采沙探測儀在淺埋礦層開采中的應(yīng)用

創(chuàng)新者：劉世奇 許延春

采沙探測儀在淺埋礦層開采中的應(yīng)用

創(chuàng)新者：劉世奇 許延春

在地表水體下采礦是一項(xiàng)集安全工程、資源開發(fā)、水利、地質(zhì)工程和環(huán)境保護(hù)等多學(xué)科交叉的綜合性研究課題。然而湖（河）床無序采沙活動(dòng)更增加了水體下采礦的復(fù)雜性和危險(xiǎn)度，為清楚地了解采沙活動(dòng)的范圍及深度，專門研制了采沙探測儀，論文詳述了采沙探測儀的原理及使用方法。通過對姚橋煤礦淺埋煤層區(qū)湖床采沙狀況的工程實(shí)測，探明了該區(qū)采沙區(qū)域和最大采沙深度61.27m，驗(yàn)證了采沙探測儀及探測方法對水體下淺埋礦層開采具有實(shí)用價(jià)值。

我國地表水體下壓滯資源量巨大，僅鐵礦石就有10 億t以上被壓埋在河流之下難以開采，地表水體壓煤更是達(dá)百億噸，然而近年來，受利益驅(qū)動(dòng)，在湖泊、河流等水體中一直存在著非法采沙現(xiàn)象，無序采沙活動(dòng)對湖（河）下礦產(chǎn)開采造成嚴(yán)重威脅。采沙方式有多種，對礦層開采威脅最大的采沙方式為：采用大口徑鉆孔下套管到地層的中的目標(biāo)沙層，利用沖洗液抽取流沙。本文研究也主要針對這種無序采沙方式下的采礦安全評(píng)價(jià)。

研究表明，采沙不僅對床體以上生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，對床體下開采活動(dòng)更造成嚴(yán)重威脅，尤其是淺埋礦層開采。湖（河）床一般由以黏土、砂質(zhì)黏土為主組成的隔水層（組），與以砂層、砂礫層為主的含水層（組）交互沉積構(gòu)成。然而無序的采沙活動(dòng)可能會(huì)對隔水關(guān)鍵層造成破壞，增大淺部礦層開采突水的危險(xiǎn)性。研制的采沙探測儀可實(shí)現(xiàn)精確定位采沙區(qū)域，節(jié)約成本，安全可靠。通過工程實(shí)例也驗(yàn)證了其對地表水體下安全采礦具有實(shí)用價(jià)值。

探測原理和儀器結(jié)構(gòu)

湖（河）床經(jīng)過采沙后，由于受到采沙機(jī)械擾動(dòng)，土層強(qiáng)度降低，質(zhì)地相對較軟，形成軟土和流土，且短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)原有強(qiáng)度，即便被淤平后，采沙區(qū)域土層強(qiáng)度也明顯低于未采沙區(qū)域強(qiáng)度。根據(jù)這個(gè)特征，研制采沙探測儀對湖（河）床進(jìn)行探測，以確定采沙范圍，并結(jié)合地質(zhì)資料和鉆孔取芯情況分析確定采沙深度。

采沙探測儀主要由穿心錘、觸探桿、連接桿和測繩組成，見圖1。儀器設(shè)計(jì)穿心錘重量10Kg，穿心錘體積約為0.002m3，穿心錘直徑20cm，下落高度為50cm，實(shí)驗(yàn)時(shí)整個(gè)落錘過程在水中進(jìn)行。穿心錘在液體中下落時(shí)，受到重力、浮力和黏滯阻力的作用，根據(jù)斯托克斯定律、動(dòng)能定理和動(dòng)量定理計(jì)算錘擊瞬間產(chǎn)生的壓強(qiáng)約為107kPa。沖擊力略小于沙土的容許承載力，但對擾動(dòng)沙土可造成破壞。

每節(jié)連接桿長度1m，實(shí)際探測時(shí)可根據(jù)需要連接多個(gè)連接桿，其中最上端連接桿頂端連接測繩，下端有錘墊，嚴(yán)格保證每次落錘高度為50cm。穿心錘穿在最上端連接桿上，錘的兩側(cè)有可掛繩的掛環(huán)，穿心錘處水中時(shí)，靠連接掛環(huán)的拉繩進(jìn)行落錘和提升。觸探桿長95cm，其尖部為錐形探頭。采沙探測儀各主要規(guī)格見表1。

在實(shí)際探測過程中，除了采沙探測儀，還需要GPS定位系統(tǒng)、指南針、吊錘、拉繩、船舶或木筏等工具。

表1 采沙探測儀主要參數(shù)規(guī)格

探測方法和數(shù)據(jù)分析

探測方法

通過實(shí)驗(yàn)室反復(fù)試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)踐，形成如下采用探測儀探測采沙范圍的方法。

（1）測線、測點(diǎn)定位

在礦層淺部開采區(qū)域設(shè)計(jì)探測線路，根據(jù)探測精度要求按照一定間距在探測線路上標(biāo)出探測點(diǎn)，并從平面圖量取探測點(diǎn)的坐標(biāo)記錄成表，作為實(shí)際觀察中的坐標(biāo)依據(jù)。實(shí)際探測過程中原則上嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)測線、測點(diǎn)進(jìn)行探測，但探測過程中如果遇到養(yǎng)魚的“網(wǎng)箱”、小島、水植物等情況影響探測，可采取放棄、繞過、調(diào)整測點(diǎn)等措施處理；在采沙明顯的區(qū)域可適當(dāng)增加測點(diǎn)，以測點(diǎn)的布置以可以判斷采沙影響范圍大小為原則。采沙坑一般為規(guī)則的圓形或橢圓形，在探測過程中對圓形直徑可進(jìn)行估計(jì)并做記錄。

（2）探測采沙情況

① 利用吊錘垂直放入水中，當(dāng)重錘剛剛“觸底”時(shí)，測量并記錄該測點(diǎn)的水深Hs；

② 根據(jù)水深，選取適當(dāng)長度的連接桿，將探測桿、連接桿、提拉桿、穿心錘和測繩連接安裝好，原則是保持桿件能夠全部浸入水中；

③ 首先將連接好的桿件靠重力自由垂直下落，插入淤泥中，利用測繩牽拉使之保持垂直，最大偏斜度不得超過2%；

④ 利用拉繩提拉穿心錘，提拉要達(dá)到最大拉升高度以保證落錘高度，同時(shí)防止錘擊偏心、探桿傾斜或側(cè)向晃動(dòng)。觀測記錄每次錘擊后的貫入深度，當(dāng)每次貫入深度≤3cm時(shí)，停止錘擊，并記錄錘擊數(shù)N；

⑤ 錘擊結(jié)束后以水面為基準(zhǔn)記錄測繩刻度，測繩刻度加上桿件的全長即為測深Hc，換算好的測深記錄在觀測表中；

⑥ 重復(fù)①～⑤，連續(xù)觀測兩次，取測深較大值作為本測點(diǎn)最終探測結(jié)果并記錄。

圖1 采沙探測儀結(jié)構(gòu)

表2 實(shí)測數(shù)據(jù)記錄表（單位：m）

每個(gè)測點(diǎn)完成一次探測后，在現(xiàn)場及時(shí)核對所記錄數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)漏，并結(jié)合其它勘探資料，綜合研究分析，去掉不合理的特異值。探測結(jié)束后，定位下一側(cè)點(diǎn)并探測。

數(shù)據(jù)分析

（1）探測點(diǎn)分析

根據(jù)飽和沙土特性及工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)滿足兩個(gè)或全部以下條件時(shí)：錘擊數(shù)≥7次、軟泥深≥70cm和水深≥平均水深20%，認(rèn)為湖床受過采沙活動(dòng)的擾動(dòng)，即該探測點(diǎn)和其附近范圍內(nèi)進(jìn)行過采沙活動(dòng)。其中軟泥深度為測深減去水深；平均水深為測點(diǎn)附近不受采沙影響水位平均值，可根據(jù)地質(zhì)檔案記錄或是現(xiàn)場實(shí)測取得。

（2）采沙深度確定

采沙深度可以根據(jù)以下三點(diǎn)綜合確定：

①通過采沙坑范圍確定采沙深度。由于松散層移動(dòng)角ψ約為45°，根據(jù)幾何關(guān)系采沙深度約等于沙坑半徑，即H≈r。

②通過地層資料確定采沙深度。根據(jù)采沙區(qū)域附近鉆孔地層結(jié)構(gòu)資料，通過沙層的埋深、厚度及粒徑可對采沙深度進(jìn)行判斷，厚度大、粒徑均勻的淺埋深沙層最有可能成為采沙對象。

③對重點(diǎn)采沙區(qū)域采用鉆孔驗(yàn)證。在沙坑范圍大且深度深的區(qū)域可采用鉆探方式進(jìn)一步確定采沙深度，鉆孔過程中取芯長度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)、巖芯為軟泥的最大深度為采沙深度。

工程實(shí)例

工程簡介

姚橋煤礦的新東四采區(qū)淺部煤層露頭區(qū)位于微山湖水體下，因受無序采沙活動(dòng)破壞，該區(qū)域湖床千瘡百孔。湖床為深厚松散沖積層結(jié)構(gòu)，由多個(gè)含、隔水層組成。黏土隔水層是阻隔微山湖地表水以及各松散含水層水潰入礦井的關(guān)鍵地層，其中3隔和4隔是該區(qū)隔水關(guān)鍵層，黏土塑性指數(shù)14～32，厚度平均分別為33.56m、13.79m，且分布穩(wěn)定，見圖2。正常情況下，3隔和4隔地層可阻隔地表湖水以及其上各含水層下泄。由于以前不涉及淺部開采，采沙活動(dòng)沒有引起礦方足夠重視，但近年來進(jìn)行提高開采上限試采，采沙活動(dòng)嚴(yán)重威脅井下安全開采，因此有必要對提高開采上限區(qū)域進(jìn)行采沙情況探測。

探測數(shù)據(jù)處理

圖2 新東四采區(qū)第四系剖面圖

根據(jù)工程需要，在新東四采區(qū)淺部布置了測線并進(jìn)行了采沙探測，探測數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可以看出在測點(diǎn)1#、2#、14#、17#、22#、23#、24#、25#等點(diǎn)存在采沙情況，且24#和25#點(diǎn)采沙情況嚴(yán)重。

根據(jù)表2探測結(jié)果可知：22#、23#、24#、25#點(diǎn)處采沙現(xiàn)象最為嚴(yán)重，由沙層層位深度及BK-1號(hào)水文地質(zhì)補(bǔ)勘孔鉆孔取芯率情況分析，采沙深度在40～60m左右，最深達(dá)61.27m；而最淺位置在2#點(diǎn)附近，采沙深度在20～30m。根據(jù)地質(zhì)資料：采沙深度40m左右到達(dá)松散層的1隔底部層位，深度60m層位為2隔底部、Ⅲ含上部。據(jù)此判斷采沙對象主要為Ⅰ含、Ⅱ含的細(xì)—粉砂，采沙活動(dòng)尚未破壞隔水關(guān)鍵層。

結(jié)語

采砂探測儀主要利用采沙后形成采沙坑和受擾動(dòng)床體強(qiáng)度降低的事實(shí)，精確定位采沙點(diǎn)后，結(jié)合地質(zhì)資料和采用重點(diǎn)區(qū)域鉆孔探測的方法確定采沙深度和采沙影響范圍。采沙探測儀便攜、精確、經(jīng)濟(jì)和安全可靠的特點(diǎn)，對地表水體下安全采礦具有實(shí)用價(jià)值，其探測結(jié)果可為采礦企業(yè)相關(guān)決策提供科學(xué)依據(jù)。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.06.019