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摘要:随着国内经济与科技的发展,煤矿井开采技术得以进步,早期阶段一些不规范开采问题得到有效解决。经过实践调查与相关资料分析了解到,露天煤矿内,由于开采不当,导致许多不规则的采空区形成,一旦残煤自燃,采空区处于高温环境下,加上内部又爆破器材,大大增加了器材自爆风险。所以说,实施露天煤矿井开采活动前,明确采空区位置、属性及火区位置至关重要,只有这样才能够规避露天矿安全风险。基于煤层着火机理与特征背景下,磁法探测火区这种物探方法得以研发,其原理是借助傅氏变换的褶积转换原理,针对火区磁异常进行分析,进而通过综合内容明确火区,这一探测方法符合露天煤矿井工作实际,本文将以安家岭露天煤矿为例,对其采空区火区磁法探测进行具体分析,尝试验证其可靠性与实用性。
关键词:露天煤矿井;采空区;火区;磁法探测
作为我国特大型露天煤矿,安家岭内部煤矿资源丰富。但是,一般情况下该地区采取房柱式开采法,一次采全高,导致煤炭大量损失,回采率相对较低。当前,掌握的两个矿井开采资料尚不全面,加上存在越界开采问题,导致资料与井下实际位置符合。井工矿开采过程中,部分塌陷具有隐蔽性,同时大量易燃、易爆、有毒气体滞留在空巷内,进而给露天煤矿井开采工作带来许多风险,也留下了安全隐患,如开采煤层采空区塌陷,则必然对设备造成或大或小的损害,甚至威胁到工作人员生命安全,属于典型的伤害事故,所以为了避免各类事故,确保煤炭资源安全开采,需做好露天煤矿井采空区火区采前探测工作。
1.磁法探测区位置和测线布置
1.1安家岭煤矿开采工程现状
早在1997年11月安家岭矿山工程已经步入建设,后又经过拓建,其生产能力提升。现阶段,安家岭南部有两个矿井進行生产工程,分别由安家岭西易有限公司和东易煤矿负责,两个矿井都采取斜井开拓方式,走向长壁回采[1]。该矿瓦斯含量较少,属于低瓦斯矿,井下水文地质条件一般,结构简单,无水区趣多,更加便于开采管理。
1.2区域地层与可采煤层
安家岭旷田地处宁武煤田北部,基岩多数已经老化变质,地层呈现向东南方向倾斜的单斜状态,中部位置地层平缓,东部位置构造较复杂,从整体上来看,旷田东部揭露的断层多达数十条,其中还包括高角度的正断层。旷田能够开采出煤炭的地层包括二叠系山西组和石炭系太原组,其中山西组地层平均厚度约50m,而太原组地层平均厚度远远高于山西组,达到90m以上,含煤10层,煤层厚度达30m以上,由于煤层厚度较大,多以埋深较浅,容易受北部小窑采空区影响,时而发生部分自燃现象[2]。
1.3磁法勘测具体区域位置与测线布置
首先,安家岭矿区中,勘探区域位于南北71000-72500m,东西11000-13000m处,勘测总面积大概为3千平方米,(如图一所示)。因为相关资料有限,所以工作中,采取磁测勘探方法,针对采空区上方覆盖厚度超过35m的疑似区域均进行了火区探测,将电缆和采剥设备布置在50m警戒范围外。
2.探测原理与探测技术
2.1火区磁法探测原理分析
煤田层由于沉积而形成,将其设定为板状体,则可以视地层层序状态为水平或近水平。地层中的含铁矿物烧变后,会有一部分物质转化为磁铁矿,若煤层中有断裂构造贯通其中,那么氧气就会渗入进来,增加了燃烧风险。燃烧过程中,煤火温度最高超过800℃,强烈的高温作用于煤层火区围岩,进而形成烧变岩,烧变部分岩层具有质地坚硬、表面光润的特征,且含铁矿物磁化率升高,这是由于围岩温度升高到760℃以上后,缓慢冷却至居里点以下,从而磁性进一步显现。热剩磁作用下,围岩之间磁性产生显著差异,这一全过程为高磁化过程,最终正磁异常。
2.2磁法探测技术分析
只有磁测体和围岩有较为明显的磁性差异情况下,才得以运用磁法探测,且要确保磁异常基于磁力仪观测精度范围内,基于干扰背景中,能够判断磁异常情况,并且保证其真实性,或者为了保险起见,可以直接消除干扰因素。《地面高精度磁测技术规程》是国家地质矿产行业标准文件,也是磁法探测起见的主要依据,同时工作中,还要严格遵循《地面磁法勘测技术规程》。
2.3磁法探测方法
根据矿区实际情况,试验中选择加拿大产的GSM-19T型质子磁力仪,为了确保仪器性能充分发挥,达到预期试验效果、满足工程精度要求,测量前要做好准备工作,针对仪器噪声水平、一致性等一一验证,若有明显系统误差和观测均方误差达不到设计精度的仪器,应查明原因,必须重新调节与检验,直至仪器符合精度设计[3]。磁法探测试验期间的日变台站布置于露天矿台阶平盘的平稳磁场内,安排在干扰较小的时间段测试,有效日变观测取其平均值。
3.磁异常数据处理与转换
3.1重磁位场频率域转换原理
量化分析重磁异常情况前,必须做好数据处理与类型转换工作,如分量换算、消除干扰、高度延拓、导数换算等,这是为了后续研究中期特征的明显展现,工作即可以在空间域内做,也可以在波数域内做,空间域内重磁位场的各种处理和转换权函数,也可以称其为滤波脉冲响应函数。在空间域里进行的位场处理和转换非常复杂,测点的高差会产生偏差。本工区由于矿山工程剥离,原始地形已形成台阶,主要在台阶平盘上测试,不需要进行地形改正,浅部和深部场异常吻合的都比较好。可在波数域内进行迭代计算,解释参数大为减少,由于地磁场方向是变化的,斜磁化所产生的磁异常方向也是变化的。一般情况下,当与垂直地面的地磁场进行垂直磁化时,磁异常的形态与场源对应关系简单,磁异常的极大值就产生在垂直磁化的方向上产生磁异常的点即场源位置。目前,化磁极主要在波数域中实现,换算前后仅改变磁化强度的方向,而大小不变,简化磁异常的比对过程。
3.2向上延拓目的
向上延拓是为了压制浅层地质因素或干扰的数据处理方法,是从浅层干扰背景中分辨出深部地质因素的影响,突出其深部地质因素相对产生的重磁异常。因此,在一定范围内通过向上延拓转换频率响应函数,可以揭示相应深度的场源或地质信息。为了实现位场的分离,利用磁异常向上延拓的方法获得区域场,即磁测原始异常减去区域异常以求取局部异常。从波谱角度分析,区域场以低频成分为主,局部场以高频成分为主[4]。采用提取不同波数成分的场就可以完成区域场与局部场的分离.根据矿区其他采空区埋深情况推断,测区内的采空区埋深相对较浅,因此其周围的烧变岩产生的磁异常属于浅源场,需要提取相应的浅源场以更精准地确定火烧区范围.应用匹配滤波法对磁异常进行数据处理,完成浅源场和深源场的滤波分离。
总结语:
综上所述,本文以安家岭矿区为例,分析其开采环境,发现开采工作过程中,因为井工采空区存在范围、位置等不确定性因素,加上巷内残煤容易自燃形成火区,所以经常发生小的伤害事故,造成设备损失,也影响了露天煤矿开采效益。而采用磁法探测能够更加准确的了解信息,且满足露天煤矿工程进度要求,具有安全生产意义。最后,希望本文能够为专业人员研究提供一些参考,促进煤矿行业健康发展。
参考文献
[1]孙伟,薛江,穆晓强.矿井瞬变电磁法在五家沟煤矿采空区探测中的应用研究[J].山东工业技术,2019,000(017):60,56.
[2]何彪太,毕国胜,田统.平朔矿区露天煤矿生产补充勘探安全管理漫谈[J].内蒙古煤炭经济,2019,270(01):106-106.
[3]郭培鹏.幅频电透视技术在内蒙古盛鑫煤矿采空区探测中的应用[J].河北化工,2020,043(003):43-45,48.
[4]刘忠杰.综合勘探技术在采空区探测中的应用[J].西部探矿工程,2019,031(008):127-128,132.
关键词:露天煤矿井;采空区;火区;磁法探测
作为我国特大型露天煤矿,安家岭内部煤矿资源丰富。但是,一般情况下该地区采取房柱式开采法,一次采全高,导致煤炭大量损失,回采率相对较低。当前,掌握的两个矿井开采资料尚不全面,加上存在越界开采问题,导致资料与井下实际位置符合。井工矿开采过程中,部分塌陷具有隐蔽性,同时大量易燃、易爆、有毒气体滞留在空巷内,进而给露天煤矿井开采工作带来许多风险,也留下了安全隐患,如开采煤层采空区塌陷,则必然对设备造成或大或小的损害,甚至威胁到工作人员生命安全,属于典型的伤害事故,所以为了避免各类事故,确保煤炭资源安全开采,需做好露天煤矿井采空区火区采前探测工作。
1.磁法探测区位置和测线布置
1.1安家岭煤矿开采工程现状
早在1997年11月安家岭矿山工程已经步入建设,后又经过拓建,其生产能力提升。现阶段,安家岭南部有两个矿井進行生产工程,分别由安家岭西易有限公司和东易煤矿负责,两个矿井都采取斜井开拓方式,走向长壁回采[1]。该矿瓦斯含量较少,属于低瓦斯矿,井下水文地质条件一般,结构简单,无水区趣多,更加便于开采管理。
1.2区域地层与可采煤层
安家岭旷田地处宁武煤田北部,基岩多数已经老化变质,地层呈现向东南方向倾斜的单斜状态,中部位置地层平缓,东部位置构造较复杂,从整体上来看,旷田东部揭露的断层多达数十条,其中还包括高角度的正断层。旷田能够开采出煤炭的地层包括二叠系山西组和石炭系太原组,其中山西组地层平均厚度约50m,而太原组地层平均厚度远远高于山西组,达到90m以上,含煤10层,煤层厚度达30m以上,由于煤层厚度较大,多以埋深较浅,容易受北部小窑采空区影响,时而发生部分自燃现象[2]。
1.3磁法勘测具体区域位置与测线布置
首先,安家岭矿区中,勘探区域位于南北71000-72500m,东西11000-13000m处,勘测总面积大概为3千平方米,(如图一所示)。因为相关资料有限,所以工作中,采取磁测勘探方法,针对采空区上方覆盖厚度超过35m的疑似区域均进行了火区探测,将电缆和采剥设备布置在50m警戒范围外。
2.探测原理与探测技术
2.1火区磁法探测原理分析
煤田层由于沉积而形成,将其设定为板状体,则可以视地层层序状态为水平或近水平。地层中的含铁矿物烧变后,会有一部分物质转化为磁铁矿,若煤层中有断裂构造贯通其中,那么氧气就会渗入进来,增加了燃烧风险。燃烧过程中,煤火温度最高超过800℃,强烈的高温作用于煤层火区围岩,进而形成烧变岩,烧变部分岩层具有质地坚硬、表面光润的特征,且含铁矿物磁化率升高,这是由于围岩温度升高到760℃以上后,缓慢冷却至居里点以下,从而磁性进一步显现。热剩磁作用下,围岩之间磁性产生显著差异,这一全过程为高磁化过程,最终正磁异常。
2.2磁法探测技术分析
只有磁测体和围岩有较为明显的磁性差异情况下,才得以运用磁法探测,且要确保磁异常基于磁力仪观测精度范围内,基于干扰背景中,能够判断磁异常情况,并且保证其真实性,或者为了保险起见,可以直接消除干扰因素。《地面高精度磁测技术规程》是国家地质矿产行业标准文件,也是磁法探测起见的主要依据,同时工作中,还要严格遵循《地面磁法勘测技术规程》。
2.3磁法探测方法
根据矿区实际情况,试验中选择加拿大产的GSM-19T型质子磁力仪,为了确保仪器性能充分发挥,达到预期试验效果、满足工程精度要求,测量前要做好准备工作,针对仪器噪声水平、一致性等一一验证,若有明显系统误差和观测均方误差达不到设计精度的仪器,应查明原因,必须重新调节与检验,直至仪器符合精度设计[3]。磁法探测试验期间的日变台站布置于露天矿台阶平盘的平稳磁场内,安排在干扰较小的时间段测试,有效日变观测取其平均值。
3.磁异常数据处理与转换
3.1重磁位场频率域转换原理
量化分析重磁异常情况前,必须做好数据处理与类型转换工作,如分量换算、消除干扰、高度延拓、导数换算等,这是为了后续研究中期特征的明显展现,工作即可以在空间域内做,也可以在波数域内做,空间域内重磁位场的各种处理和转换权函数,也可以称其为滤波脉冲响应函数。在空间域里进行的位场处理和转换非常复杂,测点的高差会产生偏差。本工区由于矿山工程剥离,原始地形已形成台阶,主要在台阶平盘上测试,不需要进行地形改正,浅部和深部场异常吻合的都比较好。可在波数域内进行迭代计算,解释参数大为减少,由于地磁场方向是变化的,斜磁化所产生的磁异常方向也是变化的。一般情况下,当与垂直地面的地磁场进行垂直磁化时,磁异常的形态与场源对应关系简单,磁异常的极大值就产生在垂直磁化的方向上产生磁异常的点即场源位置。目前,化磁极主要在波数域中实现,换算前后仅改变磁化强度的方向,而大小不变,简化磁异常的比对过程。
3.2向上延拓目的
向上延拓是为了压制浅层地质因素或干扰的数据处理方法,是从浅层干扰背景中分辨出深部地质因素的影响,突出其深部地质因素相对产生的重磁异常。因此,在一定范围内通过向上延拓转换频率响应函数,可以揭示相应深度的场源或地质信息。为了实现位场的分离,利用磁异常向上延拓的方法获得区域场,即磁测原始异常减去区域异常以求取局部异常。从波谱角度分析,区域场以低频成分为主,局部场以高频成分为主[4]。采用提取不同波数成分的场就可以完成区域场与局部场的分离.根据矿区其他采空区埋深情况推断,测区内的采空区埋深相对较浅,因此其周围的烧变岩产生的磁异常属于浅源场,需要提取相应的浅源场以更精准地确定火烧区范围.应用匹配滤波法对磁异常进行数据处理,完成浅源场和深源场的滤波分离。
总结语:
综上所述,本文以安家岭矿区为例,分析其开采环境,发现开采工作过程中,因为井工采空区存在范围、位置等不确定性因素,加上巷内残煤容易自燃形成火区,所以经常发生小的伤害事故,造成设备损失,也影响了露天煤矿开采效益。而采用磁法探测能够更加准确的了解信息,且满足露天煤矿工程进度要求,具有安全生产意义。最后,希望本文能够为专业人员研究提供一些参考,促进煤矿行业健康发展。
参考文献
[1]孙伟,薛江,穆晓强.矿井瞬变电磁法在五家沟煤矿采空区探测中的应用研究[J].山东工业技术,2019,000(017):60,56.
[2]何彪太,毕国胜,田统.平朔矿区露天煤矿生产补充勘探安全管理漫谈[J].内蒙古煤炭经济,2019,270(01):106-106.
[3]郭培鹏.幅频电透视技术在内蒙古盛鑫煤矿采空区探测中的应用[J].河北化工,2020,043(003):43-45,48.
[4]刘忠杰.综合勘探技术在采空区探测中的应用[J].西部探矿工程,2019,031(008):127-128,132.