河湖采沙探测仪及探测方法

摘要

本发明公开了一种河湖采沙探测仪及探测方法，其中，该方法包括：根据探测点的水深选择相应长度的连接杆，将该连接杆的末端穿过穿心锤的开孔后依次与锤垫、触探杆与探头连接；将上述连接组成的杆体垂直插入水中，并确保其最大偏斜度不超过阈值；利用穿心锤以预定的频率锤击所述锤垫，直至锤击后探头的贯入深度小于或等于阈值，并记录此时的锤击次数；若当前探测点满足，锤击的次数≥n次、探头贯入的总深度≥s米与探测点水深≥平均水深×m%中至少两个条件，则判定当前探测点已进行过采沙活动。通过本发明公开的河湖采沙探测仪及探测方法，可以较为快捷、准确的探测采沙情况，确保水下采煤安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，尤其涉及一种河湖采沙探测仪及探测方法。

背景技术

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，且屡禁不 止。采沙对象主要为松散层中的沙、砾石等，非法采沙者多通过抽沙泵式采沙船将吸沙 泵插入泥底吸沙，船只24小时不间断作业，日采沙量从几十吨到几千吨不等，采沙深度 也从几米到几十米不等。非法采沙活动不仅对湖泊、河流等水体中的生态环境造成破 坏，而且可能会对水体下采煤安全造成不利影响，尤其对煤层浅部露头区开采造成严重 威胁。

对水体下安全采煤起着重要作用的是松散层中的区域关键隔水层（组），用于阻隔 其上部含水层与下部含水层的水力联系；采沙活动的泛滥可能会对区域关键隔水层造成 破坏，从而增大了水体下采煤的危险系数。

然而，现有技术中，还没有较为有效的方法对河湖采沙的情况进行探测，从而无法 判定是否对区域关键隔水层造成了破坏。

发明内容

本发明的目的是提供河湖采沙探测仪及探测方法，能够较为快捷、准确的探测采沙情 况，确保水下采煤安全性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种河湖采沙的探测方法，该方法包括：

根据探测点的水深选择相应长度的连接杆，将该连接杆的末端穿过穿心锤的开孔后 依次与锤垫、触探杆与探头连接；

将上述连接组成的杆体垂直插入水中，并确保其最大偏斜度不超过阈值；

以预定的频率利用穿心锤锤击所述锤垫，直至锤击后探头的贯入深度小于或等于阈 值，并记录此时的锤击次数；

若当前探测点满足，锤击的次数≥n次、探头贯入的总深度≥S米与探测点水深≥平 均水深×m%中至少两个条件，则判定当前探测点已进行过采沙活动。

一种河湖采沙探测仪，该探测仪包括：测绳、连接杆、穿心锤、锤垫、触探杆与探 头；其中，所述连接杆的末端穿过穿心锤的开孔后依次与锤垫、触探杆与探头连接；

所述测绳连接在所述连接杆的顶端，用于当上述连接组成的杆体垂直插入水后，确 保最大偏斜度不超过阈值；

所述穿心锤，用于按照预定的频率锤击所述锤垫，直至锤击后探头的贯入深度小于或 等于阈值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过河湖采沙探测仪可以较为快捷、准确的 对河湖采沙情况进行探测，并可根据探测到的采沙情况对水下采煤区的安全情况进行判 定，从而确保了水下采煤的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种河湖采沙的探测方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的一种河湖采沙情况的示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种河湖采沙的探测仪的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明的保护范围。

湖底或河底经过采沙后，由于受到采沙活动扰动，湖床或河床强度降低，质地相对 较软，且短时间内难以恢复原有强度，使得采沙区域强度明显低于未采沙区域强度。根 据这个特征，设计采沙探测仪器对湖床和河床进行探测，确定采沙范围和采沙程度，并 通过地质资料和钻孔取芯情况分析确定采沙深度。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种河湖采沙的探测方法的流程图。如图1所示，该方 法主要包括如下步骤：

步骤11、根据探测点的水深选择相应长度的连接杆，将该连接杆的末端穿过穿心锤 的开孔后依次与锤垫、触探杆与探头连接。

在进行采沙探测前需要进行测线、探测点的设计，以及探测点的定位等，可以使用 GPS定位系统、指南针等辅助工具。

可以在需要探测的区域设计探测线路，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。 探测线路的选取原则是选择采沙活动对水下采煤最可能产生不利影响的区域设置，由于 煤层浅部露头区域基岩厚度小，煤层距离松散层近，所以一般选取煤层浅部露头区域设 置测线。

通常，均按照设计的测线、探测点进行探测，但在实际观察中，尤其是在流水的情 况下，精确定位显得十分困难，因此在满足试验精度要求情况下可适当调整探测点。调 整后的坐标需要进行准确记录。

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、调整探测点等措施处理；在采沙明显的区域可适当增加探测点，探测点的布 置以可以判断采沙影响范围大小为原则。采沙影响区域一般为规则的圆形，在探测过程 中对圆形直径可进行估计并做记录。

达到预定的探测点后，先对该探测点的水深进行测量，例如，利用吊锤垂直放入水 中，当吊锤刚刚“触底”时，根据吊锤提线上的刻度读出该测点的水深Hs并记录。

连接杆长度可以根据探测点的水深进行调节（需要保证连接后的整个杆体全部浸入 水中），例如，若单根连接杆的长度为1米，而探测的水深为10-20米，则可将多根连接 杆连接后，再与穿心锤、锤垫、触探杆与探头连接。

作为举例而非限定，穿心锤、锤垫、触探杆与探头可以采用下述规格：穿心锤重 10KG，体积约为0.002m³，重锤直径0.2米；探头为锥形探头，其锥角为60°，直径为 0.04米，触探杆直接为0.025米，长度为0.9米。

步骤12、将上述连接组成的杆体垂直插入水中，并确保其最大偏斜度不超过阈值。

通常情况下，需要保证整个杆体全部浸入水中，并确保其最大偏斜度不超过阈值 （例如，2%）。

进一步的，为了便于操作，可以在连接杆的顶端设置一提环，通过在拉动提环上的 拉绳来确保杆体保持垂直状态。

步骤13、利用穿心锤以预定的频率锤击所述锤垫，直至锤击后探头的贯入深度小于 或等于阈值，并记录此时的锤击次数。

为了便于操作，可以在穿心锤的两端设置可挂绳的挂环，且在连接杆靠近末端的位 置设置一卡槽，以便控制穿心锤的最大提拉高度，且确保每一次提拉的最大提拉高度一 致；具体的数值可以根据实际的需求来设定，例如，本实施例将最大提拉高度设为0.5 米；并且，为了确保信息的准确性，在使用穿心锤锤击时要防止锤击偏心、探杆倾斜或 侧向晃动。

另外，本步骤中的锤击频率以及贯入深度阈值可以根据实际的需求进行设定，例 如，锤击频率可以设置为15～30/分；贯入深度阈值可以设置为0.03米。

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H_c，换 算好的测深记录在探测结果记录表中，该表格可采用表1所示的格式：

表1探测结果记录表

为了保证数据的准确性，可以在相同的探测点进行多次测试，取测深较大值作为本 测点最终探测结果。

步骤14、若当前探测点满足，锤击的次数≥n次、探头贯入的总深度≥s米与探测点 水深≥平均水深×m%中至少两个条件，则判定当前探测点已进行过采沙活动。

本步骤的n与s的取值可以是对多种环境进行测试后获得的经验数值，平均水深可以 为探测点附近不受采沙影响的水位平均值，m%可设为20%。

作为举例而非限定，针对淤泥、龟裂土、浅水及田地环境进行了测试，获得了相应 的n与s的值；测试的数值如下表所述：

表2不同环境下的锤击测试

在表2中的环境进行测试时，穿心锤锤击的动作全部在水面以上进行，落锤过程中基 本没有能量损耗，因此锤击力度明显大于在水中情况。从表2中可以看出：当锤击数≥7 时，每次锤击深度基本≤3cm，贯入困难；在淤泥和浅水中贯入深度最大，前7次贯入总 深度不大于0.7米。因此，本发明实施例可将n与s的值分别设为7与0.7。

进一步的，为了便于理解本发明，下面结合穿心锤规格对本发明的探测原理做进一 步介绍。

湖底或河底经过采沙后，由于受到采沙活动扰动，湖床或河床强度降低，质地相对 较软，且短时间内难以恢复原有强度，使得采沙区域强度明显低于未采沙区域强度。根 据这个特征，设计采沙探测仪器对湖床和河床的采沙情况进行探测。

穿心锤的作用在于锤击锤垫，并将力下传，使得最底部的探头能够贯入河（湖） 床，但是，穿心锤的重量不能过高也不能过低，否则，无法保证测试的准确性。

本发明实施例中穿心锤重量10Kg，体积约为0.002m³，重锤直径0.2米，下落高度为 0.5米，整个落锤过程均在水中进行。穿心锤在液体中下落时，受到重力、浮力和粘滞阻 力的作用，将其简化为直径0.2米的铁球。

在无限广延的且无漩涡的液体中，依据斯托克斯定律，即半径为r的圆球，以速度v在 粘滞系数为η的液体中运动时，圆球所受液体的粘滞阻力大小为：

F_粘=6πrηv；

其中，粘滞系数η取决于液体的性质和温度；本实施例中的液体为水，则不同温度的 水对应的粘滞系数η，可参见下表：

温度（℃） 粘滞系数η（泊） 温度（℃） 粘滞系数η（泊） 温度（℃） 粘滞系数η（泊） 0 0.00179 11 0.00127 21 0.00098 1 0.00173 12 0.00124 22 0.00096 2 0.00167 13 0.00120 23 0.00094 3 0.00162 14 0.00117 24 0.00091 5 0.00157 15 0.00114 25 0.00089 5 0.00152 16 0.00111 26 0.00087 6 0.00147 17 0.00108 27 0.00085 7 0.00143 18 0.00106 28 0.00084 8 0.00139 19 0.00103 29 0.00082 9 0.00135 20 0.00101 30 0.00080

10 0.00131 / / / /

表4不同温度下水的粘滞系数

本实施例假定水温为20度左右，根据表3取粘滞系数为0.00101泊，则重锤所受粘滞 阻力：

F_粘=6×3.14×0.2×0.00101·v=3.8×10^-3v；

设重锤下降H=0.5m时的收尾速度为v_尾，根据动能定理：

G·H-F_浮·H-F_粘·H=0.5mv_尾²；

由于F_粘与v成线性关系，近似取平均值为F_粘=0.5×3.8×10^-3v_尾=1.9×10^-3v_尾，同时F_浮=ρ _液gV_排=19.6N，G=mg=10×9.8=98N，H=0.5m，求得：

v_尾≈2.8m/s，终点F_粘终=1.064×10^-2N；

设穿心锤对湖床冲击力为F，再根据动量定理：

（F-G+F_浮+F_粘终）t=m v_尾；

取t=0.5s，求得F=134.4N。

另外，探头直径为0.04米，则锤击瞬间产生的压强为

p=F/S=134.4/3.14×（0.02）²≈107kPa。

粗沙、中沙和细沙的容许承载力140～350kPa，且与沙的密实性和含水量密切相关， 一般密实性低，含水量高的沙土承载力低；本发明实施例中产生压强低于完好沙土的承 载力，但是当沙土经过扰动后承载力急剧下降，因此设计的穿心锤重量合适。

当根据上述方法确定某一探测点已进行过采沙活动后，还可以进一步确定采沙深度 与采沙厚度：其中，确定采沙厚度两种方式：1）通过采沙区域的松散层地层结构情况判 断采沙深度，具体的：根据已有钻孔地层结构资料，通过沙层的埋深、厚度及粒径对采 沙深度进行计算；通过采沙区域松散层地层结构情况判断采沙深度。2）探测采沙范围的 直径，从而确定采沙深度；《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规 程》中列举松散层的移动角一般规律见下表：

深度h/m ≤10 10～20 20～40 40～60 ≥60 移动角ψ（含水较小）/（°） 45 50 55 60 65 移动角ψ（含水较大）/（°） 40 45 50 55 60

表4松散层移动角

由于在河湖中采沙含水较大，且采沙深度基本集中在10～20之间，因此，按照松散层 移动角ψ=45°计算，当已知采沙范围直径为R的条件下，采沙深度H≈0.5R。另外，当 探测出采沙范围的直径后，还可根据第二种方法对第一种方法确定的采沙厚度进行验 证，实现精确判定采沙深度。

当确定采沙深度后，则可根据该沙层结构特性确定采沙厚度，并可根据探测到的上 述数据对水下采煤区的安全情况进行判定，从而确保了水下采煤的安全性。

基于本发明的上述方案，对某一水下采煤区上的采沙情况进行了探测，并根据探测 到的数据进行安全性的判定。

在此之前，对河湖采沙的相关安全情况进行介绍：

由于原始沉积作用，松散层从宏观上均存在含水层、隔水层相间的多层复合结构， 并且在深部一般存在一层厚度大且稳定分布的隔水层，该隔水层可基本阻隔其上部各含 水层对其下部含水层进行补给，这样的隔水层称为区域关键隔水层。由于区域关键隔水 层的存在，对采矿影响的松散层含水层主要是其下部含水层。根据多年水体下采煤研究 经验，松散层的区域关键隔水层（组）的指标：单层总厚度大于10m，粘土的液性指数小 于0.5，夹沙小于3m，区域稳定分布。

根据以上理论，河湖区采沙尤其是煤层浅部露头区采沙时，为了确保水下采煤区的 安全采煤区的安全，采沙不能触碰松散层区域关键隔水层。由于采沙的钻孔直径一般较 大，大于30cm，且采沙者事后对钻孔不采取任何措施，致使采沙过后不仅造成沙层上部 地层沉陷，而且湖水通过钻孔联通各地层，经扰动的各土层进一步软化，严重时可造成 “隔水层”完全失去隔水性能。因此，探测河湖区采沙深度触及区域关键隔水层时，该 区域水下采煤危险系数增加。

本实施例所探测湖区的湖床为深厚松散冲积层结构，由多个（例如，4个）含、隔水 层组成。隔水层是阻隔湖中地表水以及各松散含水层水溃入矿井的关键地层；其中，第3- 第4隔水层为区域关键隔水层。正常情况下，第3-第4隔水层可阻隔地表水以及其上各含 水层。根据水文地质资料和开采实践经验，该区域防水安全煤（岩）可以转变为防沙安 全煤（岩）柱，以提高资源回收率。该湖一直以来存在采沙情况，由于以前不涉及浅部 开采，没有引起足够重视，但近年来水下采煤区提高了开采上限试采，采沙活动严重威 胁井下安全开采，可能会对留设的防沙安全煤（岩）柱造成阻碍，为了进一步查明采沙 活动是否会对留设防沙安全煤（岩）柱产生不利影响，对该湖区进行了实地探测和分 析。

对该湖区的侧线及探测点进行设计：测线沿着湖区浅部露头区开采上限附近，共设 计25个测点。

通过湖区探测，整理探测结果如下表所示：

表5湖区探测结果记录表

从表5中可以看出，在测点#1、#2、#14、#17、#22、#24、#25锤击数都大于或是 等于7次，水深较周围也深，而且除去#22外，贯入深度均大于0.7米，其中测点#24和#25 探测软泥深度更是超过了1.5m，说明采沙现象明显，并根据之前的分析判定在测点#1、 #2、#14、#17、#24、#25均发生过采沙活动。

在探测点#22，虽然锤击数满足≥7次的条件，但不满足≥0.7m的贯入深度的条件； 在#23满足软泥深度≥0.7m的条件，但不满足锤击数≥7次的条件。两处水深也较深，且 贯入深度也相对较深，因此认为在测点#22与#23处采沙的可能性大，也可能是河道清淤 造成的。但考虑到具体情况：在测点#22与#23处恰巧为河道，因此可认为是清淤造成的 该探测结果。清淤对湖床的破坏性没有采沙大，但在井下采煤时也需要做好防范措施。

当确定采沙情况后，则可进一步确定采沙深度与采沙厚度。为以实际测线附近的钻 孔资料做出露头区第四系松散层局部剖面图，结合探测采沙区域范围以及水文补堪钻孔 取芯情况，分析确定探测点采沙深度，其结果如图2所示，其中，5个弧形区域表示采沙 范围，其余的阴影区域表示沙层区域。

根据图2可知，最浅深度的位置在#2点附近，其深度在20～30米，最高深度为#23点 与#24点位置，其深度在50～60米左右。而根据预先获得的地表层资料可知，40m左右为 达松散层的第1隔水层的底部层位；60m左右，为第2隔底部、第3含水层上部层位，因 此，采沙活动暂未破坏第3与第4隔水层，对其隔水性未造成不利影响。

另外，根据钻孔资料可知，在露头区第四系松散层厚度一般为120m左右，并且松散 层底部厚层粘土对水下采煤区的导水裂缝带的发育具有抑制作用，预计导水裂缝带不会 与采沙部位相互贯通，形成导水通道。因此采沙活动不会影响留设防沙安全煤（岩） 柱，对该湖下采煤也暂时不会造成不利影响。

本发明实施例通过河湖采沙探测仪可以较为快捷的对河湖采沙的情况进行探测，并 可根据探测到的采沙情况对水下采煤区的安全情况进行判定，从而确保了水体下采煤的 安全性。

实施例二

为了便于理解本发明，

图3为本发明实施例一提供的一种河湖采沙的探测仪的示意图。如图3所示，该探测 仪主要包括：

测绳31、连接杆32、穿心锤33、锤垫34、触探杆35与探头36；其中，所述连接杆32 的末端穿过穿心锤33的开孔后依次与锤垫34、触探杆35与探头36连接；

所述测绳31连接在所述连接杆32的顶端，用于当上述连接组成的杆体垂直插入水 后，确保最大偏斜度不超过阈值；

所述穿心锤33，用于按照预定的频率锤击所述锤垫34，直至锤击后探头36的贯入深 度小于或等于阈值。

所述连接杆32末端的上方设有卡槽321，用于控制所述穿心锤33的最大提拉高度。

该探测仪还包括：提环37，置于所述测绳31与所述连接杆32顶端之间。

所述穿心锤33的两侧设有可挂绳的挂环331，用于提拉所述穿心锤33。

所述探头36为锥形探头。

需要说明的是，上述装置中包含的各个功能模块所实现的功能的具体实现方式在前 面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模 块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模 块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分 功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。