CN104730585B - 一种采动工作面底板破坏深度实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井防治水及矿井地球物理技术领域，涉及一种采动工作面底板破坏深度实时监测方法,通过多极控制转换器控制电阻率测控主机自动采集数据，数据采集后经通讯光缆实现数据实时传输，利用现有的井下三维电法软件对数据进行处理和分析，实时分析工作面在采动过程中底板岩层电阻率变化规律，结合现场底板破坏深度测试值，实现工作面底板破坏深度的实时监测，其监测工艺简单，操作方便，测量数据精确，工作周期短，效率高，能实时监测工作面内底板破坏发育深度，适用于大采深、高承压水上带压采煤技术。

Description

一种采动工作面底板破坏深度实时监测方法

技术领域：

本发明属于矿井防治水及矿井地球物理技术领域，涉及一种采动工作面底板岩层破坏深度的测量工艺，特别是一种采动工作面底板破坏深度实时监测方法。

背景技术：

近年来，随着煤层开采不断加深，地质构造及水文地质日趋复杂，在大采深、大跨度、高承压水上采煤，对底板破坏突水机理预测方法及工作面底板破坏深度研究提出新的要求。目前对底板破坏深度的研究主要有经验公式、现场探测值、理论公式、数值模拟及相似材料模型等方法，其中底板破坏深度研究经验公式是在开采浅部煤层底板的基础上获得的，但随着深度的增加，底板深度破坏值会出现一些偏差；现场探测方面，底板破坏深度一般采用钻探注水(液)和地球物理探测方法实现，钻探注水(液)采用双端封堵侧漏装置，根据注水(液)漏失量测量底板破坏深度，一般在工作面回采前或采动过程中进行底板破坏深度测量，测量值是某时刻的底板破坏深度值，观测值缺乏连续性；地球物理探测方法一般采用直流电阻法进行探测，直流电法具有受外界环境影响小、施工效率高等优点。当前，直流电阻法成像技术一般都是二维的，只能呈现巷道底板破坏电阻率变化规律，对于工作面内底板破坏深度电阻率变化规律无能为力；井下三维电阻率成像技术能呈现工作面底板内岩层电阻率图，具有形象直观的特点，但井下三维电阻率技术工程量大、工作周期长，不能及时提供回采工作面底板破深度发育资料，底板突水预测预报具有滞后性，尤其不能预报工作面采空区突水。因此，设计一种采动工作面内底板破坏深度实时监测方法，提高底板突水预测预报准确性的方法尤为重要。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种采动工作面底板破坏深度实时监测方法，通过改进矿井下直流电法观测系统，实时进行工作面底板岩层电阻率数据的采集、处理和解释工作，分析工作面底板岩层电阻率的变化规律，通过岩层电阻率变化实时监测工作面内底板破坏发育深度，提高工作面底板突水预测预报的准确性，以达到早预报、早治理保证工作面安全开采，适用于大采深、高承压水上带压采煤技术。

为了实现上述目的，本发明通过多极控制转换器控制电阻率测控主机自动采集数据，数据采集后经通讯光缆实现数据实时传输，利用现有的井下三维电法软件对数据进行处理和分析，实时分析工作面在采动过程中底板岩层电阻率变化规律，结合现场底板破坏深度测试值，实现工作面底板破坏深度的实时监测，具体包括数据采集、数据传输和处理、三维可视化成像和图像分析四个步骤：

(1)、数据采集：采集数据前，将测量电缆和电极连接后一次性埋入工作面底板下，围绕工作面一周，再将电阻率测控主机与多极控制转换器连接，数据参数设定完成后，通过多极控制转换器和电阻率测控主机的控制实现数据的自动测量，数据采集从第1个电极开始，到最后1个电极采集完成，记做数据采集的一个周期，一个周期采集完成后，进行下一个周期的数据采集，采集周期根据实际需要确定；在数据采集过程中，要保证所用设备能正常使用，避免由所用设备引起数据采集异常；

(2)、数据传输和处理：将电阻率测控主机和外部的电脑通过通讯光缆相连接，实现数据的实时传输，将每一个周期的全部数据保存在同一个文件中，然后进行数据预处理，依次经过滤波处理、无穷远校正、巷道校正、全空间数据转换成半空间数据，然后将预处理好的数据导入现有Res3d反演软件进行数据反演处理，数据反演完成后，将反演数据保存好；

(3)、三维可视化成像：将保存好的反演数据文件转换成slicer-dicer三维可视化化系统可识别的文件，根据工作面实际情况建立三维坐标系，绘制工作面底板三维电阻率电性体，工作面三维电性体创建完成后，将电性体切成x方向、y方向、z方向以及顺煤层角度的切片，得到三维可视化成果图；

(4)、图像分析：结合已有的水文地质资料、钻探资料和工作面底板各岩层电阻率测试规律，对比三维可视化成果图，分析工作面底板在采动过程中岩层的电阻率变化规律，圈定底板破坏异常区，通过监测电阻率的变化规律和现场底板破坏深度测试值进行对比，得出校正系数，再结合底板破坏深度实时数据，对工作面异常区做出突水预测预报，并对可能发生突水区域做出治理，以保证工作面安全回采，实现底板岩层破坏深度的实时监测；

(5)、重复上述四个步骤，直到工作面回采完成为止。

本发明与现有技术相比，其监测工艺简单，操作方便，测量数据精确，工作周期短，效率高，能实时监测工作面内底板破坏发育深度，适用于大采深、高承压水上带压采煤技术。

附图说明：

图1为本发明实施例涉及的井下观测系统结构原理示意图。

图2为本发明实施例涉及的二极装置断面结构原理示意图。

图3为本发明实施例涉及的数据处理流程原理示意框图。

图4为本发明实施例涉及的某煤矿1303工作面底板地层电阻率三维数据体。

图5为本发明实施例涉及的某矿采前1303工作面底板x方向切片。

图6为本发明实施例涉及的某矿采前1303工作面底板y方向切片。

图7为本发明实施例涉及的某矿采前1303工作面底板z方向切片。

具体实施方式：

实施例：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例实现工作面底板破坏深度实时监测的具体过程为：

(1)采用井下观测系统进行数据采集,井下观测系统如图1所示，先将测量电缆和电极连接，相邻电极的间距为10m(根据需求可设定电极间距),将连接好的测量电缆和电极一次性埋入工作面底板下0.5m处，防止采空区岩体的冒落对电缆的破坏，并围绕工作面一周，再将电阻率测控主机与多极控制转换器通过电阻率测控主机的前RS232接口连接，由电阻率测控主机发出指令程序，多级控制器控制供电电极与测量电极的转换，实现数据的自动测量；电阻率测控主机的采集装置设定为二极装置，如图2所示，电极B和N置于无穷远，供电电极A测量电极M随AM的距离不断加大，测深距离也随之增大，二极装置具有采集深度大，数据量多的优点；

(2)、电阻率测控主机在采集数据的同时，由电阻率测控主机的后RS232数据接口将电阻率测控主机与通讯光缆相连接，通讯光缆与电脑连接，实现数据的实时传输，采集的数据传输到电脑终端后，将每一个周期的全部数据保存在同一个文件中，然后将保存好的数据进行滤波处理，除去受外界环境的干扰或者由于个别电极连接不好引起的噪声；由于巷道空间的限制，不能像地面那样设置无穷远，因此，需要进行无穷远校正和巷道影响校正，再将全空间的数据转换成工作面底板半空间数据，以满足Res3d工作面底板数据体需求；数据预处理后，借助现有MATLAB工具平台，对数据进行数据插值，插值完成后保存为三维数据反演可识别的文件；将经以上数据处理后将数据导入三维反演软件Res3d进行反演处理，采用最小二乘法处理反演，数据处理流程如图3所示；

(3)、数据反演完成后，将反演数据保存为slicer-dicer三维可视化系统可读格式，根据工作面实际情况建立三维坐标系统，完成绘制如图4所示，数据体长930m、宽260m、深170m，根据矿井工作者的需求将电性体切成x方向切片如图5所示、y方向切片如图6所示、z方向切片如图7所示，三维切片技术既展示出同一岩层横向电阻率变化图，又展示出不同岩层纵向电阻率变化图，以满足矿井决策者的需要；

(4)从图4～6中可知，随着两巷道向工作面内部横向延伸，岩层电阻率逐渐增大；随着巷道底板向下延伸，岩层电阻率呈现先低阻，后高阻变化趋势；局部区域出现低阻异常，结合现场的钻孔以及矿山压力的影响进行解释：工作面底板主要是灰岩和砂岩为主，局部具有少量的粉砂岩和泥岩层，由于工作面底板在巷道施工的过程中，造成巷道两侧岩体破坏，岩体松动，裂隙张开，岩层电阻率呈现为低阻；随着巷道向工作面内部延伸，工作面内部是矿山压力集中区，且岩体未受到破坏，岩层呈现为高阻；工作面底板局部区域岩层电阻率呈现为低阻，是由底板的岩性及富水性造成的，从图6中可以看出巷道底板下30～60m处呈现低阻，被圈定为底板破坏深度异常区域，但现场测试采前底板破坏深度为15～25m,经多次测试试验，测得电阻率低阻异常区一般是现场测试值得2～2.5倍，经过对比得出电阻率监测底板破坏深度的校正系数为0.4～0.5，因此在分析工作面底板破坏带时，电阻率低阻异常区深度乘以相应的校正系数，造成这一结果的两个原因是：一是直流电法具有较大的体积效应，将底板破坏深度异常区放大；二是现场测试时一般采用钻孔注液(水)方法所得的底板破坏深度值偏小,根据得出的底板破坏深度做出工作面突水预测预报，并对受威胁的工作面做出治理工作。

Claims (1)

1.一种采动工作面底板破坏深度实时监测方法，其特征在于通过多极控制转换器控制电阻率测控主机自动采集数据，数据采集后经通讯光缆实现数据实时传输，利用现有的井下三维电法软件对数据进行处理和分析，实时分析工作面在采动过程中底板岩层电阻率变化规律，结合现场底板破坏深度测试值，实现工作面底板破坏深度的实时监测，具体包括数据采集、数据传输和处理、三维可视化成像和图像分析四个步骤：

(1)、数据采集：采集数据前，将测量电缆和电极连接后一次性埋入工作面底板下，围绕工作面一周，再将电阻率测控主机与多极控制转换器连接，数据参数设定完成后，通过多极控制转换器和电阻率测控主机的控制实现数据的自动测量，数据采集从第1个电极开始，到最后1个电极采集完成，记做数据采集的一个周期，一个周期采集完成后，进行下一个周期的数据采集，采集周期根据实际需要确定；在数据采集过程中，要保证所用设备能正常使用，避免由所用设备引起数据采集异常；

(2)、数据传输和处理：将电阻率测控主机和外部的电脑通过通讯光缆相连接，实现数据的实时传输，将每一个周期的全部数据保存在同一个文件中，然后进行数据预处理，依次经过滤波处理、无穷远校正、巷道校正、全空间数据转换成半空间数据，然后将预处理好的数据导入现有Res3d反演软件进行数据反演处理，数据反演完成后，将反演数据保存好；

(3)、三维可视化成像：将保存好的反演数据文件转换成slicer-dicer三维可视化化系统可识别的文件，根据工作面实际情况建立三维坐标系，绘制工作面底板三维电阻率电性体，工作面三维电性体创建完成后，将电性体切成x方向、y方向、z方向以及顺煤层角度的切片，得到三维可视化成果图；

(4)、图像分析：结合已有的水文地质资料、钻探资料和工作面底板各岩层电阻率测试规律，对比三维可视化成果图，分析工作面底板在采动过程中岩层的电阻率变化规律，圈定底板破坏异常区，通过监测电阻率的变化规律和现场底板破坏深度测试值进行对比，得出校正系数，结合底板破坏深度实时数据，对工作面异常区做出突水预测预报，并对可能发生突水区域做出治理，以保证工作面安全回采，实现底板岩层破坏深度的实时监测；

(5)、重复上述四个步骤，直到工作面回采完成为止。