开采监测论文

开采监测论文（精选5篇）

开采监测论文 篇1

0引言

郴州市位于湖南省南部, 是全国主要的有色金属原材料基地。其矿产资源储量相当丰富, 目前有各类矿山企业一千多个。由于矿山开采能带来较大的经济效益, 出现了大量非法开采, 从而越来越多地暴露出安全事故、环境污染、资源破坏与浪费等问题。

传统的矿山开采管理采取矿政人员巡查方式, 这使得全面监控的周期长、效率低。随着遥感技术的发展, 地球资源卫星图像的分辨率越来越高, 可用其来监测、监督矿产资源的开发, 尽早发现非法开采, 以减少安全事故的发生, 满足矿山开采的可持续发展, 为国土资源的科学管理提供依据。

1系统分析

1.1系统目标

近年来有些地区对矿山开采卫星动态监测做了大量探索和试验, 认为该方法时效性、实用性强, 但并未推广, 也没能形成一个完整的系统。而通用的遥感图像处理软件要求操作者具备丰富的专业知识, 因此, 设计并实现一个专门的、易于操作的矿山开采卫星监测系统非常必要。该系统应该完成:处理并分析卫星图像, 圈定出合法矿山分布范围, 并找出非法开采矿山位置, 且能对各期卫星图像进行统一管理。

1.2卫星图像的选择

目前, 卫星图像种类较多, 各种卫星图像在光谱分辨率、空间分辨率和价格方面的差距很大。选择图像源时要根据监测精度与矿山开采管理的实际要求出发, 争取做到既经济实用, 又能取得较好的监测效果, 该监测系统选择中巴地球资源卫星02星 (CBERS-02) 图像。中巴地球资源卫星是由中国和巴西联合研制的传输型陆地资源遥感卫星, 其数据产品已应用到农业、水利、生态建设等多个领域。CBERS-02卫星于2003年10月成功发射, 其数据总体质量比CBERS-01卫星有所提高, CCD相机在星下点的空间分辨率为19.5 m, 扫描幅宽113 km, 图像全球覆盖周期26 d, 它在可见、近红外光谱范围内有4个波段和1个全色波段[1]。

2系统设计

2.1系统功能模块设计

系统采用结构化设计方法, 根据业务需求, 将郴州市矿山开采卫星监测系统分为四大子系统:卫星图像处理子系统、圈定合法矿山范围子系统、检测非法矿山位置子系统和卫星图像库管理子系统。各子系统的功能需求如下:

· 卫星图像处理子系统 实现卫星图像的读取查看和处理分析。主要包括卫星图像的各种显示、预处理、增强处理以及信息提取。

· 圈定合法矿山范围子系统 在卫星图像上标记出所有合法矿山。主要包括标记矿山的合法范围、显示矿山的其它属性、分乡镇县市圈定。

· 检测非法矿山位置子系统 提供新增的而又未进行申请登记的采矿地址。主要包括确定变化区域、鉴别变化性质、保存非法矿山位置。

· 卫星图像库管理子系统 对同一地区的所有卫星图像进行统一管理。主要包括新建卫星图像库、添加卫星图像、删除卫星图像、查看卫星图像。

2.2系统数据库设计

· 郴州市矿山信息数据库 包括郴州市采矿申请登记信息, 如许可证号、申请人、矿山名称、东经起、东经止、北纬起、北纬止、开采主矿种、开采方式、有效期起、有效期止等。

· 郴州市乡镇信息数据库 包括郴州市所有乡镇信息, 如乡镇名称、乡镇起始范围、乡镇面积、所属县市等。

· 郴州市卫星图像信息数据库 包括郴州市所有卫星图像的属性信息, 如波段数、图像行数、图像列数、东经起、东经止、北纬起、北纬止、图像采集时间、文件路径等。

3关键技术的实现

3.1卫星图像的读取

卫星图像数据的读取是实现其它功能的前提。系统采用的CBERS-02图像为Img格式, 它是超大数据量多波段的遥感图像格式, 其中存储了文件信息、地面控制点、传感器信息、波段1到波段n等。其中文件信息包括文件名、图层名、文件最后修改日期等;传感器信息包括拍摄的日期和时间、传感器的方向、图像的实际度量等;波段i包括图层信息、图层统计值、发射信息、金字塔层、数据值等。

为了实现高质量快速度读取卫星图像, 系统采用GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) 库, 它开源、跨平台、功能强大, 能读取、写入、转换、处理多种栅格数据。读取Img图像部分代码如下:

GDALRasterBand *poBand1;

poBand1=poDataset->GetRasterBand (1) ; //获得一个波段

int nImgSizeX=poDataset->GetRasterXSize () ; //图像宽度

int nImgSizeY=poDataset->GetRasterYSize () ; //图像高度

BYTE *pafScanb1; //用于存储波段各像素的值

pafScanb1= (BYTE*) malloc (sizeof (BYTE) *

(nImgSizeX) * (nImgSizeY) ) ;

poBand1->RasterIO ( GF_Read, 0, 0, nImgSizeX, nImgSizeY,

pafScanb1, nImgSizeX, nImgSizeY, GDT_Byte, 0, 0 ) ;

// 将poBand1中的各像素值读取到pafScanb1

3.2卫星图像的分析

图像分析是图像理解的基础。该系统实现了最近邻分类法、K均值聚类法[2] 等来提取不同地物, 并实现了一种基于多特征的分类方法[3]。

基于多特征的分类方法先进行图像分割, 把整幅图像分割成一些光谱相似、空间相邻的同质区域或对象。系统采用自下而上区域合并的分割算法, 先选择合适的种子点进行区域生长;定义异质性指数来判断是否进行区域合并, 异质性指数综合考虑对象的光谱信息与空间信息, 如区域的方差、面积、光滑性、紧致性;再对分割后的同质区域进行特征提取, 提取对象的光谱、形状、纹理信息来综合描述某一地类的本质特征。计算每个对象的亮度、细长度、形状复杂度、均匀性。其中, 亮度为光谱信息;细长度和形状复杂度为形状信息, 前者指区域的长宽比, 后者指区域单位面积的周长大小;均匀性为纹理信息。最后进行对象识别, 根据各个对象的特征值来区分地类。如, 道路:细长, 密度均匀, 较亮;河流:细长, 密度均匀, 较暗;农用地:非细长, 形状规则, 绿色;建筑物:非细长, 形状规则, 非绿色;裸地:非细长, 形状复杂, 黄色或白色;水体:非细长, 形状复杂, 密度均匀;林地:非细长, 形状复杂, 密度不均匀, 绿色。

对使用多特征分类法的郴州地区卫星图像分类结果进行野外验证, 结果表明其分类精度较高。

3.3检测非法矿山位置

卫星图像在应用前需要进行一系列处理, 如图1所示。

利用CBERS-02图像进行非法矿山检测的步骤: (1) 预处理, 打开相邻时间获取的郴州市卫星图像1和图像2, 系统采用CBERS-02图像的3级产品, 已进行了辐射校正、系统几何校正以及二维几何精校正; (2) 图像处理, 分别对两幅图像去除薄云影响, 实现对比度增强中的分段线性拉伸、直方图均衡化以及滤波增强中的平滑、锐化等来改善地物的视觉效果; (3) 图像分析, 系统提供监督分类、非监督分类、基于多特征的分类, 可选择任一种分类方法对两幅图像进行分析; (4) 图像理解, 先比较两幅图像公共区域的图像分析结果, 确定出变化区域, 系统提供图像差值法、图像回归法和分类后比较法。根据新增的矿山开采, 一般在地表上会增加建筑物、矿石堆场、矸石堆场、矿山道路等设施, 则可从变化区域中确定出变化的矿山开采, 再与圈定的合法矿区范围叠加, 得到非法矿山开采的位置, 将检测出的每个非法矿山开采位置的经纬度、所属乡镇保存到数据库; (5) 结合其他相关信息, 进行野外实地考证。

4应用示例

系统采用郴州境内113.08°-113.12°, 25.82°-25.78°区域作为示例, 其面积为15.21平方公里。相邻两个时期获得该区域的遥感影像如图2 (a) 和图2 (b) 所示, 在郴州市矿山信息数据库中发现该区尚未设置任何矿权。系统根据图1的流程对两幅遥感影像进行处理, 发现如图2 (c) 中绿色所示的疑似非法采矿点, 在这些地方中选择了12个检查点进行野外考证, 结果确认6个检查点为非法开采。

5结束语

郴州市矿山开采卫星监测系统利用卫星来监测矿山开采行为, 实现了矿山开采和卫星图像的科学管理。具有操作简单、时效性强、实用性强等特点, 同时它也具有通用性, 其它地区只需要导入该地区的卫星图像和采矿申请登记信息, 就能找出该地区的可疑非法矿区, 实现国土资源管理的科学化、信息化。

参考文献

[1]马建文, 顾行发, 冯春, 等.CBERS-02卫星图像薄云的去除方法研究[J].中国科学E辑:信息科学, 2005, 35:11-25.

[2]赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社, 2003.

[3]蔡银桥, 毛政元.基于多特征对象的高分辨率遥感影像分类方法及其应用[J].国土资源遥感, 2007 (1) :77-81.

[4]Kumar Navulur.Multispectral Image Analysis Using the Object-Orien-ted Paradigm[M].New York:CRC Press, 2006.

[5]Jay Liu J, John F Mac Gregor.On the extraction of spectral and spatialinformation from images[J].Chemometrics and Intelligent LaboratorySystems, 2007, 85 (1) :119-130.

开采监测论文 篇2

关键词：上下煤层,锚杆 (索) 受力,监测

1 工作面概况

1.1 30205工作面概况

30205工作面开采煤层为山西组3-2#煤层, 其煤层赋存状况序述如下:

3-2号煤层:该煤层全井田稳定可采, 上距3-1号煤层8.96~15.16m, 平均11.64m, 煤层厚度变化不大, 为中厚煤层。煤层厚度一般为1.40~4.25m, 平均2.1m。厚度变化不明显。煤层结构大部较简单, 含夹矸0~2层, 局部结构复杂, 含夹矸可达4层。顶板为砂岩或砂质泥岩、泥岩, 底板为泥岩、砂质泥岩或细砂岩。

30205综采工作面开采方法为单一走向长壁采煤法, 一次采全高, 顶板处理为全部垮落法, 设计采高为2.1m。30205工作面运输巷断面设计为矩形:S净=宽4800mm×高3000mm=14.4m2;S毛=宽5000mm×高3100mm=15.5m2。

1.2 4105工作面概况

4105工作面回风巷掘进煤层为石炭上统太原组含煤地层, 该煤层全区稳定。井田大面积为新生界地层覆盖, 近在沟谷中有上石河子组 (P2s) 地层出露, 下石河子组及其以下地层均埋藏于侵蚀基准面以下。地表水及地下水水量很小, 水文地质条件简单。上距3-2号煤层平均23.75m, 煤层厚度变化不大, 为中厚-厚煤层, 厚度3.4-9.2m, 平均为6.3m。由东至西呈逐渐变薄趋势, 含夹矸0-3层, 结构较复杂。当巷道掘进到钻孔附近时, 封闭不良的钻孔存在导水可能, 因此要密切注意煤层出水和顶板淋水情况, 并及时向矿调度。预计巷道最大涌水量3m3/h, 正常涌水量0.5~1m3/h。

30205工作面采用综合机械化开采, 4105工作面采用综放开采。

30205综采面与4105综放面位置关系图:图上标注工作面当日开采的具体位置。

4105运输巷和回风巷巷道断面图如下:

2 锚杆 (索) 施工质量监测技术介绍

2.1 锚杆对岩体的锚固机理

(1) 锚杆与岩体粘结在一起, 提高了岩体的整体刚度, 增强了岩体抗变形能力, 加强了岩体的整体性;

(2) 由于锚杆的抗拉作用, 当锚杆穿越破碎岩层深入稳定岩层时, 对不稳定岩层起着悬吊作用;

(3) 对于层状岩体, 由于锚杆的作用, 对岩层离层的产生有着一定的阻碍作用, 并增大了岩层间的摩擦力, 与锚杆本射的抗剪作用阻止岩层间产生相对滑动, 从而将各个岩层夹紧形成组合梁, 提高了岩层的承载能力;

(4) 由于锚杆的作用, 改变了边界岩体的受力状态, 使其由一维应力状态转化为三维受力状态, 提高了岩体的承载能力。

2.2 锚杆支护的力学指标

锚固力、预应 (紧) 力、轴向工作荷载、阻力特性曲线和极限伸长量等。

(1) 锚杆锚固力:指锚杆在拉拔试验中的极限拉力, 是锚杆拉出或拉断时的最小拉力。

(2) 预应 (紧) 力:是安装锚杆时给其施加的初始锚固力, 是及时控制巷道变形的保证;

(3) 轴向工作荷载:为巷道变形稳定时锚杆承受的荷载。端部锚固锚杆的拉拔试验与实际工作时受力状态一致, 是设计计算的主要指标。

(4) 阻力特性曲线:即锚杆在拉拔试验时拉拔力和锚杆变形的关系曲线。按阻力特性可将锚杆分为刚性、增阻式和恒阻式三种。软岩巷道锚杆的初始锚固力不应小于49k N, 终锚力不应小于60k N。锚杆的阻力特性应与软岩变形特性相匹配。

2.3 30205和4105工作面锚杆 (索) 施工质量监测内容及方法

(1) 锚固力监测

锚杆 (索) 固力监测是锚杆支护施工质量检查中最基本的测量工作, 其目的为: (1) 了解锚杆实际受力状况和锚固质量是否达到设计值, 是否出现了预应力松弛; (2) 监测锚杆提供的最大锚固力, 为锚杆支护设计提供依据。

传统锚固力大小一般是通过锚杆抗拔力试验进行监测, 以检查锚杆安装质量。常见仪器是锚杆拉力计, 因为有可能造成围岩损坏, 不能大量普查, 但它比较直观。

(2) 锚杆 (索) 的工作载荷监测

承受荷载测试是测试巷道支护后锚杆实际受力状态的一种原位测试方法, 工作荷载主要反映锚杆和承托岩石物件对围岩的实际锚固力, 是锚杆支护巷道监测的一项重要内容。通过分析锚杆支护软岩巷道在服务期间锚杆的荷载变化情况, 监测锚杆工作状态, 了解锚杆实际受力状况和锚固质量是否达到设计值, 可为调整和修改支护参数提供实测依据。

传统的锚杆荷载一般用锚杆测力计、液压枕, 不利于大面积使用, 若大面积使用, 安装设备较多, 费用较高。

注:在支护期间, 锚杆或锚索的荷载受到许多因素的影响, 导致荷载的不断变化。所以, 需要不断进行监测, 以随时掌握受力状态。

(3) 锚杆 (索) 的初始预紧力监测

对锚杆施加初始预紧力是充分发挥锚杆主动支护作用, 使其与围岩共同承载的关键。在安装锚杆时, 施加足够的预紧力可以消除锚杆构件的初始滑移量, 增大围岩抗拉、抗剪能力, 防止围岩过早开裂, 减缓围岩弱化过程。通常锚杆预应力合理范围, 取锚固力的60%-70%;

3 观测方案

3.1 观测目的

(1) 确定回采工作面运输顺槽和回风顺槽受超前支承压力影响下, 锚杆 (索) 工作载荷变化情况, 准确分析回采工作面运输顺槽和回风顺槽顶部和帮部压力显现特征 (支承压力影响范围、支承压力分区及支承压力集中系数K值)

(2) 确定距掘进面不同距离顶部及两帮锚杆锚索应力分布特征, 尤其确定耙矸机前方不支护时, 耙矸机后方锚索工作载荷是否在安全范围值以内

(3) 确定巷道拱肩处, 顶部、煤柱侧巷道断面不同地点的应力特征。

(4) 确定2-2-2型锚索布置情况下的锚索受力特征

(5) 确定在回采面前方一定区域, 经历不同时间及周期来压时, 锚杆 (索) 工作载荷变化特征;

3.2 观测方案

注:图示所有位置标注均为面向工作面示意图

(1) 确定回采工作面运输顺槽和回风顺槽受超前支承压力影响下, 锚杆 (索) 工作载荷变化情况, 准确分析回采工作面运输顺槽和回风顺槽顶部和帮部压力显现特征 (支承压力影响范围、支承压力分区及支承压力集中系数K值)

对30205工作面运输顺槽和回风顺槽从端头开始监测, 在距工作面30m范围内, 锚杆每隔5m监测一个断面, 锚索每隔3m监测一个断面, 每个断面监测包括断面上煤柱侧帮部锚杆和顶部锚杆共9根锚杆和2根锚索;30m以后, 锚杆每隔10m监测一个断面, 锚索每隔9m监测一个断面, 每条巷道监测总长度为50m;

(2) 确定距工作面不同距离顶部及煤柱侧帮部锚杆、锚索应力分布特征, 尤其确定片帮区顶部锚杆、锚索工作载荷是否在安全范围值以内对4105工作面进行监测, 监测区域长50m, 每隔3m监测一个断面, 每个断面监测所有锚杆与锚索;

(3) 确定巷道拱肩处, 顶部锚杆 (索) 、煤柱侧巷道断面不同地点的应力特征;

(4) 确定2-2-2型锚索布置情况下的锚索受力特征。

在 (1) 的监测数据中选取锚索工作载荷数据进行分析, 确定对2-2-2型锚索布置受超前支承压力影响时应力分布特征;

在 (2) 的监测数据中选取锚索工作载荷数据进行分析, 确定对2-2-2型锚索布置在沿空巷道不受超前支承压力影响时应力分布特征;

综上, 最有效而又全面的监测方案如下:

(1) 对30205回风巷端头至工作面前方50m监测, 监测对象为采空区侧帮部第一根锚杆、帮部第二根锚杆和帮部第三根锚杆, 监测锚杆数共计42根, 监测次数为两次。

(2) 对4105断层段进行锚杆 (索) 无损监测, 运输顺槽断层位于距4105综放面开切眼258m, 回风顺槽断层位于距4105综放面开切眼305m。在断层两侧分别监测锚杆 (索) 工作载荷, 监测次数为两次。

(3) 对30205运输巷端头至工作面前方50m监测, 监测距离50m, 每隔5m监测一个断面, 监测对象为断面所有锚杆 (索) , 监测次数为三次。

(4) 对4105运输顺槽至工作面前方50m, 监测距离为50m, 监测对象为煤柱侧帮部锚杆 (普通锚杆) 、顶部锚杆 (高强锚杆) 与锚索, 监测次数为两次。

(5) 对4105回风顺槽至工作面前方50m, 监测距离为50m, 监测对象为断面所有锚杆 (普通锚杆) 与锚索, 监测次数为两次。

3.3 观测仪器与评判标准

针对传统支护监测方法及存在问题, 本次监测采用的是CM-SW6 (A) 矿用锚杆 (索) 无损监测仪 (图2) , 武汉长盛煤安科技有限公司生产, 它的主要特点是能不破坏锚杆 (索) 的锚固效果、预应力及工作载荷的情况下方便、直接的显示出工作载荷值等测量数据, 而且测试速度快, 几分钟能完成一根测试;

本次观测的主要内容包括锚杆安装质量监测、锚杆锚固力监测和锚杆荷载监测。

(1) 锚杆安装质量监测:主要监测锚杆安装的角度、间排距以及外露长度、托盘安装质量等, 以确保锚杆施工质量。

(2) 锚杆锚固力监测:锚固力大小一般是通过锚杆抗拔力进行监测, 以检查锚杆安装质量。

(3) 锚杆预紧力、轴向工作荷载观测:观测锚杆荷载的目的是分析巷道服务期间锚杆荷载变化情况, 监测锚杆工作状态, 为调整和修改支护参数提供实测依据。

3.4 煤矿锚杆 (索) 支护质量无损监测的评判标准

(1) 初锚支护状态

设安装预应 (紧) 力设计值为Nc, 初始预紧载荷为N, 若

(1) 120%Nc>N>=90%Nc, 则认为施加预紧力为“优”;

(2) 90%Nc>N>=80%Nc, 则认为施加预紧力为“良”;

(3) 80%Nc>N>=60%Nc, 则认为施加预紧力为“合格”;

(4) N<60%Nc, 则认为施加预紧力为“差”。

(2) 稳定支护状态

设杆体强度为Ng或锚固力Nm, 工作载荷为N, 若

(1) N<30%Ng (或Nm) 为“很稳定”, 支护状态为“优”;

(2) 50%Ng>N>=30%Ng (或Nm) 为“较稳定”, 支护状态为“良”;

(3) 70%Ng>N>=50%Ng (或Nm) 为“一般稳定”, 支护状态为“合格”;

(4) N>=70%Ng (或Nm) 为“稳定差”, 支护状态为“差”。

(3) 采动影响支护状态

设杆体强度 (屈服极限) 为Ng或锚固力Nm, 工作载荷为N, 若

(1) N<50%Ng (或Nm) 为“影响很小”, 支护状态为“优”;

(2) 60%Ng>N>=50%Ng (或Nm) 为“影响较小”, 支护状态为“良”;

(3) 80%Ng>N>=60%Ng (或Nm) 为“影响较大”, 支护状态为“合格”

(4) N>=80%Ng (或Nm) 为“影响很大”, 支护状态为“差”。

*说明:锚固力要大于杆体的抗拔力, 若锚固力小于杆体抗拔力, 认为应以实测锚固力为判定条件。

(4) 巷道总体支护状态评价

(1) 若单体“优”达到80%以上, 无单体“差”, 则认为“巷道总体支护状态评价”为“优”;

(2) 若单体“良”达到80%以上, 无单体“差”, 则认为“巷道总体支护状态评价”为“良”;

(3) 若单体“合格”达到90%, , 单体“差”小于10%, 则认为“巷道总体支护状态评价”为“合格”;

(4) 若单体“差”大于30%, 则认为“巷道总体支护状态评价”为“差”。

注:巷道的抽检率为3%-5%, 最低监测根数为20根。

4 数据分析

基于所监测数据, 对其进行初步分析, 结果如下:

(1) 对工作面前方各区段锚杆 (索) 工作载荷进行连续性分析;

(2) 对2-2-2型布置锚索工作载荷进行对比分析;

(3) 对普通锚杆与高强锚杆工作载荷对比分析;

(4) 对帮部锚杆与顶板锚杆工作载荷对比分析等。

图6-图10为30205回风巷帮部锚杆, 顶板锚杆, 顶板锚索受超前压力影响工作载荷图。所有锚杆 (索) 在超前支承压力影响下工作载荷基本处于偏高状态, 在15m-28m之间为超前支承压力增高区, 但仍处于安全值范围内。30205运输巷顶板锚索中, 工作载荷值较小, 考虑是由于顶板条件好, 锚索受力较小。

总体评价:30205回风顺槽整体支护较好, 变形量小, 达到安全支护效果。

图所示为30205回风巷2-2-2型锚索工作载荷对比图, 距工作面相同位置

2-2-2型锚索布置中, 实体煤侧锚索平均值与采空区侧锚索平均值比值为1.03, 可知实体煤侧与采空区侧总体受力相当。距离工作面相同距离实体煤侧与采空区侧锚索受力总是一大一小, 说明锚索在对其施加初始锚固力后, 锚索不是同时受力。

总体评价:锚索为联合支护, 能够满足顶板支护要求。

图12、图13为30205运输巷帮部锚杆, 顶板锚杆受超前压力影响工作载荷图。在超前支承压力影响下锚杆工作载荷基本处于偏高状态, 在17m-29m之间为超前支承压力增高区, 但仍处于安全值范围内。30205运输巷顶板条件较好, 顶板锚杆受力相对较小。

总体评价:30205运输巷整体支护较好, 变形量小, 达到安全支护效果。

4105进风巷煤柱侧帮部锚杆工作载荷基本达到正常范围值, 部分锚杆由于片帮和煤破碎锚杆与锚索未达到理想工作载荷值 (即达到锚固力的1/3-2/3) , 考虑锚杆 (索) 失效。

4105进风巷顶板锚索中, 工作载荷均达到60KN以上, 最大140KN, 达到正常工作载荷范围以内, 工作载荷达到100KN以上, 应稍加注意, 但仍处安全范围值内。

总体评价:4105进风巷距离开切眼100-300m变形量较大, 采用架棚支护, 但支护效果并不理想, 帮部煤体松散, 裂隙较发育, 使得锚杆未达到理想工作载荷值, 部分锚杆甚至失效。距开切眼140m后片帮严重, 帮部锚杆全部失效。巷道支护总体不理想, 有安全隐患。

图示为4105回风巷锚杆 (索) 所受工作载荷图, 实体煤侧顶板第三根锚杆工作载荷较小, 均小于50KN, 实体煤侧与采空区侧锚索部分工作载荷较大, 多数大于60KN, 但仍处于安全范围值内。

总体评价:4105回风巷顶板煤体较破碎, 帮部变形量不大, 整体支护效果良好。

4105工作面从5月份开采, 到7月底仅采了100m, 究其原因是由于巷道布置不合理, 进风巷变形量较大的位置为距4105开切眼100m-300m, 采用架棚支护, 但未达到理想支护效果, 还需改进设计方案。4105回风巷距离30205回

具体原因如下:

(1) 受3煤工作面前方超前压力的影响

(2) 受3煤工作面后方覆岩运动产生的力

(3) 4煤工作面前方超前压力产生的力

(4) 受4103与4105侧向固定支承压力影响

工作载荷值大于屈服极限值的锚杆、锚索统计

说明:

(1) 30205回风巷工作面前方50m内, 测试的煤柱侧帮部锚杆44根, 均为普通圆钢锚杆, 没有超过屈服载荷 (6.2t) 的锚杆;测试的顶部锚杆为28根, , 均为左旋螺纹锚杆, 仅有一根顶板锚杆超过屈服载荷 (7.8t) 。说明设计的帮部和顶部锚杆工作阻力偏小;

(2) 7月24日, 4105工作面共开采100m, 在距离工作面200m范围内, 由于4105进风巷变形较大, 采用架棚支护控制巷道变形, 效果不是很理想, 巷道高度最低仅有1.27m, 原巷道宽度为5m, 现仅有3m多, 帮部煤较破碎, 锚杆不能达到理想支护效果;锚杆 (索) 工作载荷普遍不大;距工作面40m以后由于片帮严重, 致使帮部锚杆全部失效。

开采监测论文 篇3

然而, 在实际的矿产开采、监测与核查的工作中, 尚未形成一套系统的矿山开采监测与测绘的技术和方法, 很多实际工作的开展还是依赖于工人的经验或者传统的手工测绘手段, 使得矿山开采监测测绘技术无法得到实质性发展。

1 矿山开采监测与测绘概述

1.1 矿山开采监测的内容

矿山开采涉及地质、山体、矿产、水土等多方位, 因此需要对开采过程实施监测的内容较多, 主要集中以下两个方面:

1.1.1 地质环境监测

矿山开采首先会对地质环境产生影响, 主要是不利影响甚至是有害影响, 例如对矿山大肆开采造成地表沉陷、地下水下降、山体滑坡、泥石流灾害、生态系统被破坏等等, 为了尽量减小矿山开采对地质环境所带来的不良影响, 必须要在开采的过程中, 对矿山及开采过程实施动态化的监测, 采取预防和防治结合的手段保障将矿山开采对环境的影响降到最小。

1.1.2 矿山开采安全监测

矿山开采中的核心问题便是安全监测, 因此矿山开采监测的过程中必须要对安全进行监测, 包括采用相关传感器对有害干扰因素进行实时监测, 对矿山内部的空区、塌陷地区进行监测和评估, 对各类矿产资源实施安全管理机制, 从制度和技术两个方面确保矿产资源的开采过程的安全性。

1.2 矿山开采中的测绘技术

目前对矿山开采监测所应用到的主要测绘技术主要有GPS定位、遥感测绘技术及激光探测技术等, 下面逐一进行简要的介绍。

1.2.1 GPS定位技术

GPS定位技术是利用卫星的三点定位原理, 对地球上的物体实现三维空间内的定位的一种技术。GPS定位技术目前应用于矿山开采领域, 其主要应用在利用GPS定位技术实现对矿山的数字化地图绘制, 利用数字地图实现对开采过程的动态化监控。

1.2.2 遥感测绘技术

遥感测绘技术是目前普遍应用的较为成熟的一种测绘技术, 简单来说, 就是利用遥感技术, 在计算机上面进行计算并且能够达到测绘目的行为。遥感测绘技术能够实现人类无法触及到的矿山内部区域, 从而在计算机上完成对矿山内部的矿产储量分布、地质条件研判以及各类灾害事故的预警等分析工作, 是目前广泛应用的一种测绘技术。

1.2.3 激光探测技术

激光探测技术是近几年新发展起来的一种测绘定位技术, 主要是利用激光的高穿透性实现对矿产矿山内部空区的探测和定位, 通过对矿山内部空区区域的定位和大小评估, 给出合理的开采建议和安全性保障措施, 从而提高了矿山开采的可靠性。

2 矿山开采监测中的测绘技术应用探讨

在矿山开采监测的过程中, 需要借助于测绘技术实现对地质环境、矿山山体级各类灾害事故的动态监测与预警。现代化的测绘技术能够极大的简化这些测量监测过程, 并提高监测测量的准确性。目前在矿山开采监测中需要借助于测绘技术的开采监测主要有如下几种应用:

2.1 滑坡监测测绘

滑坡是矿山开采中经常出现的灾害事故, 对滑坡实施监测就必须借助于现代测绘技术。目前能够实现滑坡监测的测绘技术主要有大地测量法和GPS测量法。

2.1.1 大地测量法

大地测量法是利用高精度测角、测距的光学仪器和光电测量仪器、全站式电子速测仪等仪器仪表实现对大地绝对位移的测量, 从而进行分析是否产生滑坡灾害, 或者对滑坡灾害进行预警。

2.1.2 GPS测量法

大地测量法最大的缺陷是其测量精度较低, 必须借助于大地作为绝对参照物, 因此近几年发展了GPS测量法。GPS测量利用了GPS定位仪器能够实现高精度下的滑坡位移和滑坡速度, 测量精度高, 能够实现全天候动态监测。

2.2 地裂缝监测测绘

地裂缝的监测是一项耗费巨大人力物力的监测工作内容, 需要结合地标沉降的相关指标进行分析, 因此地裂缝的监测测绘, 通常是借助于传统的测量法和GPS测量、遥感测绘技术相结合的方法进行监测, 首先利用传统的测量方法每隔一定周期观察记录大地的水平位移和垂直位移, 并利用GPS测量实现固定参照物的三维空间的定位、位移和速度, 最后结合遥感测绘技术对被监测区域的地标分层沉降进行标定, 从而综合分析出地裂缝的发展与走势, 实现对地裂缝的动态实时监测与测绘。

2.3 空区塌陷区监测测绘

随着矿山开采力度越来越大, 矿山山体内部难免会出现空区塌陷区, 一旦发生塌陷则酿成惨痛事故, 因此需要对矿山开采中的空区和塌陷区进行监测测绘。目前主要应用遥感测绘技术实现对山体内部空区塌陷区的监测。随着测绘技术的发展, 现在也出现了利用激光探测技术实现对空区塌陷区的探测和研判, 利用激光对矿山山体进行三维扫描, 建立相关数据库, 通过数据比对和三维模型的分析, 能够准确的提出空区和塌陷区研判模型, 并给出适当的监测和补救措施依据。

2.4 水土流失监测测绘

矿山开采不可避免的会对周围环境产生破坏, 造成水土流失的现象, 因此, 为了尽量降低对周围环境的影响, 必须要对水土流失进行监测。目前对水土流失进行监测的方法主要有两种:

2.4.1 遥感监测法

遥感监测是借助于卫星和航空遥感技术, 将地面的植被、沙石、水源等地物扫描为电子地图, 构建三维数据库, 通过对数据的分析实现对地表水土流失的监测。这种方法往往适合于较大区域面积的水土流失的监测。

2.4.2 地面监测法

地面监测法适合于较小范围内的水土流失的测量与监测, 其主要方法是采用对被监测区域设置不同的监测地块, 为每一个地块分别设置不同的参照物, 如沟渠截面、植被率、沙石面积等, 通过定期对参照物的测量测绘, 形成数据报表, 从而能够为被监测区域的水土流失提供基础性数据。 (下转第134页) (上接第124页)

3 结语

矿山开采中的核心问题是安全问题, 而要保障矿山开采过程的安全, 就必须要借助于现代化的测绘技术, 对矿山开采流程中的各个环节进行测绘与监控管理, 从而能够实现对矿山开采的动态监测测绘与动态管理。针对矿山开采监测的具体方法, 本论文详细探讨了测绘的方法与实施步骤, 从系统方法的角度详细分析了在矿山开采领域的测绘技术的应用问题, 对于进一步提高测绘技术在矿山开采领域中的应用水平具有较好的指导意义。当然, 测绘技术应用于矿山开采领域, 不仅仅局限于本论文所探讨的方法, 更多的具体的应用技术方法有待于广大测绘技术人员的共同努力, 才能够最终实现矿山开采监测中的测绘技术的快速发展和应用。

摘要：针对矿山开采过程中容易出现的问题, 本论文详细分析探讨了矿山开采监测中的测绘技术的应用, 首先简要分析了矿山开采监测的内容以及目前应用的测绘技术, 在此基础上重点分析研究了矿山开采监测中常用的测绘技术与方法, 有针对性的分析了测绘技术方法应用中的技术问题, 对于进一步提高矿山开采监测中的测绘技术应用水平具有较好的借鉴指导意义。

关键词：矿山开采,开采监测,测绘技术,测绘技术与方法

参考文献

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[2]李秋, 秦永智, 李宏英.激光三维扫描技术在矿区地表沉陷监测中的应用研究[J].煤炭工程, 2006.

开采监测论文 篇4

1 工业场地保护煤柱的局部开采

(1) 地质采矿条件。在局部开采工业场地煤柱之前, 邻近区域已经开采了1181、1182、1183、1184工作面, 通过回采工作面情况看, 地质构造较简单, 岩性以细砂岩、粉砂岩为主, 岩石粒度较细, 上部岩石松散, 含水性较差, 下部岩石粒度较粗, 较坚硬, 构造裂隙发育区, 含水性较强。平均煤厚为4.71 m, 倾角18°, 平均采深为380 m。

(2) 工作面布设情况。在保证工业场地内现有生产系统正常安全运转、尽可能提高采出率的设计原则下, 在主巷两翼布设工作面, 其中西翼布设1185、1187和1189三个工作面, 东翼布设1186和1188两个工作面。1185和1187工作面位于保护煤柱线以外, 1186、1188和1189工作面局部进入保护煤柱线, 局部进入工业场地保护煤柱总面积约21140 m2。各工作面开采情况见表1。

(3) 烟囱与工作面的位置关系。在工业场地围墙内有一烟囱, 为20世纪80年代所建, 高45 m, 底座直径4.5 m, 砖结构。距采区最近工作面边界距离约230 m。采区位置与烟囱分布如图1所示。

2 高耸构筑物结构特点及破坏影响因素分析

2.1 高耸构筑物结构特点

往往由于地表不稳定产生的滑动、不均匀沉降以及外力作用等, 使高耸构筑物发生倾斜和变形, 严重涉及其本身和生产的安全[4]。矿区地表在采动影响下, 地面构筑物将可能出现变形或损害, 矿区高耸构筑物如烟囱、水塔、高压电塔、井架等不同于一般构筑物, 它们具有高度较大、基础底面积较小、重心较高等特点, 对开采引起的地表倾斜变形较为敏感。当发生倾斜使其重心偏移, 引起构筑物结构内力重新分布, 严重时可能使某些构件失去稳定, 发生破坏, 将严重影响矿区的生活和生产。

采动损害是影响矿区高耸构筑物安全稳定性的主要因素之一。研究表明, 采动影响下高耸构筑物损害有2种形式:①构筑物位于采空区边缘, 当一侧下沉量过大, 使其倾斜向盆地底部移动;②构筑物位于采空区中间, 基础下沉内收使其变形[5]。

有时虽然开采沉陷本身对高耸构筑物的破坏影响可能不大, 但在雨水冲刷和风力作用下, 可起到加速破坏高耸构筑物的作用[6,7]。因此, 研究由于开采沉陷对矿区高耸构筑物的影响十分必要。

2.2 开采沉陷对高耸构筑物破坏影响因素分析

地下采煤对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形 (下沉、倾斜、扭曲、曲率) 与水平方向的移动和变形 (水平移动、拉伸与压缩变形) 以及地表平面内的剪应变3类。不同性质的地表移动和变形, 对构筑物的影响是不同的。一般情况下, 在地表均匀下沉区域内, 由于构筑物随地表均匀整体下沉, 构建上不产生附加应力, 因而对其自身也就不会带来什么损害。地表倾斜后, 构筑物必然随之歪斜, 基于高耸建筑的特点, 其倾斜现象更加明显。地表倾斜, 能使构筑物的重心发生偏斜, 引起应力重新分布。根据前面所述和高耸构筑物的特点可知, 地表倾斜对底面积小、高度大的高耸构筑物影响较大。

3 开采对烟囱的影响预计分析

对于底面积较小的高大构筑物, 主要受倾斜变形影响, 其重心如果偏斜出烟囱, 致使烟囱折断破坏甚至倒塌。另外, 支承在独立基础上的砖烟囱可认为是绝对刚性的, 在地表不均匀下沉影响下不会发生弯曲变形, 其地表水平变形对其影响可以忽略不记。因此, 在分析采动影响的砖烟囱的安全性时, 仅考虑砖烟囱受地表倾斜变形影响这个因素。

为了分析局部开采工业场地对烟囱的影响程度, 需进行地表移动变形预计, 目前常用的预计方法为概率积分法[8]。此次预计所选用的预计参数采用该矿的实测资料和经验公式确定:下沉系数q为0.90;主要影响角正切tanβ为1.9;水平移动系数b为0.23;主要影响传播角θ=90°-0.2×α;拐点偏距上山为0.1H, 下山为0。烟囱处地表移动和变形情况:最大下沉值35 mm;最大水平移动值54 mm;最大倾斜值0.9 mm/m;最大水平拉伸变形值1.21mm/m。

在地下工作面开采后, 烟囱最大倾斜为0.9mm/m。烟囱的体积近似于圆台, 依据圆台的重心计算公式得出烟囱重心距地面20 m, 从而可以计算出, 烟囱的重心将偏离原中心18 mm, 烟囱的重心仍位于烟囱之内。因此, 地下开采对烟囱不会产生破坏性的影响。

4 对烟囱的变形监测

4.1 烟囱变形监测方法与步骤

为了进一步验证该烟囱的实际变形情况, 在西一采区开采过程中以及其地表稳定期间, 对其进行定期观测。

由于不便于在烟囱顶部设置新的观测点, 便利用其避雷针作为观测点[9] (图2) , 两避雷针与烟囱中心的连线的交角约90°。

如图3所示, a、b为构筑物顶部的避雷针位置, 分别位于烟囱顶段的东北、西北位置。在地面相对于a、b的1、2处埋设观测点。观测点1、2到烟囱的距离约120 m。由于在1、2号观测点也位于西一采区引起的地表变形区域内, 因此在工业场地南部距开采区域较远的位置建立稳定的控制点, 在每次监测烟囱变形的测量过程中利用闭合导线和闭合水准路线的测量方式重新测量1、2号点的坐标值, 即考虑1、2号观测点的变化情况。

在1处安置全站仪, 照准a并将其投影与构筑物底部A点。但构筑物发生倾斜后, 照准a的投影点A'将不再与A点重合。A'与A点应在同一水平上。A、A'之间的距离δa为烟囱在垂直1A方向上的偏移。同理, 在2处安置全站仪并得到垂直2B方向上的偏移δb。A、B在同一高度上。

烟囱偏移值的向量为:

烟囱的偏移方向:

因此, 烟囱在α方向上的倾斜值:

式中, H为Aa的高差。

4.2 烟囱变形监测结果

该采区已于2013年底开始进行开采, 为了监测烟囱的实际变形情况, 对该烟囱利用上述方法分4次进行观测。2014年3月为最近一次观测, 并综合计算分析, 烟囱在垂直1A方向上的偏移距离为35mm, 烟囱在垂直2B方向上的偏移距离为31 mm, 由公式 (1) 计算其偏移值为46.8 mm, 由公式 (3) 计算烟囱倾斜值为1.04 mm/m, 比预测值稍大, 笔者认为是利用概率积分法预计没有考虑烟囱自身的质量因素造成的。在实际变形过程中, 如考虑烟囱自身质量、地基稳定以及观测误差等因素, 烟囱的变形观测值与预测值是基本一致的[10]。

5 结论

对于西一采区8-1煤层局部进入工业场地保护煤柱开采设计, 会对工业场地内部的烟囱造成影响, 通过分析、研究、监测、计算得出以下结论。

(1) 利用概率积分法对局部开采工业场地煤柱进行预计, 结果显示对烟囱的影响是有限的, 不影响其正常使用。

(2) 地表倾斜变形对底面积小、高度大的高耸构筑物影响较大。

(3) 通过对开采过程中和地表稳定后的烟囱实际变形监测, 结果表明烟囱的变形观测值与预测值是基本一致的。

摘要：地下开采引起地表构筑物移动和变形, 特别是导致高耸构筑物发生一定程度的倾斜, 严重时发生倒塌。为有效解放工业场地下压煤, 在确保其生产系统正常运转的前提下, 对工业场地煤柱保护煤柱局部开采进行了设计。对地下开采引起的烟囱变形与监测进行研究, 并与实际变形监测的数据相比较, 结果表明实际变形情况与预计结果比较吻合。

关键词：工业场地煤柱,地表变形,高耸构筑物,变形监测

参考文献

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开采监测论文 篇5

1 D-In SAR合成孔径雷达差分干涉测量基本原理

D-In SAR技术是对In SAR测量技术的进一步发展, 它是以合成孔径雷达复数图像的相位信息获取地表形变信息的技术[1]。为了精确确定地形沉降量, 必须去除地形相位。根据地形相位去除方法的不同可将此分为二轨法、三轨法和四轨法, 其中二轨法要借助外部DEM获得地表形变。

图1为D-In SAR二轨法测量的几何示意图, 在两次观测中, P点移动到ΔD的距离至P1, 那么解缠后的相位信息可以包括

如果忽略大气延迟以及观测噪声, 则式 (1) 通过基线计算可以消除平地相位, 利用外部DEM可以大致消除地形相位, 相位解缠后K也为已知量, 所以式 (1) 中仅含有形变引起的相位。假设视线方向的形变为D, 则有

两边进行微分得

从相位对于地形的敏感程度可以说明D-In SAR技术符合矿区开采沉陷变形监测精度, 具有监测地面沉降能力。

2 D-In SAR测量方法用于矿区开采沉陷变形监测

2.1 传统方法的技术优势与不足

传统矿区开采沉陷变形监测的方法主要有水准测量和布设GPS变形监测网。传统的水准测量方法对矿区开采沉陷变形监测而言, 一般在地表移动盆地的主断面上布设地表移动观测线 (即为走向线和倾向线) 来获取地表形变数据, 对每一期实测数据进行精确处理, 解算特定的矿山地表移动规律的相关参数, 通过模型来预测随着矿山开采引起的地表形变强度和影响范围。

传统的水准测量方法对于微小变形监测而言, 监测精度可以达到毫米级, 但是由于监测区域范围广, 存在有效观测点要求数量大, 观测周期长等不足, 需要测量人员到现场进行测量, 而且由于野外工作量大, 费用高, 且得到的结果只是离散点的地表形变信息量, 无法得到整体的形变趋势, 给实际监测工作带来很大的困难 (见表1) 。而GPS矿区开采沉陷变形监测网一般要求GPS控制点布设在矿区工作面区域之外的稳定地点, 在地表形变区域布设地表移动观测站, 坐标系统设置必须和矿区的坐标系统统一, 采用双频GPS接收机静态观测1~2 h进行联测, 数据处理采用随机软件。在数据处理期间, 通过对比两期以上的监测数据, 可以获得地表平移的移动量和移动速度, 为矿山安全高效生产提供有力的信息支持。GPS测量技术优势为全天候, 不受天气影响, 定位精度高, 测站之间无需通视等。但是, GPS信号接收容易受到周围环境的影响;对于地形复杂的地区, 测量人员无法进入该区域进行监测。GPS变形监测结果与观测值之间的函数关系复杂, 误差源非常多, 数据处理中的任何一个环节处理不好都将影响最终的结果 (见表1) 。

2.2 D-In SAR测量技术的优势与不足

与传统矿区开采沉陷变形监测方法相比, D-In SAR测量技术有显著的优势, 而且D-In SAR测量技术不受天气和时间条件的限制, 亦不必建立变形监测控制网, 这有利于传统矿区工作面需要布设地表移动观测网和埋点存在困难区域的形变监测 (见表2) [2];D-In SAR测量技术能够克服传统点、线信息局部观测代表性差的缺陷, 可以获取整个矿区的地表沉陷值, 从宏观分析其形变情况, 进而可以为快速决策提供及时的信息支持[3]。另外, 由于D-In SAR测量技术具有连续空间覆盖能力、高度自动化和高精度的特点, 与传统监测方法相比具有显著的优势。这为监测一定时期内的矿区地表变形量, 及时掌握矿区地表变形规律创造了条件[3]。虽然D-In SAR测量技术在矿区开采沉陷变形监测方面具有很多成功且典型的工程实例, 但是该技术在具体的实践中和后续数据处理中受到很多限制性约束, 主要包括失相干、相位解缠、大气延迟、相位噪声、相位梯度因素等。对于矿山开采沉陷变形监测而言, 主要影响因素是时间失相干和非相干移动。所以, 使用D-In SAR测量技术最根本的前提是获得良好的相干性。同时高精度的几何配准亦是精确观测的必要条件。此外, D-In SAR测量技术在非城市的应用首先要解决相干性问题, 此外如何提高矿山地区D-In SAR的相关性亦是一个亟待解决的问题。

2.3 D-In SAR与GPS测量融合

GPS是一种高精度的测量技术, 可以精确确定电离层、对流层参数, 具有高精度定位和时间分辨率。D-In SAR测量在变形监测方面比GPS测量具有更高的垂直形变观测精度、空间连续性好、无需建立地面接收站等优点, 是一种非常具有潜力和新兴的空间对地观测技术。GPS测量和D-In SAR测量技术具有很强的技术互补性, 主要表现在, 一是GPS测量具有很高的定位精度, 精度可以达到毫米级, 但是空间分辨率非常差, 而D-In SAR测量技术具有很高的空间分辨率, 可以提供整个监测区域的连续信息;二是GPS观测数据的时间分辨率非常高, 它可以进行连续不断的长时间观测, 而微波遥感卫星有一定的重复观测周期, 所以D-In SAR很难提供足够高精度的时间分辨率;三是GPS获取的是高精度的绝对坐标, 而D-In SAR获取的是相对坐标;四是D-In SAR的变形监测精度可达到厘米级甚至是毫米级, GPS高程精度远达不到这一精度。

2.4 D-In SAR与GPS数据融合

D-In SAR监测矿区地表形变最关键的是相干性, 即空间相干性和时间相干性, 可以利用矿区变形监测区域内长期存在的相位和幅度变化稳定的点或设置人工角反射器装置, 角反射器是极其典型的人工目标, 结构是由三块相互垂直的金属三角平面板组成, 在很大的范围内, 入射反射器的雷达波将沿原路返回。在雷达图像上, 反射器不仅具有非常强大的反射强度, 而且具有高质量的相位。人工角反射器可以作为监测区域的地面控制点, 采用GPS测量出高精确的三维坐标, 目的可以减小卫星轨道参数的不确定性。可以利用GPS测量反演出大气中的水汽含量来减轻D-In SAR大气延迟误差影响以及采用GPS精确测量出三维坐标来改善D-In SAR相位解缠误差的影响[4]。GPS和D-In SAR技术两者可以有效的融合, 数据需要坐标转换, 统一到一个坐标系内, 将校正好的D-In SAR数据处理结果, 对GPS监测网的测量结果进行数据插值, 可以提高GPS的空间分辨率;GPS观测数据具有时间精度高, 可以进行时间域的插值, 建立矿区地表形变动态模型, 预测矿区未来的地表形变信息量[5,6]。

3 结论

为了控制矿区地表沉陷等问题, 必须采用先进的变形监测技术分析地表变形移动变形规律。笔者通过分析传统形变测量与D-In SAR测量技术, 得出如下结论:一是煤炭资源的地下开采必然引起矿区周围的地表沉陷等环境问题, D-In SAR测量技术, 全天时、全天候、高度自动化、高分辨率、高精度、低成本、快速、连续大范围覆盖能力、长期观测矿区地表形变、观测精度达到厘米级甚至毫米级、能够清晰地反映矿区整个地表形变量。二是D-In SAR亦存在不足, 其观测精度受到诸多因素的限制, 尤其是相干性因素。三是采用GPS和D-InSAR技术的融合的变形监测手段, 对矿区地表进行监测是一种新的尝试, 两者技术的融合可以有效地减弱多种误差的影响, 提高变形监测的精度。四是利用GPS和D-In SAR数据融合研究矿山开采沉陷变形监测是一种新的尝试, 可以克服D-In SAR单一方法的局限性, 提高变形监测的精度和可靠性。

参考文献

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