矿山岩土体导电特性及工程应用研究

摘要

硐室围岩的稳定性和冻结法凿井穿越巨厚冲积层时冻结壁温度场的分析两大问题是当前深部开采井巷工程面临的主要问题。本文通过对两淮煤田冲积层常见土层和煤系地层常见岩层进行取样，试验研究两淮煤田主要岩土体的电阻率特性。并结合冻结法凿井、矿井巷道施工的工艺特点，提出电阻率法检测冻结壁温度场的数据采集、数据处理和基于电阻率法的围岩松动圈检测技术。并将研究成果运用到矿井冻结壁温度场和围岩松动圈检测的工程实践，取得了良好的效果。主要研究工作及成果如下： （1）在高密度电阻率法的拟断面的记录点对应深度方面存在着经验性，使其在工程应用方面存在局限性。根据点电场的基本理论，并结合最新的电阻率勘探数据采集技术——并行电法勘探和跨孔地震勘探的特点，提出拟地震式单极——单极跨孔直流电阻率CT技术的数据采集方式，并编制数据处理软件。为电阻率法检测冻结壁提供数据采集与处理方法。 （2）通过对淮南煤田朱集煤矿冲积层主要土层进行取样，首先，将目前土体导电性测试常用装置和高密度电阻率法勘探技术相结合，试验研究常温下土体电阻率与土性（颗粒级配）、含水量和密度（或密实度）之间的关系，并拟合出不同土体的电阻率与含水量、密度的回归方程；其次，研究冻土电阻率的测试方法，并结合两淮地区的冲积层土层含水量与密度、地温特点和冻结法凿井的冻结盐水温度与冻结壁平均温度设计，研究土体在一定含水量、密度条件下，电阻率与温度的关系。并拟合出相关度较高的不同土体的温度.电阻率（t-ρ）回归方程，这些方程是电阻率法检测冻结壁温度场的基础。 （3）通过对两淮煤田煤系地层主要岩层进行取样，研究岩体的电阻率与应力（或应变）的关系。通过试验发现了取材方便、性能良好的电极与岩石耦合材料——过饱和粘土，拟合出相关度较高的不同岩体的应力-电阻率（σ-ρ）回归方程，这些方程是电阻率法检测硐室围岩稳定状态的基础。 （4）在单极——单极跨孔直流电阻率CT勘探技术研究成果的基础上，提出了电阻率检测冻结法凿井冻结壁温度场的施工工艺、数据采集与数据处理方法。并将该技术应用于工程实践，取得了比较好的效果。 （5）地下峒室的稳定性是矿井安全、高效生产的重要因素。为了确保地下峒室的稳定性，必须采用经济、合理的支护方式。基于围岩松动圈范围的大小及其空间分布规律对选择峒室支护方式的重要性，利用高密度电阻率法勘探的原理并结合地下峒室开挖与支护的施工特点,提出利用锚杆钻机钻孔、锚固剂封闭孔口、简易压力容器注浆封孔、高密度电阻率法采集数据的松动圈测试技术,结合岩石导电性试验获得的应力与电阻率的回归方程,研究硐室开挖与支护后其围岩的变形程度与导电性的关系,分析围岩松动圈的发展状况。该技术已成功应用于两淮矿井巷道围岩松动圈测试的工程实践。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 矿山深部开采现状及面临问题

1.1.1 国外矿山深部开采现状

1.1.2 我国矿山深部开采现状

1.1.3 矿山深部开采面临问题

1.2 电阻率法勘探概述

1.2.1 电阻率法勘探历史及发展趋势

1.2.2 电阻率法勘探存在问题

1.3 岩土体导电特性国内外研究现状

1.3.1 土体导电性研究现状

1.3.2 岩体导电性研究现状

1.4 本文研究内容及思路

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究思路

2 单极——单极跨孔直流电阻率CT勘探技术研究

2.1 基本原理

2.2 观测系统

2.3 处理软件

2.3.1 原始数据文件

2.3.2 射线电阻率初步运算

2.3.3 射线电阻率中值平滑

2.3.4 电阻率数据网格化

2.3.5 保存网格化电阻率数据

2.4 图像绘制与分析

2.5 模型试验

2.5.1 试验模型的建立

2.5.2 数据采集与分析

2.6 本章小结

3 矿山土体导电特性试验研究

3.1 主要仪器设备

3.2 土样及其物理性质

3.3 测量方法与采样间隔的选择

3.3.1 测量方法

3.3.2 采样间隔

3.4 土的导电性与含水量、密度的关系

3.4.1 试验步骤

3.4.2 试验结果与分析

3.5 土的导电性与温度的关系

3.5.1 试验步骤

3.5.2 试验结果及分析

3.6 本章小结

4 矿山岩体导电特性试验研究

4.1 主要仪器设备

4.2 岩样制备

4.3 试验设计

4.3.1 试验装置与电路设计

4.3.2 采样间隔

4.3.3 电极耦合剂的选择

4.4 试验步骤与结果分析

4.4.1 试验步骤

4.4.2 试验结果及分析

4.4 本章小结

5 基于电阻率法的冻结壁温度场测试技术

5.1 技术方案

5.1.1 土样的导电性测试

5.1.2 电法测试钻孔的布置

5.1.3 数据采集与处理

5.2 程实例——淮南朱集煤矿矸石井冻结壁温度场检测

5.2.1 工程概况

5.2.2 电阻率法测试的现场布置

5.2.3 测试结果及分析

5.3 本章小结

6 基于高密度电阻率法的松动圈测试技术

6.1 高密度电阻率法测试松动圈的原理

6.2 施工工艺

6.2.1 钻孔施工

6.2.2 电极放置

6.2.3 钻孔封闭

6.3 数据采集与分析

6.4 工程实例

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

作者简介及攻读博士学位期间的主要科研成果

致谢