CN108412547A - 一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法及监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法及监测系统，在含断层煤层开采过程中，采动引起采场围岩应力变化，使采场围岩产生位移，进而产生破坏裂隙，形成渗流突水通道，导致采场围岩渗流、温度变化。通过光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、光纤微震传感器和网络并行电路铜片电极，采集开采过程中断层围岩应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些断层活化突水前兆信息。依据应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些前兆信息的初值及变化幅值，确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则。利用承压断层活化突水多场信息协同监测系统，实现承压断层采动活化突水的实时、动态监测预警。
Description
技术领域
本发明涉及一种矿井水害监测系统与突水预报方法，尤其涉及一种地下煤层开采过程中断层等构造活化突水多场信息协同监测系统与临突预报方法。
背景技术
我国煤炭资源丰富，但赋存地质条件复杂，使得煤矿开采中地质灾害时有发生。随着煤矿开采深度、开采强度的进一步增大，回采工作面受承压水的威胁日益严重，特别是含断层构造的回采工作面，其突水预测及防治问题更为突出。矿井突水在造成经济损失和人员伤亡的同时，也对矿区水资源与环境造成了严重的污染和破坏。因此，有效监测、预报及防治矿井水害的发生，已成为众多矿井所共同面对的热点问题和技术难题。
断层活化突水是矿井突水的一种重要形式，其具有较强的隐敝性和难确定性，易造成重大灾害，严重威胁着煤矿的安全生产。据统计，全国80％的煤矿突水事故是由断层活化引起的，而绝大多数是原始地质条件下的非导水断层在采动影响下活化而诱发的突水。回采工作面内特别是小断层、隐伏构造等诱发的突水问题对工作面安全快速推进的影响日益严重，其防治难度更大。由于采场断层活化突水机理的复杂性及监测预警手段的局限性，断层活化突水的研究还主要集中在理论分析、数值模拟及相似试验方面，在断层活化突水实时现场监测及临突预报方面的研究还有待于进一步完善。
工作面回采期间，引起采场围岩应力变化，使得承压水在合适的应力环境下通过劈裂、扩张、贯通、破坏隔水层内断层等构造裂隙的同时进一步递进侵入，从而诱导矿井水害的发生。此过程伴生断层围岩应力、位移、裂隙、渗透性变化，温度变化、水压升高、涌水量增大等一系列前兆信息，这些前兆信息是断层活化突水监测、预报的前提和依据。目前，对于煤系地层内承压断层采动活化突水的监测预报研究，仅定性监测分析断层活化突水过程中应力、位移等采动信息的演化规律，对于断层活化突水过程中伴生的裂隙、渗流、温度等信息的演化规律还不明确，缺乏现场断层活化突水水源、水量、水压、水温等伴生信息的定量判识与系统分析，没有形成断层活化突水过程多项伴生信息协同监测系统及定量性的临突预报方法，使得许多矿井为防止断层活化突水不得不放弃大量煤炭资源的开采而留作防水煤柱，更多的则因水害威胁而暂时无法开采。
为解放大量受水害威胁的煤炭资源，实现含断层构造回采工作面的安全带压开采，必须对工作面内采动断层应力场、位移场、裂隙场、渗流场、温度场等多场信息演化规律及渗流突水通道形成过程进行实时、动态现场监测研究，定量判识断层活化突水伴生信号，结合放水孔水源、水量、水压、水温等信息，监测预报及防治采场断层活化突水。因此，有必要开展承压断层采动活化突水多场信息协同监测系统及突水前兆信息定量判识与临突预报方法的研究。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种地下煤层开采过程中承压断层采动活化突水多场信息协同临突预报方法与监测系统。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，包括承压断层多场信息监测系统测点布置与安装，承压断层多场信息临突预警阈值与判识准则，承压断层多场信息监测结果与临突预报三部分。
(1)承压断层多场信息监测系统测点布置与安装，
在断层围岩内按需打设一定数量、深度的钻孔，通过钻孔注浆的方法，将用于采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、光纤微震传感器和采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号的网络并行电路铜片电极埋设固定在断层围岩内，并将上述传感器及网络并行电路铜片电极通过相应的导线与监测仪器连接，它们能采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩的应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些断层活化突水前兆信息；
(2)承压断层多场信息临突阈值与判识准则，
依据应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些前兆信息的初值及变化幅值，确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，并在监测仪器中设置应力、位移、渗压、温度和微震的临突阈值，根据临突阈值设定三个预警等级，第一等级为安全，继续带压开采；第二等级为前兆，允许钻孔勘探后决定是否继续带压开采，做好突水防治措施；第三等级为预警，暂停开采，并注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；
(3)承压断层多场信息监测结果与临突预报，
当测得的应力、位移中一个或两个达到第三等级，同时微震也达到第三等级，并且渗压、温度中一个或两个达到第三等级时，发出预警，暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；与此同时，若网络并行电路铜片电极采集的承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号经安装有视电阻率信号反演成像程序的PC机得到承压断层围岩视电阻率响应云图也发生变化，进一步表明发出预警的可靠性和必要性，必须暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；若承压断层围岩视电阻率响应云图不发生变化或几乎不变，也必须注浆加固断层围岩，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，并做好突水防治措施。
工程实践表明，含断层煤层开采过程中，采动引起采场围岩应力变化，使采场围岩产生位移，进而产生破坏裂隙(微震事件)，形成渗流突水通道，导致采场围岩渗流、温度变化。此过程中，应力、位移的变化是承压断层活化突水临突预报的前提，渗流、温度的变化是承压断层活化突水临突预报的关键，而裂隙(微震事件)，即渗流突水通道的形成是承压断层活化突水临突预报的根本，起到保障的作用。因此，应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息在承压断层采动活化突水监测、预报中的先后、作用及其权重有所不同。
承压断层采动活化突水现场监测过程中，依据应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的初值及变化幅值，就可以确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，实时、动态监测、预报承压断层采动活化突水。与此同时，利用承压断层围岩视电阻率信号采集与反演成像系统，采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号，实现承压断层围岩视电阻率信号的实时反演成像，通过承压断层围岩视电阻率响应云图及其变化，定性分析断层围岩渗透性演化规律及渗流突水通道的形成过程，可以进一步实时、动态验证承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的正确性、可靠性。
作为本发明一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的一种的优选，依据应力的初值及其变化幅值，确定出应力的预警阈值与判识准则：将含断层采场围岩第i测点开采前的垂直应力设为σi，采动过程中断层围岩第i测点的垂直应力为σ'i，用第i测点垂直应力的比值kRi＝σ'i/σi判断该测点的垂直应力是升高(kRi＞1)还是降低(kRi＜1)，当承压断层围岩第i测点的垂直应力先升高后降低时，承压断层围岩第i测点可能发生破坏，形成渗流突水通道，诱发断层活化突水。因此，将第i测点的垂直应力比值ki＝1.5作为承压断层活化突水应力升高的预警阈值，在垂直应力升高后，将第i测点的垂直应力比值ki＝0.8作为承压断层活化突水应力降低的预警阈值；
当kRi>1，且kRi≤80％ki时，即kRi只出现增大(应力只升高)，并且不超过kRi≤80％ki时，达到第一等级；
当kRi>1，且80％ki<kRi<90％ki时，即kRi增大达到80％ki<kRi<90％ki(应力升高)之后，当kRi<1，且kRi≤70％ki时，即kRi再减小达到kRi≤70％ki(应力减小)，达到第二等级；
当kRi>1，且90％ki≤kRi时，即kRi增大达到90％ki≤kRi(应力升高)之后，当kRi<1，且kRi≤70％ki时，即kRi再减小达到kRi≤70％ki(应力减小)，达到第三等级。
作为本发明一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的另一种优选，当承压含水层位于采场顶板时，垂直应力监测点布置在采场顶板断层围岩附近；当承压含水层位于采场底板时，垂直应力监测点布置在采场底板断层围岩附近。
作为本发明一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的又一种优选，依据位移的初值及其变化幅值，确定出位移的预警阈值与判识准则：开采过程中，当含断层采场围岩第i测点的应变达到其极限拉应变时，断层围岩第i测点将产生破坏裂隙，并产生一定的位移uRi。矿山开采实践表明，当断层围岩第i测点的拉应变达到3～6mm/m(对于塑性较大的软岩，拉伸变形值超过5～8mm/m时产生裂隙；塑性较小的硬岩，拉伸变形值达到2～3mm/m时就产生裂隙)时，承压断层发生活化而可能导致突水。因此，将第i测点产生的位移ui＝5mm作为承压断层活化突水的位移预警阈值，当第i测点产生的位移uRi≤50％ui时，达到第一等级；当第i测点产生的位移50％ui<uRi<80％ui时，达到第二等级；当第i测点产生的位移80％ui≤uRi时，达到第三等级。
作为本发明一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的再一种优选，依据渗压的初值及其变化幅值，确定出渗压的预警阈值与判识准则：含断层采场底/顶板承压含水层水压为Po，断层围岩第i测点的初始渗压为Pi，采动过程中断层围岩第i测点的渗压为P'i，则当第i测点的渗压变化量PRi＝P'i-Pi为正值时，表明该测点的渗流水压增大，有承压水侵入；将ΔPi＝Po-Pi±h/100作为承压断层活化突水第i测点的渗压预警阈值，其中h为第i测点与承压含水层之间的垂直距离，当承压含水层位于采场顶板时，取“+”号，当承压含水层位于采场底板时，取“-”号；当PRi≤40％ΔPi时，达到第一等级；当40％ΔPi<PRi<80％ΔPi时，达到第二等级；当80％ΔPi≤PRi时，达到第三等级。
作为本发明一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的另一种优选，依据不同位置测点的渗压变化量PRi，可以绘制采动过程中断层围岩渗压变化场，确定承压水采动渗流通道及其扩散范围，监测预警承压断层活化突水。
作为本发明一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的又一种优选，依据温度的初值及其变化幅值，确定出温度的预警阈值与判识准则：含断层采场底/顶板承压含水层温度为To，断层围岩第i测点的初始温度为Ti，采动过程中断层围岩第i测点的温度为T'i，则当第i测点的温度变化量TRi＝T'i-Ti为负值或正值时，表明该测点的温度降低或升高，有承压水侵入；将ΔTi＝(To-Ti)/2作为承压断层活化突水第i测点的温度预警阈值；当承压含水层温度To低于断层围岩第i测点的初始温度Ti，则第i测点的温度预警阈值ΔTi为负值；当承压含水层温度To高于断层围岩第i测点的初始温度Ti，则第i测点的温度预警阈值ΔTi为正值；
当TRi为负值，且TRi≥50％ΔTi时，或者当TRi为正值，且TRi≤50％ΔTi时，达到第一等级；
当TRi为负值，且50％ΔTi>TRi>80％ΔTi时，或者当TRi为正值，且50％ΔTi<TRi<80％ΔTi时，达到第二等级；
当TRi为负值，且80％ΔTi≥TRi时，或者当TRi为正值，且80％ΔTi≤TRi时，达到第三等级。
作为本发明一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的又一种优选，依据不同位置测点的温度变化量TRi，可以绘制采动过程中断层围岩温度变化场，确定承压水采动渗流通道及其扩散范围，监测预警承压断层活化突水。
作为本发明一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的再一种优选，依据微震的初值及其变化幅值，确定出微震的预警阈值与判识准则：光纤微震传感器采集承压断层围岩破坏失稳过程中微震事件的数量、能量，定位微震事件的位置，反演采动断层围岩裂隙产生、扩展、贯通形成渗流突水通道的过程及破坏裂隙微震能量的分布特征；承压断层围岩渗流突水通道的形成取决于破坏裂隙的位置及其贯通程度，表现为破坏裂隙微震事件的位置及其能量。因此，当具有一定能量的微震事件大量出现在断层围岩附近时，承压断层围岩就可能形成渗流突水通道，诱导断层围岩破坏失稳。
依据矿山微震监测工程实践，当承压断层围岩破坏裂隙(微震事件)与断层面的法向距离dR在5m的范围内，且破坏裂隙微震能量ER达到1×104J时，该微震事件相应的位置处才可能形成渗流突水通道。因此，将微震事件能量E＝1×104J作为承压断层围岩破坏失稳能够形成渗流突水通道的微震能量预警阈值，同时将微震事件与断层面法向距离d＝5m作为破坏裂隙出现在断层围岩附近的微震事件位置预警阈值；
当微震事件能量ER≤50％E，且微震事件与断层面法向距离dR≥70％d时，达到第一等级；
当50％E<ER<80％E，且70％d≥dR≥40％d时，达到第二等级；
当80％E≤ER，且40％d≥dR≥0时，达到第三等级。
本发明还提供一种承压断层活化突水多场信息协同监测系统，包括，承压断层活化突水前兆信息采集与监测预警系统，包括光纤传感器阵列、光纤分路器、光纤光栅解调仪、光纤微震解调仪、安装有前兆信息采集与监测预警程序的PC机，所述光纤传感器阵列包括用于采集应力的光纤应力传感器、用于采集位移的光纤位移传感器、用于采集渗压的光纤渗压传感器、用于采集温度的光纤温度传感器、用于采集微震信号的光纤微震传感器，采集到的应力、位移、渗压、温度通过多芯光纤光缆，经光纤分路器传送到光纤光栅解调仪，采集到的微震信号通过多芯光纤光缆，经光纤分路器传送到光纤微震解调仪，进而将光波长信号转化成电信号传送到安装有前兆信息采集与监测预警程序的PC机上；
和承压断层围岩视电阻率信号采集与反演成像系统，包括网络并行电路铜片电极、铜质漆包信号传输电缆、多路铜片电极转换装置、网络并行电法仪、安装有视电阻率信号实时采集与反演成像程序的PC机，铜片电极利用铜质漆包信号传输电缆经由多路铜片电极转换装置与网络并行电法仪相连，采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号，并将采集的视电阻率信号传输到安装有视电阻率信号反演成像程序的PC机上，实现采场断层围岩视电阻率信号的实时反演成像，定性分析断层围岩渗透性演化规律及渗流突水通道的形成过程，监测预警承压断层活化突水。
工程实践表明，含断层煤层开采过程中，采动引起采场围岩应力变化，使采场围岩产生位移，进而产生破坏裂隙(微震事件)，形成渗流突水通道，导致采场围岩渗流、温度变化。此过程中，应力、位移的变化是承压断层活化突水临突预报的前提，渗流、温度的变化是承压断层活化突水临突预报的关键，而裂隙(微震事件)，即渗流突水通道的形成是承压断层活化突水临突预报的根本，起到保障的作用。因此，应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息在承压断层采动活化突水监测、预报中的先后、作用及其权重有所不同。
承压断层采动活化突水现场监测过程中，依据应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的初值及变化幅值，就可以确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，实时、动态监测、预报承压断层采动活化突水。与此同时，利用承压断层围岩视电阻率信号采集与反演成像系统，采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号，实现承压断层围岩视电阻率信号的实时反演成像，通过承压断层围岩视电阻率响应云图及其变化，定性分析断层围岩渗透性演化规律及渗流突水通道的形成过程，可以进一步实时、动态验证承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的正确性、可靠性。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
图1为本发明承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法测点布置示意图；
图2为本发明承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法流程图；
图3为承压断层活化突水多场信息协同监测系统示意图；
主要符合说明：
承压断层1，开采煤层2，承压含水层3，光纤应力传感器4，光纤位移传感器5，光纤渗压传感器6，光纤温度传感器7，光纤微震传感器8，网络并行电路铜片电极9。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，包括承压断层多场信息监测系统测点布置与安装，承压断层多场信息临突预警阈值与判识准则，承压断层多场信息监测结果与临突预报三部分。
(1)承压断层多场信息监测系统测点布置与安装，
如图1所示，在断层围岩内按需打设一定数量、深度的钻孔，通过钻孔注浆的方法，将用于采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩的应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、光纤微震传感器和采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号的网络并行电路铜片电极埋设固定在断层围岩内，并将上述传感器及网络并行电路铜片电极通过相应的导线与监测仪器连接；它们能采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩的应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些断层活化突水前兆信息。
(2)承压断层多场信息临突阈值与判识准则，
依据应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些前兆信息的初值及变化幅值，确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，并在监测仪器中设置应力、位移、渗压、温度和微震的临突阈值，根据临突阈值设定三个预警等级，第一等级为安全，允许继续带压开采，加强探放水工作；第二等级为前兆，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，做好突水防治措施；第三等级为预警，暂停开采，并注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道。
应力的预警阈值与判识准则：将含断层采场围岩第i测点开采前的垂直应力设为σi，采动过程中断层围岩第i测点的垂直应力为σ'i，用第i测点垂直应力的比值kRi＝σ'i/σi判断该测点的垂直应力是升高(kRi＞1)还是降低(kRi＜1)，当承压断层围岩第i测点的垂直应力先升高后降低时，承压断层围岩第i测点可能发生破坏，形成渗流突水通道，诱发断层活化突水；因此，将第i测点的垂直应力比值ki＝1.5作为承压断层活化突水应力升高的预警阈值，在垂直应力升高后，将第i测点的垂直应力比值ki＝0.8作为承压断层活化突水应力降低的预警阈值；相应的承压断层活化突水应力判识准则如表1所示。依据承压断层围岩开采前后的垂直应力比值及其变化规律，可以监测预警承压断层活化突水。
表1承压断层活化突水临突预报应力判识准则
当kRi>1，且kRi≤80％ki时，即kRi只出现增大(应力只升高)，并且不超过kRi≤80％ki时，达到第一等级；
当kRi>1，且80％ki<kRi<90％ki时，即kRi增大达到80％ki<kRi<90％ki(应力升高)之后，当kRi<1，且kRi≤70％ki时，即kRi再减小达到kRi≤70％ki(应力减小)，达到第二等级；
当kRi>1，且90％ki≤kRi时，即kRi增大达到90％ki≤kRi(应力升高)之后，当kRi<1，且kRi≤70％ki时，即kRi再减小达到kRi≤70％ki(应力减小)，达到第三等级。
需要注意的是，当承压含水层位于采场顶板时，垂直应力监测点布置在采场顶板断层围岩附近；当承压含水层位于采场底板时，垂直应力监测点布置在采场底板断层围岩附近。
位移的预警阈值与判识准则：开采过程中，当含断层采场围岩第i测点的应变达到其极限拉应变时，断层围岩第i测点将产生破坏裂隙，并产生一定的位移uRi。矿山开采实践表明，当断层围岩第i测点的拉应变达到3～6mm/m(对于塑性较大的软岩，拉伸变形值超过5～8mm/m时产生裂隙；塑性较小的硬岩，拉伸变形值达到2～3mm/m时就产生裂隙)时，承压断层发生活化而可能导致突水。因此，将第i测点产生的位移ui＝5mm作为承压断层活化突水的位移预警阈值，相应的承压断层活化突水位移判识准则如表2所示。依据开采过程中承压断层围岩产生的位移及其变化规律，可以监测预警承压断层活化突水。
表2承压断层活化突水临突预报位移判识准则
当第i测点产生的位移uRi≤50％ui时，达到第一等级；
当第i测点产生的位移50％ui<uRi<80％ui时，达到第二等级；
当第i测点产生的位移80％ui≤uRi时，达到第三等级。
渗压的预警阈值与判识准则：含断层采场底/顶板承压含水层水压为Po，断层围岩第i测点的初始渗压为Pi，采动过程中断层围岩第i测点的渗压为Pi，则当第i测点的渗压变化量PRi＝P'i-Pi为正值时，表明该测点的渗流水压增大，有承压水侵入；将ΔPi＝Po-Pi±h/100作为承压断层活化突水第i测点的渗压预警阈值，其中h为第i测点与承压含水层之间的垂直距离，当承压含水层位于采场顶板时，取“+”号，当承压含水层位于采场底板时，取“-”号；相应的第i测点的渗压判识准则如表3所示。依据不同位置测点的渗压变化量PRi，可以绘制采动过程中断层围岩渗压变化场，确定承压水采动渗流通道及其扩散范围，监测预警承压断层活化突水。
表3承压断层活化突水临突预报渗压判识准则
当PRi≤40％ΔPi时，达到第一等级；当40％ΔPi<PRi<80％ΔPi时，达到第二等级；当80％ΔPi≤PRi时，达到第三等级。
温度的预警阈值与判识准则：含断层采场底/顶板承压含水层温度为To，断层围岩第i测点的初始温度为Ti，采动过程中断层围岩第i测点的温度为T'i，则当第i测点的温度变化量TRi＝T'i-Ti为负值或正值时，表明该测点的温度降低或升高，有承压水侵入；将ΔTi＝(To-Ti)/2作为承压断层活化突水第i测点的温度预警阈值；当承压含水层温度To低于断层围岩第i测点的初始温度Ti，则第i测点的温度预警阈值ΔTi为负值；当承压含水层温度To高于断层围岩第i测点的初始温度Ti，则第i测点的温度预警阈值ΔTi为正值；相应的第i测点的温度判识准则如表4所示。依据不同位置测点的温度变化量TRi，可以绘制采动过程中断层围岩温度变化场，确定承压水采动渗流通道及扩散范围，监测预警承压断层活化突水。
表4承压断层活化突水临突预报温度判识准则
当TRi为负值，且TRi≥50％ΔTi时，或者当TRi为正值，且TRi≤50％ΔTi时，达到第一等级；
当TRi为负值，且50％ΔTi>TRi>80％ΔTi时，或者当TRi为正值，且50％ΔTi<TRi<80％ΔTi时，达到第二等级；
当TRi为负值，且80％ΔTi≥TRi时，或者当TRi为正值，且80％ΔTi≤TRi时，达到第三等级。
微震的预警阈值与判识准则：光纤微震传感器采集承压断层围岩破坏失稳过程中微震事件的数量、能量，定位微震事件的位置，反演采动断层围岩裂隙产生、扩展、贯通形成渗流突水通道的过程及破坏裂隙微震能量的分布特征；承压断层围岩渗流突水通道的形成取决于破坏裂隙的位置及其贯通程度，表现为破坏裂隙微震事件的位置及其能量。因此，当具有一定能量的微震事件大量出现在断层围岩附近时，承压断层围岩就可能形成渗流突水通道，诱导断层围岩破坏失稳。
依据矿山微震监测工程实践，当承压断层围岩破坏裂隙(微震事件)与断层面的法向距离dR在5m的范围内，且破坏裂隙微震能量ER达到1×104J时，该微震事件相应的位置处才可能形成渗流突水通道。因此，将微震事件能量E＝1×104J作为承压断层围岩破坏失稳能够形成渗流突水通道的微震能量预警阈值，同时将微震事件与断层面法向距离d＝5m作为破坏裂隙出现在断层围岩附近的微震事件位置预警阈值；相应的微震判识准则如表5所示。依据破坏裂隙微震事件能量ER及其位置与断层面的法向距离dR，就可以确定承压断层活化突水的渗流通道，监测预警承压断层活化突水。
表5承压断层活化突水临突预报微震判识准则
当微震事件能量ER≤50％E，且微震事件与断层面法向距离dR≥70％d时，达到第一等级；
当50％E<ER<80％E，且70％d≥dR≥40％d时，达到第二等级；
当80％E≤ER，且40％d≥dR≥0时，达到第三等级。
(3)承压断层多场信息监测结果与临突预报，
工程实践表明，含断层煤层开采过程中，采动引起采场围岩应力变化，使采场围岩产生位移，进而产生破坏裂隙(微震事件)，形成渗流突水通道，导致采场围岩渗流、温度变化。此过程中，应力、位移的变化是承压断层活化突水临突预报的前提，渗流、温度的变化是承压断层活化突水临突预报的关键，而裂隙(微震事件)，即渗流突水通道的形成是承压断层活化突水临突预报的根本，起到保障的作用。因此，应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息在承压断层采动活化突水监测、预报中的先后、作用及其权重有所不同。
承压断层采动活化突水现场监测过程中，依据应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的初值及变化幅值，就可以确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，实时、动态监测、预报承压断层采动活化突水。与此同时，利用承压断层围岩视电阻率信号采集与反演成像系统，采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号，实现承压断层围岩视电阻率信号的实时反演成像，通过承压断层围岩视电阻率响应云图及其变化，定性分析断层围岩渗透性演化规律及渗流突水通道的形成过程，可以进一步实时、动态验证承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的正确性、可靠性，其相应的临突预报方法流程如图2所示。
只有出现以下情况，将会发生预警，暂停开采：
当测得的应力、位移中一个或两个达到第三等级，同时微震也达到第三等级，并且渗压、温度中一个或两个达到第三等级时，发出预警，暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道。
为了进一步表明发出预警的可靠性和必要性，必须暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；当在发生上述情况下时，若网络并行电路铜片电极采集的承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号经安装有视电阻率信号反演成像程序的PC机得到承压断层围岩视电阻率响应云图也发生变化，必须暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道。
需要说明的是，承压断层围岩视电阻率响应云图是否发生变化只是用于进一步的确认是否需要暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道，若承压断层围岩视电阻率响应云图不发生变化或几乎不变，也必须注浆加固断层围岩，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，并做好突水防治措施。
一种承压断层活化突水多场信息协同监测系统，如图3所示，包括，承压断层活化突水前兆信息采集与监测预警系统，包括光纤传感器阵列、光纤分路器、光纤光栅解调仪、光纤微震解调仪、安装有前兆信息采集与监测预警程序的PC机，所述光纤传感器阵列包括用于采集应力的光纤应力传感器、用于采集位移的光纤位移传感器、用于采集渗压的光纤渗压传感器、用于采集温度的光纤温度传感器、用于采集微震信号的光纤微震传感器，采集到的应力、位移、渗压、温度通过多芯光纤光缆，经光纤分路器传送到光纤光栅解调仪，采集到的微震信号通过多芯光纤光缆，经光纤分路器传送到光纤微震解调仪，进而将光波长信号转化成电信号传送到安装有前兆信息采集与监测预警程序的PC机上；
和承压断层围岩视电阻率信号采集与反演成像系统，包括网络并行电路铜片电极、铜质漆包信号传输电缆、多路铜片电极转换装置、网络并行电法仪、安装有视电阻率信号实时采集与反演成像程序的PC机，铜片电极利用铜质漆包信号传输电缆经由多路铜片电极转换装置与网络并行电法仪相连，采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号，并将采集的视电阻率信号传输到安装有视电阻率信号采集与反演成像程序的PC机上，实现采场断层围岩视电阻率信号的实时反演成像，定性分析断层围岩渗透性演化规律及渗流突水通道的形成过程，监测预警承压断层活化突水。
以上对本发明提供的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法及监测系统进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：包括，
(1)承压断层多场信息监测系统测点布置与安装，
在断层围岩内按需打设一定数量、深度的钻孔，通过钻孔注浆的方法，将用于采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、光纤微震传感器和采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号的网络并行电路铜片电极埋设固定在断层围岩内，并将上述传感器及网络并行电路铜片电极通过相应的导线与监测仪器连接；
(2)承压断层多场信息临突阈值与判识准则，
依据应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的初值及变化幅值，确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，并在监测仪器中设置应力、位移、渗压、温度和微震的临突阈值，根据临突阈值设定三个预警等级，第一等级为安全，允许继续带压开采，第二等级为前兆，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，第三等级为预警，暂停开采，并注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；
(3)承压断层多场信息监测结果与临突预报，
当测得的应力、位移中一个或两个达到第三等级，同时微震也达到第三等级，并且渗压、温度中一个或两个达到第三等级时，发出预警，暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；与此同时，若网络并行电路铜片电极采集的承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号经安装有视电阻率信号反演成像程序的PC机得到承压断层围岩视电阻率响应云图也发生变化，进一步表明发出预警的可靠性和必要性，必须暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；若承压断层围岩视电阻率响应云图不发生变化或几乎不变，也必须注浆加固断层围岩，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，并做好突水防治措施。
2.根据权利要求1所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：应力预警阈值与判识准则，将含断层采场围岩第i测点开采前的垂直应力设为σi，采动过程中断层围岩第i测点的垂直应力为σi'，用第i测点垂直应力的比值kRi＝σi'/σi判断该测点的垂直应力是升高还是降低，当承压断层围岩第i测点的垂直应力先升高后降低时，承压断层围岩第i测点可能发生破坏，形成渗流突水通道，诱发断层活化突水；将第i测点的垂直应力比值ki＝1.5作为承压断层活化突水应力升高的预警阈值，在垂直应力升高后，将第i测点的垂直应力比值ki＝0.8作为承压断层活化突水应力降低的预警阈值；
当kRi>1，且kRi≤80％ki时，达到第一等级；
当kRi>1，且80％ki<kRi<90％ki时，之后，当kRi<1，且kRi≤70％ki时，达到第二等级；
当kRi>1，且90％ki≤kRi时，之后，当kRi<1，且kRi≤70％ki时，达到第三等级。
3.根据权利要求2所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：当承压含水层位于采场顶板时，垂直应力监测点布置在采场顶板断层围岩附近；当承压含水层位于采场底板时，垂直应力监测点布置在采场底板断层围岩附近。
4.根据权利要求1所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：位移预警阈值与判识准则，uRi为断层围岩第i测点产生的位移，将第i测点产生的位移ui＝5mm作为承压断层活化突水的位移预警阈值，当第i测点产生的位移uRi≤50％ui时，达到第一等级；当第i测点产生的位移50％ui<uRi<80％ui时，达到第二等级；当第i测点产生的位移80％ui≤uRi时，达到第三等级。
5.根据权利要求1所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：渗压预警阈值与判识准则，含断层采场底/顶板承压含水层水压为Po，断层围岩第i测点的初始渗压为Pi，采动过程中断层围岩第i测点的渗压为Pi'，则当第i测点的渗压变化量PRi＝Pi'-Pi为正值时，表明该测点的渗流水压增大，有承压水侵入；将ΔPi＝Po-Pi±h/100作为承压断层活化突水第i测点的渗压预警阈值，其中h为第i测点与承压含水层之间的垂直距离，当承压含水层位于采场顶板时，取“+”号，当承压含水层位于采场底板时，取“-”号；当PRi≤40％ΔPi时，达到第一等级；当40％ΔPi<PRi<80％ΔPi时，达到第二等级；当80％ΔPi≤PRi时，达到第三等级。
6.根据权利要求5所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：依据不同位置测点的渗压变化量PRi，绘制采动过程中断层围岩渗压变化场，确定承压水采动渗流通道及其扩散范围，监测预警承压断层活化突水。
7.根据权利要求1所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：温度预警阈值与判识准则，含断层采场底/顶板承压含水层温度为To，断层围岩第i测点的初始温度为Ti，采动过程中断层围岩第i测点的温度为Ti'，则当第i测点的温度变化量TRi＝Ti'-Ti为负值或正值时，表明该测点的温度降低或升高，有承压水侵入；将ΔTi＝(To-Ti)/2作为承压断层活化突水第i测点的温度预警阈值；
当TRi为负值，且TRi≥50％ΔTi时，或者当TRi为正值，且TRi≤50％ΔTi时，达到第一等级；
当TRi为负值，且50％ΔTi>TRi>80％ΔTi时，或者当TRi为正值，且50％ΔTi<TRi<80％ΔTi时，达到第二等级；
当TRi为负值，且80％ΔTi≥TRi时，或者当TRi为正值，且80％ΔTi≤TRi时，达到第三等级。
8.根据权利要求7所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：依据不同位置测点的温度变化量TRi，绘制采动过程中断层围岩温度变化场，确定承压水采动渗流通道及其扩散范围，监测预警承压断层活化突水。
9.根据权利要求1所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：光纤微震传感器采集承压断层围岩破坏失稳过程中微震事件的数量、能量，定位微震事件的位置，反演采动断层围岩裂隙产生、扩展、贯通形成渗流突水通道的过程及破坏裂隙微震能量的分布特征；将微震事件能量E＝1×104J作为承压断层围岩破坏失稳能够形成渗流突水通道的微震能量预警阈值，同时将微震事件与断层面法向距离d＝5m作为破坏裂隙出现在断层围岩附近的微震事件位置预警阈值；
当微震事件能量ER≤50％E，且微震事件与断层面法向距离dR≥70％d时，达到第一等级；
当50％E<ER<80％E，且70％d≥dR≥40％d时，达到第二等级；
当80％E≤ER，且40％d≥dR≥0时，达到第三等级。
10.基于上述权利要求1-10任一项所述的方法的一种承压断层活化突水多场信息协同监测系统，其特征在于：包括，承压断层活化突水前兆信息采集与监测预警系统，包括光纤传感器阵列、光纤分路器、光纤光栅解调仪、光纤微震解调仪、安装有前兆信息采集与监测预警程序的PC机，所述光纤传感器阵列包括用于采集应力的光纤应力传感器、用于采集位移的光纤位移传感器、用于采集渗压的光纤渗压传感器、用于采集温度的光纤温度传感器、用于采集微震信号的光纤微震传感器，采集到的应力、位移、渗压、温度通过多芯光纤光缆，经光纤分路器传送到光纤光栅解调仪，采集到的微震信号通过多芯光纤光缆，经光纤分路器传送到光纤微震解调仪，进而将光波长信号转化成电信号传送到安装有前兆信息采集与监测预警程序的PC机上；
和承压断层围岩视电阻率信号采集与反演成像系统，包括网络并行电路铜片电极、铜质漆包信号传输电缆、多路铜片电极转换装置、网络并行电法仪、安装有视电阻率信号实时采集与反演成像程序的PC机，铜片电极利用铜质漆包信号传输电缆经由多路铜片电极转换装置与网络并行电法仪相连，采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号，并将采集的视电阻率信号传输到安装有视电阻率信号实时采集与反演成像程序的PC机上，实现采场断层围岩视电阻率信号的实时反演成像，定性分析断层围岩渗透性演化规律及渗流突水通道的形成过程，监测预警承压断层活化突水。
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