿区经过多年开采,浅部资源已趋枯竭,迫切需要开采深部的煤炭资源。随着矿井向深部延伸,地质构造、瓦斯与水等影响矿井安全高效生产的问题将更加突出,而靠原有地质勘探成果和传统的地质方法很难解决这些问题。因此,开展井下地球物理勘探,为矿井设计与生产提供精细的地质结构,是矿井地质工作发展的必然趋势[1]。井下地震反射波勘探作为一种构造探测的地球物理手段,具有采集信息量大、探测精度高、抗干扰能力强的特点,开展井下地震反射波勘探具有重要的理论和实践意义[2]。
1 地震反射波法超前探测技术原理
地震反射波法依据地震反射勘探技术的原理,主要通过地震波在指定的震源点激发,通常是在煤矿巷道中以炸药或锤击作为震源,地震波在煤岩中以球面波形式传播,当遇到地质异常界面时,地震波会发生反射,反射回来的信号由高精度的地震检波器接收。通过对反射信号的运动学和动力学特征分析,可以提取由不良地质体(断层、陷落柱等)构成的反射界面信息,从而达到超前探测的目的[3]。目前,井下地震反射波勘探常用的方法主要有小偏移距单点反射法、隧道地震波超前预报(TSP)方法等。
1.1 小偏移距单点反射法
地面反射波法地震勘探为了避免先于目的层反射波到达的直达纵横波、面波、声波和折射波等干扰,而选择足够大的偏移距。在浅层和极浅层探查时,偏移距略大,则可能形成宽角反射,并带来一系列难题。为解决这一问题,地质雷达、水声法等通常采用极小偏移距的发射、接收系统。考虑矿井掘进工作面现场条件的影响,通常将激发点和接收点布置在掘进巷道的迎头,激发震源为铜锤,单道检波器接收。数据采集采用多次锤击单道的接收方式,通过分析地震波信号的振幅、频率等信息,获取掘进工作面前方的地质异常情况[4]。图1为小偏移距单点反射法超前探测示意图。
1.2 隧道地震波超前预报法
隧道地震波超前预报系统(Tunnel Seismic Prediction,简称TSP),是由瑞士安伯格(Amberg)测量技术公司研制的一套先进的地质超前预报探测系统。TSP技术主要用于隧道超前地质预报,具有预报距离远、施工方便、数据处理解释简单等优点,在瑞士、德国、法国、美国、日本、韩国等发达国家的隧道施工中得到了广泛应用,尤其成为TBM法施工决策中不可或缺的工序。国内是从20世纪90年代开始引进这套技术,主要用于隧道施工,从应用的效果来看,在距掌子面100 m以内的预报结果比较可靠。近年来,由于TSP系统防爆仪器的成功开发,该项技术被逐步应用到煤矿井下。
矿井中应用TSP技术通常采用单道或两道、多炮激发的观测系统。根据煤矿井下巷道的特点,激发点和接收点通常布置在巷道的一侧。采用小药量炸药震源激发,高精度三分量地震检波器接收地震信号。三分量检波器记录了2个水平方向和1个垂直方向信息。多分量检波器接收的地震信号携带了更为丰富的信息量,更易识别小的地质异常构造的位置和影响范围。接收到的地震信号主要通过反射波提取、地震波速度分析及偏移成像,提取掘进工作面前方的反射界面的信息,超前预报异常地质构造[5]。矿井巷道地震反射波超前探测示意图见图2。
2 地震反射波法超前探测应用效果分析
阳煤集团五矿四采区地质构造复杂、断层较多,在巷道掘进过程中存在瓦斯突出危险,需要对巷道掘进过程中的安全可靠性作出评价和开展瓦斯突出防治的技术研究。因此,在巷道掘进过程中采用地震反射波法进行跟踪超前探测,为采掘工程提供地质预报,确保安全生产。
2.1 小偏移距单点反射法应用实例
探测工作在巷道有限空间的掌子面上进行。探测时由于受掌子面煤体松动或煤体自身松动的影响,往往不能形成好的地震波激发接收条件。为了获取有效的地震波数据,锤击激发时可加上锤击垫,以保证激发出有效的向煤体方向传播的地震波,检波器也应当尽量避开煤壁的松动区域,保证检波器与煤壁耦合良好。图3所示为煤巷掘进头探测成果,可以看到在15.5 ms处存在一反射界面,根据该区域以往探测经验取煤体地震波速为1 700 m/s,则反射界面位于掌子面前方13.2 m处,后经巷道掘进验证此异常为煤层中的小断层。
2.2 隧道地震波超前预报法应用实例
采用TSP方法进行超前地质预报,通常在巷道的一侧布置24炮激发单道三分量接收观测系统。炸药一般选用一级或二级岩石乳化炸药,灵敏电雷管触发。图4所示为典型的煤巷地震数据,分别为x、y、z 3个方向分量。
(a)x方向 (b)y方向 (c)z方向
原始数据经过滤波、初至拾取、炮能量均衡、Q评估以及波场分离(包括反射波提取、纵横波分离)、速度分析后,得到深度偏移剖面及提取的反射界面。煤巷地震波超前探测结果解释剖面如图5所示。掘进工作面前方共解释了5个岩性分界面,其中在前方110~120 m处的反射面经验证为一较大的断层构造,其余界面实为小断层及破碎带,基本上控制了掘进前方大的异常构造,提供了有效的超前地质预报信息。
3 结语
1) 小偏移距单点反射法施工较为灵活、施工周期短、激发简单,可重复多次,但受迎头现场条件影响较大,且探测距离相对较短(有效距离一般为50~70 m)。TSP法超前预报探测距离远(有效距离一般为150 m)、探测精度较高,但是前期辅助工作较长。实际应用中,可根据具体情况选用不同方法,也可进行联合探测,互相验证。
2) 在煤矿井下掘进头进行地震反射波超前探测,总体上具有距离目标探测体近、抗干扰能力强、探测结果直观可靠等特点。目前,地震反射波法已在我国煤矿井下超前探测中发挥着重要作用,为巷道安全掘进提供有效技术指导。随着对井下地质体地球物理特征的深入研究,井下高性能防爆设备的进一步开发,矿井地震反射波法超前探测技术将会迎来更广阔的应用前景。
参考文献
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掘进头超前探测论文 篇2
2.1.1 超前钻机在隧道掘进施工过程中,通过隧道掘进机中的超前钻机和超前地质探测仪,可以准确预报施工地段的超前地质情况,同时根据施工地段的岩石裸露情况、掘进参数的变化情况和掘进过程中出现的异常情况,综合分析判断超前地质情况,从而采取有效的处理措施,确保隧道掘进机的顺利运行。超前钻机的经济成本比较高,施工时间较长,因此适用于短距离的超前地质预报工作。
2.1.2 超前水平钻超前水平钻在隧道掘进超前地质勘探预报中的应用比较广泛,能够根据超前水平钻的钻头压力、岩心编录、钻速、涌水和漏水情况以及转动力矩等多方面参数建立准确的超前地质综合柱状图,能够实现连续取芯,具有较快的钻进速度;同时,可以通过双重管钻进、反循环冲洗钻进和套管护壁方法解决超前水平钻施工过程中出现的埋钻、卡钻等情况,能够提高水分含量较多的施工地段超前勘探工作的准确性,避免隧道内发生泥石流灾害。超前水平钻操作工作量较少、预报距离长,而且工作条件比较好。
2.1.3 超深风钻孔超深风钻孔是通过钻孔台车在钻炮眼前钻 15 m 长的孔,然后根据推力、旋转力矩、返水量、浓度变化、钻速、转速、给水量、返水颜色等,配合切面图、素描图、剖面图和掌子面观察情况,准确预报施工前方的不良地质条件,可以利用最小施工进尺实现控制范围的最大化。超深风钻孔操作简单、预报准确性高、施工时间少。
2.1.4 超前钻孔取芯法采用取芯钻机钻探取芯,通过全面分析岩芯情况判断施工地段前方的不良地质条件。超前钻孔取芯法耗费施工时间较长、经济成本高,因此主要适用于地质条件较为复杂的地段,可以通过各种室内试验,选择出有效的支护方法、施工手段和防水处理措施。
2.2 地球物理探测法
2.2.1 地质预报系统隧道掘进超前地质预报系统是根据反射地震波的处理和接收情况,在掌子面后方相应位置的钻孔内进行微型爆破,发射出声波信号,声波信号按照球面的方式在岩体中传播,当声波信号在隧道中遇到界面时会反射,隧道两侧岩石等级差距较大,反射的声波信号比较强,经传感器接收信号,再转换成电信号放大,最后通过模数转换器进行转换和存储,并由专用软件分析、处理信号,由此准确勘探预报施工前方的地质条件。
2.2.2 地质雷达法地质雷达法是用发射天线将电磁波从掌子面发射到地质层中,经接口反射到掌子面中,通过另一侧的天线接收信号,并分析、处理回波信号,从而准确预报施工前短距离的地质条件。
该方法主要适用于岩体性隧道建设中,预报准确性较高,在隧道掌子面超前地质勘探预报工作中得到了广泛应用。
2.2.3 陆地声呐法陆地声呐法其实是通过垂直地震波反射原理进行预报,主要采用锤击激发声波,由高频超宽带接受反射波,采用极小的偏移距离超前预报隧道的地质情况,最远距离可达 80 m 左右。
2.2.4 水平声波剖面法通过水平声波剖面法进行探测不会占用隧道的掌子面,在隧道两侧的浅孔内设置发射源、信号接收器,形成水平声波剖面。隧道内不同检测点的反射波采用相同路径,反射波的界面形态和组合形态相同,反射图形简单清晰。水平声波剖面法对反射界面的倾斜角要求较低,适用范围比较广泛。
2.2.5 红外探水法隧道中岩体的红外辐射场强度受地下水影响较大,利用红外探水设备接收和分析隧道岩体的红外辐射强度,根据岩体的红外辐射场强度的变化情况勘探、预报隧道前方的不良地质条件。这种探测方法只适用于含有地下水地质条件的预报。
3 结束语
掘进头超前探测论文 篇3
目前,常用的井下超前探测手段主要有钻探和瞬变电磁法、直流电法等矿井物探技术。钻探一般至少需要超前打3个钻孔,施工周期长、费用高,无法满足巷道快速掘进、节省成本的需求;瞬变电磁法、直流电法等物探技术超前探测距离一般不大于100 m,容易受金属体、巷道施工条件影响,且对小断层等微小异常体分辨能力有限,实用效果有待改进。矿井生产迫切需要一种探测距离较远、快速、准确、经济适用的掘进工作面超前探测技术来预报前方水文地质异常体。
声波远距离超前物探技术可以探测掘进工作面前方150 m范围内断层、陷落柱等地质异常构造体的位置及其含水性等,具备其他方法没有的优点,符合要求。
1 声波远距离超前物探技术原理与施工方法
1.1 技术原理
声波远距离超前物探技术属于反射地震波勘探范畴,采用了回声测量原理,见图1。地震波在指定的震源点用小药量激发产生,在岩石中以球面波形式传播,遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面,如断层、岩石破碎带、岩性变化带和陷落柱等)时,一部分地震信号反射回来,一部分信号折射进入前方介质。反射的地震波信号被高灵敏度的地震检波器接收,里面包含或可提取出波速、密度、泊松比等多种信息。反射信号的旅行时间和强度等分别与反射界面的距离和性质、产状等有关,据此可以直接测量出反射界面的位置,并可利用多种参数确定岩层含水性等信息[1,2,3]。
1.2 施工方法
现场施工布置及测试过程由一系列炮点(见图1)、1～2个三维接收传感器(X、Y、Z方向)、数据采集系统及数据处理系统组成。
炮点布置在巷道的左帮或右帮,一般24个震源炮点布置成1条直线,按计划顺序激发,检波器接收每个炮点的反射波,形成原始数据体,供处理与分析解释。
2 声波远距离超前物探技术数据处理与资料解释
2.1 数据处理
声波远距离超前探测数据处理采用深度偏移成像方法,一般流程如下:数据建立→带通滤波→直达波拾取→起跳点信号处理→平衡各震源能量→品质因子Q评估→反射波提取→纵波P、横波S(SV、SH)分离→速度分析→深度偏移→反射界面提取。经过以上处理程序得到P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、各层岩石物理力学参数等成果,以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布图[4,5]。
2.2 资料解释
资料解释主要基于反射波振幅、波速及弹性参数值的大小及变化。如P波与S波的反射振幅之比;P波与S波的速度之比;围岩含水是否对泊松比σ的影响等,都是在进行资料解释时判断探测前方岩性变化的依据[6,7]。
3 探测实例及效果研究
3.1 探测效果
为验证声波远距离超前物探技术在煤矿实际应用效果,利用DTC-150防爆远距离地质超前探测系统,在焦作煤业集团赵固一矿东、西翼盘区选择5条巷道进行了11次探测,分别是:西翼盘区12041工作面运输巷探测2次,西翼轨道运输巷探测1次;东翼盘区11001工作面运输巷探测2次,11001工作面回风巷探测3次,11131工作面回风巷探测3次。探测全部在二1 煤层(厚度约为6 m)顶层煤巷进行,总体结果:5次物探结论为掘进工作面前方不存在断层,岩层部分区段节理裂隙发育或存在软硬变化界面,整体相对正常;5次物探判断出掘进工作面前方不存在落差较大(H>1.5 m)断层,仅部分区段存在微小断层;1次物探结论为掘进工作面前方存在落差较大断层。
通过巷道掘进或钻探验证,总体上物探准确率在72%以上。物探结果与验证情况见表1。
3.2 西翼盘区西翼轨道运输大巷掘进工作面探测实例
图2为西翼轨道运输大巷掘进工作面超前探测成果图,可以看出,探测前方150 m范围内存在有较强反射界面,围岩纵波平均速度为3 250～4 150 m/s,泊松比为0.10～0.31,围岩密度为2.29～2.47 g/cm3。物探结论:掘进头前方114.7 m范围内未发现大的断裂构造;114.7～129.7 m段岩层裂隙相对发育; 129.7～132.5 m段岩石破碎,为断层破碎带,围岩含水增加; 132.5～145.6 m段岩层裂隙较为发育,为断层影响带。
通过钻探验证,掘进头前方125 m见到1个落差15 m断层,与探测结果基本相符(断层反映明显,因波速取值有微小偏差,位置稍有偏离)。
3.3 东翼盘区11131工作面回风巷掘进工作面探测实例
图3为东翼盘区11131工作面回风巷掘进工作面超前探测成果图,可以看出,探测前方150 m范围内反射回波强度微弱,围岩纵波平均速度为3 950～4 150 m/s,泊松比为0.24～0.28,围岩密度为2.36～2.43 g/cm3。物探结论:掘进头前方探测范围内无明显断层反映,仅在11.3、61、105.8、137.6 m等位置发现几处微弱反射异常,可能系岩层局部节理裂隙发育所至。
探测完成后该巷道正常掘进150 m,未发现断层存在,探测结果与实际揭露相符。
4 结论及改进方向
4.1 结论
从赵固一矿11次掘进工作面远距离超前探测实践来看,物探准确率大于72%。其中,西翼轨道运输大巷超前探测到的断层落差为15 m,断层反射波极强,图形显示非常明显;12041工作面运输巷掘进头(西二胶带巷与12041运输巷交叉口向西688.8 m处)超前探测发现的前方小断层落差仅为0.35 m;11001工作面回风巷和11131工作面回风巷共6次探测都未发现落差较大断层,与巷道揭露情况基本相符。
验证说明,声波远距离超前探测技术适用于快速预报煤矿巷道掘进头前方150 m范围内断层、陷落柱等具有差异性界面的地质异常构造体位置及其含水性等,且具有较高分辨率。该技术的推广应用可减少超前钻探工作量,提高巷道掘进速度,指导巷道安全掘进。
4.2 存在问题及改进方向
4.2.1 数据采集质量问题
在本项目11次探测中,2次探测受到掘进头钻场影响,部分探测受打孔、装药、封孔等施工质量不高影响,造成采集的原始数据有偏差,影响物探结论的准确性。
为了保障原始数据质量,就需要注意避免炮孔、接收孔与掘进头之间存在的钻场,防止炮孔偏斜,装炸药时要确保送炸药至孔底,封孔时炮泥量要足够,保障炸药与围岩耦合良好。
4.2.2 准确选择数据处理参数问题
数据处理软件输入的参数一般为通用经验数值,在多数情况下适用但不精准,需要根据实际探测情况进行调整,必要时可以采用几个参数分别处理,对结果进行综合判断,作出合理选择。
对同一巷道条件下连续跟踪多次探测,有助于通过总结选择准确的处理参数,提高预报精准度。
4.2.3 改进方向
实践证明,声波远距离超前探测技术准确率较高,对断层、陷落柱等地质异常构造体漏判几率较低,但存在误判、多判的可能性,容易把局部节理裂隙或岩层界面判断为异常体,这与其探测原理和应用软件的解析能力有关,需要改进。
与所有物探手段一样,该技术存在多解性,在资料处理解释过程中需加强与其他物探技术和钻探、水文地质资料的结合,综合分析解释,才能“去伪存真”,减少误判,提高预报准确性,更好地为煤矿安全生产服务。
参考文献
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TSP超前探测技术应用分析 篇4
TSP (Tunnel Seismic Prediction) 是目前应用最多的隧道地震波超前地质预报方法之一。TSP作为隧道施工中普遍采用的长距离超前地质预报手段, 可以对岩体的参数进行定量测量, 对工作面前方遇到与隧道轴线近垂直的不连续体 (节理、裂隙、断层破碎带等) 界面的测量结果比较可靠[9,10,11,12,13]。因此, 采用TSP超前地质预报对隧道进行长期预报对施工有较好的指导意义, 能达到减小地质灾害的目的。
1工程概况
某隧道位于秭归县水田坝镇境内, 隧道采用分幅式, 其左幅起讫桩号ZK126+622～ZK130+458, 总长3 836.0 m, 右幅起讫桩号YK126+554～YK130+369.5, 总长3 815.5 m。隧道属标准间距隧道, 设计路面为单向坡, 纵坡降1.692%～1.693%, 最大埋深约421.36 m, 属深埋特长隧道。
隧道区属构造剥蚀侵蚀层状低中山岭剥夷面峡谷区, 受向斜构造以及层状坚硬砂岩—半坚硬砂质泥岩夹软质泥页岩岩性差异风化剥蚀控制, 区内山岭走向、坡面形态复杂多变, 隧道场址位于秭归盆地西翼, 主要由侏罗系层状坚硬砂岩—半坚硬砂质泥岩夹软质泥页岩 (碎屑岩类) 构成, 隧道区内上覆盖层为残坡积碎石土, 沿山坡分布, 局部沟谷处有第四系冲洪积亚黏土、砾卵石层, 下伏基岩为紫红色薄—中层泥质粉砂岩与灰白色中—厚层长石砂岩不等厚互层。
2TSP探测原理
在设计的震源点用少量炸药激发产生地震波, 当地震波遇到岩石波阻抗差异界面 (如断层、破碎带、岩性变化、溶洞和地下水等) 时, 部分地震波信号反射回来, 部分信号透射进入前方介质。反射的地震波信号被高灵敏度的地震波传感器接收。通过TSPwin软件对数据进行处理, 便可了解隧道工作面前方地质体的性质、位置及规模。TSP超前地质预报测线及仪器布置如图1所示。
3数据采集、处理
此次预报采用的是TSP 203plus系统, 对隧道进口ZK127+091～ZK127+218段进行探测, 探测范围共127 m。沿隧道右侧洞壁布置24个爆破点, 爆破点平行于隧道底面呈线形排列, 孔距1.5 m, 孔深1.5 m, 炮孔垂直于边墙向下倾斜15°～20°以利于灌水堵孔。距最后的爆破点15 m处设接收器点, 接收器安装孔的孔深2 m, 内置接收传感器。采集的TSP数据通过TSP win软件进行处理, 获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移图和反射层提取图以及岩石物性参数等一系列成果。
4数据解释
在成果解释中, 预报裂隙水常遵循以下准则:①若S波反射较P波强, 则表明岩层饱含水;②Vp/Vs增加或δ突然增大, 常常由于流体的存在而引起;③S波遇富水岩层反射很强, 且S波反射明显较P波反射强。S波深度偏移以强烈的负反射开始, 以强烈的正反射结束。P波深度偏移以强烈的负反射开始, 以强烈的正反射结束。
基于上述基本准则, 结合不同不良地质的特征, 根据TSP处理结果可知:在ZK127+177附近, 纵、横波波速比 (Vp/Vs) 大幅增加 (由1.63增大到1.88) , 泊松比明显增加 (由0.19增大到0.30) , 密度显著降低 (由2.03 g/cm3降为1.92 g/cm3) , 弹性模量显著降低 (由15 GPa降为10 GPa) , 且横波反射明显较纵波反射强。因此, 可推断此处岩体内节理裂隙发育且含较多裂隙水。
5实际开挖结果验证
当隧道施工至ZK127+177时, 实际揭露围岩为紫红色粉砂质泥岩, 节理裂隙发育, 拱部呈破碎状, 滴状渗水, 整体稳定性较差;拱顶有大面积股状流水, 流量较大。
与实际开挖结果对照, TSP超前地质预报比较准确预报了涌水的位置, 为隧道的施工安全起到了指导作用。
6结论
(1) 隧道施工初勘不能较准确地确定不良地质体的发育位置和情况, 所以在施工过程中超前地质预报必须列入工序。
(2) TSP地质预报可对隧道工作面前方的围岩进行较准确探测, 通过超前地质预报, 能及时掌握工作面前方的地质情况, 为隧道施工和及时调整支护参数提供依据, 有效控制和避免地质灾害的发生。
(3) TSP预报准确预报了某隧道ZK127+177处的涌水情况, 据此, 施工单位及时变更了支护形式, 保证了隧道的顺利施工。TSP对裂隙水的探测结果比较准确, 对类似工程有较好的借鉴意义。
摘要：TSP技术是目前较先进的隧道超前地质预报技术, 可以较准确地探明隧道不良地质问题, 对施工中的地质灾害防治具有较好的作用。结合某岩溶隧道施工探测应用实例, 介绍了TSP探测原理、数据采集处理及解释方法。实际开挖结果证明, TSP超前地质预报技术比较准确地预报了涌水的位置, 为隧道的施工安全起到了指导作用。
岩巷掘进超前临时支护的应用探讨 篇5
关键词：煤矿,临时支护,岩巷应用
1 概况
五沟煤矿地处淮北市濉溪县境内, 北距淮北市50公里, 东北距宿州市35公里, 井田属临涣矿区, 地质条件中等复杂, 开采面积15KM, 可采储量4000万吨, 4个主采煤层 (72、81、82、10煤) 平均总厚度10.69米, 煤种为主焦煤, 煤质优良, 是国家鼓励提倡的洁净环保用煤。矿井设计年生产能力60万吨, 服务年限52年, 2004年年底筹备, 2005年6月25日开工建设, 2008年5月22日实现联合试运转, 2008年9月12日, 顺利通过省发改委对矿井及选煤厂的竣工投产验收, 矿井正式建成投产, 矿井累计总投资11.25亿元, 投产当年矿井完成原煤产量100.79万吨。采用立井、暗斜井开拓方式, 矿井主要开采二叠系煤层, 煤层倾角10°~25°, 煤层结构复杂, 以贫瘦煤为主。煤层厚度变化较大, 一般在3.5~9.0, 部分地段煤层极不稳定, 地质构造复杂, 断层发育且多伴生小断层成组出现, 煤层平均厚度为7.5m属于煤与瓦斯突出矿井。
2 存在的问题
通过对矿区近几年各类事故情况分析, 发现顶板事故所占比例大, 岩巷掘进顶板事故在煤矿事故中占居前列, 冒顶事故对矿井安全生产危害极大。因此, 从多角度和深层次剖析研究冒顶事故发生的原因, 认为冒顶事故的发生, 一般与矿山地质条件、生产技术和组织管理等多方面因素有关, 其中自然地质环境和恶劣的地质条件是孕育惨痛顶板事故的根源。
顶板事故的形成过程 (或条件) :煤炭在地下开采, 直接受上覆岩层压力的影响。因开拓、掘井或采煤, 破坏了原有地层的平衡状态, 造成矿山压力分布不均匀。这种分布不均匀的压力作用在巷道或回采工作面及四周的煤、岩体上, 一旦超过巷道或顶板的支撑力, 顶部或帮部煤体或岩体冒落下来, 造成伤人事件发生。
科学合理地开拓设计、布置巷道, 在充分查清矿区地质条件的基础上, 井巷工程设计过程中, 要避免在地质构造线附近布置巷道, 因为垂直于地质构造线方向的压应力最大, 是岩体产生变化和破裂的主要因素。要避免在断层、节理破碎带、泥化夹层等地质构造软弱面附近布置巷道。围岩的次生应力与原岩应力和侧压系数有关, 应将巷道布置在顶板压力不会太集中, 顶板稳定性较好的部位。
总结规律, 找到一种“科学预测, 超前预报, 事先防范”的预防顶板事故途径, 以期在实践中正确指导煤矿安全生产工作。如何有效控制顶板, 防止顶板事故, 仍是当前急需考虑的问题。通过实践, 五沟煤矿岩巷掘进工作面采用1寸钢管做超前临时支护, 有效地控制顶板事故发生, 从基础杜绝了顶板伤人事件, 取得良好的经济效益和社会效益。
3 超前临时支护设计参数及操作方法
3.1 工艺及参数要求:
3.1.1 放炮后找顶、喷护顶浆 (不小于30mm) 。
3.1.2 采用特制6根1寸钢管 (长度3m) 、间距600~800mm, 钢管上部铺金属大眼网进行护顶。
3.1.3 护顶宽度 (弧长) :2.4~3.2m。
3.1.4 临时支护长度最长2.8m。
3.1.5 最大空顶距不得超过一个循环进尺加200mm距离。
3.2 超前支护具体操作方法:
3.2.1 打上部眼 (周边眼) 时, 按巷道中线对称打6个超前钻孔, 要求钻孔深度比周边眼深300~400mm, 眼间距600~800mm。
超前钻孔禁止装炸药。
3.2.2 放过炮后, 施工人员及时进行敲帮问顶、喷护顶浆。
然后把1寸钢管穿入超前钻孔内 (深度300mm) , 后端与锚杆或金属大眼网用10#铁丝双股双排扣联结固定。
3.2.3 顶部金属大眼网固定时, 应把最前一排锚杆螺母去掉, 新
网与老网进行压茬, 压茬好后再上螺母拧紧, 新网与钢管连接应用10#铁丝固定。
3.2.4 只有顶部 (最少宽度2.5~3.0m) 采用锚网支护后, 方可去掉钢管。
3.2.5 临时支护钢管去掉后, 必须喷浆盖严金属大眼网, 否则不得炮破。
3.2.6 上山掘进时, 所使用的1寸钢管必须有防止下滑设施。
3.3 其它要求
岩石条件差, 顶板破碎的情况下, 放炮前必须施工超前锚杆, 方向与巷道的方向成45°, 位置为巷道的顶部, 数量根据巷道的断面确定, 但不得少于三根, 放炮后采用锚网喷临时支护。
4 巷道掘进临时支护问题
采用三根吊挂前探支架做为临时支护。前探梁采用矿用11#工字钢钢制作, 长度大于3.0m, 用吊环固定。中间一根沿巷道中线布置, 两侧前探梁距中间一根1.0m, 每根前探梁不少于2个固定点。前探梁到迎头的端面距不得大于0.3米。前探梁上方使用专用方木 (规格1600×120×3200mm) 、构木、木契等, 超前支护距两帮端面距不超过0.3米。
吊环的强度要与前探梁的强度相匹配。上吊环的锚杆必须留有40~100mm的丝扣, 以保证吊环的牢固。吊环必须全部上入锚杆, 要求上紧上牢上满丝;在前探梁临时支护掩护下, 再进行其他工作。
架设前要先进行敲帮问顶, 清理浮矸活石, 然后前移前探梁。前探梁临时支护操作规程:
4.1 使用前, 首先检查吊环有无变形、开焊、丝口损坏, 并检查锚杆的初锚力, 要求不小于设计值。
4.2 放炮后, 首先进行敲帮问顶, 处理工作面活矸, 然后将四个吊环分别固定在间隔1600mm的第三排及第一排锚杆上, 要求:
吊环螺母进入锚杆不小于20mm, 然后将前探梁插入吊环内。两根前探梁在巷道正中布置间距1000mm。
4.3 将金属网平铺在探梁以上, 并与后边的金属网搭接, 搭接长
度不小于200mm, 金属网之间采用8#铁丝逐孔穿接, 铁丝端头与金属网扭接牢固。
4.4 接着把四根方木成“#”字型放在前探梁上 (金属网以下) 摆平放正, 方木间距1000mm。
4.5 在方木间均匀布置四至六根构木接顶, 并用木契打紧打牢,
其位置以不影响打锚杆为原则, 同时要求在前探梁末端, 也必须用方木及构木将前探梁与顶板之间的空隙构紧构牢, 上方木前, 必须将网铺设好。
4.6 在安设、前移前探梁时, 必须有专人观察顶板的变化情况。
4.7 每完成一个循环前探梁必须向前移一次。
5 结论
通过使用超前临时支护, 该超前支护操作简单易行, 安全性高, 能够有效控制顶板事故发生, 降低顶板事故伤人事件的发生, 经济效益及安全系数显著, 达到了预期效果, 值得进一步推广应用。
参考文献
[1]勾攀峰, 张盛.钻孔淋水对树脂锚杆锚固力的影响分析[J].煤炭学报, 2004 (6) :680-683.[1]勾攀峰, 张盛.钻孔淋水对树脂锚杆锚固力的影响分析[J].煤炭学报, 2004 (6) :680-683.
[2]高喜才, 伍永平, 董柏林.复杂围岩环境大断面斜井筒耦合支护技术实践[J].煤炭工程, 2008, (1) :43-45.[2]高喜才, 伍永平, 董柏林.复杂围岩环境大断面斜井筒耦合支护技术实践[J].煤炭工程, 2008, (1) :43-45.
[3]董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及应用技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2001.[3]董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及应用技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2001.
掘进头超前探测论文 篇6
关键词：煤矿产业,巷道掘进,支护技术
0 引言
在煤矿的开采井下作业的时候, 通常先是用特定的方法将岩体和煤矿破碎, 来形成巷道空间来方便作业, 然后还要对其进行一定的支护工作, 这就叫做掘进施工。在对巷道进行挖掘之前做好一定的计划, 才能对煤矿资源进行充分的开采。在掘进的时候合理施工才能最大限度的保证施工的安全, 加快掘进的速度, 提高效益。随着开采的深度不断的加深, 地质也越来越复杂, 我们需要加大掘进巷道的支护力度, 所以锚网技术被广泛的应用在开采工作中。
1 关于锚网巷道掘进技术的基本原理
锚网巷道的支护技术在开采的过程中最重要的一个作用就是能够控制锚网固定区围岩的离层和裂纹变形等。所以在支护工作的开展中, 锚网支护技术能够使锚固区的岩石受到的压力没有很大的变化, 能够最大程度的减小岩石的拉伸力, 最大程度的保持岩石的完整性, 从而避免围岩受到很大的破坏, 提高了围岩的稳定性。
在支护工作中, 锚网支护技术最重要的一点就是其刚度, 因为锚网支护技术的好坏主要取决于其预应力的固定, 而固定预应力就要取决于煤矿巷道的围岩的实际条件, 最后才能在让围岩拥有高预应力的同时, 有很高的围岩强度。另外, 锚支护技术预应力的扩散也会在一定程度上对支护效果产生影响。一般说来锚网的预应力上下浮动范围是比较小的, 所以在进行井下施工的过程中需要用到金属带、钢带等等的辅助部件, 这些辅助构件可以把预应力进行分散, 因此这些辅助部件在锚网巷道支护技术中起着至关重要的作用。
2 巷道掘进支护技术的现状
掘进和回采是整个煤矿开采技术的关键环节, 采掘技术和装备的水平直接影响到煤矿的效率和安全性。所以高效的机械化和支护技术是保证开采效率和安全的必要的条件, 同样也是巷道掘进支护技术的前进方向。
目前国内外的比较先进的掘进技术包括各种各样的掘锚机以及许多的新技术和新工艺, 但是还是没能有效的解决掘进的超前支护作业的问题, 对掘进的效率有很大的约束。在掘进机的开采率不高的情况下, 单单的增加掘进头和提升掘进机的档位是无法提高开采效率的。比较传统的掘进和支护技术有很大的安全隐患。
锚网支护的巷道掘进工作面受到了施工空间的约束, 目前的超前支护主要是四种不同形式:第一种, 把活动的钩环挂在顶网上来配合圆钢管;第二种, 焊接在顶部的钢筋带上两个矩形方框, 在把圆钢环穿在其中随掘进前移;第三种, 机载式的超前支护;第四种, 一种专业的超前支护支架。前面两种根据顶板的不同来选择单独还是配合着使用, 后面两种依靠液压系统, 操作方便但是费用高。
掘进工作中的支护技术是长期以来约束煤矿开采效率的一大难题, 巷道进行掘进以后裸露出顶板, 一旦没有及时的进行支护, 就很容易发生顶板掉落伤人。
3 超前支护技术的改进研究
(1) 顶板部位依旧采用的是原先尺寸的圆钢管, 迎面的煤墙要加装一种特制的护网, 该护网和超前支护的钢管铰接。超前支护的圆钢管和顶锚杆也进行连接, 采用特制成插销式的悬吊固定卡, 这样可以方便移动。超前支护圆钢管和煤墙的护网用撑杆固定, 这样就能更加的吃力。另外在超前支护钢管的后面装上用于固定的钩, 来防止钢管因护网受力而滑动。在护网的下端加装固定小钩, 护网就不需要频繁的进行摘挂, 在机组出煤之前将护网挂在钢管上。
(2) 超前支护钢管的前端50 毫米处加装挂钩, 挂钩采用合适尺寸的钢筋制作, 开口朝钢管的前面, 方便挂护网。在钢管离前端大概800 毫米处加装四个定位销, 连接护网的撑杆, 定位销采用钢管制作, 其互相之间间距为100 毫米。最后在钢管的后端加装带链的小钩。
(3) 超前支护的悬吊卡要用8 毫米上的钢板制作, 在其顶部焊接螺母和顶锚杆进行固定连接, 两侧打三个孔, 使用销封口用钢管穿插。
(4) 护网部分的骨架为钢管制作的矩形方框, 内部再由钢管纵横分割为6 个小的矩形方框。矩形方框的下边加装焊接两个带链的小钩。在中部焊接两个活动的撑杆, 撑杆前端有直钩, 与超前支护杆的四个定位框进行连接。
在使用的过程中, 其改进过程中涉及的各部位的加装都必须要焊接牢固, 焊缝处一定要均匀饱满, 才能保证其效率和安全性。上面提到的迎面煤墙护网需要专用的销连接, 合为一体, 紧贴巷道的迎面煤墙。悬吊卡的螺母一定要拧满, 并且紧随超前支护钢管进行移动。护网的撑杆和钢管的定位处要有效连接, 不能够发生脱钩的现象。
4 结束语
综合物探在煤矿超前探测中的应用 篇7
关键词：综合超前探测,瞬变电磁法,直流电法,地震法
晋城矿区内多年来小窑乱采、乱掘, 造成采空区、采空积水遍布, 资源整合建设现代化的新型矿井后, 对新矿井的建设和生产造成极大威胁, 绝大多数透水灾难发生在掘进工作面。针对这一问题, 为了探明掘进工作面前方采空区的分布及其含水情况, 采用瞬变电磁法、直流电法和地震法对掘进工作面前方可能存在的采空区进行综合超前探测, 取得了很好的效果。现以晋城矿区内某矿井应用情况为例进行说明。
1矿井地质概况
该矿井的地层由老到新有奥陶系、石炭系、二叠系、第四系, 其中石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为矿井的主要含煤地层。井田总体为一走向北东倾向于北西的单斜构造, 地层倾角约3°~6°, 伴随发育有较宽缓的褶曲和断层构造, 未发现陷落柱构造, 未见岩浆岩侵入。
2施工方案设计
在该矿井3201巷掘进工作面进行施工。该巷道开采煤层为3号煤层, 煤层上距K8砂岩27.39m下距K7砂岩6.6m。
2.1瞬变电磁法施工设计
选用YCS160矿用本安型瞬变电磁仪进行施工。设计矿井瞬变电磁法超前探测共布置横向探测方向14个 (如图1) , 分别是左侧帮 (0°、15°、30°、45°、60°、75°) 、正前方 (左侧90°、右侧90°) 、右侧帮 (0°、15°、30°、45°、60°、75°) ;每个横向探测方向共布置3个纵向探测角度 (图2所示) :与巷道顶板呈30°夹角向前方顶板探测 (图2 (b) ) 、顺岩层方向向前方探测 (图2 (a) ) 、与巷道底板呈30°夹角向前方底板探测 (图2 (c) ) 。
2.2直流电法施工设计
选用YTD-400 (A) 矿井全方位探测仪进行直流电法施工。设计供电电极A1, A2, A3间距为4m, 测量电极M、N间距为4m, 供电电极A1距掘进头约14m, 测量电极M、N移动次数30次, 每组M、N测量电极对应3个供电电极A1, A2, A3, 共计90个测点数据, 如图3所示, 探测深度为100m。
具体施工如下:
第一步:以皮卷尺为测量工具, 在距迎头14m处为起始点按4m为间距, 一次标点为1、2、3……30。
第二步:在1、2和3号布设供电电极A1、A2和A3。
第三步:在4号点及以后电极均布设为测量点。
第四步:测量时将供电电极A和B (无穷远) 固定, 当A1供电时, 测量电极M和N在4和5号点处, 记录采集数值;然后M电极从4号点移到6号点, A1再次供电记录数据;依次这样交替移动M和N电极, 由A1供电分别记录各点数据, 直到30号点结束。
第五步:当第四步结束后, 再以A2和A3分别为供电电极重复第四步操作, 直至跑极结束, 达到设计探测目的。
2.3地震法施工设计
使用华安奥特科技有限公司YTZ1矿用本安型地震仪进行施工。将观测系统布置于巷道迎头, 在迎头断面采用单点自激自收反射波法以小偏移距进行数据采集。如图4所示。
3成果分析
3.1瞬变电磁法成果分析
从图5顺层探测结果中可以看出, 在探测范围内, 发现1处低阻异常, 距离探测位置45m之外。
3.2直流电法成果分析
图6为直流电法掘进头超前探测剖面图, 可以发现, 在有效探测深度范围之内, 有1处低阻异常, 命名为低阻异常1。低阻异常1位于距掘进头前方约40-50m处。
3.3地震法成果分析
图7为超前探测结果剖面图, 从结果中可以发现1处异常, 位于探测前方37-45m处。
4钻探验证
为对三种探测结果中的异常区进行验证, 该矿进行打钻施工。设计三组钻孔, 巷道正中向前方一组, 巷道左右帮与巷道中心线夹45°角各一组。左帮钻孔100m全煤, 巷道中心钻孔在43m处见空出水, 巷道右帮钻孔在38m处见空出水。经化验, 出水为老空水。
5结论
本次物探工作共采取了瞬变电磁法、直流电法、地震法三种勘探方法对3201巷掘进工作面前方小窑采空破坏区进行探查。每种物探方法都圈出异常区, 且经钻探验证, 物探结果准确。
通过本次实例可以证明, 在掘进工作面使用瞬变电磁法、直流电法和地震法的综合物探方式, 可以较为准确地查明前方未知采空区的位置及富水性, 成果可靠, 能够为矿井生产提供可靠的地质资料。
参考文献
[1]吴有信, 等.煤矿深部开采地质保障中的综合物探技术应用[J].工程地球物理学报, 2009, 02.
[2]吴有信, 方舍珍.综合物探在煤矿深部开采与灾害防治中的应用[A].中国煤炭学会矿井地质专业委员会2008年学术论坛文集[C].2008.
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[6]郭开文.煤矿防治水工作中勘探方法的综合运用[J].内蒙古煤炭经济, 2012, 11.
掘进头超前探测论文 篇8
关键词：掘进工作面,地震波,水文地质,超前探测
0 引言
Y252工作面位于唐山矿岳胥区11水平,南、西部为井田边界及F5断层。东部为7173、7050、7050西、7170等开拓巷道,北部无采掘工程。该工作面在5煤层顶板含水层下施工,此处含水层直接接受冲积层补给,动水补给量充沛,不易疏干。根据地面三震勘探成果资料,向前掘进将至DF11断层,其间还可能存在一些小断层和裂隙发育区。对Y252工作面安全掘进施工及岳胥区工程构成潜在威胁。为保证掘进施工安全,需查明前方构造位置及其富水性,为巷道设计、支护及矿井防治水提供依据。结合风巷的实际情况,采用矿井巷道地震波超前探测方法,力求提高探测的准确率。对Y252工作面的安全掘进施工以及岳胥区工程的施工具有十分重要的意义。
1 矿井震波超前探测基本原理
矿井震波超前探测是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体时会发生反射的原理,结合巷道的特点,设计研制的沿巷道后方布置震源和传感器来探测巷道前方地质条件和水文地质条件的观测系统。震波是由特定位置进行小型爆破产生的,爆破点一般是沿巷道左(右)帮平行洞底成直线排列,这样由人工制造一系列有规则排列的轻微震源,形成地震断面。这些震源发出的地震波在遇到地层层面、节理面、特别是断裂破碎界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等不良界面时,将产生反射波。
2 矿井震波超前探测井下施工
2.1 测线布置与数据采集
现场探测工作在Y252工作面掘进超前风巷迎头处展开。因该工作面在5煤层顶板含水层下施工,此处含水层直接接受冲积层补给,动水补给量充沛,不易疏干。为了进一步查明前方构造准确位置及裂隙发育情况,现场进行了地震超前探测与预报,为掘进施工安全提供有效的技术参数。
2.2 矿井震波超前MSP现场布置
测线布置左帮上,水平布置,炮孔26个;接收传感器点为2个即C1、C2。传感器及炮孔顺序和方位见图1,设计炮间距2m。其中C2传感器距离P26号炮点15m,C1点距C2点5m。标志点风轴距离迎头5.5m。
3 矿井震波MSP超前探测数据处理与分析
3.1 数据处理
将现场采集到的物探数据经过处理转化为可利用的物性图件,其处理流程为:数据预处理——频谱分析——直达波求取——反射波提取——速度分析——深度偏移——界面提取。根据速度谱并结合现场岩性情况,再结合以往探测的验证结果,本次MSP探测取综合速度为2.5m/ms进行偏移处理速度。频谱分析处理利用FFT工具对本巷道采集的地震波形进行频率域分析,作用在于掌握对本巷道在炸药震源条件下的地震波主频分布范围,有利于指导后续数据的处理。采用各记录源检距和初至到时可拟合成直达波初至直线,经分析直达纵波速度为2.5m/ms。利用直达波速度可基本确定本探测区域速度范围并作为深度偏移时的速度背景值。深度偏移处理为MSP处理的核心部分,在给定速度模型的条件将来自前方介质的反射能量偏移归位至空间点上。以此成果图件为基础提取巷道前方反射界面。基于直达波速度,本次均匀速度背景值取值为2.5m/ms。由于采用炸药震源,探测距离较远,以C1为相对零点,整体探测距离达到227m,其中已揭露区77.0m,未揭露区150.0m。
3.2 结果分析
用MSP方法得到的巷道前方地震纵波界面提取面,从剖面中分析可以看出,自迎头向巷道前方150m范围内存在有较为明显的反射相位,异常界面距当日迎头前方68-73m段,而距风轴点为73.5-78.5段,较强的反射界面距当日迎头前方93-98m段,而距风轴点为98.5-103.5m段,其界面反射能量较强,同时在横波剖面中可以发现在当日迎头前方5-10m段具有反射波相位,可能为存在的裂隙发育的特征表现。
4 结论和建议
通过超前地震现场进行勘探,综合上述纵横波偏移结果及现有地质资料,得出如下:(1)推断在风轴测点前方73.5-78.5段存在R1异常界面,在风轴点前方98.5-103.5m段存在R2异常界面,在风轴点前方128.5-133.5m段存在R3异常界面。(2)结合地质资料将在风轴测点前方73.5-78.5段R1异常界面推断为破碎带或者小构造,裂隙较发育。规模较小,对掘进影响不大。(3)从MSP超前探测结果得出,相对风轴点向巷道前方98.5-103.5m存在R2异常界面和128.5-133.5m处存在R3界面推断为具有一定规模的构造、存在断层或破碎带,对巷道掘进有一定影响。(4)综上,在探测控制范围内可安全掘进,在掘进通过预报的构造或破碎带时提前做好防治措施,加强顶板管理和巷道支护。
通过超前探测,基本了解了DF11断层区域内的水文地质情况。因第一次进行地震超前探测,其地震波速选取对断层界面位置的解释产生一定的影响,建议掘进过程中加强地质编录,以便后续探测的深入分析。同时做好异常界面处的安全技术措施。确保Y252工作面的安全生产。
参考文献
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[2]赵永贵,刘浩,孙宇,肖宽怀.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展,2003,(03).