采沙探测仪在浅埋矿层开采中的应用

2016-08-31创新者刘世奇许延春

中国科技信息 2016年6期

创新者：刘世奇许延春

采沙探测仪在浅埋矿层开采中的应用

创新者：刘世奇许延春

在地表水体下采矿是一项集安全工程、资源开发、水利、地质工程和环境保护等多学科交叉的综合性研究课题。然而湖（河）床无序采沙活动更增加了水体下采矿的复杂性和危险度，为清楚地了解采沙活动的范围及深度，专门研制了采沙探测仪，论文详述了采沙探测仪的原理及使用方法。通过对姚桥煤矿浅埋煤层区湖床采沙状况的工程实测，探明了该区采沙区域和最大采沙深度61.27m，验证了采沙探测仪及探测方法对水体下浅埋矿层开采具有实用价值。

我国地表水体下压滞资源量巨大，仅铁矿石就有10 亿t以上被压埋在河流之下难以开采，地表水体压煤更是达百亿吨，然而近年来，受利益驱动，在湖泊、河流等水体中一直存在着非法采沙现象，无序采沙活动对湖（河）下矿产开采造成严重威胁。采沙方式有多种，对矿层开采威胁最大的采沙方式为：采用大口径钻孔下套管到地层的中的目标沙层，利用冲洗液抽取流沙。本文研究也主要针对这种无序采沙方式下的采矿安全评价。

研究表明，采沙不仅对床体以上生态环境产生影响，对床体下开采活动更造成严重威胁，尤其是浅埋矿层开采。湖（河）床一般由以黏土、砂质黏土为主组成的隔水层（组），与以砂层、砂砾层为主的含水层（组）交互沉积构成。然而无序的采沙活动可能会对隔水关键层造成破坏，增大浅部矿层开采突水的危险性。研制的采沙探测仪可实现精确定位采沙区域，节约成本，安全可靠。通过工程实例也验证了其对地表水体下安全采矿具有实用价值。

探测原理和仪器结构

湖（河）床经过采沙后，由于受到采沙机械扰动，土层强度降低，质地相对较软，形成软土和流土，且短时间内难以恢复原有强度，即便被淤平后，采沙区域土层强度也明显低于未采沙区域强度。根据这个特征，研制采沙探测仪对湖（河）床进行探测，以确定采沙范围，并结合地质资料和钻孔取芯情况分析确定采沙深度。

采沙探测仪主要由穿心锤、触探杆、连接杆和测绳组成，见图1。仪器设计穿心锤重量10Kg，穿心锤体积约为0.002m3，穿心锤直径20cm，下落高度为50cm，实验时整个落锤过程在水中进行。穿心锤在液体中下落时，受到重力、浮力和黏滞阻力的作用，根据斯托克斯定律、动能定理和动量定理计算锤击瞬间产生的压强约为107kPa。冲击力略小于沙土的容许承载力，但对扰动沙土可造成破坏。

每节连接杆长度1m，实际探测时可根据需要连接多个连接杆，其中最上端连接杆顶端连接测绳，下端有锤垫，严格保证每次落锤高度为50cm。穿心锤穿在最上端连接杆上，锤的两侧有可挂绳的挂环，穿心锤处水中时，靠连接挂环的拉绳进行落锤和提升。触探杆长95cm，其尖部为锥形探头。采沙探测仪各主要规格见表1。

在实际探测过程中，除了采沙探测仪，还需要GPS定位系统、指南针、吊锤、拉绳、船舶或木筏等工具。

表1 采沙探测仪主要参数规格

探测方法和数据分析

探测方法

通过实验室反复试验及现场实践，形成如下采用探测仪探测采沙范围的方法。

（1）测线、测点定位

在矿层浅部开采区域设计探测线路，根据探测精度要求按照一定间距在探测线路上标出探测点，并从平面图量取探测点的坐标记录成表，作为实际观察中的坐标依据。实际探测过程中原则上严格按照设计测线、测点进行探测，但探测过程中如果遇到养鱼的“网箱”、小岛、水植物等情况影响探测，可采取放弃、绕过、调整测点等措施处理；在采沙明显的区域可适当增加测点，以测点的布置以可以判断采沙影响范围大小为原则。采沙坑一般为规则的圆形或椭圆形，在探测过程中对圆形直径可进行估计并做记录。

（2）探测采沙情况

① 利用吊锤垂直放入水中，当重锤刚刚“触底”时，测量并记录该测点的水深Hs；

② 根据水深，选取适当长度的连接杆，将探测杆、连接杆、提拉杆、穿心锤和测绳连接安装好，原则是保持杆件能够全部浸入水中；

③ 首先将连接好的杆件靠重力自由垂直下落，插入淤泥中，利用测绳牵拉使之保持垂直，最大偏斜度不得超过2%；

④ 利用拉绳提拉穿心锤，提拉要达到最大拉升高度以保证落锤高度，同时防止锤击偏心、探杆倾斜或侧向晃动。观测记录每次锤击后的贯入深度，当每次贯入深度≤3cm时，停止锤击，并记录锤击数N；

⑤ 锤击结束后以水面为基准记录测绳刻度，测绳刻度加上杆件的全长即为测深Hc，换算好的测深记录在观测表中；

⑥ 重复①～⑤，连续观测两次，取测深较大值作为本测点最终探测结果并记录。

图1 采沙探测仪结构

表2 实测数据记录表（单位：m）

每个测点完成一次探测后，在现场及时核对所记录数据是否有错漏，并结合其它勘探资料，综合研究分析，去掉不合理的特异值。探测结束后，定位下一侧点并探测。

数据分析

（1）探测点分析

根据饱和沙土特性及工程经验，当满足两个或全部以下条件时：锤击数≥7次、软泥深≥70cm和水深≥平均水深20%，认为湖床受过采沙活动的扰动，即该探测点和其附近范围内进行过采沙活动。其中软泥深度为测深减去水深；平均水深为测点附近不受采沙影响水位平均值，可根据地质档案记录或是现场实测取得。

（2）采沙深度确定

采沙深度可以根据以下三点综合确定：

①通过采沙坑范围确定采沙深度。由于松散层移动角ψ约为45°，根据几何关系采沙深度约等于沙坑半径，即H≈r。

②通过地层资料确定采沙深度。根据采沙区域附近钻孔地层结构资料，通过沙层的埋深、厚度及粒径可对采沙深度进行判断，厚度大、粒径均匀的浅埋深沙层最有可能成为采沙对象。

③对重点采沙区域采用钻孔验证。在沙坑范围大且深度深的区域可采用钻探方式进一步确定采沙深度，钻孔过程中取芯长度达不到标准、岩芯为软泥的最大深度为采沙深度。

工程实例

工程简介

姚桥煤矿的新东四采区浅部煤层露头区位于微山湖水体下，因受无序采沙活动破坏，该区域湖床千疮百孔。湖床为深厚松散冲积层结构，由多个含、隔水层组成。黏土隔水层是阻隔微山湖地表水以及各松散含水层水溃入矿井的关键地层，其中3隔和4隔是该区隔水关键层，黏土塑性指数14～32，厚度平均分别为33.56m、13.79m，且分布稳定，见图2。正常情况下，3隔和4隔地层可阻隔地表湖水以及其上各含水层下泄。由于以前不涉及浅部开采，采沙活动没有引起矿方足够重视，但近年来进行提高开采上限试采，采沙活动严重威胁井下安全开采，因此有必要对提高开采上限区域进行采沙情况探测。

探测数据处理

图2 新东四采区第四系剖面图

根据工程需要，在新东四采区浅部布置了测线并进行了采沙探测，探测数据见表2。根据评判标准可以看出在测点1#、2#、14#、17#、22#、23#、24#、25#等点存在采沙情况，且24#和25#点采沙情况严重。

根据表2探测结果可知：22#、23#、24#、25#点处采沙现象最为严重，由沙层层位深度及BK-1号水文地质补勘孔钻孔取芯率情况分析，采沙深度在40～60m左右，最深达61.27m；而最浅位置在2#点附近，采沙深度在20～30m。根据地质资料：采沙深度40m左右到达松散层的1隔底部层位，深度60m层位为2隔底部、Ⅲ含上部。据此判断采沙对象主要为Ⅰ含、Ⅱ含的细—粉砂，采沙活动尚未破坏隔水关键层。