CN111929746B - 一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，属于地质构造特殊开采工程技术领域，本发明的检测方法，首先根据陷落柱的大体位置设计示踪剂投放孔和示踪剂观察孔，通过示踪剂投放孔注入示踪剂混合溶液，经过渗透作用，从观察孔取样检测示踪剂浓度变化情况，绘制示踪剂曲线，分析计算陷落柱渗透率，根据陷落柱渗透性判断陷落柱结构稳定性及后续的陷落柱处理办法，本发明通过示踪技术计算陷落柱的渗透率，可以实地测算出陷落柱构造内部的发育情况及稳定情况，进而判断陷落柱需不需要进行进一步的处理，这种检测方法施工简单、高效，不影响正常生产掘进，实用性较强。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，属于地质构造特殊开采工程技术领域。
背景技术
煤炭一直是我国的主要能源，在未来一段时间内我国能源消费仍将以煤为主。我国煤层赋存地地质条件差，含煤地层构造复杂，煤炭资源勘探程度降低，随着煤矿开采深度的不断加大和井巷工程掘进速度的加快，煤巷掘进超前探测方法难以满足深度开采和快速施工，导致煤矿事故频发。煤矿安全已成为制约我国煤炭工业健康发展的主要因素。煤矿事故大都与断层、陷落柱、采空区地质构造等有关。
陷落柱即是上覆岩层向岩溶洞穴垮塌后形成的椭圆形或圆柱形岩柱，是影响煤矿生产和建设的主要地质因素之一，它影响和制约着采区的布置、采面的划分、计划的安排和采掘的接替,而且还可能导致突水，造成人员和财产的重大损失。掌握其发育程度，并根据发育程度制定合理的防治办法，对矿井的安全生产作用非常重大。
目前，在不影响施工进度的情况下，亟需一种检测陷落柱内部发育程度的方法，能够实地测算陷落柱构造内部的发育情况及稳定情况，为陷落柱的后续处理提供依据。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，通过示踪技术计算陷落柱的渗透率，可以实地测算出陷落柱构造内部的发育情况及稳定情况，进而判断陷落柱需不需要进行进一步的处理，这种检测方法施工简单、高效，不影响正常生产掘进，实用性较强。
本发明采用以下技术方案：
一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，包括以下步骤：
a、根据矿井地质水文资料及建井报告中的勘探情况，进一步地通过地面三维地震勘探、地面电法及地面钻探揭露陷落柱，三维地震勘探和地面电法能够大体确定在陷落柱轴向及径向的陷落柱形状大小及陷落柱的进行确定陷落柱大体范围位置及埋藏深度；
本步骤为成熟的现有技术，可参考现有技术进行，不再详述；
b、通过井下开拓巷道揭露及井下三维勘探进而划定陷落柱的具体范围及赋存情况，同时绘制陷落柱区域性平面图和剖面图；
c、根据开拓巷道揭露陷落柱情况，在揭露陷落柱的前后两侧布置两个垂直于开拓巷道的钻窝，根据陷落柱的具体位置情况(多个示踪剂投放孔的布设应考虑陷落柱的大体位置，使得示踪剂投放孔尽可能多的分布于陷落柱各个方向，在最关心处布设为宜)，在钻窝内布置示踪剂投放孔，在示踪剂投放孔底部布置数个示踪剂观察孔，示踪剂投放孔和示踪剂观察孔均为向下倾角1-3°设置，向下倾斜能够使混合液不流出来保证始终在孔里，若采用平孔或者向上，液体就会流出来；
d、根据施工原则，对示踪剂投放孔及示踪剂观察孔进行反洗孔操作，去除孔内的污水及碎屑，洗孔完毕，将预先配置好的示踪剂混合液注入至示踪剂投放孔内，同时向各个示踪剂观察孔内注入清水储存在孔内，并在示踪剂观察孔内布置示踪剂浓度传感器，示踪剂浓度传感器采用市售的普通浓度传感器即可，此处不作具体限定；
注入清水的好处，一方面便于取样，注入清水后，取样长度变短，钻孔是向下倾斜的，单纯靠渗流需要到孔底去取样，不方便，注入清水后，在孔的中上部即可进行取样；另一方面，渗透液会从孔的上部、中部、下部渗透过来，注入清水可使渗透混合液混合更加均匀；
e、自注入示踪剂混合液的时间开始算起，在各个示踪剂观察孔进行第一次读数，并进行记录初始浓度；
f、在注入示踪剂混合液开始的5d内，每天读取3-4次浓度值，并进行记录，当混合液观察孔内示踪剂浓度传感器检测的示踪剂浓度出现变化时，改为每天每个示踪剂观察孔间隔4小时进行一次读数(即一天记录6次)，未发现示踪剂的观察孔依然是每天读数3-4次；若5d后示踪剂观察孔内仍未发现示踪剂，记录次数改为每天平均1-2次，重复上述情况，连续5天仍未发现示踪剂浓度变化，则停止观察；
示踪剂观察孔内示踪剂浓度若5d内无变化，说明渗透性较低，大体可以说明陷落柱不发育，可停止观察；
g、对示踪剂观察孔内取样浓度进行逐一分析，检测第一，第二，。。。，第n个取样浓度出现，直至观察孔内示踪剂浓度变化增量＜0.1％/h达到稳定为止；
h、根据所收集的取样浓度进行处理，剔除由于干扰因素造成的误差数据，绘制示踪剂取样浓度曲线；
误差数据是指数值相差太大，或者由于干扰因素影响产生突变的数据，可依本领域技术人员的经验判断；
i、根据绘制示踪剂浓度曲线及收集数据计算陷落柱渗透率，进而划分陷落柱内的发育程度。
优选的，步骤c中，钻窝分别位于陷落柱两侧3-5m处，钻窝为宽度3m，高度与开拓巷道平齐的临时钻探硐室。
优选的，步骤c中，示踪剂投放孔的开孔位置一般布置在距离钻窝底部高约1.5m-2m之间，钻孔深度根据陷落柱长度来确定，一般为距陷落柱的边界5m-10m停止钻孔，保证示踪剂投放钻孔位于陷落柱区域内。
优选的，步骤c中，在示踪剂投放孔底部周围三个方向布置数个示踪剂取样观察孔，同一层位上的示踪剂取样观察孔3至示踪剂投放孔2距离相同。
进一步优选的，示踪剂观察孔开孔位置一般布置在距离钻窝底部高约0.5m-1m之间，示踪剂投放孔的垂直下方、左下方、右下方三个方向，左下方、右下方方向与垂直下方方向的夹角均为15°，每个方向按照10m、15m、20m的示踪剂取样观察孔间距布置三个观察孔(即同一方向上，相邻观察孔孔中心的距离分别为10m、15m、20m，同一方向上3个观察孔距离示踪剂投放孔的距离分别为10m、25m和45m)，示踪剂观察孔倾角同样为向下1-3°，与示踪剂投放孔倾角保持一致，示踪剂观察孔钻孔深度与示踪剂投放孔深度保持一致。
在布置示踪剂观察孔时，可以先采用定向钻孔技术，布设一个钻孔口，通过这一钻孔口进行定向钻3个示踪剂观察孔，3个示踪剂观察孔内分别注入清水，且3个示踪剂观察孔之间并不互相连通，每个示踪剂观察孔的示踪剂浓度可反映该位置处的陷落柱发育情况。
优选的，步骤d中，示踪剂混合液为硝酸铵示踪剂与清水配成的浓度为20％的水溶液，示踪剂混合液注入体积为钻孔的总体积，始终保持示踪剂投放孔内的示踪剂混合液充满钻孔，渗透面积较大，注入清水的体积与注入混合液要求相同，达到示踪剂观察孔的总体积。
优选的，步骤i中，绘制浓度曲线进而计算陷落柱渗透率，计算公式为：
由公式(1)、(2)推导得：
式中：K为陷落柱内的平均渗透率，m/D；μ为示踪剂混合液的动力黏滞系数，取值为1.005×10-3Pa·s；Q为渗过陷落柱的示踪剂混合液体积(m3)；L为示踪剂混合液的渗流长度，即检测中示踪剂投放孔与示踪剂取样观察孔之间的距离，m；A为示踪剂投放孔的最大横截面积，m2；δi为第i次示踪剂取样浓度，n为间隔取样次数；V为观察孔钻孔的总体积，m3。
根据公式(1)-(3)计算可得陷落柱渗透率K。
在计算时，一个示踪剂投放孔对应9个示踪剂观察孔，与示踪剂投放孔距离相同的3个示踪剂观察孔为一组进行数据统计和计算，共分为三组，每一组内3个示踪剂观察孔的取样数据求平均得到一条示踪剂浓度变化曲线，每一曲线上点的获得均是与示踪剂投放孔距离相同的3个示踪剂观察孔的平均值，三组数据对应图中的三条曲线，每一条示踪剂浓度变化曲线，结合参数和公式求得一个渗透率K1值，三组共取得三个值，分别为K1、K2、K3，某一示踪剂投放孔的最终K值为K1、K2、K3的平均数。
优选的，步骤i中，当计算陷落柱渗透率小于50时，判断该位置陷落柱裂隙发育程度较低，陷落柱结构完整性好，不需要进行加固处理；当计算陷落柱渗透率50-500时(包含点值)，判断该位置陷落柱裂隙发育中等，陷落柱结构完整性良好，应进行认真监测；当计算陷落柱渗透率大于500时，判断该位置陷落柱裂隙发育程度较高，陷落柱结构完整性较差，应进行提前注浆加固处理。
本发明检测发育程度的原理为：
发育程度不同，示踪剂混合溶液渗入示踪剂观察孔内的量不相同，进而导致示踪剂观察孔内单位时间的示踪剂浓度变化率不相同，进而求解渗透性的数值，与距渗透性标准数值进行比较，判断发育情况，值越大，说明越发育，孔隙越多，裂隙越开放，渗流越快，值越小。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出了一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，在揭露陷落柱之后，在陷落柱两侧设置钻窝，通过在钻窝中布置示踪剂投放孔和示踪剂取样观察孔，从示踪剂投放孔内注入化学示踪剂，然后根据取样中示踪剂浓度情况进行分析陷落柱发育情况及结构完整性，确定裂隙发育程度及后续处理措施，这种检测方法施工简单、高效，不影响正常生产掘进，实用性较强。
(2)采用多孔同时探测，从不同的方向位置进行陷落柱发育情况检测工作，全方位探查陷落柱发育情况，避开环境和其它因素的干扰，提高数据的准确性，同时该检测方法安全性和可靠性较好，检测效率高。
附图说明
图1为本发明的基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法的流程图；
图2为陷落柱示踪剂投放孔的结构平面图；
图3为陷落柱示踪剂投放孔与示踪剂观察孔的地层剖面图；
图4为钻孔布置的结构剖面图；
图5(a)为示踪剂投放孔1-1的某一示踪剂浓度曲线示意图；
图5(b)为示踪剂投放孔2-1的某一示踪剂浓度曲线示意图；
图5(c)为示踪剂投放孔1-2的某一示踪剂浓度曲线示意图；
图5(d)为示踪剂投放孔2-2的某一示踪剂浓度曲线示意图；
图中，1-开拓巷道，2-示踪剂投放孔，3-示踪剂观察孔，4-示踪剂浓度传感器，5-钻孔口。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，如图1～4所示，包括以下步骤：
a、根据矿井地质水文资料及建井报告中的勘探情况，进一步地通过地面三维地震勘探、地面电法及地面钻探揭露陷落柱，三维地震勘探和地面电法能够大体确定在陷落柱轴向及径向的陷落柱形状大小及陷落柱的进行确定陷落柱大体范围位置及埋藏深度；
本步骤为成熟的现有技术，可参考现有技术进行，不再详述；
b、通过井下开拓巷道1揭露及井下三维勘探进而划定陷落柱的具体范围及赋存情况，同时绘制陷落柱区域性平面图和剖面图；
c、根据开拓巷道1揭露陷落柱情况，在揭露陷落柱的前后两侧布置两个垂直于开拓巷道的钻窝，根据陷落柱的具体位置情况，在钻窝内布置示踪剂投放孔2，在示踪剂投放孔2底部布置数个示踪剂观察孔3，示踪剂投放孔2和示踪剂观察孔3均为向下倾角1-3°设置，向下倾斜能够使混合液不流出来保证始终在孔里，若采用平孔或者向上，液体就会流出来；
d、根据施工原则，对示踪剂投放孔2及示踪剂观察孔3进行反洗孔操作，去除孔内的污水及碎屑，洗孔完毕，将预先配置好的示踪剂混合液注入至示踪剂投放孔内，同时向各个示踪剂观察孔内注入清水储存在孔内，并在示踪剂观察孔3内布置示踪剂浓度传感器，示踪剂浓度传感器采用市售的普通浓度传感器即可，此处不作具体限定；
注入清水的好处，一方面便于取样，注入清水后，取样长度变短，钻孔是向下倾斜的，单纯靠渗流需要到孔底去取样，不方便，注入清水后，在孔的中上部即可进行取样；另一方面，渗透液会从孔的上部、中部、下部渗透过来，注入清水可使渗透混合液混合更加均匀；
e、自注入示踪剂混合液的时间开始算起，在各个示踪剂观察孔进行第一次读数，并进行记录初始浓度；
f、在注入示踪剂混合液开始的5d内，每天读取3-4次浓度值，并进行记录，当混合液观察孔内示踪剂浓度传感器检测的示踪剂浓度出现变化时，改为每天每个示踪剂观察孔间隔4小时进行一次读数(即一天记录6次)，未发现示踪剂的观察孔依然是每天平均读数3-4次；若5d后示踪剂观察孔内仍未发现示踪剂，记录次数改为每天平均取1-2次，重复上述情况，连续5天仍未发现示踪剂浓度变化，则停止观察；
示踪剂观察孔内示踪剂浓度若5d内无变化，说明渗透性较低，大体可以说明陷落柱不发育，可停止观察；
g、对示踪剂观察孔内取样浓度进行逐一分析，检测第一，第二，。。。，第n个取样浓度出现，直至观察孔内示踪剂浓度变化增量＜0.1％/h达到稳定为止；
h、根据所收集的取样浓度进行处理，剔除由于干扰因素造成的误差数据，绘制示踪剂取样浓度曲线；
误差数据是指数值相差太大，或者由于干扰因素影响产生突变的数据，可依本领域技术人员的经验判断；
i、根据绘制示踪剂浓度曲线及收集数据计算陷落柱渗透率，进而划分陷落柱内的发育程度。
实施例2：
一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，如实施例1所述，所不同的是，步骤c中，钻窝分别位于陷落柱两侧3-5m处，钻窝大小为宽度3m，高度与开拓巷道平齐的临时钻探硐室。
步骤c中，示踪剂投放孔2的开孔位置一般布置在距离钻窝底部高约1.5m-2m之间，钻孔深度根据陷落柱长度来确定，一般为距陷落柱的边界5m-10m停止钻孔，保证示踪剂投放钻孔位于陷落柱区域内。
实施例3：
一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，如实施例1所述，所不同的是，步骤c中，在示踪剂投放孔2底部周围三个方向布置数个示踪剂取样观察孔，同一层位上的示踪剂取样观察孔3至示踪剂投放孔2距离相同。
示踪剂观察孔3开孔位置一般布置在距离钻窝底部高约0.5m-1m之间，示踪剂投放孔的垂直下方、左下方、右下方三个方向，左下方、右下方方向与垂直下方方向的夹角均为15°，每个方向按照10m、15m、20m的示踪剂取样观察孔间距布置三个观察孔(即同一方向上，相邻观察孔孔中心的距离分别为10m、15m、20m，同一方向上3个观察孔距离示踪剂投放孔的距离分别为10m、25m和45m)，如图4所示，示踪剂观察孔倾角同样为向下1-3°，与示踪剂投放孔倾角保持一致，示踪剂观察孔钻孔深度与示踪剂投放孔深度保持一致。
如图3所示，在布置示踪剂观察孔3时，可以先采用定向钻孔技术，布设一个钻孔口4，通过这一钻孔口5进行定向钻3个示踪剂观察孔，3个示踪剂观察孔内分别注入清水和布设示踪剂浓度传感器4，且3个示踪剂观察孔之间并不互相连通，每个示踪剂观察孔的示踪剂浓度可反映该位置处的陷落柱发育情况。
实施例4：
一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，如实施例1所述，所不同的是，步骤d中，示踪剂混合液为硝酸铵示踪剂与清水配成的浓度为20％的水溶液，示踪剂混合液注入体积为钻孔的总体积，始终保持示踪剂投放孔内的示踪剂混合液充满钻孔，渗透面积较大，注入清水的体积与注入混合液要求相同，达到示踪剂观察孔的总体积。
实施例5：
一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，如实施例1所述，所不同的是，步骤i中，绘制浓度曲线进而计算陷落柱渗透率，计算公式为：
由公式(1)、(2)推导得：
式中：K为陷落柱内的平均渗透率，m/D；μ为示踪剂混合液的动力黏滞系数，取值为1.005×10-3Pa·s；Q为渗过陷落柱的示踪剂混合液体积(m3)；L为示踪剂混合液的渗流长度，即检测中示踪剂投放孔与示踪剂取样观察孔之间的距离，m；A为示踪剂投放孔的最大横截面积，m2；δi为第i次示踪剂取样浓度，n为间隔取样次数；V为观察孔钻孔的总体积，m3。
根据公式(1)-(3)计算可得陷落柱渗透率K。
在计算时，一个示踪剂投放孔对应9个示踪剂观察孔，与示踪剂投放孔距离相同的3个示踪剂观察孔为一组进行数据统计和计算，共分为三组，每一组内3个示踪剂观察孔的取样数据求平均得到一条示踪剂浓度变化曲线，每一曲线上点的获得均是与示踪剂投放孔距离相同的3个示踪剂观察孔的平均值，三组数据对应图中的三条曲线，每一条示踪剂浓度变化曲线，结合参数和公式求得一个渗透率K1值，三组共取得三个值，分别为K1、K2、K3，某一示踪剂投放孔的最终K值为K1、K2、K3的平均数。
当计算陷落柱渗透率K小于50时，判断该位置陷落柱裂隙发育程度较低，陷落柱结构完整性好，不需要进行加固处理；当计算陷落柱渗透率50-500时(包含点值)，判断该位置陷落柱裂隙发育中等，陷落柱结构完整性良好，应进行认真监测；当计算陷落柱渗透率大于500时，判断该位置陷落柱裂隙发育程度较高，陷落柱结构完整性较差，应进行提前注浆加固处理。
实施例6：
对于基于示踪技术的探查陷落柱发育的监测方法做进一步说明，以图2某煤矿20105工作面轨道运输巷为例，20105区段运输巷掘进过程中，前方要经过陷落柱，为研究陷落柱发育程度以及其渗透导水性，对该段巷道揭露的陷落柱进行分析，采用基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，具体的流程步骤包括：
一、综合分析矿井地质水文资料、建井报告及前期钻孔情况，其中主要了解含水层层位关系以及陷落柱分布位置，埋藏深度及大体赋存情况；
二、在步骤一的基础上，按照施工标准20105区段运输巷开始掘进，当运输巷推进至距离陷落柱边界10m时，停止掘进工作，首先对前方陷落柱进行一个高密度电法探测及雷达探测，观测前方陷落柱内含水性情况，同时进行超前钻孔探测，检验陷落柱含水情况，确保陷落柱内没有承压水的前提下，继续进行掘进工作，当20105区段运输巷在掘进至580m时揭露陷落柱，推进至660m时出陷落柱边界，共计揭露陷落柱80m；
三、陷落柱揭露完成后，分别在陷落柱两侧，575m及665m处开掘两处宽度为4m，高度与巷道高度平齐的钻窝，分别为钻窝A和钻窝B，根据陷落柱的形状可以按照每个钻窝布置两个示踪剂投放孔2，钻窝A布置两个示踪剂投放孔1-1、1-2，分别从钻窝A沿虚线1-1和虚线1-2方向钻进，钻窝B布置两个示踪剂投放孔2-1、2-2，分别从钻窝B沿虚线2-1和虚线2-2方向钻进，共四个示踪剂投放孔，示踪剂投放孔2保持向下倾角2°钻进至距离陷落柱边界10m处停止，示踪剂投放孔1-1、1-2、2-1、2-2的孔长度分别为36.5m、41.5m、60.8m、46.5m，钻孔直径为50mm，示踪剂投放孔钻进完成后，利用水压泵冲洗将钻孔内的污水及碎屑排出，保证后期钻孔内示踪剂混合液浓度不受外界干扰，在位于示踪剂投放孔2下方及左右夹角15°三个方向布置示踪剂取样观察孔3，按照与示踪剂投放孔2保持10m、25m、45m三个距离布置示踪剂取样观察孔3，每个方向均布置3个观察孔，观察孔施工采用定向钻探技术可实现，示踪剂取样观察孔3同样保持向下倾角2°钻进至与示踪剂投放孔相同钻进深度，同时使用水压泵对观察孔进行冲洗干净；
四、通过配置浓度为20％的硝酸铵示踪剂与清水混合溶液作为检测试剂，将混合液注入各示踪剂投放孔2，注入液体体积为钻孔的总体积，同时向示踪剂取样观察孔内注入体积为示踪剂观察孔总体积的清水；
五、自向示踪剂投放孔注入示踪剂混合液时间开始算起，每天通过示踪剂浓度传感器读取观察孔内的样品，每天读取4次，记录其溶液浓度，当观察孔内记录的示踪剂浓度发生变化时，将每天读取4次改为每隔4小时读取一次观察孔内混合液检测浓度(即每天记录6次)，并进行记录；
六、对各个观察孔内浓度进行逐一记录，检测第一，第二，…，第n次取样浓度，直至观察孔内示踪剂浓度变化达到稳定为止，根据示踪剂投放孔1-1，2-1和1-2，2-2内的对应的各示踪剂观察孔中示踪剂浓度变化绘制示踪剂浓度变化曲线如图5(a)～5(d)所示；
在计算时，以示踪剂投放孔1-1为例进行说明，一个示踪剂投放孔对应9个观察孔，与示踪剂投放孔距离相同的3个观察孔为一组进行数据统计和计算，共分为三组，每一组内3个观察孔的取样数据求平均得到一条示踪剂浓度变化曲线，如图5(a)所示，每一曲线上点的获得均是与示踪剂投放孔距离相同的3个观察孔的平均值，三组数据对应图中的三条曲线，每一条示踪剂浓度变化曲线，结合参数和公式求得一个渗透率K1值，三组共取得三个值，分别为K1、K2、K3，某一示踪剂投放孔的最终K值为K1、K2、K3的平均数。
图5(a)～5(b)中，横坐标表示第几天第几次记录浓度，例如5(a)中的3-1表示第3天第1次记录的示踪剂浓度，该浓度实际为第3天第1次记录的组内3个观察孔的平均值。
根据图中数据进行对渗透率的计算，计算公式如下：
式中：K为陷落柱内的平均渗透率，m/D；μ为示踪剂混合液的动力黏滞系数，取值为1.005×10-3Pa·s；Q为Δt渗过陷落柱的示踪剂混合液体积，m3；L为示踪剂混合液渗流长度，即检测中示踪剂投放孔与示踪剂取样观察孔之间的距离，m；A为示踪剂投放孔的最大横截面积，m2；δi为第i次示踪剂取样浓度，n为间隔取样次数；V为观察孔钻孔的总体积，m3。
已知渗流长度L取值为10m、25m、45m，示踪剂投放孔1-1、1-2、2-1、2-2的最大横截面积A取值对应取值分别为1.825，2.075，3.04，2.325m2，对应观察孔钻孔总体积V取值分别为7.167、8.149、11.938、9.13m3，结合示踪剂浓度变化曲线进行计算陷落柱渗透率：
已知示踪剂投放孔1-1的参数L取值为10m、25m、45m，最大横截面积A取值对应取值分别为1.825m2，对应观察孔钻孔总体积V取值分别为7.1673m3，结合图5(a)中示踪剂浓度变化曲线，进而求得每组的陷落柱渗透率分别为126.3、183.5、230.5m/D，取平均值为180.1m/D；
已知示踪剂投放孔2-1的参数L取值为10m、25m、45m，最大横截面积A取值对应取值分别为3.04m2，对应观察孔钻孔总体积V取值分别为11.938m3，结合图5(b)中示踪剂浓度变化曲线，进而求得每组的陷落柱渗透率分别为100.5、145.7、192.6m/D，取平均值为146.3m/D；
两个示踪剂投放孔1-1和2-1的渗透率均在50-500之间，判断该位置陷落柱裂隙发育程度中等，陷落柱结构完整性良好，应进行认真监测；
已知示踪剂投放孔1-2中，只在L为10m处得到有效数据，在L为25m和45m处，5d后示踪剂的观察孔内仍未发现示踪剂，说明渗透性较低，停止观察；最大横截面积A取值对应取值分别为2.075m2，对应观察孔钻孔总体积V取值分别为8.149m3，结合图5(c)中示踪剂浓度变化曲线，进而求得该组的陷落柱渗透率为25.7m/D，渗透率低于50，判断该位置陷落柱裂隙发育较低，陷落柱结构完整性好，不需要进行加固处理；
已知示踪剂投放孔2-2的参数L取值为10m、25m、45m，最大横截面积A取值对应取值分别为2.325m2，对应观察孔钻孔总体积V取值分别为9.13m3，结合图5(d)中示踪剂浓度变化曲线，进而求得每组的陷落柱渗透率分别为500.9、570.2、650.4m/D，取平均值为573.8m/D；
示踪剂投放孔2-2的渗透率大于500，判断该位置陷落柱裂隙发育程度较高，陷落柱结构完整性较差，应进行提前注浆加固处理。
计算分析完毕后，本次陷落柱发育程度检测结束，使用该方法基本可以实现对陷落柱内部发育程度的检测。
该检测方法布置示踪剂投放孔尽量沿着陷落柱边缘位置及中间位置，从而使示踪剂取样观察孔可以大面积覆盖整个陷落柱区域；选择合适的示踪剂投放孔可以更好地研究陷落柱内的发育程度，该方法进行检测陷落柱发育程度施工简单，节约成本，不影响正常生产掘进。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、根据矿井地质水文资料及建井报告中的勘探情况，进一步地通过现有的地面三维地震勘探、地面电法及地面钻探揭露陷落柱，大体确定在陷落柱轴向及径向的陷落柱形状大小及陷落柱的进行确定陷落柱大体范围位置及埋藏深度；
b、通过井下开拓巷道揭露及井下三维勘探进而划定陷落柱的具体范围及赋存情况，同时绘制陷落柱区域性平面图和剖面图；
c、根据开拓巷道揭露陷落柱情况，在揭露陷落柱的前后两侧布置两个垂直于开拓巷道的钻窝，在钻窝内布置示踪剂投放孔，在示踪剂投放孔底部布置数个示踪剂观察孔，示踪剂投放孔和示踪剂观察孔均为向下倾角1-3°设置；
d、对示踪剂投放孔及示踪剂观察孔进行反洗孔操作，去除孔内的污水及碎屑，洗孔完毕，将预先配置好的示踪剂混合液注入至示踪剂投放孔内，同时向各个示踪剂观察孔内注入清水储存在孔内，并在示踪剂观察孔内布置示踪剂浓度传感器；
e、自注入示踪剂混合液的时间开始算起，在各个示踪剂观察孔进行第一次读数，并进行记录初始浓度；
f、在注入示踪剂混合液开始的5d内，每天读取3-4次浓度值，并进行记录，当混合液观察孔内示踪剂浓度传感器检测的示踪剂浓度出现变化时，改为每天每个示踪剂观察孔间隔4小时进行一次读数，即一天记录6次，未发现示踪剂的观察孔依然是每天平均读数3-4次；若5d后示踪剂观察孔内仍未发现示踪剂，记录次数改为每天平均1-2次，重复上述情况，连续5天仍未发现示踪剂浓度变化，则停止观察；
g、对示踪剂观察孔内取样浓度进行逐一分析，检测第一，第二，…，第n个取样浓度出现，直至观察孔内示踪剂浓度变化增量＜0.1％/h达到稳定为止；
h、根据所收集的取样浓度进行处理，剔除由于干扰因素造成的误差数据，绘制示踪剂取样浓度曲线；
i、根据绘制示踪剂浓度曲线及收集数据计算陷落柱渗透率，进而划分陷落柱内的发育程度。
2.根据权利要求1所述的基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，其特征在于，步骤c中，钻窝分别位于陷落柱两侧3-5m处，钻窝为宽度3m，高度与开拓巷道平齐的临时钻探硐室。
3.根据权利要求1所述的基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，其特征在于，步骤c中，示踪剂投放孔的开孔位置布置在距离钻窝底部高约1.5m-2m之间，钻孔深度根据陷落柱长度来确定，为距陷落柱的边界5m-10m停止钻孔。
4.根据权利要求1所述的基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，其特征在于，步骤c中，在示踪剂投放孔底部周围三个方向布置数个示踪剂取样观察孔，同一层位上的示踪剂取样观察孔3至示踪剂投放孔2距离相同。
5.根据权利要求4所述的基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，其特征在于，示踪剂观察孔开孔位置布置在距离钻窝底部高约0.5m-1m之间，示踪剂投放孔的垂直下方、左下方、右下方三个方向，左下方、右下方方向与垂直下方方向的夹角均为15°，每个方向按照10m、15m、20m的示踪剂取样观察孔间距布置三个观察孔，即同一方向上3个观察孔距离示踪剂投放孔的距离分别为10m、25m和45m，示踪剂观察孔钻孔深度与示踪剂投放孔深度保持一致。
6.根据权利要求1所述的基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，其特征在于，步骤d中，示踪剂混合液为硝酸铵示踪剂与清水配成的浓度为20％的水溶液，示踪剂混合液注入体积为钻孔的总体积，始终保持示踪剂投放孔内的示踪剂混合液充满钻孔，渗透面积较大，注入清水的体积与注入混合液要求相同，达到示踪剂观察孔的总体积。
7.根据权利要求1所述的基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，其特征在于，步骤i中，绘制浓度曲线进而计算陷落柱渗透率，计算公式为：
由公式(1)、(2)推导得：
式中：K为陷落柱内的平均渗透率，m/D；μ为示踪剂混合液的动力黏滞系数，取值为1.005×10-3Pa·s；Q为渗过陷落柱的示踪剂混合液体积，m3；L为示踪剂混合液的渗流长度，即检测中示踪剂投放孔与示踪剂取样观察孔之间的距离，m；A为示踪剂投放孔的最大横截面积，m2；δi为第i次示踪剂取样浓度，n为间隔取样次数；V为观察孔钻孔的总体积，m3；
在计算时，一个示踪剂投放孔对应9个示踪剂观察孔，与示踪剂投放孔距离相同的3个示踪剂观察孔为一组进行数据统计和计算，共分为三组，每一组内3个示踪剂观察孔的取样数据求平均得到一条示踪剂浓度变化曲线，每一曲线上点的获得均是与示踪剂投放孔距离相同的3个示踪剂观察孔的平均值，三组数据对应图中的三条曲线，每一条示踪剂浓度变化曲线，结合参数和公式求得一个渗透率K1值，三组共取得三个值，分别为K1、K2、K3，某一示踪剂投放孔的最终K值为K1、K2、K3的平均数。
8.根据权利要求1所述的基于示踪技术的探查陷落柱发育程度的检测方法，其特征在于，步骤i中，当计算陷落柱渗透率K小于50时，判断该位置陷落柱裂隙发育程度较低，陷落柱结构完整性好，不需要进行加固处理；当计算陷落柱渗透率50-500时，判断该位置陷落柱裂隙发育中等，陷落柱结构完整性良好，应进行认真监测；当计算陷落柱渗透率大于500时，判断该位置陷落柱裂隙发育程度较高，陷落柱结构完整性较差，应进行提前注浆加固处理。
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