CN101581234B - 煤层采动顶底板岩层变形与破坏井下综合测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层采动顶底板岩层变形与破坏井下综合测试方法，包括以下步骤：(1)搭建综合测试系统；(2)利用网络并行电法同步采集顶板、底板钻孔中测试电极供电电流和电位信号，得到控制区域中工作面顶板、底板之间的电场分布情况；(3)根据所采集的各种地球物理场数据特点，分别提取控制区域中岩体的电场参数分布情况、地震波速分布情况和钻孔中不同位置岩层的位移变化量；(4)随着工作面的推进状态，动态获得不同时间探测区域内上述地球物理场参数变化；(5)通常在采煤工作面回采前完成测试钻孔内设施的安装与封闭；本发明对岩体破坏情况进行精细掌握，不但可以圈定控制区域中岩体的变形破坏分布情况，也可以精确确定顶板覆岩体的导水裂隙带高度和底板的破坏深度值。

Description

煤层采动顶底板岩层变形与破坏井下综合测试方法

技术领域：

本发明涉及一种矿井地球物理勘探技术，利用工作面顶底板岩体中地球物理场监测技术，建立煤层开采顶底板岩层变形与破坏综合测试系统，解决顶底板变形破坏问题，获得顶板破坏“两带”高度和底板破坏深度值。

背景技术：

矿井工作面采场在采动过程中顶底板岩层变形与破坏问题对矿井安全高效生产带来严重的影响，岩体破坏形成的导水裂隙带高度是矿井水害防治重要的技术参数。顶板裂隙的发育高度和底板破坏深度等技术参数对于指导工作面合理布局及水害防治具有重要的实际意义。

长期以来，探测采后煤层顶底板岩层破坏高度与深度的方法，主要采用钻孔冲洗液简易水文观测分析法和钻孔压、注水实验法。它们依据冲洗液消耗量和水压降的变化来判定导水裂隙带高度等参数。由于施工探测钻孔难度大、成本高，所获取数据、资料在精度上不同程度地受到施工人员技术、经验水平等方面的制约。因此，特别需要采用更加先进科学的探测技术与方法为生产服务。利用地震波波速检层、地震CT成像和电法CT成像技术与钻孔结合进行煤层覆岩破坏观测是申请人的一项科研成果，目前在工程技术探测方面有着广泛的应用前景，几年来先后已在淮南、国投新集、皖北、淮北及河南义马等矿业集团完成近20个裂高钻孔的测试任务。该方法同传统的钻探方法相比，它可查明探测切面内岩层的地质形态，通过在时空域中的多次对比，来获取煤岩层在采前的赋存形态和采后的破坏形态，以及相关的其他地质信息资料。

发明内容：

本发明是解决在工作面回采过程中，对一定控制区域范围内工作面顶底板岩层变形与破坏进行测试。通过在工作面顶底板岩层中布置并形成不同方位钻孔，形成孔--巷、孔--孔等观测系统，并在孔巷中布置地震波检波器、电极、角位移探头等传感器形成一套单一或综合测试监测系统，利用通讯线路发送命令、采集与传输人工地震波场、直流电场及岩层位移量等数据，通过分析实时得到的工作面顶底板监测区域中岩体的地球物理场参数的变化情况，来评价该探测区域中不同时期的岩体变形、破坏规律及其破坏高(深)度值。

针对要解决的技术问题，本发明采用如下技术方法：

煤层采动顶底板岩层变形与破坏井下综合测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)搭建综合测试系统，在煤矿开采工作面风巷或机巷中构造简单区段确定钻机窝，在钻机窝中分别朝向顶板或/和底板岩层中布设一定角度的钻孔，孔深要求穿过岩层变形破坏带一定距离；在钻孔中布置探测电极、地震传感器或角位移探头，保证电极、地震或角位移传感器与周围岩体耦合良好，探测电极按照网络并行电法布置，以测量电场；利用地震传感器接收地震波记录；通过角位移传感器测量岩层变形过程中的位移量；从而实现对控制区域中岩体的电场、地震波场及位移量的变化情况进行综合测试；

(2)利用网络并行电法同步采集顶板、底板钻孔中测试电极电流和电位信号，得到控制区域中工作面顶板、底板之间的电场分布情况；在巷道中布置激发点钻孔，引爆激发点钻孔中的炸药产生地震波，利用顶板、底板钻孔中地震传感器监测地震波信号，得到控制区域中工作面顶板、底板岩体中的地震波速度场分布情况；或利用钻孔中布置的角位移传感器测取不同时期岩层的位置变化数据；

(3)根据所采集的各种地球物理场数据特点，分别提取控制区域中岩体的电场参数分布情况、地震波速分布情况和钻孔中不同位置岩层的位移变化量，通过对岩体中地球物理场变化情况的掌握、根据工作面推进程度加以对比，从而分析工作面开采过程中其顶底板岩体变形与破坏特征；具体来说：岩层变形与破坏过程中其结构发生变化，因此会改变岩层导电条件，使得电阻率值增大；改变岩层地震波传播条件，使得破坏区地震波速度减小；岩层发生变形与位移，产生不同程度的位移量；

(4)随着工作面的推进状态，动态获得不同时间探测区域内上述地球物理场参数变化，即岩层电阻率值变化、地震波速度值变化或岩层位移量的大小，通过与背景场参数的对比，可综合分析顶底板岩层变形与破坏的动态发育规律，并根据地球物理场参数大小界定顶板覆岩破坏的“两带”高度值，以及底板岩层破坏的深度值；

(5)通常在采煤工作面回采前完成测试钻孔内设施的安装与封闭；在工作面推进至钻孔前方200m左右完成岩层背景地球物理场测试；在工作面推进至钻孔正下方时进行密集观测，保证每天一组测试数据；做好孔口电缆的保护工作，在工作面推进通过钻孔孔口5-10m完成现场数据采集工作。

本发明的优点：

本发明是从两到三种不同性质的地球物理方法探测煤层开采过程中顶底板岩层变形与破坏情况，有利于对岩体破坏情况进行精细掌握，不但可以圈定控制区域中岩体的变形破坏分布情况，也可以精确确定顶板覆岩体的导水裂隙带高度和底板的破坏深度值。这不但避免了常规钻孔控制中的“一孔之见”的弊端，也避免了在数值模拟计算的部分片面问题。与现代通讯技术相结合，可对井下所采集的数据进行远程控制，实现远程监控。动态实时监测是该系统一大重要的特点。

附图说明：

图1为综合测试系统布置示意图；

图2为钻孔安装及封闭布置示意图；

图中标号：1、排气孔，2、电缆孔，3、注浆孔，4、锁口盘，5、水泥浆，6、套管，7、钻孔。

图3为井下远程数据采集控制系统布置示意图；

图4为综合测试系统电阻率测试岩层背景图；

图5为综合测试系统电阻率测试岩层变化图；

图6为综合测试系统电阻率测试岩层破坏图；

图7为综合测试系统电阻率测试综合效果图。

具体实施方式：

结合本发明的技术特色，这个顶底板变形破坏的综合测试系统具体实施方式如下：

(1)在工作面回采之前，在巷道中布置一监测钻场，在监测钻场中分别朝向顶板布置一仰孔，朝向底板布置一俯孔，仰孔和俯孔的角度及深度根据工作面地质情况而定，该两孔设定原则为顶板仰孔必须穿过预计导水裂隙带，即超过裂隙带最大发育高度的经验值；而底板俯孔必须穿过底板破坏带，即超过最大破坏深度的经验值；

(2)在钻孔中布置探测电极、地震传感器或角位移传感器，采用水泥注浆封孔，保证电极、地震或角位移传感器与周围岩体耦合良好，确保数据的正常采集；

(3)在工作面回采之前采集多组背景地球物理场参数，使用网络并行电法仪器采集顶底板中的电法数据，使用地震仪器采集顶底板钻孔中地震传感器的信号；或利用钻孔中布置的角位移传感器测取不同时期岩层的位移变化数据；通过采集这些背景场参数作为后期分析顶底板岩体变形破坏的依据。

(4)随着工作面回采推进，根据工作面生产进度适时采集综合测试系统的数据，并及时对采集数据进行分析，根据煤岩体变形与破坏过程中电阻率、自然电位、地震波速度场、位移变化量等参数特征，确定破坏参数区间，可进一步分析判断煤层开采其顶底板岩体的变形与破坏情况，总结变形破坏发育规律及具体破坏导水裂隙带高(深)度值，有效指导现场实际工作。

实施例子：

为了获得11煤层开采覆岩破坏特征，在淮南矿业集团某矿1115(1)工作面进行煤层开采顶底板岩体变形破坏研究，在工作面中部布置了该综合测试系统对控制区域岩体的变形破坏情况进行观测。在1115(1)工作面中搭建了如附图1的综合测试系统，其中钻孔安装布置如附图2所示，附图3为可采用的井下远程数据采集与控制系统布置示意图；在工作面回采至这一区域时观测岩体中不同时期的地球物理场变化情况，以地电场为例得到如附图4--附图7的测试结果。从测试区域的岩层背景到变形、破坏地球物理场参数，一直到最后破坏带的形成，其变化结果极为明显。从附图7中可以看到此煤层在开采中顶板岩体的破坏导水裂隙带高度可达到45m左右，而底板的破坏深度基本保持在10m左右，这个数据为指导煤矿安全开采提供了宝贵依据，并通过地面钻孔验证了该数据结果，得到现场技术人员的肯定。

Claims (1)

1.煤层采动顶底板岩层变形与破坏井下综合测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)搭建综合测试系统，在煤矿开采工作面风巷或机巷中构造简单区段确定钻机窝，在钻机窝中分别朝向顶板或/和底板岩层中布设一定角度的钻孔，孔深要求穿过岩层变形破坏带一定距离；在钻孔中布置探测电极、地震传感器及角位移传感器探头，保证电极、地震及角位移传感器与周围岩体耦合良好，探测电极按照网络并行电法布置，以测量电场；利用地震传感器接收地震波记录；通过角位移传感器测量岩层变形过程中的位移量；从而实现对控制区域中岩体的电场、地震波场及位移量的变化情况进行综合测试；

(2)利用网络并行电法同步采集顶板、底板钻孔中测试电极供电电流和电位信号，得到控制区域中工作面顶板、底板之间的电场分布情况；在巷道中布置激发点钻孔，引爆激发点钻孔中的炸药产生地震波，利用顶板、底板钻孔中地震传感器监测地震波信号，得到控制区域中工作面顶板、底板岩体中的地震波速度场分布情况；及利用钻孔中布置的角位移传感器测取不同时期岩层的位置变化数据；

(3)根据所采集的各种地球物理场数据特点，分别提取控制区域中岩体的电场参数分布情况、地震波速分布情况和钻孔中不同位置岩层的位移变化量，通过对岩体中地球物理场变化情况的掌握、根据工作面推进程度加以对比，从而分析工作面开采过程中其顶底板岩体变形与破坏特征；具体来说：岩层变形与破坏过程中其结构发生变化，因此会改变岩层导电条件，使得电阻率值增大；改变岩层地震波传播条件，使得破坏区地震波速度减小；岩层发生变形与位移，产生不同程度的位移量；

(4)随着工作面的推进状态，动态获得不同时间探测区域内上述地球物理场参数变化，即岩层电阻率值变化、地震波速度值变化及岩层位移量的大小，通过与背景场参数的对比，可综合分析顶底板岩层变形与破坏的动态发育规律，并根据地球物理场参数大小界定顶板覆岩破坏的“两带”高度值，以及底板岩层破坏的深度值；

(5)通常在采煤工作面回采前完成测试钻孔内设施的安装与封闭；在工作面推进至钻孔前方200m左右完成岩层背景地球物理场测试；在工作面推进至钻孔正下方时进行密集观测，保证每天一组测试数据；做好孔口电缆的保护工作，在工作面推进通过钻孔孔口5-10m完成现场数据采集工作。

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