CN102944906B - 煤矿顶板裂隙形态及其演化过程的精密搜索观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿顶板裂隙形态及其演化过程的精密搜索观测方法，第一步使用地质钻机进行顶板钻孔；第二步使用岩层观测记录仪搜索表面裂隙区；第三步使用双端堵水器搜索上述表面裂隙区内的延深裂隙；第四步：分析数据，确定延深裂隙位置；第五步在延深裂隙的位置安装多点位移计观测裂隙演化数据；第六步：综合分析由双端堵水器，岩层观测记录仪及多点位移计取得的数据，即可确定顶板裂隙的分布，形态及演化过程。本发明整个观测过程最大程度节约了观测成本的同时，得到了裂隙位置，表面裂隙形态，延深裂隙程度和裂隙演化过程的完整数据，结果精确。

Description

煤矿顶板裂隙形态及其演化过程的精密搜索观测方法

技术领域

本发明涉及煤矿顶板裂隙形态及其演化过程的观测技术，具体涉及综合使用地质钻机、岩层观测记录仪、双端堵水器和多点位移计的搜索式观测方法。

背景技术

通常情况下，矿井采煤工作面开采或巷道开挖后，工作面或巷道顶板部分岩层内会形成离层及破裂，了解顶板岩层裂隙形态及其演化过程，是确定工作面及巷道合理支护参数的重要依据。对于在建筑物、铁路(公路)、水下采煤工作面，了解顶板岩层裂隙形态及其演化过程，是确定工作面合理开采参数的依据，也是顶板离层注浆减沉和地表下沉控制技术应用的基础，同时对承压水下煤层疏水安全开采等也具有重要作用。

目前，煤矿井下常用各类双端堵水器、岩层观测记录仪等对采空区顶板裂隙情况进行观测，简单地使用这些仪器进行钻孔观测，将消耗大量的人力物力，最重要的是难以找到具体的破裂或离层区域进行针对性观测，得到顶板裂隙的形态及其演化过程。

为此，发明人承担了国家科技支撑计划课题“深部及中小煤矿灾害防治关键技术究与示范”(编号：2012BAK04B00)，本发明是该项目研究内容中的一部分成果。

发明内容

为了克服现有采空区顶板裂隙观测方法的观测消耗大，观测结果粗略的缺点，本发明提供了一种低消耗、结果精确的观测方法，这是一种综合使用地质钻机、岩层观测记录仪、双端堵水器和多点位移计的搜索式观测方法。

为了达到上述目的，本发明观测方法的详细步骤是：

第一步：使用地质钻机进行顶板钻孔。

工作面回采或巷道开挖前，在联络巷或掘进头处设立测站，用地质钻机向顶板钻斜孔，选取合理的钻孔角度以及足够的钻孔深度，以保证钻孔贯通顶板有裂隙的区域。钻孔完成后撤出钻杆，并组装岩层观测记录仪。

第二步：使用岩层观测记录仪搜索表面裂隙区。

利用导杆沿钻孔轴心人工推进彩色摄像探头，同时操作主机进行录像，并逐渐深入钻孔，直至整个钻孔观测完毕；根据录像内容及深度计数器的读数，找到其中裂隙尺寸较大，分布较集中的范围，并从下到上依次标注为第一表面裂隙区、第二表面裂隙区…第M表面裂隙区。观测完成后撤出导杆，同时连接好双端堵水器的输水管路及输气管路。

第三步：使用双端堵水器搜索上述表面裂隙区内的延深裂隙。

开动地质钻机将堵水探杆推入钻孔，直至探杆刚好全部处于第一表面裂隙区；操作堵水操作台，使封孔气压稳定在额定气压P₁，完成封孔；操作注水操作台，向探杆内注水，使水压稳定在额定水压P₂后，记录1分钟内的水流量数据；记录完成后，排出堵水探杆中的气体和水，开动钻机将探杆向深处推送1米(默认堵水探杆长度为1米)；重复上述操作，直至完成该表面裂隙区的观测。开动地质钻机将堵水探杆推至下个表面裂隙区，重复上述操作，直至所有表面裂隙区观测完毕。

上述额定气压P₁和额定水压P₂由以下方法确定：

P₁为使堵水探杆封孔胶囊部分膨胀直径略大于钻孔直径时的气压，可在现场简单测得；

额定水压P₂由下式确定：

P₂＝初始静压+H×sinα×0.1MPa

式中：

初始静压-注水操作台到钻孔底部的静水压力；

α-钻孔的倾角；

H-该次观测时堵水探杆顶端所处的钻孔深度。

设M个表面裂隙区中第i表面裂隙区的斜高为L_i米。若L_i为整数米，可以得到L_i组观测数据S_i1，S_i2，…，S_iLi；若L_i非整数米，可以得到[L_i]+1组观测数据S_i1，S_i2，…，S_i[[Li]，S’_i([Li]+1)，对S’_i([Li]+1)进行如下处理：

$S_{i\left(\right[L_i]+1)}^{\′}/h_i=S_{i\left(\right[L_i]+1)}$

式中：

h_i-非整数米L_i中不足1米段的长度。

处理后的第i表面裂隙区的[L_i]+1组观测数据为S_i1，S_i2，…，S_i[Li]，S_i([Li]+1。

第四步：分析数据，确定延深裂隙位置。

对于样本S_i1，S_i2，…，S_iLi或S_i1，S_i2，…，S_i[Li]，S_i([Li]+1)，处理方案如下：

(1)：对于第i表面裂隙区，计算该裂隙区的标准延伸裂隙参数S_i0：

$S_{i0}={\stackrel{\‾}{S}}_i-{\mathrm{\σ}}_i$

式中，和σ_i分别为第i表面裂隙区处理后的样本的期望值和标准差，1≤i≤M。以S_i0为基准，将样本中不大于S_i0的数据删去，保留余下的数据。

(2)：对所有M个表面裂隙区的观测数据均按上述规则处理，设共得到N组数据，这些数据对应着该钻孔的N处延深裂隙的位置。

第五步：安装多点位移计，观测裂隙演化数据。

对于上述N处延深裂隙的位置，准备好在其顶端及底端两处分别安装的多点位移计锚爪及钢丝，相同位置的材料只需一份；使用地质钻机将各锚爪按照标定高度从大到小的顺序，依次推送至标定位置，使连在每个锚爪下的钢丝一端留在孔外，并标定其锚爪对应的高度。锚爪安置到位后，将钢丝引至读数台，接到对应的卷尺上。自安装之日起，随着工作面推进或巷道开挖，进行连续的数据观测。

第六步：综合分析由双端堵水器，岩层观测记录仪及多点位移计取得的数据，即可确定顶板裂隙的分布，形态及演化过程。

和目前常用的观测方法相比，本发明提供的观测方法有如下优势：

①本方法充分利用了三种观测仪器的特点，合理安排了观测方案：

a.首先使用其中观测消耗最低的岩层观测记录仪进行全钻孔观测，能够观察顶板裂隙表面形态，搜索并确定表面裂隙区的分布范围；

b.接着使用其中观测消耗较高的双端堵水器，仅对已确定的表面裂隙区进行观测，根据漏水量的不同，搜索表面裂隙区内部延深裂隙明显的位置；

c.最后使用其中观测消耗最高的多点位移计，仅观测表面及延深裂隙均明显的位置，随着工作面的推进或巷道的开挖，观测裂隙的演化过程。

整个观测过程最大程度节约了观测成本的同时，得到了裂隙位置，表面裂隙形态，延深裂隙程度和裂隙演化过程的完整数据。

②本方法设计了严密的搜索规则，考虑到表面裂隙区分布高度的差异可能影响到双端堵水器的观测，将每个表面裂隙区的数据独立分析；分析时采用期望值减标准差作为标准裂隙参数，能够避免误删延深裂隙位置，结果精确。

③该观测方法涉及到的仪器只需一个钻孔，减少了钻孔成本，缩短了观测时间。

附图说明

图1为本观测系统的测站布置图。

图2为岩层探测记录仪整体结构示意图。

图3为自制双端堵水器的整体结构示意图。

图4为自制多点位移计的整体示意图。

图中：1-工作面，2-钻孔，3-测站，4-联络巷，5-顶板，6-导杆，7-主机，8-深度计数器，9-彩色摄像头，10-封孔胶囊，11-堵水探杆，12-地质钻机，13-堵水操作台，14-注水操作台，15-输气管路，16-输水管路，17-锚爪，18-钢丝，19-卷尺，20-读数台，21-表面裂隙区，22-延伸裂隙。

具体实施方式

下面以某矿20307工作面顶板观测为例，描述本发明的观测方法。

①在工作面联络巷4设置测站3(见图1)，准备观测仪器包括地质钻机12，双端堵水器(见图2)，岩层观测记录仪(见图3)，多点位移计(见图4)，使用钻机8向工作面1上方顶板5打钻孔2。

②钻孔完成后，利用导杆6沿钻孔2轴心人工推进彩色摄像探头9，同时操作主机7进行录像，并逐渐深入钻孔2，直至观测完毕；根据录像内容及深度计数器8的读数，确定表面裂隙区21。

③表面裂隙区21确定后，(图3中仅标注了一个表面裂隙区，实际应用中可能不止一个)连接好双端堵水器的输水管路16及输气管路15，开动地质钻机12将堵水探杆11推入钻孔2的表面裂隙区21，操作堵水操作台13使封孔胶囊10膨胀，完成封孔，操作注水操作台14，向堵水探杆11内注水，使水压稳定在额定值，记录1分钟内的水流量数据，记录完成后，排出堵水探杆11中的气体和水，开动地质钻机12将堵水探杆11向深处推送1米。重复上述操作，直至表面裂隙区21全部观测完毕。开动地质钻机12将堵水探杆11推至下个表面裂隙区，重复上述操作，直至全部的表面裂隙区观测完毕。

④处理③中得到的数据(处理数据方法见发明内容，在此不再详述)，确定延伸裂隙22对应的位置，准备好安装在延伸裂隙22两端的锚爪17及钢丝18，相同位置的材料只准备一份，使用地质钻机12将锚爪17按照标定高度从大到小的顺序，依次推送至标定位置，使连在每个锚爪17下的钢丝18一端留在孔外，并标定其锚爪17对应的高度，锚爪17安置到位后，将钢丝18引至读数台20，接到对应的卷尺19上。

⑤综合分析由双端堵水器，岩层观测记录仪及多点位移计取得的数据，即可确定20307工作面顶板裂隙的分布、形态及演化过程。

Claims (1)

1.一种煤矿顶板裂隙形态及其演化过程的精密搜索观测方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：使用地质钻机进行顶板钻孔

工作面回采或巷道开挖前，在联络巷或掘进头处设立测站，用地质钻机向顶板钻斜孔，选取合理的钻孔角度以及足够的钻孔深度，以保证钻孔贯通顶板有裂隙的区域；钻孔完成后撤出钻杆，并组装岩层观测记录仪；

第二步：使用岩层观测记录仪搜索表面裂隙区

利用导杆沿钻孔轴心人工推进彩色摄像探头，同时操作主机进行录像，并逐渐深入钻孔，直至整个钻孔观测完毕；根据录像内容及深度计数器的读数，找到其中裂隙尺寸较大，分布较集中的范围，并从下到上依次标注为第一表面裂隙区、第二表面裂隙区…第M表面裂隙区；观测完成后撤出导杆，同时连接好双端堵水器的输水管路及输气管路；

第三步：使用双端堵水器搜索上述表面裂隙区内的延深裂隙

开动地质钻机将堵水探杆推入钻孔，直至探杆刚好全部处于第一表面裂隙区；操作堵水操作台，使封孔气压稳定在额定气压P₁，完成封孔；操作注水操作台，向探杆内注水，使水压稳定在额定水压P₂后，记录1分钟内的水流量数据作为观测数据；记录完成后，排出堵水探杆中的气体和水，开动钻机将探杆向深处推送1米，堵水探杆长度取为1米；重复上述操作，直至完成该表面裂隙区的观测；开动地质钻机将堵水探杆推至下个表面裂隙区，重复上述操作，直至所有表面裂隙区观测完毕；

上述额定气压P₁和额定水压P₂由以下方法确定：

P₁为使堵水探杆封孔胶囊部分膨胀直径略大于钻孔直径时的气压，在现场直接测得；

额定水压P₂由下式确定：

P₂＝初始静压+H×sinα×0.1MPa

式中：

初始静压-注水操作台到钻孔底部的静水压力；

α-钻孔的倾角；

H-该次观测时堵水探杆顶端所处的钻孔深度；

设M个表面裂隙区中第i表面裂隙区的斜高为L_i米 ，若L_i为整数米，可以得到L_i组观测数据S_i1，S_i2，…，S_iLi；若L_i非整数米，可以得到[L_i]+1组观测数据S_i1，S_i2，…，S_i[Li]，S’_i([Li]+1)，对S’_i([Li]+1)进行如下处理：

式中：

h_i-非整数米L_i中不足1米段的长度；

处理后的第i表面裂隙区的[L_i]+1组观测数据为S_i1，S_i2，…，S_i[Li]，S_i([Li]+1)；

第四步：分析数据，确定延深裂隙位置

对于样本S_i1，S_i2，…，S_iLi或S_i1，S_i2，…，S_i[Li]，S_i([Li]+1)，处理方案如下：

(1)：对于第i表面裂隙区，计算该裂隙区的标准延伸裂隙参数S_i0：

式中，和σ_i分别为第i表面裂隙区处理后的样本的期望值和标准差，1≤i≤M；以S_i0为基准，将样本中不大于S_i0的数据删去，保留余下的数据；

(2)：对所有M个表面裂隙区的观测数据均按上述规则处理，设共得到N组数据，这些数据对应着该钻孔的N处延深裂隙的位置；

第五步：安装多点位移计，观测裂隙演化数据

对于上述N处延深裂隙的位置，准备好在其顶端及底端两处分别安装的多点位移计锚爪及钢丝，相同位置的材料只需一份；使用地质钻机将各锚爪按照标定高度从大到小的顺序，依次推送至标定位置，使连在每个锚爪下的钢丝一端留在孔外，并标定其锚爪对应的高度；锚爪安置到位后，将钢丝引至读数台，接到对应的卷尺上；自安装之日起，随着工作面推进或巷道开挖，进行连续的数据观测；

第六步：综合分析由双端堵水器，岩层观测记录仪及多点位移计取得的数据，即可确定顶板裂隙的分布，形态及演化过程。