CN105652311A - 一种监测底板突水的微震监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测底板突水的微震监测方法，首先在巷道的底板上布置多个钻孔，每一个钻孔内至少安装一个微震传感器；待微震传感器与钻孔底部的岩壁贴牢后，向钻孔内倒入水泥砂浆或混凝土直至完全覆盖微震传感器，最后在钻孔内再次填满填料对钻孔进行封孔。本发明微震传感器安装于地面钻孔中，充分利用隧道已开挖层提供的空间，便于施工布置，且安装位置相对固定，不仅不受地下采煤或掘进工作面向前推移的影响，具有较好的传感精度和灵敏度，而且能够对全矿井范围内的微震进行大范围的持续性监测。另外，钻孔内浇筑水泥砂浆或混凝土，保证了微震传感器的安装固定，进而保证了整个微震监测系统的运行稳定。

Description

一种监测底板突水的微震监测方法

【技术领域】

本发明属于岩土工程领域，特别涉及一种监测底板突水的微震监测方法。

【背景技术】

煤矿突水监测以矿井地球物理勘探方法为主。该技术主要是利用井巷工程更加靠近地质和水文地质体的特点，在井下进行不同岩体组分的物性差异、电性差异、磁性差异、声波传播性差异等的监测和研究。现阶段，在煤矿突水监测中应用较广泛的有三种：矿井电阻率法、矿井瞬变电磁法和矿井底板破坏裂隙带探测法。近年来国内用于巷道顶、底板构造和水文地质条件探查的矿井电法技术发展较快，将高密度电阻率法、断面测深技术和三维电阻率成像技术引入煤矿井下，发明了“方波读数法”、减小接地电阻等压制井下强地电干扰的方法，解决了井下施工的技术难题。

1998年起，中国矿业大学开始从事矿井瞬变电磁法的试验、应用工作。矿井瞬变电磁法是一类非接触式探测技术，属于时间域电磁法。

矿井底板破坏裂隙带探测法是应用物探、注(放)水等手段来观测底板破坏情况。应用较多的是注(放)水法、地质雷达、震波CT成像技术、直流电阻率法。

近年来中国矿业大学窦林名等采用分析岩石破坏时产生的电磁辐射信号的方法来监测底板岩石破坏情况。但仍存在以下几个问题：

1)在突水预测评价理论上还缺乏针对不同突水模式的系统性研究；2)在连续实时监测煤矿突水方面还缺乏有效的方法；3)含导水构造的地球物理探测，特别是井下超前探测方面，缺少对小构造(特别是5m以下的导水断层)探测的研究，缺少深部地质结构精确空间定位的理论和方法。

微震监测技术是一种对岩体在变形破坏过程中所产生的微破裂进行定时、定位监测的技术。当岩石中的裂纹产生、扩展、摩擦时，内部积聚的能量便以应力波的形式释放，产生微震事件，并通过P波和S波的形式传播。微震监测系统通过地震检波器或加速度传感器就可以将接受的波形转化成电信号并经数据采集系统转换成数据信号，借助专业化的数据处理软件，就能够实现在三维空间中实时准确地确定岩体中微震事件发生的时间、位置、量级(即时空强)，从而对岩体受力破坏的活动范围、稳定性及其发展趋势做出定性、定量评价。

因此，采用微震监测对突水通道的形成进行探测，并结合水文地质资料对底板突水进行监测是可行的。现有技术中，随着工作面的向前推移，需要不断地拆除旧的微震传感器，并布置新的微震传感器。布置方式不仅操作繁琐，消耗人力，而且不断地拆除与安装，还会大大影响微震传感器的传感精度和灵敏度。缺乏行之有效的承压开采煤矿工作面底板的微震传感器布置、安装及微震系统线路防护方法。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种监测底板突水的微震监测方法。本发明方法可以有效防止采空区顶板冒落对微震监测系统线路的破坏，并能保证微震传感器具有较好的传感精度和灵敏度。

本发明采用以下技术方案：

一种监测底板突水的微震监测方法，首先在巷道的底板上布置多个钻孔，每一个钻孔内至少安装一个微震传感器；待微震传感器与钻孔底部的岩壁贴牢后，向钻孔内倒入水泥砂浆或混凝土直至完全覆盖微震传感器，最后在钻孔内再次填满填料对钻孔进行封孔。

所述钻孔的孔深应保证穿过巷道底板煤层，并进入到煤层底板下的基岩。

向钻孔内倒入水泥砂浆或混凝土后，待泥浆开始凝固但尚未完全凝结时，将传感器安装工具抽出钻孔。

所述钻孔的孔径为微震传感器直径的3-5倍。

所述钻孔与垂直方向的夹角α为：30°～60°，所述钻孔与巷道走向的夹角β为：-45°～45°。

所述钻孔采用水泥砂浆或混凝土进行封孔。

所述钻孔的孔口位置至微震监测系统的井下工作站之间的电缆采用PPR管进行防护。

在巷道内钻孔的一侧以及煤渣及煤岩体上挖掘有用于埋设PPR管道的线槽，所述PPR管道的侧面开设有槽口用于安装电缆。

所述钻孔的布置规则为：在回采危险区密集，在非回采危险区相对疏松。

在回采危险区，每隔60米水平布置一个钻孔，在非回采危险区，每隔100米水平布置一个钻孔。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明微震传感器安装于地面钻孔中，充分利用隧道已开挖层提供的空间，便于施工布置，且安装位置相对固定，不仅不受地下采煤或掘进工作面向前推移的影响，具有较好的传感精度和灵敏度，而且能够对全矿井范围内的微震进行大范围的持续性监测。另外，钻孔内浇筑水泥砂浆或混凝土，保证了微震传感器的安装固定，进而保证了整个微震监测系统的运行稳定。

【附图说明】

图1为本发明的微震测点布置示意图；

图2为本发明的钻孔方位、孔深及孔径示意图；

图3为本发明的PPR管道及内装电缆截面图；

图4为本发明主干线路线槽防护示意图。

其中：1.富水异常区；2.微震传感器；3.巷道；4.底板；5.钻孔；6.电缆；7.PPR管；8.煤渣及煤岩体。

【具体实施方式】

请参阅图1和图2所示，本发明公开了一种监测底板突水的微震监测方法，主要包括微震传感器2的布置和安装以及线路防护。

(一)微震传感器2的布置和安装

微震传感器2是安装在工作面底板的钻孔5内，因此，微震传感器的布置由钻孔5的位置决定，具体地说，由钻孔的具体位置、钻孔的孔径、钻孔的孔深，以及钻孔的角度等决定。其中，钻孔与垂直方向的夹角为α，钻孔与巷道3走向的夹角为β。

钻孔5位置的确定：钻孔5的孔口位置的空间坐标确定主要依据富水异常区1的位置、回采危险区域分布以及监测系统的精度综合考虑，具体地说，在回采危险区内每隔60m水平布置一个钻孔5，在非回采危险区内每100m水平布置一个钻孔5。

钻孔5孔径的确定：钻孔孔径主要根据所采用的微震传感器2的尺寸来确定，一般来说，钻孔的孔径为微震传感器直径的3至5倍，优选钻孔5直径大于微震传感器2直径25～70mm，如此设计，不仅便于安放微震传感器2，也为后期灌入水泥砂浆和混凝土预留空间。

钻孔5孔深的确定：孔深主要根据巷道3底部煤层和煤层底板下基岩的厚度来确定，钻孔5应穿过巷道3底部煤层，然后进入煤层底板下的基岩，优选钻孔5垂直深度不小于3米(包括穿过巷道的垂直深度以及进入到煤层底板下基岩的垂直深度)，一定深度的钻孔5能够起到“探针”的传感作用，这样能够使得微震传感器2的感测深度更深，感测范围更广。

钻孔5角度的确定：钻孔5角度的确定包括：钻孔5与垂直方向的夹角α和钻孔5与巷道3走向的夹角β：为了方便施工且减小煤矿生产对微震传感器监测影响，布置钻孔5与垂直方向和巷道3走向有一定的夹角α和β，优选α在30°至60°之间，β在-45°至45°之间，此范围内的角度配合安装，不仅不会影响煤矿正常生产，且有效的保证了微震传感器的测量精度。

(二)、微震传感器的安装

由于钻孔5布置在巷道3的底板4上，加之工作面承压开采，导致钻孔5内部存有大量积水和煤渣，通过风枪对钻孔5进行清理也只能清除掉百分之八十左右的煤渣和水分，锚固剂很难将微震传感器2固定于岩壁上，因此传统传感器安装方法无法实施。

本发明提供的传感器安装方法为：首先，利用安装工具将微震传感器2送至钻孔5的底部，与底部的岩壁贴牢；然后，向钻孔5中缓慢倒入适量的水泥砂浆(水泥砂浆浆液各组分的质量比为：水：水泥：细砂＝1.2：0.5：0.23)，使泥浆能够完全覆盖微震传感器2，待至泥浆开始凝固但尚未完全固结时将传感器安装工具缓慢抽出钻孔5，从而使微震传感器2和底部的岩壁贴牢并粘结固定，一定配比的水泥砂浆能够使整个微震传感器与岩壁粘结牢固。

在前述微震监测系统的安装方法实施例中，一个钻孔5中可以安装一个微震传感器2。为了提高感测的精度，也可以在一个煤层瓦斯的地面钻孔5中安装多个微震传感器，如在本煤层上方附近位置处、上邻近层上方附近位置处和下邻近层上方附近位置处均可分别安装有微震传感器。

(三)、微震监测系统的线路防护

本发明微震监测系统的线路防护包括钻孔内电缆6的防护和主干线路的防护。

钻孔5内电缆6的防护方法：钻孔5内电缆6电缆66是指连接微震传感器2和主干线路之间的电缆6。考虑工作面承压开采，该部分电缆6的保护采用浇筑混凝土(或水泥砂浆)的方式，向钻孔5内浇筑混凝土将其填满，对钻孔5进行封孔，混凝土的抗压强度很高，可以有效保护微震传感器2的同时对钻孔5内的线缆进行保护；

请参阅图3和图4所示，主干线路的防护方法：主干线路是指从钻孔5孔口位置至微震监测系统井下工作站之间的电缆6。主干线路防护，主要采用2.5mm厚PPR管进行防护，然后在巷道内钻孔5的一侧，在煤渣及煤岩体14上挖掘一个大小为30cm×30cm(宽度×深度)的线槽，用于埋设PPR管7。PPR管的侧面沿管壁开有一小槽，用于往PPR管7内装入电缆6。主干线路所包含电缆6根数随着距离井下工作站的距离减小而增多，所以每根PPR管7内装3根电缆6。

具体实施步骤如下：

1)确定钻孔孔口坐标。依据富水异常区位置、回采危险区域分布以及监测系统的精度综合考虑，确定微震传感器的安装位置即钻孔孔口坐标，在异常区、危险区及精度要求较高的地区内每隔60m水平布置一个放置微震传感器的钻孔，在非回采危险区内每100m水平布置一个钻孔。

2)确定钻孔的孔径。主要根据所采用的传感器的尺寸来确定合适的钻孔直径，一般钻孔直径应大于传感器直径25～70mm。

3)确定钻孔的孔深。由于微震传感器需要安装岩壁上，因此钻孔应该穿过巷道底部煤层，进入底板基岩。根据基岩的厚度，确定钻孔的孔深，优选钻孔垂直深度不小于3米。

4)确定钻孔与垂直方向和巷道走向的夹角α和β。为了方便施工且减小煤矿生产对传感器监测影响，布置钻孔与垂直方向和巷道走向有一定的夹角α和β，优选α在30°至60°之间，β在-45°至45°之间。

5)传感器安装。首先，利用安装工具将传感器送至钻孔的底部，与底部的岩壁贴牢；然后，向钻孔中缓慢倒入适量的水泥砂浆(水泥砂浆浆液各组分的质量比为：水：水泥：细砂＝1.2:0.5:0.28)，使泥浆能够完全覆盖传感器，等至泥浆开始凝固但尚未完全固结时将传感器安装工具缓慢抽出钻孔，从而使传感器和底部的岩壁贴牢并粘结固定。

6)钻孔内电缆的防护及封孔。考虑工作面承压开采，该部分电缆的保护采用浇筑混凝土的方式对钻孔进行封孔，同时对钻孔内的线缆进行保护。

7)主干线路的防护方法：主干线路防护，主要采用2.5mm厚PPR管进行防护，然后在巷道内布置安装传感器钻孔一侧，掘一个大小为30cm×30cm(宽度×深度)的线槽，用于埋设PPR管道。PPR管的侧面设有一小槽，用于往PPR管道装电缆。主干线路所包含电缆根数随着距离井下工作站距离的减小而增多，每根PPR管道装3根电缆。

本发明一种监测底板突水的微震监测方法，整个方法操作简单，易于推广，有效解决含水和有煤渣的钻孔内安装微震传感器困难的问题，并防止了采空区顶板冒落对微震监测系统线路的破坏。由于微震传感器安装于地面钻孔中，充分利用隧道已开挖层提供的空间，便于施工布置；而且由于其安装位置相对固定，不仅不受地下采煤或掘进工作面向前推移的影响，具有较好的传感精度和灵敏度，而且能够对全矿井范围内的微震进行大范围的持续性监测。特别是在富水异常区、回采危险区以及重点监测区域内布置微震传感器，有利于采集风险较高区域的微破裂信号，保证了微震定位精度，为灾害的准确预测预报奠定基础。微震传感器相互协同工作且在空间上错开布置，有利于微震传感器接收信号，避免了微震传感器在同一平面上而影响微震源定位。通过水泥砂浆固定微震传感器，在利用混凝土保护整个钻孔，外部线缆通过PPR管和线槽保护，防止掌子面开挖爆破、岩体破坏等对微震传感器及线路的损坏，保证了微震监测系统的安全运行，保障了施工人员人身安全及施工进度。

Claims (10)

1.一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：首先在巷道(3)的底板(4)上布置多个钻孔(5)，每一个钻孔内至少安装一个微震传感器(2)；待微震传感器与钻孔底部的岩壁贴牢后，向钻孔(5)内倒入水泥砂浆或混凝土直至完全覆盖微震传感器(2)，最后在钻孔(5)内再次填满填料对钻孔进行封孔。

2.根据权利要求1所述的一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：所述钻孔(5)的孔深应保证穿过巷道底板煤层，并进入到煤层底板(4)下的基岩。

3.根据权利要求1所述的一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：向钻孔(5)内倒入水泥砂浆或混凝土后，待泥浆开始凝固但尚未完全凝结时，将传感器安装工具抽出钻孔。

4.根据权利要求1所述的一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：所述钻孔(5)的孔径为微震传感器(2)直径的3-5倍。

5.根据权利要求1所述的一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：所述钻孔(5)与垂直方向的夹角α为：30°～60°，所述钻孔(5)与巷道(3)走向的夹角β为：-45°～45°。

6.根据权利要求1所述的一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：所述钻孔(5)采用水泥砂浆或混凝土进行封孔。

7.根据权利要求1所述的一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：所述钻孔(5)的孔口位置至微震监测系统的井下工作站之间的电缆(6)采用PPR管(7)进行防护。

8.根据权利要求1所述的一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：在巷道(3)内钻孔(5)的一侧以及煤渣及煤岩体(8)上挖掘有用于埋设PPR管(7)的线槽，所述PPR管(7)的侧面开设有槽口用于安装电缆(6)。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：所述钻孔(5)的布置规则为：在回采危险区密集，在非回采危险区相对疏松。

10.根据权利要求9所述的一种监测底板突水的微震监测方法，其特征在于：在回采危险区，每隔60米水平布置一个钻孔(5)，在非回采危险区，每隔100米水平布置一个钻孔(5)。