CN108442917B - 一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法。包括以下步骤：至少3～5个适当充水的上仰监测孔迎工作面回采方向超前布置于工作面两侧巷道，监测断面控制范围足以捕捉导水裂隙带总体形态，孔底垂高应大于估算导水裂隙带高度；在上仰监测孔内直线布置多个液体压力传感器，每个液体压力传感器以单独通道与孔外的液体压力数据采集仪“并联”；通过液体压力数据采集仪分析监测孔内液体压力背景值和利用液体压力阶梯状衰减突变特征实时判断顶板导水裂隙形成时间与高度。本发明能够用以进一步监测导水裂隙的动态连续发育过程，减少试验方法对结果的影响，降低监测成本。

Description

一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法
技术领域
本发明涉及一种高精度井下连续实时监测煤层顶板导水裂隙发育过程和最大高度的方法，属于矿业工程学科的煤矿水害防治技术领域。
背景技术
导水裂隙带高度是制定顶板水害防治方案和措施的最重要参数，用以防止顶板采空区水或含水层水突水、控制大型地表水体或铁路等建筑下采煤引起的次生灾害等，导水裂隙带高度可靠监测一直是工程和学术界不断探讨的问题。
目前，导水裂隙带高度监测方法主要包括地面钻孔冲洗液漏失量观测法、井下钻孔分段注水法、井下钻孔地球物理电法与微震监测等。地面钻孔冲洗液漏失量观测法监测结果较为可靠，但工程量和成本偏高；井下钻孔分段注水过程易受多种因素影响，监测结果的代表性和可靠性降低；井下钻孔地球物理勘探方法存在的主要问题是难以清晰甄别所监测裂隙的导水性。工程和学术界一直试图寻求更简单、可靠的导水裂隙发育过程监测方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法，该方法能够实时监测煤层顶板导水裂隙随工作面推进超前和向上发育的全过程，包括导水裂隙的超前特征、发育过程、空间形态和最大高度值，监测精度高、钻探工程量小和监测成本低。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括步骤如下：1)至少3～5个适当充水上仰监测孔迎工作面回采方向超前布置于工作面两侧巷道或相邻工作面巷道，监测断面控制范围足以捕捉导水裂隙带总体空间形态，孔底垂高应大于估算导水裂隙带高度；2)在上仰监测孔内直线布置多个液体压力传感器，每个液体压力传感器以单独通道与孔外的液体压力数据采集仪“并联”；3)通过液体压力数据采集仪分析上仰监测孔内液体压力背景值和利用液体压力阶梯状衰减突变特征实时判断顶板导水裂隙形成时间与高度；当上仰监测孔最底部传感器已经捕捉到充分发展的导水裂隙或冒落带、或工作面已经回采至最底部传感器下部、或上仰监测孔水已经全部漏失，监测终止。
相比现有技术，本发明的一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法，是依据至少3～5个孔口封闭且适当充水、上倾的顶板上仰监测孔内液体压力传感器水压的阶梯状衰减突变特征实时判断顶板导水裂隙发育的时间、高度和过程。上仰监测孔内线状布置的液体压力传感器能够连续捕捉顶板真正“导水”裂隙形成和扩展过程引起的导水裂隙波及范围内钻孔液体压力的不可逆阶梯状衰减突变，从而实现导水裂隙的连续实时监测。具有监测精度高、钻探工程量小和监测成本低的优点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的原理示意图。
图2是本发明一个实施例液体压力传感器阶梯状水压突变曲线。
图3是本发明一个实施例进行布孔的结构示意图。
图中，1、液体压力传感器；2、传感器推送杆；3、出水孔；4、传感器电缆和数据线；5、特制法兰；6、法兰排水管；7、供水装置；8、液体压力数据采集仪；9、排气管；10、孔口套管；11、上仰监测孔；13、14、工作面回采方向；15、工作面左巷；16、工作面右巷；17、监测孔；18、钻孔钻窝；19、停采线侧盘区集中巷。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1和图2所示实施例中的一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法，参见图1，其监测流程主要包括：井下3～5个适当充水上仰监测孔11的设计与施工、上仰监测孔11内液体压力传感器1布设与安装、孔外液体压力数据采集仪8连接与系统调试、监测系统超前运行和导水裂隙带高度实时监测与终止判别。
具体步骤如下：
1)3～5个适当充水上仰监测孔11迎工作面回采方向13超前布置工作面两侧巷道(工作面两侧巷道包括工作面左巷15和工作面右巷16，见图3)，监测断面控制范围足以捕捉导水裂隙带总体空间形态，孔底垂高应大于估算导水裂隙带高度；
2)在上仰监测孔11内直线布置多个液体压力传感器1，所述液体压力传感器1安装在传感器推送杆2上；传感器推送杆2同时作为送水管与孔外的供水装置7连通，传感器推送杆2上设有多个出水孔3；在上仰监测孔11内与传感器推送杆2同步直达孔底地插入排气管9；排气管9仅最前端侧壁留多个小孔以用将上仰监测孔11充水时孔底封闭气体顺排气管9排出，排气孔返水现象说明上仰监测孔11已经全部充水；在孔口安装特制法兰5，传感器线缆4、传感器推送杆2、法兰排水管6和排气管9都同时穿过特制法兰5并止水，供水管7、排气管9和法兰排水管6通过特制法兰5后伸出孔口并分别安装开关，特制法兰5固定于孔口套管10，特制法兰5可根据需要适当扩径。每个液体压力传感器1以单独通道分别通过传感器电缆和数据线4与孔外的液体压力数据采集仪8“并联”；供水装置7最大持续供水压力以略高于估算导水裂隙带最大高度为宜；在本步骤中，优选地，采用光纤光栅液体传感器代替前述的电信号的液体压力传感器1。
本实施例步骤中使用常见电信号的液体压力传感器1，已经突破了目前其它方法的局限，实现其它方法难以做到的导水裂隙“空间形态连续实时监测”。但是，相比之下，使用光纤光栅液体传感器会更好，因为在工业试验中，使用电信号的液体压力传感器1时，每个传感器必须自成回路，必须有单独传感器电缆和数据线与数据4采集仪相连，造成上仰监测孔11几乎被这些线缆塞满，不但给监测系统安装带来很大困难，而且传感器也容易因安装磨破线缆而漏水失效。而光纤光栅液体压力传感器在很大程度解决了这个问题，因为多个光纤光栅液体压力传感器可串联共用“一根”光纤；串联光纤光栅液体压力传感器末端“回路”光纤可很大程度挽回中间某个传感器失效造成的损失；若采用多个光纤光栅液体压力传感器组成一组然后“组-组”并联方式，既能保证孔内光纤数量少又能更好解决个别传感器失效问题。同时，采用光纤光栅液体压力传感器兼具本质安全和高精度的突出优点。
3)通过液体压力数据采集仪8的数显系统分析上仰监测孔11内液体压力背景值和利用液体压力阶梯状衰减突变特征(图2)实时判断顶板导水裂隙形成时间与高度。监测终止条件为上仰监测孔11最底部传感器已经捕捉到充分发展的导水裂隙或冒落带，或工作面已经回采到最底部传感器下部，或上仰监测孔11水已经全部漏失。
所述步骤1)中液体压力传感器1的数量、密度、间隔和高度是依据采掘工程条件、导水裂隙初步估算值及监测精度要求来布设。
如图3所示，布孔的方式有：迎工作面回采方向14，在工作面右巷16的钻窝18内单侧布4个监测孔17，或同时在工作面右巷16和工作面左巷15的钻孔钻窝18内各布置2个监测孔17，也可在停采线侧盘区集中巷19布5个监测孔17。
本发明实施例井下连续实时监测原理：依据3～5个孔口封闭且适当充水、上倾的顶板上仰监测孔11内液体压力传感水压的阶梯状突变(如图2所示)实时判断顶板导水裂隙发育的时间、高度和过程。上仰监测孔11内线状布置的液体压力传感器1能够连续捕捉顶板真正“导水”裂隙形成和扩展过程引起的导水裂隙波及范围内钻孔液体压力的不可逆阶梯状衰减突变，从而实现导水裂隙的连续实时监测。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法，其特征是，包括步骤如下：
1)至少3～5个充水的上仰监测孔(11)迎工作面回采方向(13)超前布置工作面两侧巷道或相邻工作面巷道，监测断面控制范围足以捕捉导水裂隙带总体空间形态，孔底垂高应大于估算导水裂隙带高度；
2)在上仰监测孔(11)内直线布置多个液体压力传感器(1)，每个液体压力传感器(1)以单独通道与孔外的液体压力数据采集仪(8)“并联”；
3)通过液体压力数据采集仪(8)分析上仰监测孔(11)内液体压力背景值和利用液体压力阶梯状衰减突变特征实时判断顶板导水裂隙形成时间与高度；上仰监测孔(11)最底部的液体压力传感器(1)已经捕捉到充分发展的导水裂隙或冒落带，或工作面已经回采至最底部液体压力传感器(1)下部，或上仰监测孔(11)水已经全部漏失，监测终止。
2.根据权利要求1所述的一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法，其特征是：所述步骤2)中液体压力传感器(1)的数量、密度、间隔和高度是依据采掘工程条件、导水裂隙初步估算值及监测精度要求来布设。
3.根据权利要求1所述的一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法，其特征是：所述液体压力传感器(1)安装在传感器推送杆(2)上；传感器推送杆(2)同时作为送水管与孔外的供水装置(7)连通，传感器推送杆(2)侧壁上留设多个出水孔(3)；在上仰监测孔(11)内与传感器推送杆(2)同步直达孔底地插入排气管(9)，排气管(9)仅在最前端侧壁设有多个排气孔，用以排出上仰监测孔(11)充水时孔底封存气体；在孔口安装特制法兰(5)，传感器线缆、传感器推送杆(2)、法兰排水管(6)和排气管(9)都同时穿过特制法兰(5)并止水，供水管、排气管(9)和法兰排水管(6)通过特制法兰(5)后伸出孔口并分别安装开关，特制法兰(5)固定于孔口套管(10)。
4.根据权利要求3所述的一种煤层顶板导水裂隙带高度井下连续实时监测方法，其 特征是：所述供水装置(7)的最大持续供水压力略高于估算导水裂隙带最大高度。
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