CN107165676B - 岩层控制的三位一体监测方法 - Google Patents

岩层控制的三位一体监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种岩层控制的三位一体监测分析方法,适用于采矿工程领域。利用井下矿压观测通过布置在采空区的压力监测装置和安设在液压支架上的压力传感器收集;利用覆岩运移观测基于覆岩关键层结构位置,通过地面钻孔布置内部岩移多点位移计,结合钻孔电视设备监测采动覆岩破断运动数据;地表沉陷观测通过GPS测得沉陷数据。能够研究覆岩各关键层破断运动对于井下矿压的作用规律及影响程度,可用于确定引发强矿压显现、致灾的关键层层位,并基于此,人为干预关键层的破断,实现井下矿压的科学控制。

Description

岩层控制的三位一体监测方法
技术领域
本发明涉及一种岩层控制的监测方法,尤其适用于采矿工程领域中使用的岩层控制的三位一体监测分析方法。
背景技术
随着配套设备及开采工艺水平的不断提升,大采高综采、特厚煤层综放开采技术得到了快速发展,目前已在我国神东、大同、晋城、潞安等数个矿区得到广泛应用,并且取代分层综采,成为我国厚及特厚煤层的两大主流采煤技术。然而,随着煤层开采厚度的增加,采场矿压问题愈发严峻,工作面压架、冒顶事故频发、顶板支护对策缺乏,严重威胁了矿井的安全高效生产,如何采动覆岩关键层破断运动的有效监测并建立其与采场矿压的对应关系、实现顶板的有效控制是煤矿领域亟待解决的科学及工程难题之一。
目前,基于关键层破断运动的岩层控制技术,在目标关键层的确定上多是基于理论估算的方法,或是单一的打钻孔电视孔观测的方法,存在较大的盲目性。特别是对大采高综采、特厚煤层综放开采一次采出空间大,覆岩垮裂范围广,缺乏将井下矿压、覆岩运移、地表沉陷的一体化监测和分析研究思路,难以揭示大空间采场(大采高、特大采高、特厚煤层综放开采)覆岩运动对采场矿压的作用机制。
发明内容
技术问题:针对上述技术目的,提供一种步骤简单,掌握下至井下矿压、中至覆岩运移、上至地表沉陷的整个覆岩运移规律,揭示覆岩运动对采场矿压的作用机制,实现大空间采场矿压的科学控制的岩层控制的三位一体监测方法。
技术方案:为实现上述技术目的,本发明的岩层控制的三位一体监测分析方法,利用设置在地面的位移编码器,设置在回采巷道中的压力接受分站,根据获取的区域地层覆岩全柱状确定回采工作面覆岩各关键层位置,在工作面所对应的地面区域连续布置3个岩层移动监测孔,利用在岩层移动监测孔内设有多个锚固点监测各关键层随工作面开采的相对下沉量,在中间位置的岩层移动监测孔一侧布置电视观测孔,并观察孔内部孔壁的裂隙、错动情况,检测工作面的压力,检测工作面液压支架的压力,检测各地表沉陷的下沉量,从而获得岩层移动监测孔内各锚固点的实际下沉量,利用实际下沉量从而判断出发生破断的关键层。
具体步骤如下:
a、根据开采区域地质信息,获取该区域地层覆岩全柱状,基于“岩层控制的关键层”理论对覆岩全柱状进行判别,确定回采工作面覆岩各关键层位置;
b、工作面推过切眼距离超过两倍工作面宽度后,通过GPS测量系统确定井下工作面所对应的地面区域,进而在工作面中部所对应的地表区域,沿工作面推进方向间隔30-40m连续布置3个地面钻孔作为岩层移动监测孔,岩层移动监测孔均垂直下钻至开采煤层;
在每个岩层移动监测孔中设置多个锚固点作为覆岩各关键层移动的测点,其中锚固点分别设置在岩层移动地面钻孔内的覆岩各关键层厚度中部,利用细钢丝将锚固点与设置在地面的位移编码器相连接,利用锚固点监测各关键层随工作面开采的相对下沉量S1
c、沿工作面倾向,在3个岩层移动监测孔中间位置的岩层移动监测孔任一侧距离20-30m的位置布置一个电视观测孔,电视观测孔垂直下钻至开采煤层;在工作面开采至距离电视观测孔50m时,使用深井探测仪间隔1-2天观测一次电视观测孔内部孔壁的裂隙、错动情况,直至工作面推过电视观测孔100-200m或检测到电视观测孔孔内裂隙不再发育;
d、每当工作面推进至各个岩层移动监测孔下方时,在工作面液压支架与刮板输送机之间沿工作面全长均匀埋设三组压力饼,压力饼通过铠装电缆与设置在回采巷道内的压力接受分站连接,通过光纤、电缆等传输介质,将压力数据传输到地面监测中心,以便数据的实时提取;将工作面液压支架每5个作为一组,在每组首个液压支架的支架活柱上安装压力传感器,利用压力传感器实时监测液压支架承受的压力;
e、以中间位置的岩层移动监测孔为中心,分别沿工作面走向和倾向布置两条地表沉陷观测线,利用GPS等量测设备记录各地表沉陷观测点随工作面开采的下沉量S2
f、利用公式:S=S1+S2,即可得到岩层移动监测孔内各锚固点的实际下沉量S,便于研究煤层开采各覆岩运动程度;
当压力传感器采集到液压支架上的压力数据大幅升高时,对比覆岩各关键层锚固点下沉量数据变化情况,初步判断下沉量数据变化大幅增大的测点所对应的关键层即为该阶段发生破断的关键层,同时,结合电视观测孔内裂隙、错动情况和采空区压力数据反推的垮落厚度进一步确定产生破断运动的覆岩关键层层位,为有针对性的弱化关键层提供依据。
井下工作面的支架阻力数据及采空区压力数据,多点位移计及钻孔电视采集的采动覆岩岩层运动规律实测数据,以及地表沉陷观测数据,都是从工作面距钻孔50m-100m开始,至推过钻孔100m-200m后结束。
所述地表沉陷观测线长500m-600m,地表沉陷观测线从中心出发每隔20m-30m的间距布置有地表沉陷观测点,
所述位移编码器由编码器和钢丝组成。
所述岩层破断运动时带动固定于岩层的锚固点运动,锚固点带动钢丝绳发生下沉运动,钢丝绳一端与锚固点相连,钢丝绳另一端与编码器相连,因此位移编码器主要用于记录可记录各个时间段的固定于岩层的锚固点下沉量,以此代表岩层的下沉量,位移数据监测频率为10s.
所述深井探测仪型号为SYKJ-6型,各液压支架设置的压力传感器的压力数据采集频率为5min;GPS等量测设备的监测频率为每周2-3次。
有益效果:
本申请基于现场实测数据,即下至井下矿压、中至覆岩运移、上至地表沉陷三个层位监测数据的分析方法,对理论研究具有补充验证作用
利用井下矿压、覆岩运移、地表沉陷三个空间位置的数据同步监测和统一分析方法,即在监测期间,以时间为节点,建立同一时刻由下至上三个空间位置的数据对应关系,同步分析三个监测位置数据
本申请通过对比同一时刻采场矿压和内部岩移测点的绝对下沉量,能够明确覆岩各关键层破断运动对井下矿压的作用机制,即采场每一次来压是由哪一层或哪几层关键层引起的,为采场支架合理阻力确定、目标关键层改性弱化等相应的矿压控制对策提供了科学依据,避免了目标层选择存在的盲目性、随意性。再采用地面钻孔实施高压注水压裂、深孔爆破等成熟技术,降低该关键层能量集聚,从而减小该关键层破断时的能量释放,实现大空间采场矿压的有效控制。
附图说明
图1是本发明的施工地面钻孔示意图;
图2是本发明的岩层移动监测孔地面钻孔多点位移计测点布置位置示意图;
图3是本发明的地表沉陷观测点布置示意图;
图4是本发明三位一体监测数据耦合分析方法示意。
具体实施方式:
下面结合附图对本申请做进一步说明:
如图1、图2和图3所示,本发明的岩层控制的三位一体监测分析方法利用设置在地面的位移编码器,设置在回采巷道中的压力接受分站,其特征在于:根据获取的区域地层覆岩全柱状确定回采工作面覆岩各关键层位置,在工作面所对应的地面区域连续布置3个岩层移动监测孔,利用在岩层移动监测孔内设有多个锚固点监测各关键层随工作面开采的相对下沉量,在中间位置的岩层移动监测孔一侧布置电视观测孔,并观察孔内部孔壁的裂隙、错动情况,检测工作面的压力,检测工作面液压支架的压力,检测各地表沉陷的下沉量,从而获得岩层移动监测孔内各锚固点的实际下沉量,利用实际下沉量从而判断出发生破断的关键层。
其具体步骤如下:
a、根据开采区域地质信息,获取该区域地层覆岩全柱状,基于“岩层控制的关键层”理论对覆岩全柱状进行判别,确定回采工作面覆岩各关键层位置;
b、工作面推过切眼距离超过两倍工作面宽度后,通过GPS测量系统确定井下工作面所对应的地面区域,进而在工作面中部所对应的地表区域,沿工作面推进方向间隔30-40m连续布置3个地面钻孔作为岩层移动监测孔,岩层移动监测孔均垂直下钻至开采煤层;如图3中的钻孔1#、2#和3#,图中的Q1、Q5…Q25分别为工作面倾向地表沉陷观测点,Z1、Z5…Z25分别为工作面走向地表沉陷观测点;
如图2所示,在每个岩层移动监测孔中设置多个锚固点作为覆岩各关键层移动的测点,其中锚固点分别设置在岩层移动地面钻孔内的覆岩各关键层厚度中部,其中KS1表示第1层亚关键层,KS2表示第2层关键层,KS3表示第3层关键层,PKS表示主关键层。利用细钢丝将锚固点与设置在地面的位移编码器相连接,利用锚固点监测各关键层随工作面开采的相对下沉量S1,多个锚固点与相应的位移计连接即组成了多点位移计。
c、沿工作面倾向,在3个岩层移动监测孔中间位置的岩层移动监测孔任一侧距离20-30m的位置布置一个电视观测孔,电视观测孔垂直下钻至开采煤层;在工作面开采至距离电视观测孔50m时,使用深井探测仪间隔1-2天观测一次电视观测孔内部孔壁的裂隙、错动情况,直至工作面推过钻孔100-200m或检测到孔内裂隙不再发育;
d、如图4所示,每当工作面推进至各个岩层移动监测孔下方时,在工作面液压支架与刮板输送机之间沿工作面全长均匀埋设三组压力饼,压力饼通过铠装电缆与设置在回采巷道内的压力接受分站连接,通过光纤、电缆等传输介质,将压力数据传输到地面监测中心,以便数据的实时提取;将工作面液压支架每5个作为一组,在每组首个液压支架的支架活柱上安装压力传感器,利用压力传感器实时监测液压支架承受的压力;各液压支架设置的压力传感器的压力数据采集频率为5min;
e、以中间位置的岩层移动监测孔为中心,分别沿工作面走向和倾向布置两条长500-600m的地表沉陷观测线,并从中心出发,沿着观测线以20-30m的间距布置多个地表沉陷观测点,利用GPS等量测设备记录各地表沉陷观测点随工作面开采的下沉量S2;GPS等量测设备的监测频率为每周2-3次;
f、利用公式:S=S1+S2,即可得到岩层移动监测孔内各锚固点的实际下沉量S,便于研究煤层开采各覆岩运动程度;
当压力传感器采集到液压支架上的压力数据大幅升高时,对比覆岩各关键层锚固点下沉量数据变化情况,初步判断下沉量数据变化大幅增大的测点所对应的关键层即为该阶段发生破断的关键层,同时,结合电视观测孔内裂隙、错动情况和采空区压力数据反推的垮落厚度进一步确定产生破断运动的覆岩关键层层位,为有针对性的弱化关键层提供依据;本方法能够研究覆岩各关键层破断运动对于井下矿压的作用规律及影响程度,可用于确定引发强矿压显现、致灾的关键层层位,并基于此,人为干预关键层的破断,实现井下矿压的科学控制。
其中井下工作面的支架阻力数据及采空区压力数据,多点位移计及钻孔电视采集的采动覆岩岩层运动规律实测数据,以及地表沉陷观测数据,都是从工作面距钻孔50-100m开始,至推过钻孔100-200m后结束;
所述岩层破断运动时带动固定于岩层的锚固点运动,锚固点带动钢丝绳发生下沉运动,钢丝绳一端与锚固点相连,钢丝绳另一端与编码器相连,因此位移编码器主要用于记录可记录各个时间段的固定于岩层的锚固点下沉量,以此代表岩层的下沉量,位移数据监测频率为10s。

Claims (6)

1.一种岩层控制的三位一体监测方法,利用设置在地面的位移编码器,设置在回采巷道中的压力接受分站,其特征在于:根据获取的区域地层覆岩全柱状确定回采工作面覆岩各关键层位置,在工作面所对应的地面区域连续布置3个岩层移动监测孔,利用在岩层移动监测孔内设有多个锚固点监测各关键层随工作面开采的相对下沉量,在中间位置的岩层移动监测孔一侧布置电视观测孔,并观察孔内部孔壁的裂隙、错动情况,检测工作面的压力,检测工作面液压支架的压力,检测各地表沉陷的下沉量,从而获得岩层移动监测孔内各锚固点的实际下沉量,利用实际下沉量从而判断出发生破断的关键层;
具体步骤如下:
a、根据开采区域地质信息,获取该区域地层覆岩全柱状,基于“岩层控制的关键层”理论对覆岩全柱状进行判别,确定回采工作面覆岩各关键层位置;
b、工作面推过切眼距离超过两倍工作面宽度后,通过GPS测量系统确定井下工作面所对应的地面区域,进而在工作面中部所对应的地表区域,沿工作面推进方向间隔30-40m连续布置3个地面钻孔作为岩层移动监测孔,岩层移动监测孔均垂直下钻至开采煤层;
在每个岩层移动监测孔中设置多个锚固点作为覆岩各关键层移动的测点,其中锚固点分别设置在岩层移动地面钻孔内的覆岩各关键层厚度中部,利用细钢丝将锚固点与设置在地面的位移编码器相连接,利用锚固点监测各关键层随工作面开采的相对下沉量S1;
c、沿工作面倾向,在3个岩层移动监测孔中间位置的岩层移动监测孔任一侧距离20-30m的位置布置一个电视观测孔,电视观测孔垂直下钻至开采煤层;在工作面开采至距离电视观测孔50m时,使用深井探测仪间隔1-2天观测一次电视观测孔内部孔壁的裂隙、错动情况,直至工作面推过电视观测孔100-200m或检测到电视观测孔孔内裂隙不再发育;
d、每当工作面推进至各个岩层移动监测孔下方时,在工作面液压支架与刮板输送机之间沿工作面全长均匀埋设三组压力饼,压力饼主要用于监测采空区上覆冒落矸石重量,压力饼通过铠装电缆与设置在回采巷道内的压力接受分站连接,通过光纤、电缆传输介质,将压力数据传输到地面监测中心,以便数据的实时提取;将工作面液压支架每5个作为一组,在每组首个液压支架的支架活柱上安装压力传感器,利用压力传感器实时监测液压支架承受的压力;
e、以中间位置的岩层移动监测孔为中心,分别沿工作面走向和倾向布置两条地表沉陷观测线,利用GPS量测设备记录各地表沉陷观测点随工作面开采的下沉量S2;
f、利用公式:S=S1+S2,即可得到岩层移动监测孔内各锚固点的实际下沉量S,便于研究煤层开采各覆岩运动程度;
当压力传感器采集到液压支架上的压力数据大幅升高时,对比覆岩各关键层锚固点下沉量数据变化情况,初步判断下沉量数据变化大幅增大的测点所对应的关键层即为该阶段发生破断的关键层,同时,结合电视观测孔内裂隙、错动情况和采空区压力数据反推的垮落厚度进一步确定产生破断运动的覆岩关键层层位,为有针对性的弱化关键层提供依据。
2.根据权利要求1所述的一种岩层控制的三位一体监测方法,其特征在于:井下工作面的支架阻力数据及采空区压力数据,多点位移计及钻孔电视采集的采动覆岩岩层运动规律实测数据,以及地表沉陷观测数据,都是从工作面距钻孔50m-100m开始,至推过钻孔100m-200m后结束。
3.根据权利要求1所述的一种岩层控制的三位一体监测方法,其特征在于:所述地表沉陷观测线长500m-600m,地表沉陷观测线从中心出发每隔20m-30m的间距布置有地表沉陷观测点。
4.根据权利要求1所述的一种岩层控制的三位一体监测分析方法,其特征在于:所述位移编码器由编码器和钢丝组成。
5.根据权利要求4所述的一种岩层控制的三位一体监测方法,其特征在于:所述岩层破断运动时带动固定于岩层的锚固点运动,锚固点带动钢丝绳发生下沉运动,钢丝绳一端与锚固点相连,钢丝绳另一端与编码器相连,因此位移编码器主要用于记录可记录各个时间段的固定于岩层的锚固点下沉量,以此代表岩层的下沉量,位移数据监测频率为10s。
6.根据权利要求4所述的一种岩层控制的三位一体监测方法,其特征在于:所述深井探测仪型号为SYKJ-6型,各液压支架设置的压力传感器的压力数据采集频率为5min;GPS量测设备的监测频率为每周2-3次。
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