CN106600437A - 一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法，结合矿山采掘条件、煤岩层和断层产状，平行断层走向方向进行钻孔施工方向设计，充分考虑断层与煤岩层产状和钻孔方位及俯角相互之间的关系，确定测孔孔深和应变、应力和水压力传感器埋设位置；三种传感器随着工作面和钻孔相对位置关系不同而表现不同的反应，利用相关接收设备分别采集不同位置关系下水压力、应力和应变的量化数据，分别作出与工作面位置不同的相关变化曲线，根据曲线起伏变化程度进行预警。本发明可全程进行跟踪预测，为底板断层活化程度评价提供量化依据，任一种出现突变曲线拐点均需要引起安全注意，三种综合更易于灵敏判断采动底板断层活化预警。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿山工作现场综合预警与分析方法，具体是一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法，属于矿山工作现场预警技术领域。
背景技术
矿井底板突水是指承压水上采煤时，采动矿压和水压共同作用下，导致煤层底板岩体变形破坏，造成大量承压水涌入采掘空间的现象。大量突水事故资料分析表明，85％以上底板突水都是由采动断层活化导水所致，它一直是困扰煤矿生产安全的一个难点问题。
目前，在煤矿开采过程中，普遍采取单一指标进行采动底板变形破坏程度及突水危险性预测，但是该测试方法环节繁琐，工艺复杂，不能用于全过程监测，通常用于完整底板而不能用于断层条件。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法，通过预先设计计算，现场施工测孔，并在测孔中预埋应变、应力和水压力传感器，能定量得出各传感器不同参数对于采动断层一定深度的反应敏感程度，可全程进行跟踪预测，适应于断层条件，并为底板断层活化程度评价提供量化依据，进而解决目前测试方法环节繁琐，工艺复杂，不能用于全过程监测的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法，具体步骤如下：
步骤一、设计测试钻孔：根据工作面巷道掘进揭露底板断层及回采条件，选择典型断层并结合工作面回采条件建立带断层和设计钻孔的三维地质计算模型，利用三维地质计算模型中断层面和钻孔所在剖面之间关系，考虑断层产状和钻孔方位及施工角度，正确计算出揭露断层面需要施工测试钻孔的深度；
步骤二、施工钻孔：根据步骤一中测试钻孔的位置和深度对测试钻孔进行结构设计，从煤层底板开始施工挖测试钻孔，钻探过程中要求对测试钻孔进行取芯，同时做好水文地质观测工作；
步骤三、埋设传感器：安装传感器前先借助钻机进行扫孔，然后将传感器自下而上的安装在测试钻孔内，依次为水压力传感器、应力传感器和应变传感器，相邻两个传感器间的间距0.4～0.6m；将各个传感器的导线引出孔口，封孔并保护好导线完整性；
步骤四、数据测试：根据工作面与钻孔相对位置的关系确定数据测试的次数，超前80m，每隔三天下井测试1次；80-50m每隔一天测试1次；50m以内到工作面推过测试钻孔50m范围内每天测试1次；推过50-80m每隔一天测试1次；
步骤五、数据整理与分析：每次测试结束后及时整理和分析数据，分别作出三种传感器相对工作面不同位置的变化曲线，综合判断有无异常现象，并以此对断层活化程度综合预警与分析。
所述步骤一设计测试钻孔具体是指：
1)在采掘工程平面图上根据断层产状和巷道位置关系确定测试钻孔孔口O点位置、测孔施工平面方向OE和测孔俯角大小∠BOC，其中，OE线是过O点与断层走向线平行的作为测试钻孔施工的水平方向线，B点为预施工钻孔孔底与断层面的交点，C点为B点投影到水平面的位置点；
2)令巷道与断层上盘交点为A点，确定测试钻孔孔口O点到巷道与断层交点A的距离lAO，过A点做测孔施工方向在平面投影的垂向交于E点，在采掘工程平面图上量出测孔施工方向与巷道的夹角∠AOE，A点与E点间的距离lAE＝lAO×sin∠AOE；
3)分析计算测孔施工深度lOB：根据断层与施工测孔及巷道位置关系建立三维地质计算模型，OB为测孔施工长度，B点落在断层面上，过B点作投影线交水平面于C点，再过C点作AE的平行线CD交断层于D点，则∠BDC即为断层的倾角，这个断层倾角是已知的；
在ΔBOC中，lOB＝lBC/sin∠BOC，又∠BOC是测孔设计的俯角，可根据巷道断面尺寸确定，故只需确定BC的长度；而在ΔBCD中，lBC＝lCD×tan∠BDC，lCD＝lAE，所以
这样即能计算出需要施工的测孔孔深，并能保证测孔终点位置落在断层面上。
所述步骤三中的封孔是指采用体积比为1：1水泥浆(加速凝剂)将测试钻孔浇灌密实，经过1-2天固结期，便可进行观测。
所述步骤三之后步骤四之前可采取测试导线保护措施：从测试钻孔位置沿上巷道下帮向外开挖深38～43cm的长条细沟，沟长78～82m，以便于工作面推过测试钻孔正上方之后易于观测，引出的导线沿沟布置后要掩埋，这样可保证从测孔引出的导线既不被破坏又能便于观测。
本发明针对目前深部延伸矿井底板断层突水事故上升的现场实际情况，设计和分析计算了一种通过施工钻孔用于放置不同类型传感器进行采动过程中的跟踪实时超前综合预警监测断层活化程度的方法，结合矿山采掘条件、煤岩层和断层产状，平行断层走向方向进行钻孔施工方向设计，充分考虑断层与煤岩层产状和钻孔方位及俯角等相互之间的关系，确定测孔孔深以及应变、应力和水压力传感器埋设位置；并根据预先施工钻孔揭露断层时所埋设水压力传感器、应力传感器和应变传感器，在工作面回采过程中逐渐向钻孔靠近，直到工作面推过钻孔所在位置一定距离。在这整个过程中三种传感器随着工作面和钻孔相对位置关系不同而表现不同的反应，利用相关接收设备分别采集不同位置关系下水压力、应力和应变的量化数据，分别作出与工作面位置不同的相关变化曲线，根据曲线起伏变化程度进行预警。由于这三种数据均是各自独立的，每种传感器均随工作面位置不同表现出良好的反应程度，直接揭示采动矿山压力对断层活化程度的大小，任一种出现突变曲线拐点均需要引起安全注意，三种综合更易于灵敏判断采动底板断层活化预警。
附图说明
图1是本发明的平面及测孔布置示意图；
图2是本发明的测孔深度计算三维立体模型图；
图3是本发明的测孔施工剖面及各传感器埋设示意图；
图4为本发明实施例工作面推进过程中断层位置处垂深10.5m应变监测变化曲线实测结果图；
图5为本发明实施例工作面推进过程中断层位置处垂深11.0m应力监测变化曲线实测结果图；
图6为本发明实施例工作面推进过程中断层位置处垂深11.5m水压力监测变化曲线实测结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法，具体步骤如下：
步骤一、设计测试钻孔：根据工作面巷道掘进揭露底板断层及回采条件，选择典型断层并结合工作面回采条件建立带断层和设计钻孔的三维地质计算模型，利用三维地质计算模型中断层面和钻孔所在剖面之间关系，考虑断层产状和钻孔方位及施工角度，正确计算出揭露断层面需要施工测试钻孔的深度；
步骤二、施工钻孔：根据步骤一中测试钻孔的位置和深度对测试钻孔进行结构设计，从煤层底板开始施工挖测试钻孔，钻探过程中要求对测试钻孔进行取芯，同时做好水文地质观测工作；
步骤三、埋设传感器：安装传感器前先借助钻机进行扫孔，然后将传感器自下而上的安装在测试钻孔内，依次为水压力传感器、应力传感器和应变传感器，相邻两个传感器间的间距0.4～0.6m；将各个传感器的导线引出孔口，封孔并保护好导线完整性；
步骤四、数据测试：根据工作面与钻孔相对位置的关系确定数据测试的次数，超前80m，每隔三天下井测试1次；80-50m每隔一天测试1次；50m以内到工作面推过测试钻孔50m范围内每天测试1次；推过50-80m每隔一天测试1次；
步骤五、数据整理与分析：每次测试结束后及时整理和分析数据，分别作出三种传感器相对工作面不同位置的变化曲线，综合判断有无异常现象，并以此对断层活化程度综合预警与分析。
如图1至图3所示，O点为测孔孔口，A点为巷道与断层交线点，B点为预施工钻孔孔底与断层面交点，C点为B点投影到水平面位置点，D点为过B点沿断层面与AD线垂直相交点，E点为水平面内过A点作与OC线垂直交点；所述步骤一设计测试钻孔具体是指：
1)在采掘工程平面图(图1)上根据断层产状和巷道位置关系确定测试钻孔孔口O点位置、测孔施工平面方向OE和测孔俯角大小∠BOC，其中，OE线是过O点与断层走向线平行的作为测试钻孔施工的水平方向线，B点为预施工钻孔孔底与断层面的交点，C点为B点投影到水平面的位置点；
2)令巷道与断层上盘交点为A点，确定测试钻孔孔口O点到巷道与断层交点A的距离lAO，过A点做测孔施工方向在平面投影的垂向交于E点，在采掘工程平面图上量出测孔施工方向与巷道的夹角∠AOE，A点与E点间的距离lAE＝lAO×sin∠AOE；
3)分析计算测孔施工深度lOB：根据断层与施工测孔及巷道位置关系建立如图2所示三维地质计算模型，OB为测孔施工长度，B点落在断层面上，过B点作投影线交水平面于C点，再过C点作AE的平行线CD交断层于D点，则∠BDC即为断层的倾角，这个断层倾角是已知的；在ΔBOC中，lOB＝lBC/sin∠BOC，又∠BOC是测孔设计的俯角，可根据巷道断面尺寸确定，故只需确定BC的长度；而在ΔBCD中，lBC＝lCD×tan∠BDC，lCD＝lAE，所以
这样即能计算出需要施工的测孔孔深，并能保证测孔终点位置落在断层面上。
根据上述计算结果，可施工如图3所示的钻孔剖面。
优选地，所述步骤三中的封孔是指采用体积比1：1水泥浆(加速凝剂)将测试钻孔浇灌密实，经过1-2天固结期，便可进行观测。
进一步，可在步骤三之后步骤四之前采取测试导线保护措施：从测试钻孔位置沿上巷道下帮向外开挖深38～43cm的长条细沟，沟长78～82m，以便于工作面推过测试钻孔正上方之后易于观测，引出的导线沿沟布置后要掩埋，这样可保证从测孔引出的导线既不被破坏又能便于观测。
(1)测试过程
考虑到工作面回采过程底板采动变形具有超前显现和采后延续的特点，根据底板采动过程的变形演化特点，正常确定超前测试段距控制在100m左右，采后延续测试段距控制在50m左右。
一般待测孔埋设完传感器后，各个观测孔观测时间分布如下：一开始由于工作面距离测孔相对较远，测孔基本不受煤层采动影响，故开始时每周下井测试1-2次，到工作面距离测孔前后80m以内时每隔一天下井测试一次，最后50m以内每天下井测试一次，但如果水压力传感器所测压力变化较大时，需10-20min测试一次，直到孔隙水压力稳定为止。
(2)测孔技术要求
步骤二中的钻孔施工：清理钻场浮煤后，从煤层底板开始钻进，利用Φ146开孔，钻进7m，下Φ127孔口管6m，孔口管固定好后，进行耐压试验，耐压值不小于5.0MPa，并持续20min以上，改Φ108钻进至终孔深度。如果钻探过程中灰岩涌水或发现塌孔，要求先用水泥浆封堵，再钻进。
测孔设计与相关技术参数举例，测孔设计技术参数见表1：
表1 某工作面FX断层观测孔设计技术参数
| 技术参数 | 测孔 |
| 开孔直径(mm)/深度(m) | 146/6 |
| 孔口管直径(mm)/长度(m) | 127/6 |
| 终孔直径(mm) | 108 |
| 测孔方位(°) | 238 |
| 测孔倾角(°) | -30 |
| 与巷道夹角(°) | 58 |
| 煤岩层真倾角(°) | 9 |
| 测孔方向与煤岩层走向线夹角(°) | 0 |
| 孔深(m) | 25 |
| 伸进工作面水平距离(m) | 22 |
| 控制底板最大真厚度(m) | 12 |
一般在测孔内埋设一个应力传感器、一个孔隙水压力传感器及一个应变传感器，传感器之间垂深相距0.5m。各传感器埋设深度参数见表2：
表2 各传感器埋设深度参数
在某矿根据表1和表2数据进行钻孔施工后按照要求埋设应变、应力和水压力传感器后在采动过程中的监测到的反应断层信息的各量化指标结果见图4-图6，可分析该断层虽受到采动影响，但没有活化。
本发明是一种通过测孔中应变、应力和水压力等多量化指标用于超前预报矿山生产过程中工作面回采前方底板断层活化程度综合预警和分析计算方法，特别适应于巷道已揭露断层后如何通过超前设计测孔，然后在测孔中布置各种传感器进行回采过程中的预警监测。这种测试方法目前已在永夏矿区和郑州矿区部分矿井使用，结果表明在现场试验中很明显地提高测试结果可靠性，预测了断层活化程度，保证了安全回采。
综上所述，本发明通过施工钻孔用于放置不同类型传感器进行采动过程中的跟踪实时超前综合预警监测底板断层的活化程度，结合矿山采掘条件、煤岩层和断层产状，平行断层走向方向进行钻孔施工方向设计，充分考虑断层与煤岩层产状和钻孔方位及俯角等相互之间的关系，确定测孔孔深以及应变、应力和水压力传感器埋设位置；并根据预先施工钻孔揭露断层时所埋设水压力传感器、应力传感器和应变传感器，在工作面回采过程中逐渐向钻孔靠近，直到工作面推过钻孔所在位置一定距离。在这整个过程中三种传感器随着工作面和钻孔相对位置关系不同而表现不同的反应，利用相关接收设备分别采集不同位置关系下水压力、应力和应变的量化数据，分别作出与工作面位置不同的相关变化曲线，根据曲线起伏变化程度进行预警。由于这三种数据均是各自独立的，每种传感器均随工作面位置不同表现出良好的反应程度，直接揭示采动矿山压力对断层活化程度的大小，任一种出现突变曲线拐点均需要引起安全注意，三种综合更易于灵敏判断采动底板断层活化预警。
Claims (4)
1.一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法，其特征在于，现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法的具体步骤如下：
步骤一、设计测试钻孔：根据工作面巷道掘进揭露底板断层及回采条件，选择典型断层并结合工作面回采条件建立带断层和设计钻孔的三维地质计算模型，利用三维地质计算模型中断层面和钻孔所在剖面之间关系，考虑断层产状和钻孔方位及施工角度，正确计算出揭露断层面需要施工测试钻孔的深度；
步骤二、施工钻孔：根据步骤一中测试钻孔的位置和深度对测试钻孔进行结构设计，从煤层底板开始施工挖测试钻孔，钻探过程中要求对测试钻孔进行取芯，同时做好水文地质观测工作；
步骤三、埋设传感器：安装传感器前先借助钻机进行扫孔，然后将传感器自下而上的安装在测试钻孔内，依次为水压力传感器、应力传感器和应变传感器，相邻两个传感器间的间距0.4～0.6m；将各个传感器的导线引出孔口，封孔并保护好导线完整性；
步骤四、数据测试：根据工作面与钻孔相对位置的关系确定数据测试的次数，超前80m，每隔三天下井测试1次；80-50m每隔一天测试1次；50m以内到工作面推过测试钻孔50m范围内每天测试1次；推过50-80m每隔一天测试1次；
步骤五、数据整理与分析：每次测试结束后及时整理和分析数据，分别作出三种传感器相对工作面不同位置的变化曲线，综合判断有无异常现象，并以此对断层活化程度综合预警与分析。
2.根据权利要求1所述的一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法，其特征在于，所述步骤一设计测试钻孔具体是指：
1)在采掘工程平面图上根据断层产状和巷道位置关系确定测试钻孔孔口O点位置、测孔施工平面方向OE和测孔俯角大小∠BOC，其中，OE线是过O点与断层走向线平行的作为测试钻孔施工的水平方向线，B点为预施工钻孔孔底与断层面的交点，C点为B点投影到水平面的位置点；
2)令巷道与断层上盘交点为A点，确定测试钻孔孔口O点到巷道与断层交点A的距离lAO，过A点做测孔施工方向在平面投影的垂向交于E点，在采掘工程平面图上量出测孔施工方向与巷道的夹角∠AOE，A点与E点间的距离lAE＝lAO×sin∠AOE；
3)分析计算测孔施工深度lOB：根据断层与施工测孔及巷道位置关系建立三维地质计算模型，OB为测孔施工长度，B点落在断层面上，过B点作投影线交水平面于C点，再过C点作AE的平行线CD交断层于D点，则∠BDC即为断层的倾角，这个断层倾角是已知的；在ΔBOC中，lOB＝lBC/sin∠BOC，又∠BOC是测孔设计的俯角，可根据巷道断面尺寸确定，故只需确定BC的长度；而在ΔBCD中，lBC＝lCD×tan∠BDC，lCD＝lAE，所以
这样即能计算出需要施工的测孔孔深，并能保证测孔终点位置落在断层面上。
3.根据权利要求1所述的一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法，其特征在于，所述步骤三中的封孔是指采用体积比为1：1水泥浆将测试钻孔浇灌密实，经过1-2天固结期，方能进行观测。
4.根据权利要求1所述的一种现场采动底板断层活化程度综合预警与分析方法，其特征在于，所述步骤四之前采取测试导线保护措施：从测试钻孔位置沿上巷道下帮向外开挖深38～43cm的长条细沟，沟长78～82m，以便于工作面推过测试钻孔正上方之后易于观测，引出的导线沿沟布置后要掩埋。
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