CN110863815B - 覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法及阻隔器 - Google Patents

覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法及阻隔器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法及阻隔器，属于地下水监测技术领域，解决了现有监测方法无法在同一监测孔中对地下多层含水层进行同时监测的问题。本发明的监测方法包括以下步骤：确定采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征，确定监测含水层及其埋深、厚度，并钻探监测孔；确定渗压传感器埋设位置，将渗压传感器安装在监测孔中；在监测含水层与非含水层之间设置隔层，阻隔各监测含水层之间的水力联系；采集监测含水层水压数据，得到各监测含水层水压变化曲线；通过各监测含水层水压变化曲线判断各监测含水层底部是否形成地下离层水库。本发明的监测方法，简单实用，实现了在同一监测孔中对多层含水层同时监测。

Description

覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法及阻隔器
技术领域
本发明涉及生态保护技术领域，尤其涉及一种覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法。
背景技术
由于我国东部地区煤炭资源在逐渐枯竭，煤炭生产战略西移会不断加快，所以西部煤炭开采量会逐年攀升，预计未来西部地区煤炭产量将占全国煤炭总产量的70％以上。例如，鄂尔多斯盆地侏罗系煤层储量极大，而且煤质好，开采前景广阔，但覆岩中均存在巨厚状白垩系洛河组、侏罗系安定组砂泥岩(厚度200-400m)互层状岩层组合，加之大采高(采高5-12m)、大采深(采深500-700m)的开采特点容易造成岩层的不均匀沉降，形成多个离层空腔。第四系风积沙层潜水(直接生态供水水源)及白垩系洛河组砂岩承压水(生态储备水源)对当地的草原植被生态环境至关重要，但是离层空腔的扩容及负压作用使上覆水源渗漏、积聚、充水进离层空腔，造成生态水源扰动，破坏生态植被。其他聚煤盆地也有类似现象发生，具有普遍性。
目前，由于离层扩容吸水为一种新的水源扰动模式，且由于离层形成条件多样性，充水水源及充水水量确定困难，现有地下水水位监测方法无法实现在同一监测孔中监测生态水源在这种扰动模式下的变化情况。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法及阻隔器，用以解决现有监测方法无法在同一监测孔中对地下多层含水层进行同时监测、无法实现离层扩容对生态直接供水水源及储备水源扰动监测的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，提供一种覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，包括以下步骤：
S1.确定采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征；
S2.根据采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征，确定监测含水层及其埋深、厚度，并钻探监测孔；
S3.根据监测含水层的埋深、厚度信息，确定渗压传感器埋设位置，制作渗压传感器串联线路，并将渗压传感器串联线路安装在监测孔中；
S4.完成渗压传感器串联线路安装后，在监测含水层与非含水层之间设置隔层，阻隔各监测含水层之间的水力联系；
S5.采集监测含水层水压数据，得到各监测含水层水压变化曲线；通过各监测含水层水压变化曲线判断各监测含水层底部是否形成地下离层水库。
进一步地，步骤S4中，采用为粘土球和混合粒径石英砂间隔回填的方式将不同监测含水层隔开。
进一步地，步骤S1中，根据地面钻孔取芯、钻孔电视成像或钻井测试曲线的方法确定采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征。
进一步地，垂向结构特征包括导水裂缝区和离层扩容区。
进一步地，导水裂缝区的高度根据以下公式计算得到：
Hf＝C·M
式中：Hf为导水裂缝带高度，m；M为煤层累计采厚，m；C为裂采比；
或者，导水裂缝区的高度利用光纤、钻井液漏失或钻孔电视的测试方式获得。
进一步地，监测含水层包括监测生态供水含水层和监测生态储备含水层，扩容区内中粒砂岩层、粗粒砂岩层均为监测生态储备含水层，上层风积沙层为监测生态供水含水层。
进一步地，步骤S2中，采用钻孔孔内电视成像矫正监测含水层埋深和厚度。
进一步地，步骤S2中，监测孔采用清水钻进，监测孔的终孔位置位于底层含水层的下伏泥岩层内。
进一步地，步骤S3中，渗压传感器的埋深位置位于各监测含水层中间位置向下宽限距离。
进一步地，步骤S3中，在光纤光栅线缆上安装用于将渗压传感器限定在监测孔中心的限位环，限位环为镂空结构，包括固定连接的内环和外环，外环的直径小于监测孔的孔径；
限位环位于渗压传感器的上方。
进一步地，步骤S3中，渗压传感器串联线路的数量为2条，同一含水层布置的两个渗压传感器具有深度差。
进一步地，步骤S3中，还设有用于监测监测含水层水温的温度监测线路；
温度监测线路设置温度传感器，各监测含水层内的温度传感器位于同一含水层布置的两个渗压传感器之间。
另一方面，提供一种用于上述覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法的阻隔器，在上述监测方法的步骤S4中，采用阻隔器将不同监测含水层隔开，阻隔器包括控制管、张开绳索、上卡位簧片、上限位簧片、上限位板、橡胶套、上支架、连接销、上移动板、上位弹簧、中限位板、下位弹簧、下移动板、下限位板、下限位簧片、下卡位簧片和下支架；
上限位板、中限位板和下限位板由监测孔孔口向孔底方向依次套设并固定在控制管上；
上移动板和下移动板套设在控制管上，并能够沿控制管上下移动；上移动板与中限位板之间设有上位弹簧，下移动板与中限位板之间设有下位弹簧；
上移动板与上限位板之间设有上支架，下移动板与下限位板之间设有下支架，上支架和下支架能够分别在上移动板、下移动板的推动下张开与收缩；
上支架和下支架的外部均包裹设有橡胶套，当上支架和下支架张开后，橡胶套在上支架和下支架的支撑作用下与监测孔的内壁挤压接触；
控制管内安装有张开绳索，控制管的径向设有用于安装上卡位簧片、下卡位簧片的上、下卡位孔、用于安装上限位簧片、下限位簧片的上、下限位孔；卡位簧片和限位簧片的一端均固定在控制管的内壁，并通过铁丝与张开绳索连接，另一端能够通过卡位孔和限位孔伸出控制管外部。
进一步地，上支架和下支架均包括多根可折叠杆，可折叠杆包括第一杆和第二杆，第一杆和第二杆通过连接销连接；
第奇数根可折叠杆的第一杆与第二杆的长度相同，第偶数根可折叠杆的第一杆的长度大于第二杆的长度。
进一步地，上支架的可折叠杆的长度小于下支架的可折叠杆长度，连接销均设置于可折叠杆的中部。
进一步地，控制管的内壁设有引导上卡位簧片、下卡位簧片伸出、缩回控制管的第一导位管和引导上限位簧片、下限位簧片伸出、缩回控制管的第二导位管。
进一步地，第一导位管的管径与卡位孔的孔径相等，第二导位管的管径与限位孔的孔径相等，第一导位管与第二导位管的轴线与控制管的轴线垂直，卡位孔和限位孔的空心分别位于第一导位管与第二导位管的轴线上，第一导位管和第二导位管的长度为控制管的管径的1/3-3/8。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果之一：
a)本发明提供的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，通过在同一勘探钻孔内不同含水层位置设置多层渗压传感器，不同含水层之间采用隔层阻断含水层之间的水力联系，渗压传感器监测结果更接近实际，操作简单，测试结果准确，能够实现对矿区多个含水层的水压同时进行监测，进而实现了在同一监测孔中对生态供水水源及生态储备水源水位的同时监测；通过判断含水层的下部是否发育地下离层水库，不仅为生态保护提供了预警，还为离层水库位置探查提供依据，对煤炭绿色开采以及地下水资源利用具有重要意义。
b)本发明提供的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，采用粘土球和混合粒径石英砂间隔回填的方式将不同监测含水层隔开，操作简单，物料来源广泛，成本低。
c)本发明提供的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，通过在监测孔中设置温度传感器监测线路，能够消除地温干扰，提高了测试结果可靠性。
d)本发明提供的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，通过在各监测含水层位置均布置有限位环，限位环为镂空结构，能够使渗压传感器和温度传感器位于监测孔的轴线上，渗压传感器和温度传感器的监测结果更接近实际，从而提高测量结果可靠性。
e)本发明提供的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，通过将渗压传感器的埋深位置设置为各监测含水层中间位置向下宽限距离设置，能够降低监测孔孔底存在岩屑沉渣对监测结果的影响，从而提高了测试结果的可靠性。
f)本发明提供的阻隔器，结构简单，阻隔器打开状时将不同监测含水层隔开，完成监测后阻隔器收起，能够从钻孔中移出，钻孔布置及收取过程操作方便，能够调整阻隔位置，而且不会损伤渗压传感器和温度传感器，阻隔器、渗压传感器和温度传感器均能够重复使用，能够显著降低成本，具有显著的经济效益。
本发明中，上述各技术方案之间能够相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中监测方法的实施流程图；
图2为本发明实施例中采矿作用下覆岩垂向结构示意图；
图3为本发明实施例中离层扩容生态水分层水压监测孔成孔设计图；
图4为本发明实施例中光纤光栅渗压传感器串联设计示意图；
图5为本发明实施例中回填示意图；
图6为本发明实施例中控制管的结构示意图；
图7为本发明实施例中阻隔器打开状态的结构示意图；
图8为本发明实施例中阻隔器收缩状态的结构示意图；
图9为监测生态储备水源含水层水压变化示意图。
附图标记：
1-离层充水空腔；2-风积沙层；3-中、粗砂岩岩层；4-粉、细砂岩、泥岩岩层；5-离层扩容区；6-导水裂缝区；7-监测生态供水水源含水层；8-第一层监测生态储备水源含水层；9-第二层监测生态储备水源含水层；10-第三层监测生态储备水源含水层；11-第四层监测生态储备水源含水层；12-渗压传感器；13-温度传感器；14-第一渗压传感器串联线路；15-第二渗压传感器串联线路；16-温度计串联；17-限位环；18-钢绞线；19-光纤光栅解调仪；20-粘土球；21-混合粒径石英砂；22-控制管；23-张开绳索；24-上卡位簧片；25-上限位簧片；26-上限位板；27-橡胶套；28-上支架；29-连接销；30-上移动板；31-上位弹簧；32-中限位板；33-下位弹簧；34-下移动板；35-下限位板；36-下限位簧片；37-下卡位簧片；38-下支架。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
本发明的一个具体实施例，公开了一种覆岩采动离层扩容引起生态水位变化的监测方法，图1示出了该监测方法的流程图，具体包括如下步骤：
S1.确定采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征。
根据地面钻孔取芯、钻孔电视成像或钻井测试曲线的方法确定采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征，采煤工作面上覆岩层垂向结构特征包括导水裂缝区和离层扩容区。煤层在开采过程中，采煤工作面上覆岩层自下而上形成导水裂缝区和离层扩容区，本步骤中需确定地层岩性、不同岩性地层厚度以及导水裂缝区和离层扩容区的范围。
其中，导水裂缝区的高度根据以下公式计算得到：
Hf＝C·M
式中：Hf为导水裂缝带(含冒落带)高度，m；M为煤层累计采厚，m；C为裂采比，无量纲。
或者，导水裂缝区的高度根据试验测试得到，如利用光纤、钻井液漏失、钻孔电视得到导水裂缝区的高度。
由于离层扩容区由导水裂缝区以上基岩层构成，因此，离层扩容区的高度根据导水裂缝区以上基岩层厚度确定。如图2所示，导水裂缝区6以上的中、粗砂岩岩层3与粉、细砂岩、泥岩岩层4岩层组合，由于岩石强度差异会在煤层开采中形成离层扩容区5，离层扩容形成的离层充水空腔1在重力及负压作用下使上覆生态供水水源含水层(风积沙层2)和生态储备水源含水层(中、粗砂岩岩层3)渗漏、积聚、充水进离层空腔。
S2.根据采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征，确定监测含水层及其埋深、厚度，并钻探监测孔。
根据步骤S1中确定的离层扩容区高度范围，将扩容区内中粒砂岩层、粗粒砂岩层定为监测生态储备含水层，同时将上层风积沙层定为监测生态供水含水层；根据监测孔钻探取芯情况确定监测生态储备含水层和监测生态供水含水层的埋深和厚度，并采用钻孔孔内电视成像矫正监测含水层埋深和厚度。
如图3所示的离层扩容生态水分层水压监测孔成孔设计图，以鄂尔多斯盆地为例，地面钻探监测孔在风积沙层设计孔径为130毫米，在砂岩岩层中设计孔径为91毫米，地面钻探监测孔的施工过程中采用清水钻进，防止泥浆封堵孔壁，地面钻探监测孔的终孔位置位于底层也即最深含水层的下伏泥岩层内，并且地面钻探监测孔钻进底部泥岩层5米终止钻进。
根据钻探岩芯岩性，或者结合钻孔电视成像以及地层含水率曲线，将风积沙层定为监测生态供水水源含水层7，将各中、粗砂岩层自上而下分别定为第一层监测生态储备水源含水层8、第二层监测生态储备水源含水层9、第三层监测生态储备水源含水层10、第四层监测生态储备水源含水层11，各监测层埋深及厚度如图3所示。
S3.根据监测含水层的埋深、厚度信息，确定渗压传感器埋设位置，在钻探监测孔中安装渗压传感器。
为获得最优监测数据，光纤光栅渗压传感器(以下简称“渗压传感器”)应位于各监测层中间，根据步骤S2获取的5层生态水源监测含水层及其埋深、厚度，并考虑到监测孔孔底5-10米岩屑沉渣，将渗压传感器的埋深位置设置为各监测含水层中间位置向下一定距离，该距离为宽限距离，设置宽限距离能够使监测结果更准确。实际应用时，根据实际情况设定宽限距离，例如，将鄂尔多斯盆地的宽限距离设置为8米-10米。
由于监测孔的实际钻进过程中，并非完全垂直钻进，监测孔不是完全垂直，而是弯曲倾斜的，为了保证每一层含水层位置均有渗压传感器且渗压传感器位于监测孔中央，监测孔中各监测含水层位置均布置有限位环，限位环固定在光纤光栅线缆上且设于渗压传感器的上方，限位环为镂空结构，包括固定连接的内环和外环，外环的直径小于监测孔的孔径，优选地，外环的直径为监测孔孔径的2/3～3/4，渗压传感器位于限位环下方，优选位于限位环下方5～20cm处，能够保证渗压传感器位于钻孔轴线上，提高测量结果可靠性
渗压传感器监测采用两路串联装置，同时为消除地温干扰，还设有用于监测监目标测含水层水温的温度监测线路，温度监测线路设置温度传感器，温度传感器位于监测含水层内。在三路光纤光栅线缆上对应位置分别装接温度传感器和渗压传感器，为防止光纤破断，将安装好的光纤光栅线缆绑扎固定在5毫米粗钢绞线上一起放入步骤S2完成的监测孔中。为精确控制温度传感器和渗压传感器下放埋深，根据地层每下降33米，地温升高1摄氏度，在下放光纤光栅线缆中实时测试温度传感器监测数据变化，根据温度传感器测试数值计算温度，采用以下公式：
T＝Kt·(λt-λt0)+T0
式中：
T——孔内测试环境温度，℃；
Kt——波长与温度的比值，一般为常数，℃/nm；
λt——温度测试波长，nm；
λt0——孔口测试波长，nm；
T0——孔口初始环境温度，℃。
如图4所示的鄂尔多斯盆地光纤光栅渗压传感器串联设计示意图，第一渗压传感器串联线路14和第二渗压传感器串联线路15分别装接5个渗压传感器12保证两个放置在监测含水层7、8、9、10、11，另外温度计串联16上装接5个温度传感器13，分别对每监测含水层进行温度测量。根据步骤S3得到的各监测含水层埋深及厚度，并考虑到监测孔孔底5-10米岩屑沉渣，渗压传感器埋深位置应为各监测含水层中间位置向下8米～10米，同一含水层布置的两个渗压传感器具有深度差，优选地，深度差为2米，温度传感器布置于同层含水层的两个渗压传感器中间位置，即温度传感器埋深位置应为各监测含水层中间位置向下9米，示例性的，第一渗压传感器串联线路上5个渗压传感器埋深自上而下分别为51米、169米、316米、381米、430米，第二渗压传感器串联线路上5个渗压传感器埋深自上而下分别为53米、171米、318米、383米、432米，温度计串联上5个温度传感器埋深自上而下分别为52米、170米、317米、382米、431米。
为防止光纤破断，将安装好的光纤光栅线缆绑扎固定在5毫米粗钢绞线18上一起放入步骤S2完成的监测孔中。
为保证渗压传感器和温度传感器位于监测孔中央，各监测含水层位置均布置有限位环17，限位环为镂空结构，直径小于钻孔孔径，渗压传感器和温度传感器设于在限位环的下部，例如，各监测层限位环埋深自上而下分别为50.8、168.8米、315.8米、380.8米、429.8米，能够保证渗压传感器位于钻孔的轴线上，提高测量结果可靠性。
S4.完成渗压传感器安装后，在监测含水层与非含水层之间设置隔层，阻隔各监测含水层之间的水力联系。
为防止不同监测含水层相互干扰，影响渗压传感器测试结果准确性，阻隔上、下两监测含水层的水力联系，确保渗压传感器测试的为单一层含水层的水压。
本实施例中阻隔上、下两监测含水层的水力联系采用粘土球20和混合粒径石英砂21间隔回填的方式将不同监测含水层隔开。具体的，完成渗压传感器安装后，对钻孔进行分层回填，监测层位置回填混合粒径石英砂21，混合粒径石英砂21包括不同粒径的中石英砂颗粒、粗石英砂颗粒，其中，中石英砂颗粒的粒径为1～2mm、粗石英砂颗粒的粒径为4～6mm；其他位置回填粘土球20防止上、下含水层之间的水力沟通。示例性的，在监测含水层7、8、9、10、11位置充填混合粒径石英砂21保证传感器与含水层保持水力联系，其余岩层位置充填直径0.5～1.5cm粘土球20，粘土球20遇水膨胀后将相邻含水层隔开。
根据步骤S2及步骤S3确定的监测层厚度和传感器位置，计算回填混合粒径石英砂21和粘土球20的用量，粘土球20回填后应间隔2小时再回填混合粒径石英砂21保证粘土球20充分膨胀与沉淀，混合粒径石英砂21回填后立即回填粘土球20。如图5所示，五层生态监测含水层7、8、9、10、11回填混合粒径石英砂21，其他非监测含水层位置回填粘土球20防止上、下含水层沟通，回填空间体积计算公式为：
V＝π·R2·h
式中：
V—回填空间，m3；
π—圆周率，取值3.14；
R—监测孔半径，m；
h—回填层厚度，m。
根据步骤S2及S3确定监测孔半径R和回填层厚度h计算回填空间，基于石英砂的密度为每立方米1.5吨，粘土球20的密度为每立方米1.3吨，上述密度是指松散状态下石英砂颗粒或吸水崩解后粘土球占的体积。计算得到监测含水层7、8、9、10、11回填中、粗石英砂用量分别为0.8吨、0.47吨、0.39吨、0.42吨、0.21吨，回填粘土球用量自上而下分别为0.33吨、0.75吨、0.86吨、0.4吨、0.14吨。
为了保证含水层的分隔效果，石英砂回填后立即回填粘土球，粘土球20回填后间隔2小时再回填石英砂颗粒，保证粘土球20充分膨胀与沉淀，进而形成稳定的隔水层，保证含水层的分隔效果。
为了使监测环境更接近真实的地层环境，对含水层岩心进行孔隙度检测，根据监测含水层岩芯孔隙度测试结果，配比不同粒径的石英砂颗粒，使配比后的石英颗粒组合的孔隙度等于含水层岩芯孔隙度测试结果，通过配比不同粒径石英砂并使之混合，能够使渗压传感器测试环境更接近真实环境。
S5.采集监测含水层水压数据，得到各监测含水层水压变化曲线；通过各监测含水层水压变化曲线判断各监测含水层底部是否形成地下离层水库。
S51.利用渗压传感解调器采集监测含水层的水压变化波长，并根据波长计算水压变化值，得到各监测含水层水压变化曲线，具体步骤为：
根据工作面的开采深度和超前影响角，计算超前影响距，确定人工监测开始时间和结束时间，在监测孔前后超前影响距范围内生态水源扰动受采矿影响大，超前影响距范围外生态水源扰动受采矿影响，因此超前影响距范围外不需要监测。
其中，超前影响距L计算公式如下：
Figure BDA0002289658530000131
式中：L为超前影响距，m；h为开采深度，m；w为超前影响角，°。
监测含水层分层水压变化值的计算公式为下式：
P＝KP[(λB-λB0)+KT(T-T0)]
式中：
P——计算水压力，MPa；
KP——传感器压力与波长的比值，一般为常数，MPa/nm；
KT——波长偏移值与温度的比值，一般为常数，nm/℃；
λB0——光纤光栅波长测试初始值，nm；
λB——水压力测试时的波长，nm；
T0——外界初始环境温度，℃；
T——外界测试环境温度，℃。
基于上述含水层分层水压变化值计算公式计算的水压变化值，绘制各监测含水层的水压变化曲线。
S52.根据各监测含水层水压变化曲线判断各监测含水层底部是否形成地下离层水库。
相关研究发现在一个水文年内若地下水位埋深大于4米，则草原植被将大规模退化，因此监测生态供水含水层水压变化若发现小于煤层开采前水压0.04Mpa时间长于当地一个水文年，将利用深井将生态储备水层水源抽至地面对草场进行喷灌保持生态供水含水层水位稳定。由于采煤形成的离层扩容空腔对生态储备水源含水层也会形成不同程度的影响，与传统的导水裂隙区水源扰动不同的是，储备水源含水层的水没有渗漏进采空区而是集聚在离层吸水空腔内，形成地下离层水库。
如图9所示，根据计算的各监测含水层水压变化值作水压变化曲线，根据曲线分析发现第一层监测生态储备水源含水层8、第二层监测生态储备水源含水层9、第四层监测生态储备水源含水层11在煤层开采期间水压变化波动很小，第三层监测生态储备水源含水层10水压变化曲线有明显下降、上升，说明由于煤层采动上覆岩层发生不均匀沉降形成在含水层10底部离层空腔，水层水源在离层空腔内积聚从而形成地下离层水库，离层水库的大小不但与第三层监测生态储备水源含水层10水压变化幅度有关，还与水压变化时间有关，从而通过两者变化能够判断地下离层水库积水规模。
根据监测的4层生态储备水源含水层水压变化曲线，能够判断含水层底部是否形成地下离层水库，且根据水压变化程度及变化时间判断水库规模。若含水层的底部形成了地下离层水库，当监测到生态供水含水层的水压变化小于煤层开采前水压0.04Mpa时间长于当地一个水文年，利用深井将地下离层水库中的水，也即将生态储备水层水源抽至地面对草场进行喷灌保持生态供水含水层水位稳定；或者，直接将地下离层水库中的水抽出，供居民或工业用水。由于储备水源含水层的水不需要流经煤层，地下离层水库水源储备较采空区水源储备具有明显的清洁、能够直接使用等优势，减少了人为对生态水源的污染。
与现有技术相比，本实施例提供了一种煤层开采对生态水源扰动的新型模式-覆岩采动离层扩容充水影响生态水源，进而破坏生态环境，并首次提出地下离层水库的概念，弥补了以往覆岩离层监测只关注矿山水害忽略水源保护的空白，分别对矿区地下多个含水层进行监测，便于查清离层空腔充水水源，利于相关工作人员采取相对应的防治措施。另外，针对生态供水水源及生态储备水源水位同时进行监测，不仅为生态保护提供了预警，还为后期地下离层水库建设提供依据，对煤炭绿色开采及地下水资源利用具有重要意义。采用粘土球和混合粒径石英砂间隔回填的方式将不同监测含水层隔开，操作简单，物料来源广泛，成本低。通过在监测孔中设置温度传感器监测线路，能够消除地温干扰，通过在各监测含水层位置均布置有限位环，限位环为镂空结构，能够使渗压传感器和温度传感器位于监测孔的轴线上，渗压传感器和温度传感器的监测结果更接近实际，从而提高测量结果可靠性。
实施例二
本发明的又一实施例，与实施例一的区别在于，步骤S4中，完成渗压传感器安装后，在监测含水层与非含水层之间设置隔层的方式不同，本实施例采用阻隔器阻隔各监测含水层之间的水力联系。
利用阻隔器将不同监测含水层隔开，阻隔器的布置位置包括以下几种方式：第一种布置方式，每层监测含水层配套设置两个阻隔器，具体的，在监测含水层上覆、下伏岩层中央位置布设阻隔器，或者，在监测含水层上覆岩层的下部、下伏岩层的上部位置布设阻隔器，并且阻隔器不妨碍含水层内高度范围内的水流动；第二种布置方式，每层监测含水层配套设置一个阻隔器，在监测含水层上覆岩层或者在监测含水层下伏岩层的中央位置布设阻隔器，或者，在监测含水层上覆岩层的下部或者在监测含水层下伏岩层的上部位置布设阻隔器。示例性的，鄂尔多斯盆地的阻隔器布设方式采用第二种方式时，根据步骤S2、S3，确定阻隔5层监测含水层共需要4个阻隔器，各阻隔器自上而下设计埋深分别为113米、238米、341米、404米。其中，阻隔器在监测孔内下放过程中，阻隔器为收缩状态，当阻隔器下放至预定位置后通过连接装置使阻隔器张开，阻隔器与监测孔孔壁紧密接触，从而达到隔水效果。
本实施例中的阻隔器如图6至图8所示，阻隔器包括控制管22、张开绳索23、上卡位簧片24、上限位簧片25、上限位板26、橡胶套27、上支架28、连接销29、上移动板30、上位弹簧31、中限位板32、下位弹簧33、下移动板34、下限位板35、下限位簧片36、下卡位簧片37和下支架38。如图6所示，控制管22按照阻隔器安装位置采用螺栓连接固定在钢绞线上，上限位板26、中限位板32和下限位板35的中心均设有通孔，上限位板26、中限位板32和下限位板35由监测孔孔口向孔底方向依次通过通孔套设并固定在控制管22上；
上移动板30和下移动板34的中心设有通孔，上移动板30和下移动板34套设在控制管22上，并能够沿控制管22上下移动；上移动板30与中限位板32之间的控制管22上套设有上位弹簧31，下移动板34与中限位板32之间的控制管22上套设有下位弹簧33；
上移动板30与上限位板26之间设有上支架28、下移动板34与下限位板35之间设有下支架38；其中，上移动板30与下移动板34的结构相同，上限位板26与下限位板35的结构相同，上支架28与下支架38的结构相同(可简称“支架”)。上支架28与下支架38均包括多根可折叠杆，可折叠杆包括第一杆和第二杆，第一杆和第二杆通过连接销29连接，支架在上移动板30、下移动板34的推动下张开与收缩；上支架28的第一杆与上限位板26可转动连接，上支架28的第二杆与上移动板30可转动连接，下支架38的第一杆与下限位板35可转动连接，下支架38的第二杆与下移动板34可转动连接。上支架28和下支架38的外部均包裹设有橡胶套27，橡胶套27将上支架28、上移动板30、上位弹簧31、中限位板32、下位弹簧33、下移动板34和下支架38包裹起来。橡胶套27具有一定的厚度，当上支架28和下支架38张开后，橡胶套27在上支架28和下支架38的支撑作用下与监测孔的内壁挤压接触，从而阻隔上、下含水层的水力联系。
控制管22为空心管，控制管22内安装有张开绳索23；控制管22的管壁设有用于安装上卡位簧片24、下卡位簧片37的上、下卡位孔、用于安装上限位簧片25、下限位簧片36的上、下限位孔，卡位孔和限位孔沿控制管22的径向设置，上、下卡位孔以中限位板32呈对称设置，上、下限位孔以中限位板32呈对称设置；上、下卡位簧片和上、下限位簧片的一端均采用螺丝连接固定在控制管22的内壁，并通过铁丝与张开绳索23连接，另一端能够通过卡位孔和限位孔伸出控制管22外部。上、下卡位簧片和上、下限位簧片能够在张开绳索23的拉动下，使伸出控制管22外的部分缩回至控制管22内部，当松开张开绳后，上、下卡位簧片和上、下限位簧片能够在复位弹力的作用下伸出控制管22的外部。上限位簧片25、下限位簧片36在下放过程中限制上移动板30和下移动板35上、下滑动，使上、下弹簧压缩，保证了上支架28、下支架38的闭合状态。上卡位簧片24、下卡位簧片37能够卡住上、下移动板，防止在水压力作用下移动板压缩弹簧从而保持上支架28和下支架38的持续打开状态。
阻隔器为初始状态时，也即收起状态时，上、下卡位簧片和上、下限位簧片均伸出控制管22的外部，并且上移动板30和下移动板34被限定在上限位簧片25、下限位簧片36之间，此时，上位弹簧31和下位弹簧33均为压缩状态，上支架28与下支架38均为收起状态，第一杆与第二杆之间的角度在160°-180°之间，保证阻隔器收缩的直径小于监测孔的孔径。
当需要使用阻隔器阻隔含水层之间的水力联系时，拉动张开绳索23，使上、下卡位簧片和上、下限位簧片伸出控制管22外的部分缩回至控制管22内部，上移动板30和下移动板34失去上、下限位簧片的限制，由于上位弹簧31和下位弹簧33均为压缩状态，上移动板30在上位弹簧31的作用下向上运动，下移动板34在下位弹簧33的作用下向下运动，将上支架28和下支架38打开，此时上卡位簧片24、下卡位簧片37位于上移动板30与下移动板34之间；当上支架28和下支架38打开后，松开张开绳索23，上、下卡位簧片和上、下限位簧片能够在各自复位弹力的作用下伸出控制管22的外部，上、下卡位簧片分别将上限位板30和下限位板34卡住，阻碍上限位板30和下限位板34的上下移动，使上支架28和下支架38保持张开状态，橡胶套27在上支架28和下支架的支撑作用下与监测孔的内壁挤压接触，从而阻隔上、下含水层的水力联系。
由于含水层存在一定水压，当阻隔器完整张开后，阻隔器的上部和下部均受到承受水压，即上支架28承受上层含水层向下的水力压力，下支架38承受下层含水层向上的水力压力。由于卡位簧片24伸出控制管22，限制上移动板30和下移动板34沿控制管22上下移动。当完成监测后，需要将阻隔器从监测孔移出，提拉张开绳索23使上、下限位簧片和上、下卡位簧片回缩至控制管22内部，同时用力提拉主钢丝绳，上移动板30和下移动板34失去上、下卡位簧片的限制，上支架在上层含水层向上的水力压力下、下支架38在下含水层向上的水力压力作用下收缩，使上移动板30向下移动并压缩上位弹簧31，下移动板34向上移动并压缩下位弹簧33，当上支架28与下支架38的最粗位置小于监测孔的孔径时，拉动钢丝绳，将阻隔器从监测孔移出。在移出阻隔器过程中，张开绳索23始终为拉紧状态，上、下限位簧片和上、下卡位簧片始终位于控制管22的内部。通过设置阻隔器将不同监测含水层隔开，阻隔器结构简单，阻隔器打开状时将不同监测含水层隔开，完成监测后阻隔器收起，能够从钻孔中移出，钻孔布置及收取过程操作方便，能够调整阻隔位置，而且不会损伤渗压传感器和温度传感器，阻隔器、渗压传感器和温度传感器均能够重复使用，能够显著降低成本，具有显著的经济效益。
考虑到监测孔的孔壁并非光滑，而是凹凸不平的，为了提高阻隔效果，可折叠杆的折叠位置差别设置。示例性的，支架包括多根可折叠杆，第奇数根可折叠杆的第一杆与第二杆的长度相同，第偶数根可折叠杆的第一杆的长度大于第二杆的长度。进一步地，第偶数根可折叠杆的第一杆与第二杆的长度差递增设置。此结构设置的支架，张开状态时，最粗位置并不在同一平面，能够克服因监测孔孔壁存在凹陷或凸起导致阻隔效果差的缺陷。
为了进一步提升阻隔器的阻隔效果，上支架28的结构与下支架38的结构不同，区别在于，上支架28的可折叠杆的长度小于下支架38的可折叠杆长度，连接销均设置于可折叠杆的中部，第一杆与第二杆的长度相同。当上支架28和下支架38完全张开后，下支架38最大横截面面积大于上支架28最大横截面面积，并且上支架28的最大横截面积大于监测孔的截面面积。此结构设置，下支架38与监测孔孔壁的作用力大于上支架28与监测孔孔壁的作用力，在保证上支架28的有效支撑前提下，提高下支架38与监测孔孔壁的作用力，有效地解决了因含水层水力压力过大或者孔壁存在凹陷或凸起等缺陷引起的阻隔效果差的问题，提高了阻隔器的工作稳定性，进而提升了测试结果准确性和成功率。
由于阻隔器在使用过程中，上、下卡位簧片需通过控制管22上设置的卡位孔伸出、缩回，上、下限位簧片通过控制管22上设置的限位孔伸出、缩回。为了保证上、下卡位簧片和上、下限位簧片能够顺利的缩进、伸出，控制管22的内壁设有引导上、下卡位簧片伸出、缩回控制管22的第一导位管、引导上、下限位簧片伸出、缩回控制管22的第二导位管，第一导位管的管径与卡位孔的孔径相等，第二导位管的管径与限位孔的孔径相等，第一导位管与第二导位管的轴线与控制管的轴线垂直，卡位孔和限位孔的空心分别位于第一导位管与第二导位管的轴线上，第一导位管和第二导位管的长度为控制管22的管径的1/3-3/8。此结构设计，能够有效地防止因上、下卡位簧片和上、下限位簧片变形无法伸出或缩回控制管22内，提升了阻隔器的工作稳定性。
本实施例中，上限位板26与下限位板35四周焊接有圆环，与上支架28、下支架38的末端圆环连接，实现上支架28、下支架38末端的转动。上移动板30、下移动板34中间打孔穿过控制管22能够在弹簧作用下沿着控制管22上下滑动，且移动板四周焊接圆环，与支架28下末端圆环连接，保证支架下末端的转动。
与现有技术相比，本实施例提供的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，通过设置阻隔器将不同监测含水层隔开，阻隔器结构简单，阻隔器打开状时将不同监测含水层隔开，完成监测后阻隔器收起，能够从钻孔中移出，钻孔布置及收取过程操作方便，能够调整阻隔位置，而且不会损伤渗压传感器和温度传感器，阻隔器、渗压传感器和温度传感器均能够重复使用，能够显著降低成本，具有显著的经济效益。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.确定采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征；
S2.根据采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征，确定监测含水层及其埋深、厚度，并钻探监测孔；
S3.根据监测含水层的埋深、厚度信息，确定渗压传感器（12）埋设位置，制作渗压传感器串联线路，并将渗压传感器串联线路安装在监测孔中；
S4.在监测含水层与非含水层之间设置隔层，阻隔各监测含水层之间的水力联系；
S5.采集监测含水层水压数据，得到各监测含水层水压变化曲线；通过各监测含水层水压变化曲线判断各监测含水层底部是否形成地下离层水库；
步骤S3中，在光纤光栅线缆上安装用于将渗压传感器（12）限定在监测孔中心的限位环（17）；
步骤S3中，渗压传感器串联线路的数量为2条，同一含水层布置的两个渗压传感器（12）具有深度差；
步骤S4中，采用粘土球（20）和混合粒径石英砂（21）间隔回填的方式将不同监测含水层隔开；
回填空间体积计算公式为：
V=π·R2·h
式中：V—回填空间，m3；π—圆周率，取值3.14；R—监测孔半径，m；h—回填层厚度，m；
步骤S4中，对含水层岩心进行孔隙度检测，根据含水层岩芯孔隙度测试结果，配比不同粒径的石英砂颗粒，使配比后的石英颗粒组合的孔隙度等于含水层岩芯孔隙度测试结果。
2.根据权利要求1所述的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，其特征在于，步骤S1中，根据地面钻孔取芯、钻孔电视成像或钻井测试曲线的方法确定采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征。
3.根据权利要求2所述的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，其特征在于，所述垂向结构特征包括导水裂缝区（6）和离层扩容区（5）。
4.根据权利要求1所述的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，其特征在于，导水裂缝区（6）的高度根据以下公式计算得到：
Hf =C·M
式中：Hf为导水裂缝带高度，m；M为煤层累计采厚，m；C为裂采比；
或者，导水裂缝区（6）的高度利用光纤、钻井液漏失或钻孔电视的测试方式获得。
5.根据权利要求1所述的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，其特征在于，所述监测含水层包括监测生态供水含水层和监测生态储备含水层，离层扩容区（5）内中粒砂岩层、粗粒砂岩层均为监测生态储备含水层，上层风积沙层（2）为监测生态供水含水层。
6.根据权利要求1所述的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，其特征在于，步骤S2中，采用钻孔孔内电视成像矫正监测含水层埋深和厚度。
7.根据权利要求1所述的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，其特征在于，步骤S2中，监测孔采用清水钻进，监测孔的终孔位置位于底层含水层的下伏泥岩层内。
8.根据权利要求1所述的覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法，其特征在于，步骤S3中，渗压传感器（12）的埋深位置位于各监测含水层中间位置向下宽限距离。
9.一种用于覆岩采动离层扩容引起生态水源扰动的监测方法的阻隔器，其特征在于，所述监测方法包括：
S1.确定采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征；
S2.根据采煤工作面上覆岩层岩性及垂向结构特征，确定监测含水层及其埋深、厚度，并钻探监测孔；
S3.根据监测含水层的埋深、厚度信息，确定渗压传感器埋设位置，制作渗压传感器串联线路，并将渗压传感器串联线路安装在监测孔中；
S4.完成渗压传感器串联线路安装后，采用所述阻隔器阻隔各监测含水层之间的水力联系；
S5.采集监测含水层水压数据，得到各监测含水层水压变化曲线；通过各监测含水层水压变化曲线判断各监测含水层底部是否形成地下离层水库；
所述阻隔器包括控制管（22）、张开绳索（23）、上卡位簧片（24）、上限位簧片（25）、上限位板（26）、橡胶套（27）、上支架（28）、连接销（29）、上移动板（30）、上位弹簧（31）、中限位板（32）、下位弹簧（33）、下移动板（34）、下限位板（35）、下限位簧片（36）、下卡位簧片（37）和下支架（38）；
上限位板（26）、中限位板（32）和下限位板（35）由监测孔孔口向孔底方向依次套设并固定在控制管（22）上；
上移动板（30）与上限位板（26）之间设有上支架（28），下移动板（34）与下限位板（35）之间设有下支架（38）；
上支架（28）和下支架（38）的外部均包裹设有橡胶套（27），当上支架（28）和下支架（38）张开后，橡胶套（27）在上支架（28）和下支架（38）的支撑作用下与监测孔的内壁挤压接触；
张开绳索（23）安装在控制管（22）内，控制管（22）径向设有用于安装上卡位簧片（24）、下卡位簧片（37）的上、下卡位孔以及用于安装上限位簧片（25）、下限位簧片（36）的上、下限位孔；上卡位簧片（24）、下卡位簧片（37）、上限位簧片（25）、下限位簧片（36）的一端均固定在控制管（22）的内壁，并通过铁丝与张开绳索（23）连接，另一端能够通过上、下卡位孔和上、下限位孔伸出控制管（22）外部；
控制管（22）的内壁设有引导上卡位簧片（24）、下卡位簧片（37）伸出与缩回控制管（22）的第一导位管和引导上限位簧片（25）、下限位簧片（36）伸出与缩回控制管（22）的第二导位管；第一导位管的管径与卡位孔的孔径相等，第二导位管的管径与限位孔的孔径相等，第一导位管与第二导位管的轴线与控制管（22）的轴线垂直，卡位孔和限位孔的孔心分别位于第一导位管与第二导位管的轴线上；
上限位板（26）与下限位板（35）的四周均焊接有圆环，与上支架（28）、下支架（38）的末端圆环连接，实现上支架（28）、下支架（38）末端的转动；
上支架（28）和下支架（38）均包括多根可折叠杆，可折叠杆包括第一杆和第二杆，第一杆和第二杆通过连接销（29）连接；
第奇数根可折叠杆的第一杆与第二杆的长度相同，第偶数根可折叠杆的第一杆的长度大于第二杆的长度；
上支架（28）的可折叠杆的长度小于下支架（38）的可折叠杆长度，连接销（29）均设置于可折叠杆的中部。
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