CN103603690A - 一种地质雷达探测顶板离层与事故预警的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质雷达探测顶板离层与事故预警的方法，与现有技术相比，本发明确定了发生顶板事故的最大离层值，运用地质雷达可以对顶板离层进行连续探测，取代了传统打钻孔布置顶板离层指示仪的离散探测方法，地质雷达探测精度高能准确测出顶板离层大小，设定了事故预警阈值能够进行顶板事故预警，为采取有效措施控制或避免事故发生提供有效的判断依据，从而确保顶板安全性，避免了顶板事故的发生，该方法将有非常广泛的应用和推广前景。

Description

一种地质雷达探测顶板离层与事故预警的方法

技术领域

本发明涉及一种地质探测方法与装置，尤其涉及一种地质雷达探测顶板离层与事故预警的方法。

背景技术

煤矿顶板岩层一般为典型的层状结构，顶板岩层之间的离层往往预示着顶板失稳破坏的开始，离层是巷道冒顶的主要前兆信号之一。对于锚杆支护巷道来说,顶板离层是最大的安全隐患。在煤矿巷道顶板支护中，往往把离层大小作为对顶板支护效果好坏的评价指标，当顶板离层超过一定范围,即表明顶板处于非稳定状态,如果不及时采取支护措施,便会发生冒顶等恶性顶板事故。因此，如能准确监测顶板内部离层状况并给定一个合适的失稳离层临界值,根据监测结果对围岩失稳破坏及早做出预警,从而可以避免巷道冒顶事故的发生。

目前煤矿对顶板离层进行监测的常规仪器是顶板离层指示仪,其工作原理是在顶板钻孔中布置2个测点，一个在围岩深部稳定处的老顶中，另一个在锚杆端部围岩的直接顶中，离层值就是围岩中两测点之间的相对位移值。该监测方法安装使用较复杂，钻孔工作量较大，测点布置离散随机性较大，难以反映实际顶板的离层状况。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种地质雷达探测顶板离层与事故预警的方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括以下步骤：

（1）根据待测试工作面地质信息，根据工作面柱状计算直接顶厚度h与其上覆岩层载荷q，对直接顶岩体做物理力学参数测试实验得到弹模E，根据工作面现场布置计算直接顶跨度L与控顶距l，根据公式

计算得到直接顶惯性矩I；

（2）将工作面直接顶简化为简支梁，根据简支梁的挠曲线方程，在直接顶的跨度中点可计算得到最大离层值wmax为

当离层值大于等于最大离层值时直接顶将破断导致顶板事故的发生；

（3）根据MAXWELL（麦克斯韦）波动理论，电磁波在真空中传播速度和光速一样的，在直接顶中传播其波速V和直接顶的相对介电常数ε存在如下关系

式中c＝0.3m/ns；

（4）采用地质雷达主机记录电磁波从发射到接收由反射界面产生的反射波的时间差△T，其中△T是电磁波从发射到接收的双程旅时，可根据公式V·△T/2计算出反射面的深度；

（5）运用地质雷达对顶板离层进行探测，当地质雷达电磁波垂直探测到顶板离层的顶底界面时便会发生反射，假设探测到离层底部反射界面的时间差为△T1，探测到离层顶部反射界面的时间差为△T2，因此可以得到探测的离层值wtest为V·(△T2-△T1)/2；

（6）将地质雷达探测的离层值wtest与理论计算的最大离层值wmax进行比较，设定事故预警阈值T为0.8wmax，即当wtest≥T则可进行顶板事故预警。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种地质雷达探测顶板离层与事故预警的方法，与现有技术相比，本发明确定了发生顶板事故的最大离层值，运用地质雷达可以对顶板离层进行连续探测，取代了传统打钻孔布置顶板离层指示仪的离散探测方法，地质雷达探测精度高能准确测出顶板离层大小，设定了事故预警阈值能够进行顶板事故预警，为采取有效措施控制或避免事故发生提供有效的判断依据，从而确保顶板安全性。避免了顶板事故的发生，该方法将有非常广泛的应用和推广前景。

附图说明

图1是本发明所述地质雷达探测顶板离层示意图；

图2是本发明的工作面平面示意图；

图3是本发明所述图2中A-A剖面示意图；

图4是本发明所述图2中B-B剖面示意图；

图5是本发明岩梁挠度曲线示意图。

图中：1-上覆岩层、2-直接顶、3-离层、4-地质雷达。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明根据待测试工作面地质信息，根据工作面柱状计算直接顶厚度h与其上覆岩层1载荷q，对直接顶2岩体做物理力学参数测试实验得到弹模E，根据工作面现场布置计算直接顶跨度L与控顶距l，根据公式

计算得到直接顶2惯性矩I；将工作面直接顶简化为简支梁，根据简支梁的挠曲线方程，在直接顶2的跨度中点可计算得到最大离层值wmax为

当离层值大于等于最大离层3值时直接顶将破断导致顶板事故的发生；根据MAXWELL（麦克斯韦）波动理论，电磁波在真空中传播速度和光速一样的，在直接顶2中传播其波速V和直接顶2的相对介电常数ε存在如下关系

式中c＝0.3m/ns；采用地质雷达4主机记录电磁波从发射到接收由反射界面产生的反射波的时间差△T，其中△T是电磁波从发射到接收的双程旅时，可根据公式V·△T/2计算出反射面的深度；运用地质雷达4对顶板离层3进行探测，当地质雷达4电磁波垂直探测到顶板离层3的顶底界面时便会发生反射，假设探测到离层3底部反射界面的时间差为△T1，探测到离层3顶部反射界面的时间差为△T2，因此可以得到探测的离层值wtest为V·(△T2-△T1)/2；将地质雷达4探测的离层值wtest与理论计算的最大离层值wmax进行比较，设定事故预警阈值T为0.8wmax，即当wtest≥T则可进行顶板事故预警。

如图3和图4所示：q为直接顶2所受的上覆岩层1均布载荷，L为沿工作面倾向的直接顶2跨度，h为直接顶2厚度，l为直接顶2的控顶距，曲线为直接顶2发生下沉后的形态。

如图5所示：以直接顶2的中点为原点，横轴x代表直接顶跨度大小；纵轴ω(x)代表直接顶2的挠度(离层)值。对于简支梁情况，由材料力学公式可得：

$\mathrm{\ω}\left(x\right)=\frac{q(x+L/2)}{24\mathrm{EI}}[L^3-2L{(x+L/2)}^2+{(x+L/2)}^3]$

其中E为顶板弹模，I为顶板惯性矩其值为

上式即为简支梁的挠曲线方程，在直接顶2的跨度中点即原点处(x=0)可计算得到最大挠度(离层)值ω_max为：

${\mathrm{\ω}}_{\max }=\frac{{5\mathrm{qL}}^4}{384\mathrm{EI}}$

根据MAXWELL（麦克斯韦）波动理论，电磁波在真空中传播速度和光速一样的，在直接顶中传播其波速V和直接顶的相对介电常数ε存在如下关系：

$V=\frac{c}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}$

式中c＝0.3m/ns（光速）。

Claims (1)

1.一种地质雷达探测顶板离层与事故预警的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据待测试工作面地质信息，根据工作面柱状计算直接顶厚度h与其上覆岩层载荷q，对直接顶岩体做物理力学参数测试实验得到弹模E，根据工作面现场布置计算直接顶跨度L与控顶距l，根据公式计算得到直接顶惯性矩I；

（2）将工作面直接顶简化为简支梁，根据简支梁的挠曲线方程，在直接顶的跨度中点可计算得到最大离层值wmax为当离层值大于等于最大离层值时直接顶将破断导致顶板事故的发生；

（3）根据MAXWELL（麦克斯韦）波动理论，电磁波在真空中传播速度和光速一样的，在直接顶中传播其波速V和直接顶的相对介电常数ε存在如下关系

式中c＝0.3m/ns；

（4）采用地质雷达主机记录电磁波从发射到接收由反射界面产生的反射波的时间差△T，其中△T是电磁波从发射到接收的双程旅时，可根据公式V·△T/2计算出反射面的深度；

（5）运用地质雷达对顶板离层进行探测，当地质雷达电磁波垂直探测到顶板离层的顶底界面时便会发生反射，假设探测到离层底部反射界面的时间差为△T1，探测到离层顶部反射界面的时间差为△T2，因此可以得到探测的离层值wtest为V·(△T2-△T1)/2；

（6）将地质雷达探测的离层值wtest与理论计算的最大离层值wmax进行比较，设定事故预警阈值T为0.8wmax，即当wtest≥T则可进行顶板事故预警。

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