CN109555562B - 一种深部回采工作面顶板围岩监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深部回采工作面顶板围岩监测系统及方法。所述系统包括：监测装置和数据处理装置；监测装置与数据处理装置电连接；监测装置用于对位于深部回采工作面上方的组合顶板进行监测，得到监测数据；数据处理装置用于对监测数据进行处理，以确定组合顶板的稳定性和安全性；监测装置中的一级监测装置布设于第一软岩层的底部，二级监测装置布设于第一软岩层的中部，三级监测装置布设于第一软岩层与中部硬岩层的结合处，四级监测装置布设于中部硬岩层与第二软岩层的结合处，五级监测装置布设于第二软岩层的中部。本发明能够实现分级监测、多点监测、连续监测，监测的时效性高，监测范围广。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程岩体变形监测技术领域，特别是涉及一种深部回采工作面顶板围岩监测系统及方法。
背景技术
随着矿井开采强度的不断增加，浅部煤炭资源日趋减少，煤矿开采向深部延伸发展，部分矿井的开采深度已接近1000m，且以每年8～12m的速度继续增加。深部开采的岩体受“三高一扰动”的复杂地质力学环境影响，具有显著的瞬变力学效应和流固耦合特性，围岩发生非线性大变形及突变破坏的概率增加，深部围岩的变形监测难度增大。
当深部回采工作面的顶板围岩为“软-硬-软”这类组合岩层时，由于该类岩层具有软硬岩层相互叠合，层间距偏小，岩层厚度薄、强度不大，岩层间粘聚力低，层理、节理、弱面和裂隙发育，软硬互层结构承载力低、自身稳定性差、结构刚度不足容易引发离层等特点，因此，其监测难度更大。并且该类“软-硬-软”组合顶板为三层软硬岩层交互叠加，硬岩层夹持在两层软岩层之间，自身承载能力发挥受限，变形突变因素增加，很难和软岩层结构形成统一的加强承载结构整体，因此，三层围岩监测的稳定性也有待强化。目前，针对深部回采工作面的顶板围岩为“软-硬-软”这类组合岩层的形变监测方法大多为：只在单一岩层布置定点监测或在多层围岩的某一段布置集中监测的单级监测体系。该方法具有监测不连续、时效性差、单级定点监测、监测面窄的缺点。
发明内容
基于此，有必要提供一种深部回采工作面顶板围岩监测系统及方法，以实现分级监测、多点监测、连续监测，提高监测的时效性，扩大监测范围。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种深部回采工作面顶板围岩监测系统，包括：监测装置和数据处理装置；所述监测装置与所述数据处理装置电连接；
所述监测装置用于对位于深部回采工作面上方的组合顶板的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况进行监测，得到监测数据；所述数据处理装置用于对所述监测数据进行处理，以确定所述组合顶板的稳定性和安全性；所述组合顶板由下到上依次为第一软岩层、中部硬岩层和第二软岩层；所述第一软岩层与所述深部回采工作面相接；
所述监测装置包括一级监测装置、二级监测装置、三级监测装置、四级监测装置和五级监测装置；所述一级监测装置布设于所述第一软岩层的底部，所述二级监测装置布设于所述第一软岩层的中部，所述三级监测装置布设于所述第一软岩层与所述中部硬岩层的结合处，所述四级监测装置布设于所述中部硬岩层与所述第二软岩层的结合处，所述五级监测装置布设于所述第二软岩层的中部。
可选的，所述一级监测装置包括多个一级监测站；多个所述一级监测站均匀布设于所述第一软岩层的底部；任意一个一级监测站的监测范围均与相邻的一级监测站的监测范围存在重叠。
可选的，所述二级监测装置包括多个二级监测站；多个所述二级监测站均匀布设于所述第一软岩层的中部；任意一个二级监测站的监测范围均与相邻的二级监测站的监测范围以及相邻的一级监测站的监测范围存在重叠。
可选的，所述三级监测装置包括多个三级监测站；多个所述三级监测站均匀布设于所述第一软岩层与所述中部硬岩层的结合处；任意一个三级监测站的监测范围均与相邻的三级监测站的监测范围以及相邻的二级监测站的监测范围存在重叠。
可选的，所述四级监测装置包括多个四级监测站；多个所述四级监测站均匀布设于所述中部硬岩层与所述第二软岩层的结合处；任意一个四级监测站的监测范围均与相邻的四级监测站的监测范围以及相邻的三级监测站的监测范围存在重叠。
可选的，所述五级监测装置包括多个五级监测站；多个所述五级监测站均匀布设于所述第二软岩层的中部；任意一个五级监测站的监测范围均与相邻的五级监测站的监测范围以及相邻的四级监测站的监测范围存在重叠。
本发明还提供了一种深部回采工作面顶板围岩监测方法，所述方法用于实现对位于深部回采工作面上方的组合顶板的监测；所述组合顶板由下到上依次为第一软岩层、中部硬岩层和第二软岩层；所述第一软岩层与所述深部回采工作面相接；所述方法包括：
在所述第一软岩层的底部均匀布设多个一级监测站，且使任意一个一级监测站的监测范围均与相邻的一级监测站的监测范围存在重叠；
在所述第一软岩层的中部均匀布设多个二级监测站，且使任意一个二级监测站的监测范围均与相邻的二级监测站的监测范围以及相邻的一级监测站的监测范围存在重叠；
在所述第一软岩层与中部硬岩层的结合处均匀布设多个三级监测站，且使任意一个三级监测站的监测范围均与相邻的三级监测站的监测范围以及相邻的二级监测站的监测范围存在重叠；
在所述中部硬岩层与第二软岩层的结合处均匀布设多个四级监测站，且使任意一个四级监测站的监测范围均与相邻的四级监测站的监测范围以及相邻的三级监测站的监测范围存在重叠；
在所述第二软岩层的中部均匀布设多个五级监测站，且使任意一个五级监测站的监测范围均与相邻的五级监测站的监测范围以及相邻的四级监测站的监测范围存在重叠；
获取各所述一级监测站、所述二级监测站、所述三级监测、所述四级监测站、所述五级监测站连续监测得到的监测数据；
对所述监测数据进行处理，以确定所述组合顶板的稳定性和安全性。
可选的，所述一级监测站监测所述第一软岩层底部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述二级监测站监测所述第一软岩层中部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述三级监测站监测所述第一软岩层顶部以及所述中部硬岩层底部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述四级监测站监测所述中部硬岩层顶部以及所述第二软岩层底部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述五级监测站监测所述第二软岩层中部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种深部回采工作面顶板围岩监测系统及方法，所述系统中一级监测装置布设于第一软岩层的底部，二级监测装置布设于第一软岩层的中部，三级监测装置布设于第一软岩层与中部硬岩层的结合处，四级监测装置布设于中部硬岩层与第二软岩层的结合处，五级监测装置布设于第二软岩层的中部，通过设置五级监测，实现了对组合顶板的软-硬-软围岩全方位、多层面、长时间的立体化多点多级监测，能够对不同回采阶段的围岩变形进行及时有效的现场监测和科学合理的技术评估，极大提高了深部回采工作面顶板围岩的稳定性和安全性。
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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种深部回采工作面顶板围岩监测系统中各监测站的位置结构图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
深部围岩的变形监测是在深部地下煤矿开采作业的三维空间进行的监测活动。参见图1，深部地下开采工程由深部回采工作面1、第一软岩层3、中部硬岩层4、第二软岩层5、上层顶板11和底板12组成，其中第一软岩层3、中部硬岩层4、第二软岩层5是直接作用于煤层上方的顶板，三层厚度之和一般不超过10m，统称为组合顶板2。随着深部回采工作面1开采作业的进行，顶板围岩活动加剧，围岩发生变形失稳直至垮落破坏。为了全面系统地分析深部回采工作面软-硬-软组合顶板围岩的变形破坏特征，需要在掌握顶板围岩地质构造成因和赋存结构的基础上，对煤层之上组合顶板的各层围岩进行及时有效地分级监测。
本实施例提供的一种深部回采工作面顶板围岩监测系统，包括：监测装置和数据处理装置；所述监测装置与所述数据处理装置电连接。所述监测装置用于对位于深部回采工作面1上方的组合顶板2的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况进行监测，得到监测数据；所述数据处理装置用于对所述监测数据进行处理，以确定所述组合顶板2的稳定性和安全性；所述组合顶板2由下到上依次为第一软岩层3、中部硬岩层4和第二软岩层5；所述第一软岩层3与所述深部回采工作面1相接。
所述监测装置包括一级监测装置、二级监测装置、三级监测装置、四级监测装置和五级监测装置；所述一级监测装置布设于所述第一软岩层3的底部，所述二级监测装置布设于所述第一软岩层3的中部，所述三级监测装置布设于所述第一软岩层3与所述中部硬岩层4的结合处，所述四级监测装置布设于所述中部硬岩层4与所述第二软岩层5的结合处，所述五级监测装置布设于所述第二软岩层5的中部。
所述一级监测装置包括多个一级监测站6；多个所述一级监测站6均匀布设于所述第一软岩层3的底部；任意一个一级监测站6的监测范围均与相邻的一级监测站6的监测范围存在重叠。多个所述一级监测站6位于相同的层位。
所述二级监测装置包括多个二级监测站7；多个所述二级监测站7均匀布设于所述第一软岩层3的中部；任意一个二级监测站7的监测范围均与相邻的二级监测站7的监测范围以及相邻的一级监测站6的监测范围存在重叠。多个所述二级监测站7位于相同的层位。
所述三级监测装置包括多个三级监测站8；多个所述三级监测站8均匀布设于所述第一软岩层3与所述中部硬岩层4的结合处；任意一个三级监测站8的监测范围均与相邻的三级监测站8的监测范围以及相邻的二级监测站7的监测范围存在重叠。多个所述三级监测站8位于相同的层位。
所述四级监测装置包括多个四级监测站9；多个所述四级监测站9均匀布设于所述中部硬岩层4与所述第二软岩层5的结合处；任意一个四级监测站9的监测范围均与相邻的四级监测站9的监测范围以及相邻的三级监测站8的监测范围存在重叠。多个所述四级监测站9位于相同的层位。
所述五级监测装置包括多个五级监测站10；多个所述五级监测站10均匀布设于所述第二软岩层5的中部；任意一个五级监测站10的监测范围均与相邻的五级监测站10的监测范围以及相邻的四级监测站9的监测范围存在重叠。多个所述五级监测站10位于相同的层位。
本实施例中的各个监测站均为能够对围岩运动产生垂直和水平位移、围岩形变引发应变感应、围岩失稳引起应力变化、围岩破坏导致裂隙发育扩展等特征进行观测的位移-应力-应变实时综合监测系统，各监测站可对所在层位不同区段相邻地点的围岩进行长时间大范围不间断的连续多点监测，并通过数据处理装置及时收集围岩变形-失稳-破坏过程中传输的位移-应力-应变信号，通过对监测数据进行处理，来确定组合顶板中各层的稳定性和安全性。本实施例中数据处理装置可以为内设有处理软件的计算机，所述处理软件具有数据处理功能即可，并不局限于特定的形式。本实施例中的监测数据包括围岩下沉量、水平移进量、围岩下沉速度、围岩冒落度、支架荷载、支柱活柱下缩量、安全阀开启率、围岩支撑压力、支护应力、支架工作阻力、动载系数、围岩裂隙发育度、裂隙扩展率、张裂系数、应力梯度等数据。
本实施例的深部回采工作面顶板围岩监测系统通过设置五级监测装置，实现了分级监测、多点监测、连续监测，监测的时效性高，监测范围广。
本发明还提供了一种深部回采工作面顶板围岩监测方法。所述方法用于实现对位于深部回采工作面上方的组合顶板的监测；所述组合顶板由下到上依次为第一软岩层、中部硬岩层和第二软岩层；所述第一软岩层与所述深部回采工作面相接。所述方法包括：
1)在所述第一软岩层的底部均匀布设多个一级监测站，且使任意一个一级监测站的监测范围均与相邻的一级监测站的监测范围存在重叠。
2)在所述第一软岩层的中部均匀布设多个二级监测站，且使任意一个二级监测站的监测范围均与相邻的二级监测站的监测范围以及相邻的一级监测站的监测范围存在重叠。
3)在所述第一软岩层与中部硬岩层的结合处均匀布设多个三级监测站，且使任意一个三级监测站的监测范围均与相邻的三级监测站的监测范围以及相邻的二级监测站的监测范围存在重叠。
4)在所述中部硬岩层与第二软岩层的结合处均匀布设多个四级监测站，且使任意一个四级监测站的监测范围均与相邻的四级监测站的监测范围以及相邻的三级监测站的监测范围存在重叠。
5)在所述第二软岩层的中部均匀布设多个五级监测站，且使任意一个五级监测站的监测范围均与相邻的五级监测站的监测范围以及相邻的四级监测站的监测范围存在重叠。
6)获取各所述一级监测站、所述二级监测站、所述三级监测、所述四级监测站、所述五级监测站连续监测得到的监测数据。
7)对所述监测数据进行处理，以确定所述组合顶板的稳定性和安全性。
作为一种可选的实施方式，所述一级监测站监测所述第一软岩层底部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述二级监测站监测所述第一软岩层中部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述三级监测站监测所述第一软岩层顶部以及所述中部硬岩层底部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述四级监测站监测所述中部硬岩层顶部以及所述第二软岩层底部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述五级监测站监测所述第二软岩层中部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况。
本实施例的深部回采工作面顶板围岩监测方法，实现了对组合顶板的软-硬-软围岩全方位、多层面、长时间的立体化多点多级监测，能够对不同回采阶段的围岩变形进行及时有效的现场监测和科学合理的技术评估，极大提高了深部回采工作面顶板围岩的稳定性和安全性。
对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种深部回采工作面顶板围岩监测系统，其特征在于，包括：监测装置和数据处理装置；所述监测装置与所述数据处理装置电连接；
所述监测装置用于对位于深部回采工作面上方的组合顶板的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况进行监测，得到监测数据；所述数据处理装置用于对所述监测数据进行处理，以确定所述组合顶板的稳定性和安全性；所述组合顶板由下到上依次为第一软岩层、中部硬岩层和第二软岩层；所述第一软岩层与所述深部回采工作面相接；
所述监测装置包括一级监测装置、二级监测装置、三级监测装置、四级监测装置和五级监测装置；所述一级监测装置布设于所述第一软岩层的底部，所述二级监测装置布设于所述第一软岩层的中部，所述三级监测装置布设于所述第一软岩层与所述中部硬岩层的结合处，所述四级监测装置布设于所述中部硬岩层与所述第二软岩层的结合处，所述五级监测装置布设于所述第二软岩层的中部。
2.根据权利要求1所述的一种深部回采工作面顶板围岩监测系统，其特征在于，所述一级监测装置包括多个一级监测站；多个所述一级监测站均匀布设于所述第一软岩层的底部；任意一个一级监测站的监测范围均与相邻的一级监测站的监测范围存在重叠。
3.根据权利要求2所述的一种深部回采工作面顶板围岩监测系统，其特征在于，所述二级监测装置包括多个二级监测站；多个所述二级监测站均匀布设于所述第一软岩层的中部；任意一个二级监测站的监测范围均与相邻的二级监测站的监测范围以及相邻的一级监测站的监测范围存在重叠。
4.根据权利要求3所述的一种深部回采工作面顶板围岩监测系统，其特征在于，所述三级监测装置包括多个三级监测站；多个所述三级监测站均匀布设于所述第一软岩层与所述中部硬岩层的结合处；任意一个三级监测站的监测范围均与相邻的三级监测站的监测范围以及相邻的二级监测站的监测范围存在重叠。
5.根据权利要求4所述的一种深部回采工作面顶板围岩监测系统，其特征在于，所述四级监测装置包括多个四级监测站；多个所述四级监测站均匀布设于所述中部硬岩层与所述第二软岩层的结合处；任意一个四级监测站的监测范围均与相邻的四级监测站的监测范围以及相邻的三级监测站的监测范围存在重叠。
6.根据权利要求5所述的一种深部回采工作面顶板围岩监测系统，其特征在于，所述五级监测装置包括多个五级监测站；多个所述五级监测站均匀布设于所述第二软岩层的中部；任意一个五级监测站的监测范围均与相邻的五级监测站的监测范围以及相邻的四级监测站的监测范围存在重叠。
7.一种深部回采工作面顶板围岩监测方法，其特征在于，所述方法用于实现对位于深部回采工作面上方的组合顶板的监测；所述组合顶板由下到上依次为第一软岩层、中部硬岩层和第二软岩层；所述第一软岩层与所述深部回采工作面相接；所述方法包括：
在所述第一软岩层的底部均匀布设多个一级监测站，且使任意一个一级监测站的监测范围均与相邻的一级监测站的监测范围存在重叠；
在所述第一软岩层的中部均匀布设多个二级监测站，且使任意一个二级监测站的监测范围均与相邻的二级监测站的监测范围以及相邻的一级监测站的监测范围存在重叠；
在所述第一软岩层与中部硬岩层的结合处均匀布设多个三级监测站，且使任意一个三级监测站的监测范围均与相邻的三级监测站的监测范围以及相邻的二级监测站的监测范围存在重叠；
在所述中部硬岩层与第二软岩层的结合处均匀布设多个四级监测站，且使任意一个四级监测站的监测范围均与相邻的四级监测站的监测范围以及相邻的三级监测站的监测范围存在重叠；
在所述第二软岩层的中部均匀布设多个五级监测站，且使任意一个五级监测站的监测范围均与相邻的五级监测站的监测范围以及相邻的四级监测站的监测范围存在重叠；
获取各所述一级监测站、所述二级监测站、所述三级监测站、所述四级监测站、所述五级监测站连续监测得到的监测数据；
对所述监测数据进行处理，以确定所述组合顶板的稳定性和安全性。
8.根据权利要求7所述的一种深部回采工作面顶板围岩监测方法，其特征在于，所述一级监测站监测所述第一软岩层底部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述二级监测站监测所述第一软岩层中部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述三级监测站监测所述第一软岩层顶部以及所述中部硬岩层底部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述四级监测站监测所述中部硬岩层顶部以及所述第二软岩层底部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况；所述五级监测站监测所述第二软岩层中部的位移、应力、应变以及裂缝的发育扩展状况。
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