CN107387166B - 回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统及方法，系统包括布置在每个连巷工作面中的多个钻孔，每个钻孔中分别埋设分布式应变传感光缆，矿井中回风顺槽中布置有多个数据采集分站，每个连巷中的分布式应变传感光缆分别与对应的数据采集分站连接，各个数据采集分站通过光缆彼此连接后再通过矿用网络与多通道分站控制器连接，监测台站通过应变采集仪与多通道分站控制器连接。本发明方法通过多通道分站控制器分别采集每个钻孔的应变数据，实时进行工作面全区底板岩层应变数据体的动态采集、处理和解释预警工作，通过岩层应变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。

Description

回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及煤层底板破坏预警系统领域，具体是一种回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统及方法。

背景技术

随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤矿开采正趋于深部化发展，此时深部开采将面临“三高一扰动”影响，使得开采条件较浅部复杂化。当所采煤层底板富含大量灰岩承压水时，将实施“带压”开采，此时为了保证矿井安全高效地生产需全面把握底板破坏规律以及准确确定底板采动破坏带深度。

目前，对于底板破坏深度的研究有经验公式、理论计算公式、数值模拟、相似物理模拟试验、现场实测等等，公式推导大多基于浅层地质条件建立，当进入深部开采时难以适用，其中应用于确定底板破坏深度及规律探求的测试技术主要是在回采工作面底板施工倾斜钻孔，钻孔延伸至底板法线位置，同时在钻孔尾部预留2m裸孔作为注、放水观测点，其余孔段注浆封堵，监测期间由注、放水水量的多少来确定底板破坏裂隙发育程度，达到点式间断监测效果；后期为了达到实时监测底板破坏目的，张文泉、张红日等提出一种多回路钻孔注、放水系统；刘传武等利用声波在不同介质中的传播特性对回采工作面底板破碎程度进行现场探测；张平松等曾采用震波CT技术，并结合煤层工作面回采过程中孔-巷间观测剖面进行动态数据采集与处理，对底板破坏规律进行研究；付茂如等利用电阻率CT探测回采工作面底板破坏深度；孙斌杨等利用分布式光纤并结合电阻率 CT获得采场底板破坏范围。

上述方法受自身条件限制，井下施工繁琐并且探测精度较低，同时采煤工作环境存在诸多不确定因素导致难以达到连续动态监测的效果。其中震波CT、电阻率CT等虽取得较为有效的数据，但是目前井下布置钻孔多位于回风顺槽，实施倾斜钻孔，钻孔控制范围较为局限难以反映工作面中间部位等区域的实际破坏情况。而且目前井下实测多为人工现场操作，不能进行连续观测及灾害预警。

发明内容

本发明的目的是提供一种回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统及方法，以解决现有技术难以达到连续动态监测的效果、不能进行连续观测及灾害预警的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统，其特征在于：包括布置在矿井中每个连巷工作面中的多个钻孔，每个钻孔中分别埋设分布式应变传感光缆并采用浆液注浆密封，矿井中回风顺槽中布置有多个数据采集分站，多个数据采集分站一一对应设置在各个连巷外，每个连巷各个钻孔中的分布式应变传感光缆分别通过通讯线延伸至回风顺槽中与对应的数据采集分站连接，各个数据采集分站通过光缆彼此连接，还包括设置在地面上的多通道分站控制器、应变采集仪、监测台站，各个数据采集分站通过光缆彼此连接后再通过矿用网络与多通道分站控制器连接，监测台站通过应变采集仪与多通道分站控制器连接；各个分布式应变传感光缆采集的数据由对应的数据采集分站采集，再由各个数据采集分站将采集的数据传送至多通道分站控制器，应变采集仪通过多通道分站控制器切换通道以采集不同连巷中分布式应变传感光缆的数据，并由应变采集仪将采集的数据传送至监测台站。

所述的回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统，其特征在于：各个连巷工作面中的钻孔依次进行编号。

所述的回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统，其特征在于：每个钻孔分别朝向切眼方向并与回采方向平行，钻孔的控制深度应大于理论计算的底板破坏深度h，理论计算的底板破坏深度h由公式(1)计算得到：

h＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579 (1)，

公式(1)中，H为煤层开采高度，L为工作面斜长，α为煤层倾角。

所述的回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统，其特征在于：多通道分站控制器一个通道连接一个数据采集分站，多通道分站控制器内部通过程控开关切换各个通道，程控开关切换的依据是每个钻孔测试所需要的时间，该时间则是由应变采集仪设置的采集参数而定。

回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警方法，其特征在于：分布式应变传感光缆采集的数据实时传输到监测台站，监测台站中利用相关软件将原始数据转换成数据处理所需格式并导出布里渊频移，根据实际钻孔安装长度截取有效数据，对每组数据依据钻孔编号进行编录，并通过公式(2)进行应变值的求取：

公式(2)中，

为布里渊频移-应变系数；ν_B(0)为初始布里渊频移；

定义初始采集背景应变值为ε_ab，其中a代表a#钻孔，b代表背景值，后续采集数据依次记录为ε_a1，ε_a2……ε_an，其中1代表第一次采集，其余钻孔编号同上；数据解编计算完成后进行异常数据点的剔除，然后以背景值为基础与后续采集数据进行做差对比即

最后利用相关成图软件进行应变曲线图的绘制；

数据处理完成后所得应变曲线图可反映钻孔穿过各个岩层的应变值，并且通过公式(3)可求得各个应变值所对应的具体层位，公式(3)如下：

L＝ct/(2n)-L₀ (3)，

公式(3)中，L₀为钻孔孔口至脉冲光入射端传输光缆的距离；L为分布式应变传感光缆上任意一点至孔口的距离；c为真空中光传播速度；t为脉冲光从发射到接收散射光的双程走时；n为分布式应变传感光缆中光纤纤芯折射率；

判断底板岩层是否破坏的前提是获得底板岩层发生破裂的应变极值，而底板岩性为泥岩、砂岩、砂泥岩、灰岩，通过室内岩石单轴、三轴压裂试验得出其在弹性变化内所能承受的应变极值分别为ε_泥岩、ε_砂岩、ε_砂泥岩、ε_灰岩，当分布式应变传感光缆某点应变值大于其所处层位岩性应变极值时判定为岩层发生破碎，则分布式应变传感光缆某点位于底板下方深度即为底板破坏带最小深度d，且 d＝L·sinθ，θ为底板钻孔倾角；此时当d>h₀时，监控系统将发出警报提醒相关人员及时进行处理，达到预防底板突水的目的，h₀为底板隔水层厚度，即煤层底板距灰岩界面的高度。

本发明通过改进现有的钻孔电阻率CT、分布式传感光缆应变观测系统布设方式，利用数据采集分站，进行多通道观测系统的布置，通过多通道分站控制器分别采集每个钻孔的应变数据，实时进行工作面全区底板岩层应变数据体的动态采集、处理和解释预警工作，分析工作面底板岩层应变在采动条件下的变化规律，通过岩层应变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。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、目前常规的底板破坏探测技术仍需要人工进行井下实测，工作效率较低，而且井下工作环境较为恶劣，一些仪器难以正常工作。本发明在布置好井下观测系统后，在地面进行远程操作，节约大量的人力物力，同时工作效率大大提高。

2、目前底板实施钻孔由于连巷后期会进行封堵多布置在回风顺槽，所测得的电阻率或者应变仅能反映工作面一个区域底板破坏情况，无法预测整个工作面在回采期间底板的实际破坏深度。而本发明则是在连巷中实施钻孔，并且是钻孔组，埋设好光缆后传输光缆则沿着煤壁上方延伸至回风大巷，后期连巷封堵对其没有影响，并且所得数据体很大，可良好的反应整个采动工作面底板破坏深度。

3、该发明提出分站布置钻孔的方式，利用多通道分站控制器可解决目前仪器单通道测试的难题。

4、可实时监测采动过程中底板岩层应变趋势，根据室内试验所得各个岩性发生破坏时的应变极值判断岩层是否发生破碎，当破坏深度大于底板隔水层厚度时则发出警报，提醒工作人员。

附图说明

图1为回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统布置图。

图2为底板实施钻孔剖面图。

图3为采动过程中底板钻孔应变变化曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统，其包括：

底板钻孔光缆测试系统：针对工作面在连巷内选取合适的区域实施底板钻孔，钻孔设计参数满足以下两点要求：(1)钻孔应朝向切眼方向，并且与回采方向平行；(2)钻孔控制深度应大于理论计算的底板破坏深度，理论深度由公式(1) 计算得到：

h＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579 (1)，

公式(1)中，H为煤层开采高度，L为工作面斜长，α为煤层倾角。

钻孔施工完成后，进行分布式应变传感光缆的安装，分布式应变传感光缆安装完成后采用浆液进行全孔注浆，最后将孔内分布式应变传感光缆利用矿用通讯线延伸至回风顺槽并与连巷对应的数据采集分站连接。重复以上步骤，完成整个工作面内底板钻孔施工及分布式应变传感光缆的安装。然后根据矿区岩性柱状图，画出工作面内钻孔剖面图，如图2所示，并控制每个钻孔跨过的岩性分界面，如图2中的1#钻孔跨过的岩性界面分别为0-l₁₁为砂泥岩，l₁₁-l₁₂为泥岩夹砂岩， l₁₂-l₁₃为砂泥岩，l₁₃-l₁₄为砂泥岩，l₁₄-l₁₅为砂泥岩，l₁₅-l₁₆为中砂岩。

多通道分站控制系统：在井下配置多个数据采集分站及地面的多通道分站控制器连接。井下的数据采集分站的目的是为了将单一连巷中每一钻孔中分布式应变传感光缆集中于一个子系统中，然后通过传输光缆将多个数据采集分站相连并由矿用网络连接至地面的多通道分站控制系统。其工作原理是利用多通道分站控制器内部程控开光随意切换通道，以完成每个子系统钻孔中分布式应变传感光缆的应变测试。而程控开关切换的依据是每个钻孔测试所需要的时间，时间则是由应变采集仪设置的采集参数而定，系统搭载完成后通过预采集背景值调整采集参数期间提前计算各个钻孔所需时间以代码的形式输入到应变采集仪内部。

底板钻孔应变数据采集：数据采集利用分布式应变传感光缆完成，该分布式应变传感光缆单端发射接收，可进行长距离监测，应变灵敏度控制在±50με，可基本满足测试需求。待钻孔组内部浆液完全凝固后进行数据的预采集，预采集的目的是为了得到各个钻孔合适的采集参数，然后利用多通道分站控制器分别进行各个钻孔的应变数据采集，并定义初始采集的钻孔组数据体为背景值，后期依据工作面回采进度设置监测周期。重复上述步骤，直至工作面回采完成获得完整的底板岩层应变数据体。

回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警方法，过程如下：

分布式应变传感光缆的应变数据通过数据线实时传输到监测台站，利用相关软件将原始数据转换成数据处理所需格式并导出布里渊频移，根据实际钻孔安装长度截取有效数据，对数据依据钻孔号进行编录。通过公式(2)进行应变值的求取：

公式(2)中，

为布里渊频移-应变系数；ν_B(0)为初始布里渊频移；

定义初始采集背景应变值为ε_ab，其中a代表a#钻孔，b代表背景值，后续采集数据依次记录为ε_a1，ε_a2……ε_an，其中1代表第一次采集，其余钻孔编号同上；数据解编计算完成后进行异常数据点的剔除，然后以背景值为基础与后续采集数据进行做差对比即

最后利用相关成图软件进行应变曲线图的绘制，如图3所示。

数据处理完成后所得应变曲线图可反映钻孔穿过各个岩层的应变值，并且通过公式(3)可求得各个应变值所对应的具体层位：

L＝ct/(2n)-L₀ (3)，

公式(3)中，L₀为钻孔孔口至脉冲光入射端传输光缆的距离；L为分布式应变传感光缆上任意一点至孔口的距离；c为真空中光传播速度；t为脉冲光从发射到接收散射光的双程走时；n为分布式应变传感光缆中光纤纤芯折射率；

判断底板岩层是否破坏的前提是获得底板岩层发生破裂的应变极值，而底板岩性为砂泥岩、中砂岩、泥岩夹砂岩、灰岩等，通过室内岩石单轴、三轴压裂试验得出其在弹性变化内所能承受的应变极值分别为ε_砂泥岩、ε_中砂岩、ε_{泥岩夹砂岩}、ε_灰岩，当测试光缆某点应变值大于其所处层位岩性应变极值时判定为岩层发生破碎，(比如当0-l₁₁距离范围内有某一点应变值

时，则判断其岩体发生破裂，如若

则岩体在弹性变化范围内没有发生破碎)，则其位于底板下方深度即为底板破坏带最小深度d，且d＝L·sinθ(θ为底板钻孔倾角)。此时当d≥h₀(h₀为底板隔水层厚度，即煤层底板距灰岩界面的高度)时，监控系统将发出警报提醒相关人员及时进行处理，达到实时在线监测和预防底板突水的目的。

Claims (1)

1.基于回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统的监测预警方法，其特征在于：所述的回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警系统包括布置在矿井中每个连巷工作面中的多个钻孔，每个钻孔中分别埋设分布式应变传感光缆并采用浆液注浆密封，矿井中回风顺槽中布置有多个数据采集分站，多个数据采集分站一一对应设置在各个连巷外，每个连巷各个钻孔中的分布式应变传感光缆分别通过通讯线延伸至回风顺槽中与对应的数据采集分站连接，各个数据采集分站通过光缆彼此连接，还包括设置在地面上的多通道分站控制器、应变采集仪、监测台站，各个数据采集分站通过光缆彼此连接后再通过矿用网络与多通道分站控制器连接，监测台站通过应变采集仪与多通道分站控制器连接；各个分布式应变传感光缆采集的数据由对应的数据采集分站采集，再由各个数据采集分站将采集的数据传送至多通道分站控制器，应变采集仪通过多通道分站控制器切换通道以采集不同连巷中分布式应变传感光缆的数据，并由应变采集仪将采集的数据传送至监测台站；

所述系统的回采工作面煤层底板破坏深度实时监测预警方法，分布式应变传感光缆采集的数据实时传输到监测台站，监测台站中利用相关软件将原始数据转换成数据处理所需格式并导出布里渊频移，根据实际钻孔安装长度截取有效数据，对每组数据依据钻孔编号进行编录，并通过公式(2)进行应变值的求取：

公式(2)中，

为布里渊频移-应变系数；ν_B(0)为初始布里渊频移；

定义初始采集背景应变值为ε_ab，其中a代表a#钻孔，b代表背景值，后续采集数据依次记录为ε_a1，ε_a2…… ε_an，其中1代表第一次采集，其余钻孔编号同上；数据解编计算完成后进行异常数据点的剔除，然后以背景值为基础与后续采集数据进行做差对比即

最后利用相关成图软件进行应变曲线图的绘制；

数据处理完成后所得应变曲线图可反映钻孔穿过各个岩层的应变值，并且通过公式(3)可求得各个应变值所对应的具体层位，公式(3)如下：

L＝ct/(2n)-L₀ (3)，

公式(3)中，L₀为钻孔孔口至脉冲光入射端传输光缆的距离；L为分布式应变传感光缆上任意一点至孔口的距离；c为真空中光传播速度；t为脉冲光从发射到接收散射光的双程走时；n为分布式应变传感光缆中光纤纤芯折射率；

判断底板岩层是否破坏的前提是获得底板岩层发生破裂的应变极值，而底板岩性为泥岩、砂岩、砂泥岩、灰岩，通过室内岩石单轴、三轴压裂试验得出其在弹性变化内所能承受的应变极值分别为ε_泥岩、ε_砂岩、ε_砂泥岩、ε_灰岩，当分布式应变传感光缆某点应变值大于其所处层位岩性应变极值时判定为岩层发生破碎，则分布式应变传感光缆某点位于底板下方深度即为底板破坏带最小深度d，且d＝L·sinθ，θ为底板钻孔倾角；此时当d>h₀时，监控系统将发出警报提醒相关人员及时进行处理，达到预防底板突水的目的，h₀为底板隔水层厚度，即煤层底板距灰岩界面的高度；

各个连巷工作面中的钻孔依次进行编号；

每个钻孔分别朝向切眼方向并与回采方向平行，钻孔的控制深度应大于理论计算的底板破坏深度h，理论计算的底板破坏深度h由公式(1)计算得到：

h＝0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579 (1)，

公式(1)中，H为煤层开采高度，L为工作面斜长，α为煤层倾角；

多通道分站控制器一个通道连接一个数据采集分站，多通道分站控制器内部通过程控开关切换各个通道，程控开关切换的依据是每个钻孔测试所需要的时间，该时间则是由应变采集仪设置的采集参数而定。

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