CN106405678B - 一种基于应力监测的采动覆岩导水裂隙带高度探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于应力监测的采动覆岩导水裂隙带高度探测方法，其包括依据煤系地层综合柱状图获取地层信息，并根据所获地层信息计算出工作面上覆地层的自重应力；针对性地布设压力传感器以进行断裂岩层自重应力数据采集等简单的技术手段，将采动覆岩导水裂隙带高度探测这一费时费力复杂的操作过程，简化成应力监测并依据应力检测结果反推算出具体的采动覆岩导水裂隙带高度位置。较好地解决了现有导水裂隙带高度探测技术中存在的成本高、工期长和精确低的技术难题。本发明相对于现有技术，具有探测结果精度高，所需时间短、施工快捷、操作简便、探测成本低等特点，具有良好的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种覆岩导水裂隙带高度探测方法，尤其涉及一种基于应力监测的采动覆岩导水裂隙带高度探测方法。
背景技术
煤矿开采所引起的覆岩弯曲沉降、裂隙扩展及断裂垮落是煤矿顶板透水、溃砂和地表塌陷等事故和灾害发生的根本原因。采场上覆岩层导水裂隙带的发育高度是反映覆岩破坏程度、运动状态和应力状态的关键性因素，因此获得采场上覆岩层导水裂隙带的发育高度对于顶板水害防治和地表塌陷控制，保护地面环境，保障煤矿安全生产具有重要意义。
现有比较有效的采动覆岩导水裂隙带高度探测手段主要有钻孔冲洗液漏失量法、钻孔电视法以及电法或磁法探测等。
在实际探测过程中，钻孔冲洗液漏失量法和钻孔电视法均需布设钻孔，钻孔成本高、周期长，且钻孔是在破裂岩体中施工，塌孔、卡钻时有发生，施工难度大。
钻孔电视法只能在井内无液或井液透明且没有套管的钻孔中使用，应用局限性较大。
电法虽然施工简单，费用较低。但是，由于存在一定的多解性，需要进一步加强定量模型的研究，以进行筛选校验。
磁法易受其他电磁场干扰，垂直分辨效果差，不具备动态效应，适用范围也较小。
发明内容
本发明的目的是，提供一种操作简便快捷、探测成本低，探测结果精度高的基于应力监测的采动覆岩导水裂隙带高度探测方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种基于应力监测的采动覆岩导水裂隙带高度探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，依据煤系地层综合柱状图获取地层信息，所述地层信息包括工作面上覆各岩层的岩性、厚度和容重基础数据；
第二步，按下式(1)计算出工作面上覆地层的自重应力σ0：
上式(1)中：
σ0：上覆地层的自重应力；
n：地层编号，由煤层顶板向地表依次增大；
γi：第i层岩层的容重；
hi：第i层岩层的厚度；
第三步，以采煤工作面走向和倾向中线交叉点为起点，沿工作面倾向方向，在采煤工作面顶板断裂之前，在煤层底板上，以工作面基本顶周期来压步距为间距，埋设一排压力传感器，压力传感器数量至少为3个，并分别用信号传输线将各压力传感器与采集系统进行通讯连接；
上述各压力传感器的规格型号相同，各压力传感器的量程均按计算所得的工作面上覆地层的自重应力σ0的1.2-1.8倍，取整数之后进行匹配选择；
第四步，随着工作面向前推进，当采空区上方的各岩层在自重应力的作用下断裂直至垮落，垮落的各岩层的重力作用在煤层底板上，经由相应的各压力传感器检测并实时传送至数据采集系统；
第五步，待采集系统采集到的各压力传感器所传送来的压力信号稳定后，找出各压力传感器中压力数值读数最大值σmax，并按下式(2)计算出覆岩导水裂隙带的发育层位m：
上式(2)中：
m:覆岩导水裂隙带的发育层位；
γi：第i层岩层的容重；
hi：第i层岩层的厚度；
第六步，按下式(3)计算出覆岩导水裂隙带的发育高度H：
上式(3)中：
hi：第i层岩层的厚度。
上述技术方案直接带来的技术效果是，采用简单的技术手段，将采动覆岩导水裂隙带高度探测这一费时费力复杂的操作过程，简化成应力监测(靠传感器检测、获取压/应力数据)并依据应力检测结果反推算出具体的采动覆岩导水裂隙带高度位置。
即，采用在采煤工作面底板铺设压力传感器对断裂岩层自重应力进行监测，反推出覆岩导水裂隙带的发育层位，进而获得所测矿井采动覆岩导水裂隙带高度。
上述技术方案，较好地解决了现有导水裂隙带高度探测技术中存在的成本高、工期长和精确低的技术难题。不难看出，上述技术方案具有探测结果精度高，所需时间短、施工快捷、操作简便、探测成本低，具有良好的实用性。
需要说明的是，上述技术方案中，压力传感器之所以按照“以采煤工作面走向和倾向中线交叉点为起点，沿工作面倾向方向，在采煤工作面顶板断裂之前，在煤层底板上，以工作面基本顶周期来压步距为间距，成一排埋设至少3个压力传感器，并分别用信号传输线将各压力传感器与采集系统进行通讯连接”的原则进行布置，而不是仅仅埋设1个，这主要是因为考虑到边界效应的影响，可能会引起煤层顶板的不充分垮落，进而导致应力监测失效问题的出现。实际操作中，可根据具体情况，进行具体数量的选择。即，可以根据需要在3个以上的合理范围内进行合理选择。
优选为，压力传感器的量程按计算所得的工作面上覆地层的自重应力σ0的1.5倍，取整数之后进行匹配选择。
该优选技术方案直接带来的技术效果是，我们的经验表明，压力传感器的量程等于计算所得的工作面上覆地层的自重应力σ0的1.5倍时，具有更好地技术经济性。这是根据断裂岩梁与传感器接触瞬间对其的冲击力、传感器精度和经济因素(传感器量程越大，精度越低；精度越高，价格越高)进行合理选择的。
综上所述，本发明相对于现有技术，具有精度高、简单实用、省时省力、监测成本低等有益效果。
附图说明
图1为本发明实施例1的3个压力传感器监测到的压力示数变化规律的曲线图；
图2为本发明实施例1的压力传感器布设的平面结构示意图。
附图标记说明：
1、采空区，2、待开采的煤体，3、皮带平巷，4、轨道平巷，5、工作面控顶区，6、工作面推进方向，7、压力传感器，8、信号传输线，9、采集系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
以某矿某工作面为例，依据其煤系地层综合柱状图，获取到的工作面上覆各岩层的岩性、厚度和容重基础数据，见下表1。
采动覆岩导水裂隙带高度探测方法，步骤如下：
1、计算工作面上覆11个地层的自重应力
其中，σ0：上覆地层的自重应力；n：地层编号，由煤层顶板向地表依次增大，共计11个；γi：第i层岩层的容重；hi：第i层岩层的厚度。
2、考虑断裂岩梁与传感器接触瞬间对其的冲击力、传感器精度和经济因素，实际选取自重应力的1.5倍为压力传感器的量程，即选取的压力传感器量程应为7.67MPa，由于传感器量程一般为整数，因此选用的压力传感器量程为8MPa，精度为0.01MPa；
3、如图2所示，工作面的布局情况如下：图中，左侧为采空区1，右侧为待开采的煤体2，待开采的煤体的上方为皮带平巷3，待开采的煤体的下方为轨道平巷4；工作面与采空区邻接的位置处为工作面控顶区5，工作面推进方向6从左向右推进。
在采煤工作面顶板断裂之前，沿工作面倾向，以采煤工作面走向和倾向中线交叉点为起点，沿工作面倾向方向，在采煤工作面顶板断裂之前，在煤层底板上，以工作面基本顶周期来压步距为间距，等间距埋设3个压力传感器7，压力传感器数量的编号分别为1#、2#和3#，并分别用信号传输线8将各压力传感器与采集系统9进行通讯连接；考虑到工作面基本顶周期来压步距为13.6m，压力传感器的间距选为14m；
用信号传输线将压力传感器与采集系统相连，工作面推过压力传感器埋设位置后，此处采空区上方的岩层在自重应力的作用下会产生断裂，断裂岩层的重力就会作用在压力传感器上，并将引起压力传感器示数的变化，利用采集系统对其进行实时采集，直至采集到的压力传感器的示数基本保持不变，3个压力传感器监测到的示数变化规律的曲线图如图1所示，具体数据见下表2。
从图1中可以看出，压力传感器的示数随着时间呈现出先增大后稳定的趋势。这是由于随着采煤工作面的向前推进，埋设压力传感器位置处的采空区上方覆岩裂隙逐渐向上发育，作用在压力传感器上的断裂岩层的高度也随之增大，从而引起压力传感器中压力示数的增加；当向前推进的距离使工作面达到较充分采动的状态之后，埋设压力传感器位置处的采空区上方覆岩裂隙不再向上发育，作用在压力传感器上的断裂岩层的高度也基本保持不变，压力传感器中压力示数便呈现出一较稳定的状态。
4、待采集到的压力传感器的示数基本保持不变，选取所采集到的压力传感器中压力示数最大值σmax＝1.55MPa，使用该最大值作为导水裂隙带高度的计算依据。具体如下：
由煤层顶板向地表依次叠加各个岩层的自重应力直至计算至第9层(即风氧化带)，第9层即为覆岩导水裂隙带的发育层位，则第1层至第9层岩层的累计厚度即为该矿某工作面覆岩导水裂隙带的发育高度。
煤矿开采后，该矿某工作面覆岩导水裂隙带的发育高度实际测量的数值为65.85m。
结果表明：本发明的方法所获得覆岩导水裂隙带的发育高度结果与实测结果的误差约为1％，具有很高的精确度。
表1 工作面上覆各岩层岩性、厚度和容重统计表
| 地层编号 | 地层岩性 | 厚度/m | 容重/(kg/m3) | 地层序号 | 地层岩性 | 厚度/m | 容重/(kg/m3) |
| 3煤 | 6 | 1410 | 6 | 中粒砂岩 | 6.86 | 2541 | |
| 1 | 泥岩 | 7.58 | 2506 | 7 | 铝质泥岩 | 3.58 | 2268 |
| 2 | 砂质泥岩 | 9.90 | 2437 | 8 | 中粒砂岩 | 10.81 | 2571 |
| 3 | 中粒砂岩 | 6.75 | 2568 | 9 | 风氧化带 | 9.58 | 1769 |
| 4 | 泥岩 | 6.79 | 2371 | 10 | 粘土 | 9.64 | 2180 |
| 5 | 粉砂岩 | 3.29 | 2622 | 11 | 第四系 | 150 | 2231 |
表2 3个压力传感器监测到的示数变化统计表
说明：依据上述计算出的该某矿某工作面覆岩导水裂隙带的发育高度，可知该工作面的覆岩导水裂隙带发育至风氧化带内。
该结论对于后续的工作面实际开采作业的指导意义在于，施工人员将有针对性地，重点注意，雨季来临时，顶板涌水量的变化情况，以提前做好顶板透水事故的预防措施。
Claims (2)
1.一种基于应力监测的采动覆岩导水裂隙带高度探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，依据煤系地层综合柱状图获取地层信息，所述地层信息包括工作面上覆各岩层的岩性、厚度和容重基础数据；
第二步，按下式(1)计算出工作面上覆地层的自重应力σ0：
上式(1)中：
σ0：上覆地层的自重应力；
n：地层编号，由煤层顶板向地表依次增大；
γi：第i层岩层的容重；
hi：第i层岩层的厚度；
第三步，以采煤工作面走向和倾向中线交叉点为起点，沿工作面倾向方向，在采煤工作面顶板断裂之前，在煤层底板上，以工作面基本顶周期来压步距为间距，埋设一排压力传感器，压力传感器数量至少为3个，并分别用信号传输线将各压力传感器与采集系统进行通讯连接；
上述各压力传感器的规格型号相同，各压力传感器的量程均按计算所得的工作面上覆地层的自重应力σ0的1.2-1.8倍，取整数之后进行匹配选择；
第四步，随着工作面向前推进，当采空区上方的各岩层在自重应力的作用下断裂直至垮落，垮落的各岩层的重力作用在煤层底板上，经由相应的各压力传感器检测并实时传送至数据采集系统；
第五步，待采集系统采集到的各压力传感器所传送来的压力信号稳定后，找出各压力传感器中压力数值读数最大值σmax，并按下式(2)计算出覆岩导水裂隙带的发育层位m：
上式(2)中：
m:覆岩导水裂隙带的发育层位数；
γi：第i层岩层的容重；
hi：第i层岩层的厚度；
第六步，按下式(3)计算出覆岩导水裂隙带的发育高度H：
上式(3)中：
hi：第i层岩层的厚度。
2.根据权利要求1所述的基于应力监测的采动覆岩导水裂隙带高度探测方法，其特征在于，压力传感器的量程按计算所得的工作面上覆地层的自重应力σ0的1.5倍，取整数之后进行匹配选择。
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