CN110988502B - 一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法，涉及矿井煤岩动力灾害监测预警技术领域。该方法首先对待监测区域的煤层及其顶板进行冲击倾向性鉴定，获得应力分布规律，统计分析煤层赋存的地质因素与开采技术因素，进而划分待监测区域的煤岩动力破坏危险等级；然后确定不同危险等级区域的电场强度测站位置、数量、测站间距及每个测站的测孔数量和测孔间距；确定测孔深度与直径；将电场强度探头送入测孔底，并将电场强度探头的电缆插头与监测主机相连，进行监测；最后，通过监测主机记录存储各危险区域测孔内的电场强度变化，实现对待监测区域煤岩动力灾害的分析预警。
Description
技术领域
本发明涉及矿井煤岩动力灾害监测预警技术领域，尤其涉及一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法。
背景技术
随着煤炭逐步进入深部开采，目前煤岩动力灾害已成为矿山开采中最严重灾害之一，每年都会发生重大安全事故，造成大量人员伤亡与财产损失，由于其发生机理复杂，具有突发性，监测预警异常困难。虽然监测预警技术在不断发展，如微震、地音、应力与电磁辐射等，但其仍然是煤岩动力灾害防治体系中最为薄弱的环节，因此，针对煤岩动力灾害的监测需要继续探寻并发展新的监测技术。
实验发现，当煤岩体受载变形破坏过程中，破裂的煤岩体周围电场强度也在不断变化，通过传感器感应到煤岩破裂所产生的电场强度信号，就可利用该电场强度信号的演化规律来掌握煤岩变形破裂的力学进程，这是一种全新的监测预警手段。为了提高预警的准确率，发挥其最大的监测效果，应在不同动力灾害危险等级的区域内科学合理地布置电场强度测站及其数量、测站间距、每个测站的测孔数量及其测孔间距、测孔深度与钻孔装置的设备选型等，这可为提高煤矿动力灾害的预警准确率提供基础。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法，实现对矿井煤岩破裂所产生的电场强度变化进行监测。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法，包括以下步骤：
步骤1、获取待监测区域的煤层及其顶板岩样，并分别对煤层及其顶板岩样进行冲击倾向性鉴定；对待监测区域进行三维数值模拟计算，获得待监测区域的应力分布规律；统计分析煤层赋存的地质因素与开采技术因素；基于《防治煤矿冲击地压细则》中多因素耦合的综合指数法，将煤岩动力破坏危险性分为无、弱、中与强四个等级，并按照上述综合指数法的等级评价标准，划分待监测区域的危险等级；
所述的地质因素，包括：开采深度，断层构造的性质、落差与分布密度，褶曲煤层倾角变化剧烈程度与分布密度，煤层侵蚀、合层与厚度变化程度，上覆坚硬岩层与煤层距离；
所述的开采技术因素，包括：保护层卸压程度，工作面距上保护层开采遗留煤柱的水平距离，工作面与临近采空区的关系，工作面倾向长度，区段煤柱宽度，留底煤厚度，向采空区掘进的巷道的停掘位置与采空区的距离，向采空区推进的工作面的停采线与采空区的距离，向落差大于3m断层推进的工作面或巷道与断层的距离，向煤层倾角剧烈变化的向斜或背斜推进的工作面或巷道与其轴部的距离，向煤层侵蚀、合成或厚度变化部分推进的工作面或巷道与煤层变化部分的距离；
所述煤层的冲击倾向性包括：动态破坏时间，弹性能量指数，冲击能量指数及单轴抗压强度；所述煤层的顶板冲击倾向性包括：弯曲能量指数；
步骤2、根据步骤1得到的不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域，进而确定各危险区域电场强度测站位置及其数量、测站间距与每个测站的测孔数量及其测孔间距；
步骤2-1、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域所布置的电场强度测站间距；
若根据步骤1的评价结果为无危险区域，则不需要进行监测；若评价结果为弱危险区域，则电场强度测站间距为15m；若结果为中等危险区域，则电场强度测站间距为10m；若结果为强危险区域，则电场强度测站间距为5m；
步骤2-2、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域所布置的电场强度测站个数；
若计算出在不同等级危险区内域的巷道长度分别为L1，L2与L3，不同等级危险区域内两个相邻测站之间的间距分别为d1，d2与d3，则弱危险区域内测站数量N1＝[L1/d1]+1，中等危险区域内测站数量N2＝[L2/d2]+1，强危险区域内测站数量N3＝[L3/d3]+1，待监测区域内测站总数为N＝N1+N2+N3，其中，[L/d]为比L/d小的最大正整数；
步骤2-3、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域所布置的电场强度测站起点；
临近回采工作面一侧且位于各危险区内巷道的端头处布置第一个测站，然后沿着工作面推进的方向，并根据步骤2-2中的要求，直至在巷道内布置完所有测站；
步骤2-4、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域各电场强度测站布置的测孔数量、探头个数及测孔之间的距离；
根据井下作业的实际情况，每个测站沿工作面走向布置1个，2个或3个测孔，每个测孔送入1个探头；若巷道测站位于弱危险区域，则每个测站布置1个测孔；若测站位于中等危险区域，则每个测站需布置2个测孔；若测站位于强危险区域，则每个测站布置3个测孔；若测孔的半径为r，为了避免测站中多个测孔之间的互相影响，并依据矿山压力理论计算，选取两个相邻的测孔之间的距离为3r至5r之间；
步骤3、在不同危险区域，垂直于巷道两帮的煤壁中部且沿着煤层的倾斜方向打测孔，以巷道围岩的锚杆锚固深度或围岩松动破坏范围为参考，确定测孔深度；根据电场强度探头的直径来确定测孔直径，根据测孔直径选取合适的钻机与钻头型号；
步骤3-1、通过超声探测结合钻孔窥视测定巷道的松动破坏平均深度或者根据巷道锚杆的锚固深度来确定测孔的深度；
若在弱危险区域，测站中布置1个测孔，测孔的深度为h；若在中等危险区域，沿着工作面回采方向依次布置2个测孔，其深度依次为h与h+1；若在强危险区域，沿着工作面回采方向依次布置3个测孔，其深度依次为h-1，h与h+1；该步骤所述的深度都是以米为单位进行计算；
步骤3-2、根据电场强度探头的直径来确定测孔直径；
步骤4、打钻完成后，将电场强度探头送入测孔底，将电场强度探头的电缆插头与监测主机相连，进行电场强度监测；
步骤5、通过监测主机记录存储各危险区域布置的测孔内电场强度的变化，实现对所监测区域煤岩动力灾害的分析预警。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法，针对煤岩动力破坏不同危险等级的危险区域，合理确定了电场强度测站位置及其数量、测站间距与每个测站的测孔数量；依据松动范围的井下实测并结合理论计算，科学地确定了测站中测孔的深度、测孔之间的间距与钻孔装备的选型；本发明方法可更加有效地监控整个采场的动力破坏程度，也可大大提高煤岩动力灾害预测预报的准确率，为煤岩动力破坏的解危防治打下良好的基础条件。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中，一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、获取待监测区域的煤层及其顶板岩样，并分别对煤层及其顶板岩样进行冲击倾向性鉴定；对待监测区域进行三维数值模拟计算，获得待监测区域的应力分布规律；统计分析煤层赋存的地质因素与开采技术因素；基于《防治煤矿冲击地压细则》中多因素耦合的综合指数法，将煤岩动力破坏危险性分为无、弱、中与强四个等级，并按照上述综合指数法的等级评价标准，划分待监测区域的危险等级；
所述的地质因素，包括：开采深度，断层构造的性质、落差与分布密度，褶曲煤层倾角变化剧烈程度与分布密度，煤层侵蚀、合层与厚度变化程度，上覆坚硬岩层与煤层距离；
所述的开采技术因素，包括：保护层卸压程度，工作面距上保护层开采遗留煤柱的水平距离，工作面与临近采空区的关系，工作面倾向长度，区段煤柱宽度，留底煤厚度，向采空区掘进的巷道的停掘位置与采空区的距离，向采空区推进的工作面的停采线与采空区的距离，向落差大于3m断层推进的工作面或巷道与断层的距离，向煤层倾角剧烈变化的向斜或背斜推进的工作面或巷道与其轴部的距离，向煤层侵蚀、合成或厚度变化部分推进的工作面或巷道与煤层变化部分的距离；
所述煤层的冲击倾向性包括：动态破坏时间，弹性能量指数，冲击能量指数及单轴抗压强度；所述煤层的顶板冲击倾向性包括：弯曲能量指数；
步骤2、根据步骤1得到的不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域，进而确定各危险区域电场强度测站位置及其数量、测站间距与每个测站的测孔数量及其测孔间距；
步骤2-1、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域所布置的电场强度测站间距；
若根据步骤1的评价结果为无危险区域，则不需要进行监测；若评价结果为弱危险区域，则电场强度测站间距为15m；若结果为中等危险区域，则电场强度测站间距为10m；若结果为强危险区域，则电场强度测站间距为5m；
步骤2-2、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域所布置的电场强度测站个数；
若计算出在不同等级危险区内域的巷道长度分别为L1，L2与L3，不同等级危险区域内两个相邻测站之间的间距分别为d1，d2与d3，则弱危险区域内测站数量N1＝[L1/d1]+1，中等危险区域内测站数量N2＝[L2/d2]+1，强危险区域内测站数量N3＝[L3/d3]+1，待监测区域内测站总数为N＝N1+N2+N3，其中，[L/d]为比L/d小的最大正整数；
步骤2-3、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域所布置的电场强度测站起点；
临近回采工作面一侧且位于各危险区内巷道的端头处布置第一个测站，然后沿着工作面推进的方向，并根据步骤2-2中的要求，直至在巷道内布置完所有测站；
步骤2-4、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域各电场强度测站布置的测孔数量、探头个数及测孔之间的距离；
根据井下作业的实际情况，每个测站沿工作面走向布置1个，2个或3个测孔，每个测孔送入1个探头；若巷道测站位于弱危险区域，则每个测站布置1个测孔；若测站位于中等危险区域，则每个测站需布置2个测孔；若测站位于强危险区域，则每个测站布置3个测孔；若测孔的半径为r，为了避免测站中多个测孔之间的互相影响，并依据矿山压力理论计算，选取两个相邻的测孔之间的距离为3r至5r之间；
步骤3、在不同危险区域，垂直于巷道两帮的煤壁中部且沿着煤层的倾斜方向打测孔，以巷道围岩的锚杆锚固深度或围岩松动破坏范围为参考，确定测孔深度；根据电场强度探头的直径来确定测孔直径，根据测孔直径选取合适的钻机与钻头型号；
步骤3-1、通过超声探测结合钻孔窥视测定巷道的松动破坏平均深度或者根据巷道锚杆的锚固深度来确定测孔的深度；
若在弱危险区域，测站中布置1个测孔，测孔的深度为h；若在中等危险区域，沿着工作面回采方向依次布置2个测孔，其深度依次为h与h+1；若在强危险区域，沿着工作面回采方向依次布置3个测孔，其深度依次为h-1，h与h+1；该步骤所述的深度都是以米为单位进行计算；
步骤3-2、根据电场强度探头的直径来确定测孔直径；
本实施例中选用风锚钻进行钻孔，选取直径40mm钎杆与直径为42mm的锚头打孔，钻杆每推进1m，需回拉3次，尽可能将孔内的煤粉排出干净，避免在监测过程中探头与煤粉大面积接触而影响监测效果。若存在塌孔现象，应该及时补打。
步骤4、打钻完成后，将电场强度探头送入测孔底，将电场强度探头的电缆插头与监测主机相连，进行电场强度监测；
打钻完成后，用连接杆将探头送入孔底，在送入的过程中尽量不要与煤粉接触，避免煤粉干扰探头对信号的接收，待接触孔底后，向孔外回拉50mm，控制电场强度探头与测孔底的距离，使其保持在50mm至80mm范围内。安装探头完毕后，将探头电缆插头与监测主机相连，开始进行监测；
步骤5、通过监测主机记录存储各危险区域布置的测孔内电场强度的变化，实现对所监测区域煤岩动力灾害的分析预警。
通过监测主机观测电场强度曲线是否存在硬件设备所造成的信号异常情况，若无异常，则开始采集并存储电场强度信号数据，记录测孔编号、监测开始时间和结束时间，每个测孔监测20分钟左右，监测完毕后，关闭监测主机电源，拉动连接杆将探头取出，用防静电的干布擦除探头上的煤粉，再进行下其它测孔的监测，直至全部测孔监测完毕，在地面读取数据，进行数据处理分析，评估所监测区域发生煤岩动力灾害的危险程度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (2)
1.一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、获取待监测区域的煤层及其顶板岩样，并分别对煤层及其顶板岩样进行冲击倾向性鉴定；对待监测区域进行三维数值模拟计算，获得待监测区域的应力分布规律；统计分析煤层赋存的地质因素与开采技术因素；基于《防治煤矿冲击地压细则》中多因素耦合的综合指数法，将煤岩动力破坏危险性分为无、弱、中与强四个等级，并按照上述综合指数法的等级评价标准，划分待监测区域的危险等级；
步骤2、根据步骤1得到的不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域，进而确定各危险区域电场强度测站位置及其数量、测站间距与每个测站的测孔数量及其测孔间距；
步骤3、在不同危险区域，垂直于巷道两帮的煤壁中部且沿着煤层的倾斜方向打测孔，以巷道围岩的锚杆锚固深度或围岩松动破坏范围为参考，确定测孔深度；根据电场强度探头的直径来确定测孔直径，根据测孔直径选取合适的钻机与钻头型号；
步骤4、打钻完成后，将电场强度探头送入测孔底，将电场强度探头的电缆插头与监测主机相连，进行电场强度监测；
步骤5、通过监测主机记录存储各危险区域布置的测孔内电场强度的变化，实现对所监测区域煤岩动力灾害的分析预警；
所述步骤2的具体方法为：
步骤2-1、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域所布置的电场强度测站间距；
若根据步骤1的评价结果为无危险区域，则不需要进行监测；若评价结果为弱危险区域，则电场强度测站间距为15m；若结果为中等危险区域，则电场强度测站间距为10m；若结果为强危险区域，则电场强度测站间距为5m；
步骤2-2、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域所布置的电场强度测站个数；
若计算出在不同等级危险区内域的巷道长度分别为L1，L2与L3，不同等级危险区域内两个相邻测站之间的间距分别为d1，d2与d3，则弱危险区域内测站数量N1＝[L1/d1]+1，中等危险区域内测站数量N2＝[L2/d2]+1，强危险区域内测站数量N3＝[L3/d3]+1，待监测区域内测站总数为N＝N1+N2+N3，其中，[L/d]为比L/d小的最大正整数；
步骤2-3、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域所布置的电场强度测站起点；
临近回采工作面一侧且位于各危险区内巷道的端头处布置第一个测站，然后沿着工作面推进的方向，并根据步骤2-2中的要求，直至在巷道内布置完所有测站；
步骤2-4、确定不同煤岩动力破坏危险等级对应的危险区域各电场强度测站布置的测孔数量、探头个数及测孔之间的距离；
根据井下作业的实际情况，每个测站沿工作面走向布置1个，2个或3个测孔，每个测孔送入1个探头；若巷道测站位于弱危险区域，则每个测站布置1个测孔；若测站位于中等危险区域，则每个测站需布置2个测孔；若测站位于强危险区域，则每个测站布置3个测孔；若测孔的半径为r，为了避免测站中多个测孔之间的互相影响，并依据矿山压力理论计算，选取两个相邻的测孔之间的距离为3r至5r之间；
所述步骤3的具体方法为：
步骤3-1、通过超声探测结合钻孔窥视测定巷道的松动破坏平均深度或者根据巷道锚杆的锚固深度来确定测孔的深度；
若在弱危险区域，测站中布置1个测孔，测孔的深度为h；若在中等危险区域，沿着工作面回采方向依次布置2个测孔，其深度依次为h与h+1；若在强危险区域，沿着工作面回采方向依次布置3个测孔，其深度依次为h-1，h与h+1；该步骤所述的深度都是以米为单位进行计算；
步骤3-2、根据电场强度探头的直径来确定测孔直径。
2.根据权利要求1所述的一种监测矿井煤岩破裂电场强度变化的测站布置方法，其特征在于：所述的地质因素，包括：开采深度，断层构造的性质、落差与分布密度，褶曲煤层倾角变化剧烈程度与分布密度，煤层侵蚀、合层与厚度变化程度，上覆坚硬岩层与煤层距离；
所述的开采技术因素，包括：保护层卸压程度，工作面距上保护层开采遗留煤柱的水平距离，工作面与临近采空区的关系，工作面倾向长度，区段煤柱宽度，留底煤厚度，向采空区掘进的巷道的停掘位置与采空区的距离，向采空区推进的工作面的停采线与采空区的距离，向落差大于3m断层推进的工作面或巷道与断层的距离，向煤层倾角剧烈变化的向斜或背斜推进的工作面或巷道与其轴部的距离，向煤层侵蚀、合成或厚度变化部分推进的工作面或巷道与煤层变化部分的距离；
煤层岩样的冲击倾向性包括：动态破坏时间，弹性能量指数，冲击能量指数及单轴抗压强度；煤层的顶板岩样的冲击倾向性包括：弯曲能量指数。
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