CN110671093A

CN110671093A - 一种基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法

Info

Publication number: CN110671093A
Application number: CN201910987680.3A
Authority: CN
Inventors: 王宏志; 张东升; 刘洪林; 李国栋; 赵红超
Original assignee: Xinjiang University
Current assignee: Xinjiang University
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-01-10

Abstract

本发明公开了一种基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，包括：根据煤矿工作面生产地质条件，在地表圈定出采场覆岩活动对应的探测区域；布置走向测线和倾向测线，在走向测线和倾向测线上间隔距离布置地面钻孔；在地表倾向测线的垂直投影与井下回风巷的相交处布置一井下观测点，并以不同倾角和方位角向顶板岩层内设置三个一定深度的井下钻孔；在地表施工布置采后观测孔，采用钻孔窥视仪观测采后观测孔内裂隙发育、岩层错动情况，验证覆岩垮落及裂缝带的发育高度。本发明对采场覆岩动态活动特征进行探测，实现从地表到覆岩到井下的“上位‑中位‑下位、采前‑采动‑采后六位一体化”综合探测体系，可操作性强、探测效率高。

Description

一种基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法

技术领域

本发明涉及煤炭资源地下开采技术领域，具体涉及一种基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法。

背景技术

煤炭资源的地下开采极易导致上覆岩层的移动和破坏，引发矿井瓦斯突出、水资源流失、土地荒漠化、地表下沉等安全事故和环境灾害，因此，有效掌握覆岩活动规律是解决煤炭资源安全开发和环境灾害预防两者矛盾的重要基础。我国煤炭资源分布广泛，由于煤层赋存条件的复杂多变、采煤技术和装备的不断发展，使得覆岩裂隙发育及活动特征呈现出多样性和差异性，而覆岩移动规律的精准、高效探测也成为国内外采矿学者始终关注的焦点问题之一。钻孔摄像技术因直观可靠、实时观测、便于存储等特点，成为探测岩层移动有效方法之一，在岩性识别、裂隙发育、顶板离层、围岩变形等方面发挥了重要作用。

目前，采用钻孔摄像技术对岩层移动的探测研究工作主要集中在煤层开采过后钻孔静态破坏特征的分析、覆岩移动破坏高度探测两个方面，缺乏对于煤层开采过程中钻孔变形破坏产生、发展过程以及岩层移动时空演化规律的研究，忽略了钻孔采动破坏与覆岩破断的内在联系。事实上，采动覆岩移动及钻孔破坏本质是相同的，二者是岩层运动在不同维度、不同范围的表现，覆岩移动是钻孔破坏的宏观表现，钻孔破坏是覆岩移动的微观特征。

现有的钻孔摄像探测覆岩移动工作对于钻孔信息解读和利用不充分，而且在监测效果和可靠性等方面易受矿井地质条件的影响难以达到预期的监测目的。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，解决了现有技术中对覆岩动态活动规律的探测精准率低、效果差的问题。

技术方案：本发明提供了基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，该方法包括以下步骤：

S1根据煤矿工作面生产地质条件，在地表圈定出采场覆岩活动对应的探测区域；

S2在圈定的探测区域内，沿平行于工作面推进方向每间隔距离M布置一条走向测线，沿垂直于工作面推进方向每间隔距离N布置一条倾向测线，然后在所有走向测线和倾向测线上间隔距离P布置一个地面钻孔，地面钻孔垂直地表向下施工，至开采煤层底部为止；确定初始探测的距离L₁后，采用钻孔窥视仪对煤层至地表的采场覆岩活动状况进行连续可视化探测，并存储探测摄像结果；

S3在地表倾向测线的垂直投影与井下回风巷的相交处布置一井下观测点，每个井下观测点沿井下回风巷实体煤侧巷帮以不同倾角和方位角向顶板岩层内设置三个一定深度的井下钻孔，分别记为井下钻孔Ⅰ、井下钻孔Ⅱ和井下钻孔Ⅲ，确定初始探测的距离L₂后，采用钻孔窥视仪对采场覆岩活动状况进行连续可视化探测，并存储探测摄像结果；

S4工作面开采完毕后，在部分走向测线和倾向测线附近地表施工布置采后观测孔，通过观测钻进过程中的异常现象，并采用钻孔窥视仪观测采后观测孔内裂隙发育、岩层错动情况，验证覆岩垮落及裂缝带的发育高度；

S5待所有现场探测工作完成后，综合对比S2、S3和S4的探测结果，确定采场覆岩(10)的运动特征及时空演化规律。

进一步地，包括：

S3中，所述井下钻孔Ⅰ用于观测不同超前距离煤体采动破坏情况，其相对水平面的倾角为0°、与回风巷推进方向之间的方位角为45°；井下钻孔Ⅱ用于观测不同深度煤体采动破坏情况，其倾角0°、方位角90°；井下钻孔Ⅲ用于观测不同高度岩层破断情况，其倾角45°、方位角90°。

进一步地，包括：

S2中，50m≤M≤60m，20m≤N≤35m。

进一步地，包括：

S2中，20m≤P≤30m。

进一步地，包括：

S2中，初始探测的距离L₁的范围为地面钻孔距工作面的水平距离为煤层埋藏深度的1/2至1/3。

进一步地，包括：

初始探测的距离L₂的范围为井下观测点距工作面的水平距离为煤层埋藏深度的1/2至1/3。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、本发明对采场覆岩动态活动特征进行探测，采用地面钻孔重点探测、井下钻孔辅助观测、采后孔验证监测三种方法相结合，从而实现从地表到覆岩到井下的“上位-中位-下位(空间)、采前-采动-采后(时间)六位一体化”综合探测体系；2、本发明所述的探测方法能够精准、高效地掌握采场覆岩动态活动特征，具有可操作性强、探测效率高和实用性强高的技术优点；3、根据地下煤层采空后，上面的岩层会垮落，本发明布置倾向测线和走向测线，走向与倾向方向岩层的破坏形态和高度是各不相同的，是三维分布的，能更清楚的掌握岩层破坏的空间分布特征，提高探测精度。

附图说明

图1是本发明的现场探测工作示意图；

图2是本发明的现场探测得出的覆岩运动及时空演化规律。

图中包括：探测区域1；走向测线2；倾向测线3；地面钻孔4；钻孔窥视仪5；回风巷6；井下钻孔Ⅰ7；井下钻孔Ⅱ8；井下钻孔Ⅲ9；采场覆岩10；弯曲下沉带11；裂隙带12；垮落带13；采空区14；工作面15；钻孔破坏特征16，井下观测点17。

具体实施方式

本发明公开了一种基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，如图1和2所示：

S1根据煤矿工作面生产地质条件，在地表圈定出采场覆岩活动对应的探测区域1；

S2在圈定的探测区域1内，沿平行于工作面15推进方向每间隔距离M布置一条走向测线2，沿垂直于工作面15推进方向每间隔距离N布置一条倾向测线3，其中，50m≤M≤60m，20m≤N≤35m。

然后在所有走向测线2和倾向测线3上间隔距离P布置一个地面钻孔4，其中，20m≤P≤30m，走向测线和倾向测线相交组必布置地面钻孔4，地面钻孔4垂直地表向下施工，至开采煤层底部为止；确定初始探测的距离L₁后，采用钻孔窥视仪5对煤层至地表的采场覆岩10活动状况进行连续可视化探测，并存储探测摄像结果，初始探测的距离L₁的范围为地面钻孔4距工作面15的水平距离为煤层埋藏深度的1/2至1/3。

通过钻孔窥视来探测采场“煤层-覆岩-地表”沿走向、倾向的变形情况及活动特征，掌握煤层采动的超前影响范围、地表下沉量，确定覆岩“上位-中位-下位”不同空间范围内裂隙演化过程及发育高度。

S3在地表倾向测线3的垂直投影与井下回风巷6的相交处布置一井下观测点17，每个井下观测点17沿井下回风巷6实体煤侧巷帮以不同倾角和方位角向顶板岩层内设置三个一定深度的井下钻孔，分别记为井下钻孔Ⅰ7、井下钻孔Ⅱ8和井下钻孔Ⅲ9，所述井下钻孔Ⅰ用于观测不同超前距离煤体采动破坏情况，其相对水平面的倾角为0°、与回风巷6推进方向之间的方位角为45°；井下钻孔Ⅱ用于观测不同深度煤体采动破坏情况，其倾角0°、方位角90°；井下钻孔Ⅲ用于观测不同高度岩层破断情况，其倾角45°、方位角90°。

确定初始探测的距离L₂后，采用钻孔窥视仪5对煤层至地表的采场覆岩10活动状况进行连续可视化探测，并存储探测摄像结果；由于煤层在地下埋藏深度不同，因此钻孔是具有一定深度的，且钻孔不是单纯的垂直或者水平方向，可能为倾斜，依据地下煤层深度和位置来布置，依据钻孔确定初始探测距离，初始探测的距离L₂的范围为井下观测点17距工作面15的水平距离为煤层埋藏深度的1/2至1/3，工作面为开采煤层的施工空间，如图1中的A的方向为水平方向，水平距离为当前钻孔的位置以水平地面为基准与工作面的距离。

通过三个不同方位的钻孔窥视来探测采动煤岩体裂隙发育特征，确定基本顶断裂位置、垮落带高度以及垮落形成的采空区14。

S4工作面15开采完毕后，在部分走向测线2和倾向测线3附近地表施工布置采后观测孔，通过观测钻进过程中的异常现象，并采用钻孔窥视仪5观测采后观测孔内裂隙发育、岩层错动情况，验证覆岩垮落及裂缝带的发育高度；一般情况下，工作面开采完毕约3个月后施工观测孔，并开展相关的观测工作。

S5待所有现场探测工作完成后，综合对比S2、S3和S4的探测结果，确定采场覆岩10的运动特征及时空演化规律，煤层上方的岩层为采场覆岩。

具体的，为了更加方便理解本发明的技术方案，本实施例给出一个具体实施例，如下：

a.根据煤矿工作面生产地质条件，在地表圈定出采场覆岩活动对应的探测区域1；

b.在圈定的探测区域1内，沿平行于工作面推进方向每间隔50m布置一条走向测线2，沿垂直于工作面推进方向每间隔25m布置一条倾向测线3，然后在所有测线上间隔25m布置一个地面钻孔4，两测线交点处也布置地面钻孔，地面钻孔4垂直地表向下施工，至开采煤层底部为止，地面钻孔4在工作面开采前施工完毕，在地面钻孔距工作面水平距离为150m时开始采用钻孔窥视仪5对煤层、覆岩、地表的活动状况进行连续可视化探测并存储摄像结果，详细记录裂隙发育尺寸、深度、方位，岩层错动、离层等演化特征，确定工作面采动影响范围及裂隙带12发育高度的空间分布特征。

本发明采用走向测线和倾向测线组合布置，由于地下煤层采空后，上面的岩层会垮落，走向测线与倾向测线方向岩层的破坏形态和高度是各不相同的，是三维分布的，所以走向和倾向测线能更清楚的掌握岩层破坏的空间分布特征。

c.在地表倾向测线3的垂直投影与井下回风巷6的相交处沿回风巷实体煤侧巷帮打三个60m深的钻孔，其中井下钻孔Ⅰ7倾角0°、方位角45°，钻孔8、井下钻孔Ⅱ8倾角0°、方位角90°，井下钻孔Ⅲ9倾角45°、方位角90°。井下钻孔在工作面开采前施工完毕，在钻孔距工作面水平距离为100m时开始采用钻孔窥视仪5对煤层、覆岩的活动状况进行连续可视化探测并存储摄像结果，其中详细记录裂隙发育尺寸、高度、方位，岩层错动、垮落等特征，确定基本顶断裂位置及垮落带13高度。

本实施例中，步骤b和c中地面钻孔和井下钻孔初始观测距离不一致，是因为地下煤层开采后所造成的影响是从煤层逐渐传到地表的，但是影响范围，从煤层到地表是越来越大的，所以一般情况下，煤层前方一定距离的地表先受到影响，所以初始距离大，而该地表正下方的岩层却未受影响；如遇其他环境下的煤层，观测距离也会做出相应调整。

d.至工作面开采完毕三个月后，在部分原走向及倾向观测点附近地表施工采后观察钻孔，通过观测钻进过程中的钻孔冲洗液漏失量、卡钻、掉钻等异常现象，并采用钻孔窥视仪5观测采后钻孔内裂隙发育、岩层错动情况，验证覆岩垮落及裂缝带的发育高度。

e.待所有现场探测工作完成后，然后综合对比地面钻孔、井下钻孔、采后观测孔的综合探测结果，确定采场覆岩10的运动特征及时空演化规律。

Claims

1.一种基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1根据煤矿工作面生产地质条件，在地表圈定出采场覆岩活动对应的探测区域(1)；

S2在圈定的探测区域(1)内，沿平行于工作面(15)推进方向每间隔距离M布置一条走向测线(2)，沿垂直于工作面(15)推进方向每间隔距离N布置一条倾向测线(3)，然后在所有走向测线(2)和倾向测线(3)上间隔距离P布置一个地面钻孔(4)，地面钻孔(4)垂直地表向下施工，至开采煤层底部为止；确定初始探测的距离L₁后，采用钻孔窥视仪(5)对煤层至地表的采场覆岩(10)活动状况进行连续可视化探测，并存储探测摄像结果；

S3在地表倾向测线(3)的垂直投影与井下回风巷(6)的相交处布置一井下观测点(17)，每个井下观测点(17)沿井下回风巷(6)实体煤侧巷帮以不同倾角和方位角向顶板岩层内设置三个一定深度的井下钻孔，分别记为井下钻孔Ⅰ(7)、井下钻孔Ⅱ(8)和井下钻孔Ⅲ(9)，确定初始探测的距离L₂后，采用钻孔窥视仪(5)对采场覆岩(10)活动状况进行连续可视化探测，并存储探测摄像结果；

S4工作面(15)开采完毕后，在部分走向测线(2)和倾向测线(3)附近地表施工布置采后观测孔，通过观测钻进过程中的异常现象，并采用钻孔窥视仪(5)观测采后观测孔内裂隙发育、岩层错动情况，验证覆岩垮落及裂缝带的发育高度；

2.根据权利要求1所述的基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，其特征在于，S3中，所述井下钻孔Ⅰ用于观测不同超前距离煤体采动破坏情况，其相对水平面的倾角为0°、与回风巷(6)推进方向之间的方位角为45°；井下钻孔Ⅱ用于观测不同深度煤体采动破坏情况，其倾角0°、方位角90°；井下钻孔Ⅲ用于观测不同高度岩层破断情况，其倾角45°、方位角90°。

3.根据权利要求1所述的基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，其特征在于，S2中，50m≤M≤60m，20m≤N≤35m。

4.根据权利要求1所述的基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，其特征在于，S2中，20m≤P≤30m。

5.根据权利要求1所述的基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，其特征在于，S2中，初始探测的距离L₁的范围为地面钻孔(4)距工作面(15)的水平距离为煤层埋藏深度的1/2至1/3。

6.根据权利要求1所述的基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法，其特征在于，初始探测的距离L₂的范围为井下观测点(17)距工作面(15)的水平距离为煤层埋藏深度的1/2至1/3。