CN111289576A - 采矿装置、顶板岩体监测装置及方法 - Google Patents

采矿装置、顶板岩体监测装置及方法 Download PDF

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杨军
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刘简宁
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    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

Abstract

本公开涉及采矿技术领域，提供了一种采矿装置、顶板岩体监测装置及顶板岩体监测方法。该顶板岩体监测装置包括多个监测电极、电阻率检测装置以及控制装置。多个监测电极均设于所述顶板岩体内。电阻率检测装置与多个所述监测电极均连接，用于检测所述顶板岩体位于任意两个所述监测电极之间的部分的电阻率。控制装置与所述电阻率检测装置连接，用于根据所述电阻率确定所述顶板岩体的物理力学参数。本公开能够降低冒顶事故发生的几率。

Description

采矿装置、顶板岩体监测装置及方法
技术领域
本公开涉及采矿技术领域，尤其涉及一种采矿装置、顶板岩体监测装置及顶板岩体监测方法。
背景技术
作为煤矿开采过程中最常见的事故，巷道冒顶对井下人员生命安全以及煤矿安全生产带来严重的威胁。
随着采煤技术的不断发展，从传统的留煤柱采煤法到沿空留巷采煤法，以及近年发展的无煤柱自成巷开采技术，对巷道顶板岩体的维护一直是煤矿安全生产的重中之重，而实时掌握顶板岩体变形状况，是及时维护顶板的关键。用于顶板岩体监测的传统方法有巷道表面位移监测、支护结构受力监测、顶板离层监测等。这些方法简单易操作，但是这些监测手段只能在顶板岩体发生宏观变形后才能对顶板岩体的变形程度进行评估，导致操作人员不能及时对顶板岩体进行维护，增加了冒顶事故发生的几率。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种采矿装置、顶板岩体监测装置及顶板岩体监测方法，能够降低冒顶事故发生的几率。
根据本公开的一个方面，提供一种顶板岩体监测装置，包括：
多个监测电极，均设于所述顶板岩体内；
电阻率检测装置，与多个所述监测电极均连接，用于检测所述顶板岩体位于任意两个所述监测电极之间的部分的电阻率；
控制装置，与所述电阻率检测装置连接，用于根据所述电阻率确定所述顶板岩体的物理力学参数。
在本公开的一种示例性实施例中，多个所述监测电极包括至少两个电极组，各所述电极组均包括多个监测电极，一个所述电极组中的多个所述监测电极位于第一平面，另一个所述电极组中的多个所述监测电极位于第二平面，所述第一平面和所述第二平面不共面。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一平面和所述第二平面垂直。
在本公开的一种示例性实施例中，所述顶板岩体远离地表的一侧设有采空区域、巷道区域以及实体矿区域，所述顶板岩体对应于采空区域、巷道区域以及实体矿区域的部分均设有所述监测电极。
在本公开的一种示例性实施例中，所述顶板岩体包括断裂区岩层和垮落区岩层，所述垮落区岩层位于所述断裂区岩层远离地表的一侧，所述断裂区岩层和所述垮落区岩层均设有多个所述监测电极。
在本公开的一种示例性实施例中，所述物理力学参数包括应变量、裂隙率以及弹性模量中的至少一个。
在本公开的一种示例性实施例中，所述物理力学参数包括弹性模量，所述控制装置用于根据所述电阻率以及预设关系式确定所述弹性模量，所述预设关系式为：
y＝-ax2+bx+c；
其中，a、b、c均为常数，y为电阻率，x为弹性模量。
根据本公开的一个方面，提供一种顶板岩体监测方法，包括：
在所述顶板岩体内设置多个监测电极；
检测所述顶板岩体位于任意两个监测电极之间的部分的电阻率；
根据所述电阻率确定所述顶板岩体的物理力学参数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述物理力学参数包括应变量、裂隙率以及弹性模量中的至少一个。
根据本公开的一个方面，提供一种采矿装置，包括上述任意一项所述的顶板岩体监测装置。
本公开的采矿装置、顶板岩体监测装置及顶板岩体监测方法，在使用过程中，电阻率检测装置检测顶板岩体位于任意两个监测电极之间的部分的电阻率，控制器根据检测的电阻率确定顶板岩体的物理力学参数，操作人员可以通过物理力学参数了解岩体内部发生的微观损伤，进而能够在顶板发生宏观变形之前对顶板岩体的变形程度进行评估，使操作人员能够及时制定顶板岩体治理方案，降低冒顶事故的发生几率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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为本公开实施方式的顶板岩体监测装置的框图；
图2为本公开实施方式的顶板岩体监测装置的应用环境示意图；
图3为图2所示结构发生断裂后的示意图；
图4为本公开实施方式的顶板岩体监测方法的示意图。
图中：1、监测电极；2、电阻率检测装置；3、控制装置；4、垮落区域；5、巷道区域；6、实体矿区域；7、垮落区岩层；8、断裂区岩层。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、材料、装置等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免模糊本公开的各方面。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”、“具有”以及“设有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
相关技术中，用于顶板岩体监测的方法有巷道表面位移监测、支护结构受力监测、顶板离层监测等。这些方法简单易操作，但是这些监测手段只能在顶板岩体发生宏观变形后才能对顶板岩体的变形程度进行评估，而实际上在顶板岩体产生宏观变形以前，其内部已经逐渐产生裂纹、裂隙等微观损伤，这些微观损伤若不能得到及时有效的控制，往往会导致顶板岩体的损伤不断加剧，最终导致巷道宏观变形甚至破坏失稳。
本公开实施方式提供一种顶板岩体监测装置。如图1所示，该顶板岩体监测装置可以包括多个监测电极1、电阻率检测装置2以及控制装置3，其中：
多个监测电极1均设于顶板岩体内。电阻率检测装置2与多个监测电极1均连接，用于检测顶板岩体位于任意两个监测电极1之间的部分的电阻率。控制装置3与电阻率检测装置2连接，用于根据电阻率确定顶板岩体的物理力学参数。
本公开实施方式的顶板岩体监测装置，在使用过程中，电阻率检测装置2检测顶板岩体位于任意两个监测电极1之间的部分的电阻率，控制器根据检测的电阻率确定顶板岩体的物理力学参数，操作人员可以通过物理力学参数了解岩体内部发生的微观损伤，进而能够在顶板发生宏观变形之前对顶板岩体的变形程度进行评估，使操作人员能够及时制定顶板岩体治理方案，降低冒顶事故的发生几率。
下面对本公开实施方式的顶板岩体监测装置的各部分进行详细说明：
本公开的顶板岩体监测装置可以用于煤矿开采物理模型试验。如图2和图3所示，该顶板岩体远离地表的一侧设有采空区域、巷道区域5以及实体矿区域6。该顶板岩体可以包括断裂区岩层8和垮落区岩层7。该垮落区岩层7位于断裂区岩层8远离地表的一侧。本领域技术人员可知的是，在具有一定厚度的煤层采空形成采空区域后，上方的顶板岩体的部分区域必然会产生垮落，掉入采空区域内。其中，垮落的顶板岩体的部分区域即为垮落区岩层7。垮落的块度大小与岩石的硬度有关系，垮落的高度与采出的煤层厚度有关系，但对于几百米深的煤层来说，不可能垮落到地表，一般3-4倍煤层厚度的高度以上，就不会垮落了，即顶板岩体位于垮落区域4以上的部分为断裂区岩层8。
该监测电极1由导电材料制备而成，例如铜，但本公开实施方式不限于此。多个监测电极1可以均设于顶板岩体对应于采空区域的部分。多个监测电极1也可以均设于顶板岩体对应于巷道区域5的部分。多个监测电极1还可以均设于顶板岩体对应于实体矿区域6的部分。当然，该顶板岩体对应于采空区域、巷道区域5以及实体矿区域6的部分可以均设有监测电极1，以使本公开的监测装置可以全方位地对顶板岩体进行监测。
多个监测电极1可以均设于顶板岩体的断裂区岩层8。多个监测电极1可以均设于顶板岩体的垮落区岩层7。当然，断裂区岩层8和所述垮落区岩层7可以均设有多个监测电极1。
此外，多个监测电极1包括至少两个电极组，各电极组均包括多个监测电极1，一个电极组中的多个监测电极1位于第一平面，另一个电极组中的多个监测电极1位于第二平面。该第一平面和第二平面不共面，从而使监测装置可以监测多个平面内的电阻率。进一步地，该第一平面和第二平面垂直。
该电阻率检测装置2与每个监测电极1均通过导线连接，用于检测顶板岩体位于任意两个监测电极1之间的部分的电阻率。该电阻率检测装置2可以为电阻率成像仪。该电阻率成像仪测试任意两监测电极1间的电阻率并生成图像。当然，该电阻率检测装置2还可以为电阻率测试仪。
该控制器可以包括单片机，但本公开实施方式不以此为限。该单片机可以通过输入/输出接口与电阻率检测装置2连接，用于接收电阻率检测装置2获取的数据。该控制器用于根据电阻率确定顶板岩体的物理力学参数。该物理力学参数可以包括应变量、裂隙率以及弹性模量中的至少一个，但本公开实施方式对此不做特殊限定。
以物理力学参数包括弹性模量为例，该控制装置用于根据电阻率以及预设关系式确定弹性模量。该预设关系式可以为：
y＝-ax2+bx+c；
其中，a、b、c均为常数，y为电阻率，x为弹性模量。a可以为-7200，b可以为342，c可以为6452.3。
本公开实施方式还提供一种顶板岩体监测方法。如图4所示，该顶板岩体监测方法可以包括步骤S100至步骤S120，其中：
步骤S100、在顶板岩体内设置多个监测电极。
步骤S110、检测顶板岩体位于任意两个监测电极之间的部分的电阻率。
步骤S120、根据电阻率确定顶板岩体的物理力学参数。
本公开实施方式的顶板岩体变形监测方法，检测顶板岩体位于任意两个监测电极之间的部分的电阻率，并根据检测的电阻率确定顶板岩体的物理力学参数，操作人员可以通过物理力学参数了解岩体内部发生的微观损伤，进而能够在顶板发生宏观变形之前对顶板岩体的变形程度进行评估，使操作人员能够及时制定顶板岩体治理方案，降低冒顶事故的发生几率。
下面对本公开实施方式的顶板岩体监测方法的各步骤进行详细说明：
在步骤S100中，在顶板岩体内设置多个监测电极。
本公开的顶板岩体监测方法可以用于煤矿开采物理模型试验。该顶板岩体远离地表的一侧设有采空区域、巷道区域以及实体矿区域。该顶板岩体可以包括断裂区岩层和垮落区岩层。该垮落区岩层位于断裂区岩层远离地表的一侧。
多个监测电极可以均设于顶板岩体对应于采空区域的部分。多个监测电极也可以均设于顶板岩体对应于巷道区域的部分。多个监测电极还可以均设于顶板岩体对应于实体矿区域的部分。当然，该顶板岩体对应于采空区域、巷道区域以及实体矿区域的部分可以均设有监测电极。
多个监测电极可以均设于顶板岩体的断裂区岩层。多个监测电极可以均设于顶板岩体的垮落区岩层。当然，断裂区岩层和所述垮落区岩层可以均设有多个监测电极。
此外，多个监测电极包括至少两个电极组，各电极组均包括多个监测电极，一个电极组中的多个监测电极位于第一平面，另一个电极组中的多个监测电极位于第二平面。该第一平面和第二平面不共面。进一步地，该第一平面和第二平面垂直。
在步骤S110中，检测顶板岩体位于任意两个监测电极之间的部分的电阻率。
本公开可以通过电阻率检测装置检测顶板岩体位于任意两个监测电极之间的部分的电阻率。以进行煤矿开采物理模型试验为例，在模型试验开始前，首先对所有任意两监测电极之间的电阻率进行检测，获得原始应力状态下顶板岩体不同位置的初始电阻率；模型试验开始后，全程采集记录顶板岩体各位置的电阻率，直至顶板停止运动。
在步骤S120中，根据电阻率确定顶板岩体的物理力学参数。
根据初始电阻率确定顶板岩体的初始物理力学参数。根据模型试验开始后采集的电阻率确定顶板岩体在模型试验开始后的物理力学参数。根据所获取的全部物理力学参数，确定顶部岩体的电阻率的变化过程。其中，当电阻率在某时刻发生突变，即可判断在该时刻，顶板岩体发生了一定程度的破坏；当某两个监测电极之间的电阻率发生突变，即可确定断裂位置位于该两监测电极之间。
以物理力学参数包括弹性模量为例，根据电阻率确定顶板岩体的物理力学参数可以包括：根据电阻率以及预设关系式确定弹性模量。该预设关系式可以为：
y＝-ax2+bx+c；
其中，a、b、c均为常数，y为电阻率，x为弹性模量。a可以为-7200，b可以为342，c可以为6452.3。
本公开实施方式还提供一种采矿装置。该采矿装置可以包括上述任一实施方式所述的顶板岩体监测装置，当然，还可以包括其它部件，在此不再一一陈述。本公开实施方式的采矿装置所具有的顶板岩体监测装置同上述顶板岩体监测装置的实施方式中的顶板岩体监测装置相同，因此，其具有相同的有益效果，在此不再赘述。
本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种顶板岩体监测装置，其特征在于，包括：
多个监测电极，均设于所述顶板岩体内；
电阻率检测装置，与多个所述监测电极均连接，用于检测所述顶板岩体位于任意两个所述监测电极之间的部分的电阻率；
控制装置，与所述电阻率检测装置连接，用于根据所述电阻率确定所述顶板岩体的物理力学参数。
2.根据权利要求1所述的顶板岩体监测装置，其特征在于，多个所述监测电极包括至少两个电极组，各所述电极组均包括多个监测电极，一个所述电极组中的多个所述监测电极位于第一平面，另一个所述电极组中的多个所述监测电极位于第二平面，所述第一平面和所述第二平面不共面。
3.根据权利要求2所述的顶板岩体监测装置，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面垂直。
4.根据权利要求1所述的顶板岩体监测装置，其特征在于，所述顶板岩体远离地表的一侧设有采空区域、巷道区域以及实体矿区域，所述顶板岩体对应于采空区域、巷道区域以及实体矿区域的部分均设有所述监测电极。
5.根据权利要求1所述的顶板岩体监测装置，其特征在于，所述顶板岩体包括断裂区岩层和垮落区岩层，所述垮落区岩层位于所述断裂区岩层远离地表的一侧，所述断裂区岩层和所述垮落区岩层均设有多个所述监测电极。
6.根据权利要求1所述的顶板岩体监测装置，其特征在于，所述物理力学参数包括应变量、裂隙率以及弹性模量中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的顶板岩体监测装置，其特征在于，所述物理力学参数包括弹性模量，所述控制装置用于根据所述电阻率以及预设关系式确定所述弹性模量，所述预设关系式为：
y＝-ax2+bx+c；
其中，a、b、c均为常数，y为电阻率，x为弹性模量。
8.一种顶板岩体监测方法，其特征在于，包括：
在所述顶板岩体内设置多个监测电极；
检测所述顶板岩体位于任意两个监测电极之间的部分的电阻率；
根据所述电阻率确定所述顶板岩体的物理力学参数。
9.根据权利要求8所述的顶板岩体监测方法，其特征在于，所述物理力学参数包括应变量、裂隙率以及弹性模量中的至少一个。
10.一种采矿装置，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的顶板岩体监测装置。
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