CN108930554B - 煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法 - Google Patents

煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种煤矿覆岩破断及地表岩移的井‑地‑空联合监测方法，属于煤矿监测技术领域，本煤矿覆岩破断及地表岩移的井‑地‑空联合监测方法包括以下步骤：步骤一、无人机遥感监测；步骤二、地表水准仪监测；步骤三、地质钻孔监测；步骤四、微震监测；步骤五、综合分析。本发明的有益效果：集井、地、空监测于一体，监测过程相互作用，相互补充，监测结果比单一手段监测更为精确，以准确确定地表下沉值、地表沉陷时间和岩层的破裂形态,为地表建筑物的稳定评估、煤矿井下开采关键岩层的确定以及采场因覆岩破断而诱发动压灾害的判断及防治提供依据。

Description

煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法
技术领域
本发明涉及煤矿监测技术领域，特别是涉及一种煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法。
背景技术
随着煤矿开采深度的增加和开采强度的增大，煤层开采后所形成的采场空间日益增大，采空区上覆岩层逐层向上发生破断变形直至地表，造成地表发生沉降变形、地表开裂或台阶下沉，形成塌陷坑或沉陷盆地，危及地面建筑物、水体及铁路等建筑工程的稳定性。同时，随着采场覆岩至地表岩层的变形破断，造成地表水土流失，严重破坏生态环境。
煤矿开采中，不同煤岩层分布的节理裂隙及瓦斯与含水量差别较大，导致煤岩体物理力学性质较为复杂；同时，煤系地层不同地质构造、不同的开拓布置和回采方式导致顶板覆岩所处不同应力环境，使得覆岩破断行为更加复杂。在复杂的地质条件及环境影响下，采用单一监测手段效果往往较差，监测数据精度不足，可信度较差，甚至某些地质条件下无法对覆岩破断和地表岩移进行监测。目前还未能有有效的方法准确确定地表的下沉值和地表沉陷时以及准确确定岩层的破裂形态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，以准确确定地表下沉值、地表沉陷时间和岩层的破裂形态。
本发明提供一种煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法包括以下步骤：
步骤一、无人机遥感监测
步骤11、在监测区域空域设定飞行路线，搭载遥感摄像系统的无人机按照设定的飞行路线对监测区域的地表进行航拍并获取遥感图像，将遥感图像导入遥感图像处理软件，对监测区域设定网格，导出各网格节点的三维坐标X、Y、Z；
步骤12、定期重复步骤11的操作以对监测区域的地表进行定期、重复观测，在煤层开采过程中测量各网格节点的竖坐标Z的变化，从而得到各网格节点的地表下沉值，由各网格节点开始下沉到停止下沉的时间间隔得到各网格节点的地表沉陷时间；
步骤二、地表水准仪监测
步骤21、在网格节点对应的地表处设置监测点，使用水准仪配合水准尺对各监测点实施水准测量，得到各监测点的高程；
步骤22、定期重复步骤21的操作以对各监测点的高程进行定期、重复观测，煤层开采过程中测量监测点的高程差，从而得到各监测点的地表下沉值，由监测点开始下沉到停止下沉的时间间隔得到各监测点的地表沉陷时间；
步骤三、地质钻孔监测
结合矿井地质综合柱状图，在地表监测点位置施工地质钻孔至煤层上方第二层顶板，在钻孔内不同层位设置多点位移计，煤层开采过程中由多点位移计动态监测地表及以下各岩层的下沉值和沉陷时间，通过各岩层的下沉值和沉陷时间得到在煤层开采过程不同时期各岩层的破裂形态，破裂形态包括垮落、断裂和弯曲下沉；
步骤四、微震监测
在矿井范围内于地表及井下设置微震传感器，由微震传感器实时监测煤层开采过程中上覆岩层变形破裂产生的微震事件，将微震事件通过微震监测系统数据处理软件显示，并由软件反演分析确定微震事件的发生时刻、空间位置和能量值；根据微震事件空间位置的集中程度、微震事件能量值并对照矿井地质综合柱状图，确定工作面上覆各岩层的破裂形态和破裂面位置，破裂形态包括垮落、断裂和弯曲下沉，同时，选择最接近地表的破裂面作为研究对象，根据不同时期内破裂面位置的高差得到地表下沉值和地表沉陷时间；
步骤五、综合分析
步骤51、地表下沉值和地表沉陷时间分析
对“无人机遥感监测得到地表下沉值和地表沉陷时间”、“地表水准仪监测得到地表下沉值和地表沉陷时间”、“地质钻孔监测得到地表下沉值、地表沉陷时间”和“微震监测得到地表下沉值、地表沉陷时间”加权平均得到“地表下沉值和地表沉陷时间”，各权重依次为20％、40％、30％和10％；
步骤52、岩层的破裂形态分析
“地质钻孔监测得到各岩层的破裂形态”和“微震监测得到各岩层的破裂形态”的结果一致时，则确定该一致的破裂形态；
“地质钻孔监测得到各岩层的破裂形态”和“微震监测得到各岩层的破裂形态”的结果不一致时，若二者之一的破裂形态为垮落，则破裂形态为垮落，若二者之一的破裂形态无垮落但存在断裂，则破裂形态为断裂。
进一步的，步骤一中，遥感摄像系统包括导航设备、高性能数码相机和数码摄录机。
进一步的，步骤一中，无人机的飞行高度为100m，飞行路线沿采煤工作面的走向布置。
进一步的，步骤一中，网格节点开始下沉为地表下沉值达到10mm的时刻，网格节点停止下沉为连续6个月地表下沉值不超过30mm的时刻。
进一步的，步骤二中，在网格节点对应的地表处埋设水泥桩作为监测点。
进一步的，步骤三中，岩层下沉值突然增大且接近煤层采高时，则岩层破裂形态为垮落；垮落岩层上方的岩层下沉值明显小于垮落岩层的下沉值时，上方岩层破裂形态为断裂；断裂岩层上方的岩层下沉值明显小于断裂岩层的下沉值时，上方岩层破裂形态为弯曲下沉。
进一步的，步骤四中，采用分布式网络拓扑结构在矿井范围内于地表及井下设置微震传感器。
进一步的，步骤四中，岩层中微震事件空间位置大量密集且能量值较大，则岩层破裂形态为垮落；岩层中微震事件空间位置密集程度降低且能量值降低，则岩层破裂形态为断裂；岩层中微震事件空间位置呈面状分布，则岩层破裂形态为弯曲下沉，将面状分布的微震事件空间位置连接以确定破裂面的位置。
与现有技术相比，本发明的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法具有以下特点和优点：
本发明的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，集井、地、空监测于一体，监测过程相互作用，相互补充，监测结果比单一手段监测更为精确，以准确确定地表下沉值、地表沉陷时间和岩层的破裂形态,为地表建筑物的稳定评估、煤矿井下开采关键岩层的确定以及采场因覆岩破断而诱发动压灾害的判断及防治提供依据。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法的示意图；
图2为本发明实施例煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法中微震事件的走向-层位分布图；
其中，1、无人机,2、监测点，3、多点位移计，4、微震传感器，5、采空区，6、煤层，7、岩层，8、微震事件，9、破裂面。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实施例提供一种煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法包括以下步骤：
步骤一、无人机遥感监测
步骤11、在监测区域空域设定飞行路线，无人机1搭载遥感摄像系统，遥感摄像系统包括导航设备、高性能数码相机、数码摄录机。无人机1的飞行高度为100m，飞行路线沿采煤工作面的走向布置。无人机1沿采煤工作面的走向对监测区域的地表进行航拍并获取遥感图像。将遥感图像导入Pix 4D mapper 2.0遥感图像处理软件，对监测区域设定网格，网格大小为50m，导出各网格节点的三维坐标X、Y、Z。
步骤12、煤层6开采过程中其工作面后方区域形成采空区5。定期重复步骤11的操作以对监测区域的地表进行定期、重复观测，在煤层6开采过程中测量各网格节点的竖坐标Z的变化，从而得到各网格节点的地表下沉值，由各网格节点开始下沉到停止下沉的时间间隔得到各网格节点的地表沉陷时间。其中，网格节点开始下沉为地表下沉值达到10mm的时刻，网格节点停止下沉为连续6个月地表下沉值不超过30mm的时刻。
步骤二、地表水准仪监测
步骤21、在网格节点对应的地表处埋设水泥桩作为监测点2，使用水准仪配合红黑水准尺对各监测点2实施四等水准测量，得到各监测点2的高程。
步骤22、定期重复步骤21的操作以对各监测点2的高程进行定期、重复观测，煤层6开采过程中测量监测点2的高程差，从而得到各监测点2的地表下沉值，由监测点2开始下沉到停止下沉的时间间隔得到各监测点2的地表沉陷时间。
步骤三、地质钻孔监测
结合矿井地质综合柱状图，在地表监测点2位置施工地质钻孔至煤层6上方第二层顶板，在钻孔内不同层位设置多点位移计3，煤层6开采过程中由多点位移计3动态监测地表及以下各岩层7的下沉值和沉陷时间，通过各岩层7的下沉值和沉陷时间得到在煤层6开采过程不同时期各岩层7的破裂形态，破裂形态包括垮落、断裂和弯曲下沉。其中，岩层7下沉值突然增大且接近煤层6采高时，则岩层7破裂形态为垮落；垮落岩层7上方的岩层7下沉值明显小于垮落岩层7的下沉值时，上方岩层7破裂形态为断裂；断裂岩层7上方的岩层7下沉值明显小于断裂岩层7的下沉值时，上方岩层7破裂形态为弯曲下沉。
步骤四、微震监测
采用分布式网络拓扑结构在矿井范围内于地表及井下设置微震传感器4形成微震监测系统。由微震传感器4实时监测煤层6开采过程中上覆岩层7变形破裂产生的微震事件8。微震监测系统采用独立的、统一的GPS授时模式，监测前首先对连接好的微震监测系统进行调试，调试正常后，对煤层6开采过程进行24小时不间断实时监测。将微震事件8通过微震监测系统数据处理软件显示，并由软件反演分析确定微震事件8的发生时刻、空间位置和能量值。根据微震事件8空间位置的集中程度、微震事件8能量值并对照矿井地质综合柱状图，确定工作面上覆各岩层7的破裂形态和破裂面9位置，破裂形态包括垮落、断裂和弯曲下沉，同时，选择最接近地表的破裂面9作为研究对象，根据不同时期内破裂面9位置的高差得到地表下沉值和地表沉陷时间。其中，岩层7中微震事件8空间位置大量密集且能量值较大，则岩层7破裂形态为垮落；岩层7中微震事件8空间位置密集程度降低且能量值降低，则岩层7破裂形态为断裂；岩层7中微震事件8空间位置呈面状分布，则岩层7破裂形态为弯曲下沉，将面状分布的微震事件8空间位置连接以确定破裂面9的位置。
步骤五、综合分析
步骤51、地表下沉值和地表沉陷时间分析
对“无人机遥感监测得到地表下沉值和地表沉陷时间”、“地表水准仪监测得到地表下沉值和地表沉陷时间”、“地质钻孔监测得到地表下沉值、地表沉陷时间”和“微震监测得到地表下沉值、地表沉陷时间”加权平均得到“地表下沉值和地表沉陷时间”，各权重依次为20％、40％、30％和10％。
步骤52、岩层的破裂形态分析
“地质钻孔监测得到各岩层7的破裂形态”和“微震监测得到各岩层7的破裂形态”的结果一致时，则确定该一致的破裂形态。
“地质钻孔监测得到各岩层7的破裂形态”和“微震监测得到各岩层7的破裂形态”的结果不一致时，若二者之一的破裂形态为垮落，则破裂形态为垮落，若二者之一的破裂形态无垮落但存在断裂，则破裂形态为断裂。
本实施例的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，集井、地、空监测于一体，监测过程相互作用，相互补充，监测结果比单一手段监测更为精确，以准确确定地表下沉值、地表沉陷时间和岩层7的破裂形态,为地表建筑物的稳定评估、煤矿井下开采关键岩层7的确定以及采场因覆岩破断而诱发动压灾害的判断及防治提供依据。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，其特征在于，煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法包括以下步骤：
步骤一、无人机遥感监测
步骤11、在监测区域空域设定飞行路线，搭载遥感摄像系统的无人机按照设定的飞行路线对监测区域的地表进行航拍并获取遥感图像，将遥感图像导入遥感图像处理软件，对监测区域设定网格，导出各网格节点的三维坐标X、Y、Z；
步骤12、定期重复步骤11的操作以对监测区域的地表进行定期、重复观测，在煤层开采过程中测量各网格节点的竖坐标Z的变化，从而得到各网格节点的地表下沉值，由各网格节点开始下沉到停止下沉的时间间隔得到各网格节点的地表沉陷时间；
步骤二、地表水准仪监测
步骤21、在网格节点对应的地表处设置监测点，使用水准仪配合水准尺对各监测点实施水准测量，得到各监测点的高程；
步骤22、定期重复步骤21的操作以对各监测点的高程进行定期、重复观测，煤层开采过程中测量监测点的高程差，从而得到各监测点的地表下沉值，由监测点开始下沉到停止下沉的时间间隔得到各监测点的地表沉陷时间；
步骤三、地质钻孔监测
结合矿井地质综合柱状图，在地表监测点位置施工地质钻孔至煤层上方第二层顶板，在钻孔内不同层位设置多点位移计，煤层开采过程中由多点位移计动态监测地表及以下各岩层的下沉值和沉陷时间，通过各岩层的下沉值和沉陷时间得到在煤层开采过程不同时期各岩层的破裂形态，破裂形态包括垮落、断裂和弯曲下沉；
步骤四、微震监测
在矿井范围内于地表及井下设置微震传感器，由微震传感器实时监测煤层开采过程中上覆岩层变形破裂产生的微震事件，将微震事件通过微震监测系统数据处理软件显示，并由软件反演分析确定微震事件的发生时刻、空间位置和能量值；根据微震事件空间位置的集中程度、微震事件能量值并对照矿井地质综合柱状图，确定工作面上覆各岩层的破裂形态和破裂面位置，破裂形态包括垮落、断裂和弯曲下沉，同时，选择最接近地表的破裂面作为研究对象，根据不同时期内破裂面位置的高差得到地表下沉值和地表沉陷时间；
步骤五、综合分析
步骤51、地表下沉值和地表沉陷时间分析
对“无人机遥感监测得到地表下沉值和地表沉陷时间”、“地表水准仪监测得到地表下沉值和地表沉陷时间”、“地质钻孔监测得到地表下沉值、地表沉陷时间”和“微震监测得到地表下沉值、地表沉陷时间”加权平均得到“地表下沉值和地表沉陷时间”，各权重依次为20％、40％、30％和10％；
步骤52、岩层的破裂形态分析
“地质钻孔监测得到各岩层的破裂形态”和“微震监测得到各岩层的破裂形态”的结果一致时，则确定该一致的破裂形态；
“地质钻孔监测得到各岩层的破裂形态”和“微震监测得到各岩层的破裂形态”的结果不一致时，若二者之一的破裂形态为垮落，则破裂形态为垮落，若二者之一的破裂形态无垮落但存在断裂，则破裂形态为断裂。
2.根据权利要求1所述的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，其特征在于：步骤一中，遥感摄像系统包括导航设备、高性能数码相机和数码摄录机。
3.根据权利要求1所述的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，其特征在于：步骤一中，无人机的飞行高度为100m，飞行路线沿采煤工作面的走向布置。
4.根据权利要求1所述的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，其特征在于：步骤一中，网格节点开始下沉为地表下沉值达到10mm的时刻，网格节点停止下沉为连续6个月地表下沉值不超过30mm的时刻。
5.根据权利要求1所述的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，其特征在于：步骤二中，在网格节点对应的地表处埋设水泥桩作为监测点。
6.根据权利要求1所述的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，其特征在于：步骤三中，岩层下沉值突然增大且接近煤层采高时，则岩层破裂形态为垮落；垮落岩层上方的岩层下沉值明显小于垮落岩层的下沉值时，上方岩层破裂形态为断裂；断裂岩层上方的岩层下沉值明显小于断裂岩层的下沉值时，上方岩层破裂形态为弯曲下沉。
7.根据权利要求1所述的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，其特征在于：步骤四中，采用分布式网络拓扑结构在矿井范围内于地表及井下设置微震传感器。
8.根据权利要求1所述的煤矿覆岩破断及地表岩移的井-地-空联合监测方法，其特征在于：步骤四中，岩层中微震事件空间位置大量密集且能量值较大，则岩层破裂形态为垮落；岩层中微震事件空间位置密集程度降低且能量值降低，则岩层破裂形态为断裂；岩层中微震事件空间位置呈面状分布，则岩层破裂形态为弯曲下沉，将面状分布的微震事件空间位置连接以确定破裂面的位置。
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