CN112727453B - 一种被保护层保护范围测定方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种被保护层保护范围测定方法。该方法包括钻设地应力测量钻孔、测量被保护层的地应力值、施工测试钻孔、测定被保护层顶底板的相对变形、得出被保护层采动应力值、计算被保护层的绝对膨胀变形量和得出被保护层的膨胀变形率等步骤。该方法可以准确地测量出被保护层的膨胀变形率，能够更好的反映出保护层保护范围，对突出煤层消突有很好的指导作用，也可用于水力割缝等措施进行本煤层消突预判。

Description

一种被保护层保护范围测定方法

技术领域

本发明涉及矿山工程领域，特别涉及一种被保护层保护范围测定方法。

背景技术

开采保护层是预防煤与瓦斯突出最有效的区域防突措施，也是一种主要的防突技术措施。突出矿井在开采煤层群条件下，必须首先开采没有突出危险或突出危险较小的煤层作为保护层；由于保护层的采动影响，可使邻近的突出危险煤层消除突出危险。因此，保护层开采对煤与瓦斯突出灾害防治、煤炭资源高效安全回采具有重要意义。

开采保护层需要一定的适用条件，包括煤层间距、煤层赋存、瓦斯含量等条件，但最关键的是要明确保护层的保护范围。《防治煤与瓦斯突出细则》第五十五条中明确规定突出矿井首次开采某个保护层时,应当对被保护层进行区域措施效果检验及保护范围的实际考察。如果被保护层的最大膨胀变形量大于千分之三,则检验和考察结果可适用于其他区域的同一保护层和被保护层；否则,应当对每个预计的被保护区域进行区域措施效果检验。

目前,现场观测被保护层的膨胀变形主要采用深部基点法观测,其原理为布置钻孔穿过被保护层的顶、底板,在顶底板中布置测点,通过观测顶、底板测点之间的相对位移进而确定被保护层的膨胀变形量。变形仪是煤岩层变形常用的测定仪器，主要由扩张式基点、钢丝绳和重锤三部分组成。进行现场考察时，将2个扩张式基点配上相应的钢丝绳分别安装于穿层钻孔煤层顶底板处的岩石孔段内，上下2个扩张基点的钢丝绳尾端分别系1个重锤。变形仪安装好之后,在保护层开采时利用重锤的相对位移量来测定煤(岩)层的绝对位移量和相对变形量，从而考察保护层保护范围的实际效果。

但扩张式基点安装位置不可能刚好位于顶板(或底板)与被保护煤层的交界处，实际操作中，扩张式基点安装位置距煤层的顶底板到被保护煤层交界处总存在一定的距离，实际测得的煤层膨胀变形量包含了一部分顶底板岩层的膨胀变形量，这将导致计算被保护层最大膨胀变形率时相对位移量偏大，从而导致被保护层最大膨胀变形率偏大，最终造成保护层保护效果的判断失误，严重威胁到被保护层开采的安全。且在计算重锤相对位移量时，对于不同情况下的相对位移量的计算没有明确的计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种被保护层保护范围测定方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种被保护层保护范围测定方法，包括以下步骤：

1)在开采扰动区外选定被保护层地应力测点。按照测点布置方案钻设地应力测量钻孔。

2)采用空心包体钻孔应力解除法测量被保护层的地应力值σ₁。其中，取出岩芯后进行弹模率定试验，确定被保护层顶板岩层的弹性模量E₁和泊松比参数，以及被保护层底板岩层的弹性模量E₂和泊松比参数。

3)确定保护范围理论边界线。

4)在抽放钻场内向保护范围外侧区域施工若干个穿煤钻孔作为测试钻孔。

5)采用深部基点法测定被保护层顶底板的相对变形δ_测。根据应力传感器的监测数据得出被保护层采动应力值σ₂。其中，应力传感器设置在深部基点位置处。保护层开采前后被保护层的应力变化量Δσ＝σ₁-σ₂。

6)根据应力变化量与弹性模量的关系，得出保护层开采前后被保护层顶板的膨胀变形量δ₁以及被保护层底板的膨胀变形量为δ₂。

7)计算被保护层的绝对膨胀变形量δ_实＝δ_测-δ₁-δ₂。

8)利用测试钻孔在预设范围内的被保护层中采集煤岩作为煤样。测定被保护层的瓦斯压力和被保护层地应力。

9)通过煤与瓦斯失稳判据，依据测试钻孔判定的突出可能性重新划定保护范围边界线。

进一步，步骤5)具体包括以下步骤：

5.1)将若干应力传感器、扩张式煤层顶板基点固定器和扩张式煤层底板基点固定器送入测试钻孔中。其中，所述扩张式煤层顶板基点固定器推送至测试钻孔位于煤层顶板的区段中并固定安装。所述扩张式煤层底板基点固定器推送至测试钻孔位于煤层底板的区段中并固定安装。所述应力传感器设置在扩张式煤层顶板基点固定器和扩张式煤层底板基点固定器对应位置处。所述扩张式煤层顶板基点固定器配有顶板基点测定线。所述扩张式煤层底板基点固定器配有底板基点测定线。所述顶板基点测定线的一端穿入扩张式煤层顶板基点固定器，另一端从测试钻孔的孔口引出。所述顶板基点测定线的引出端绕设过摩擦轮后悬挂重锤。所述底板基点测定线的一端穿入扩张式煤层底板基点固定器，另一端从测试钻孔的孔口引出。所述底板基点测定线的引出端绕设过摩擦轮后悬挂重锤。

5.2)测量被保护层的厚度h、顶板基点与被保护煤层交界处的距离h₁以及底板基点与被保护煤层交界处的距离h₂。

5.3)以重锤的上表面为基准，测量两个重锤的初始高度差s₁。

5.4)在保护层的采动作用下，扩张式煤层顶板基点固定器和扩张式煤层底板基点固定器随顶底板移动。保护层开采完毕后，再次测量两个重锤的高度差s₂。

5.5)根据两个重锤之间的相对位移得出被保护层顶底板的相对变形δ_测。根据应力传感器的监测数据得出被保护层采动应力值σ₂。

进一步，所述顶板基点测定线和底板基点测定线为抗拉钢丝绳。

进一步，所述测试钻孔与被保护层垂直。

进一步，对测得的任意钻孔方向煤层的绝对变形量，按下述公式换算为垂直煤层方向的绝对变形量：

ε_⊥＝ε_e/(cosαcosβsinθ+sinαcosθ)²

式中，ε_⊥为垂直煤层方向的绝对变形量。ε_e为任意钻孔方向煤层的绝对变形量。α为钻孔仰角，°。β为钻孔方位与煤层法线的夹角，°。θ为煤层倾角，°。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：可以准确地测量出被保护层的膨胀变形率，能够更好的反映出保护层保护范围，对突出煤层消突有很好的指导作用，也可用于水力割缝等措施进行本煤层消突预判。

附图说明

图1为测定方法流程图；

图2为测试钻孔布置示意图；

图3为保护范围理论边界线与测试钻孔位置关系示意图；

图4为实施例4中测定方法工作示意图；

图5为实施例5中测定方法工作示意图。

图中：地应力测量钻孔1、被保护层2、测试钻孔3、扩张式顶板基点固定器4、扩张式煤层底板基点固定器5、摩擦轮6、悬挂重锤7。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种基础的被保护层膨胀变形率测定方法，包括以下步骤：

1)在开采扰动区外选定被保护层地应力测点。按照测点布置方案钻设地应力测量钻孔1。

2)采用空心包体钻孔应力解除法测量被保护层2的地应力值σ₁。其中，取出岩芯后进行弹模率定试验，确定被保护层顶板岩层的弹性模量E₁和泊松比参数，以及被保护层底板岩层的弹性模量E₂和泊松比参数。

3)在抽放钻场施工测试钻孔3。采用深部基点法测定被保护层顶底板的相对变形δ_测。根据应力传感器的监测数据得出被保护层采动应力值σ₂。其中，应力传感器设置在深部基点位置处。保护层开采前后被保护层的应力变化量Δσ＝σ₁-σ₂。

4)根据应力变化量与弹性模量的关系，得出保护层开采前后被保护层顶板的膨胀变形量δ₁以及被保护层底板的膨胀变形量为δ₂。

5)计算被保护层2的绝对膨胀变形量δ_实＝δ_测-δ₁-δ₂。

6)绝对膨胀变形量除以被保护层2的厚度得出被保护层2的膨胀变形率。

8)进行保护层保护范围现场考察优化的具体步骤如下：根据《煤与瓦斯突出防治细则》确定保护范围理论边界线。在钻场内向卸压边界区域施工16个穿煤钻孔作为测试钻孔。参见图3，钻场布置在保护层开采工作面机巷和保护层开采工作面风巷中。参见图4，在保护范围理论边界走向与倾向外侧5°、10°、15°和20°分别布置钻孔测试。测试钻孔的终孔位置超出测量的被保护层的顶底板位置，以保证获得较为准确的地应力和和膨胀变形量、瓦斯含量。

9)利用测试钻孔在预设范围内的被保护层中采集煤岩作为煤样，测定其瓦斯压力、含量，采用钻孔局部壁面应力全解除法测定被保护层16个钻孔的的地应力。同时运用本发明提到的膨胀变形率测定方法测定该位置附近被保护层的膨胀变形量。

10)依据被保护层的地应力、膨胀变形量及瓦斯含量通过煤与瓦斯失稳判据判定，依据16个钻孔判定的突出可能性划定保护范围实际边界线，如无突出危险性则边界外扩，如有突出危险性则保持原先划定的突出范围。

实施例2：

本实施例公开一种被保护层保护范围测定方法，包括以下步骤：

1)在开采扰动区外选定被保护层地应力测点。按照测点布置方案钻设地应力测量钻孔1。

2)采用空心包体钻孔应力解除法测量被保护层2的地应力值σ₁。其中，取出岩芯后进行弹模率定试验，确定被保护层顶板岩层的弹性模量E₁和泊松比参数，以及被保护层底板岩层的弹性模量E₂和泊松比参数。

3)确定保护范围理论边界线。

4)在抽放钻场内向保护范围外侧区域施工若干个穿煤钻孔作为测试钻孔3。

5)采用深部基点法测定被保护层顶底板的相对变形δ_测。根据应力传感器的监测数据得出被保护层采动应力值σ₂。其中，应力传感器设置在深部基点位置处。保护层开采前后被保护层的应力变化量Δσ＝σ₁-σ₂。

5.1)将若干应力传感器、扩张式煤层顶板基点固定器4和扩张式煤层底板基点固定器5送入测试钻孔3中。其中，所述扩张式煤层顶板基点固定器4推送至测试钻孔3位于煤层顶板的区段中并固定安装。所述扩张式煤层底板基点固定器5推送至测试钻孔3位于煤层底板的区段中并固定安装。所述应力传感器设置在扩张式煤层顶板基点固定器4和扩张式煤层底板基点固定器5对应位置处。所述扩张式煤层顶板基点固定器4配有顶板基点测定线。所述扩张式煤层底板基点固定器5配有底板基点测定线。所述顶板基点测定线的一端穿入扩张式煤层顶板基点固定器4，另一端从测试钻孔3的孔口引出。所述顶板基点测定线的引出端绕设过摩擦轮6后悬挂重锤7。所述底板基点测定线的一端穿入扩张式煤层底板基点固定器5，另一端从测试钻孔3的孔口引出。所述底板基点测定线的引出端绕设过摩擦轮6后悬挂重锤7。

5.2)测量被保护层2的厚度h、顶板基点与被保护煤层交界处的距离h₁以及底板基点与被保护煤层交界处的距离h₂。

5.3)以重锤7的上表面为基准，测量两个重锤7的初始高度差s₁。

5.4)在保护层的采动作用下，扩张式煤层顶板基点固定器4和扩张式煤层底板基点固定器5随顶底板移动。保护层开采完毕后，再次测量两个重锤7的高度差s₂。

5.5)根据两个重锤7之间的相对位移得出被保护层顶底板的相对变形δ_测。根据应力传感器的监测数据得出被保护层采动应力值σ2。

6)根据应力变化量与弹性模量的关系，得出保护层开采前后被保护层顶板的膨胀变形量δ₁以及被保护层底板的膨胀变形量为δ₂。

7)计算被保护层2的绝对膨胀变形量δ_实＝δ_测-δ₁-δ₂。

8)利用测试钻孔3在预设范围内的被保护层中采集煤岩作为煤样。测定被保护层的瓦斯压力和被保护层地应力。

9)通过煤与瓦斯失稳判据，依据测试钻孔3判定的突出可能性重新划定保护范围边界线。

实施例3：

本实施例主要步骤同实施例2，其中，所述测试钻孔3与被保护层2垂直。测量被保护层2的厚度h、顶板基点与被保护煤层交界处的距离h₁以及底板基点与被保护煤层交界处的距离h₂。以重锤7的上表面为基准，测量两个重锤7的初始高度差s₁。在保护层的采动作用下，扩张式煤层顶板基点固定器4和扩张式煤层底板基点固定器5随顶底板移动。保护层开采完毕后，再次测量两个重锤7的高度差s₂。根据两个重锤7之间的相对位移得出被保护层顶底板的相对变形δ_测。参照《GB/T 25217.7-2019冲击地压测定、监测与防治方法》第7部分：采动应力监测方法，根据应力传感器的监测数据得出被保护层采动应力值σ₂。

根据应力变化量与弹性模量的关系Δσ＝EΔε＝Eδ/h，得出保护层开采前后被保护层顶板的膨胀变形量δ₁以及被保护层底板的膨胀变形量为δ₂。

δ₁＝Δσh₁/E₁。

δ₂＝Δσh₂/E₂。

计算被保护层2的绝对膨胀变形量δ_实＝δ_测-δ₁-δ₂。得出被保护层2的膨胀变形率为(δ_测-δ₁-δ₂)/h。

实施例4：

本实施例主要步骤同实施例2。参见图1，本实施例为保护层为上保护层的情况。被保护煤层的膨胀变形量测量值δ测的计算如下：

a)在开采保护层之前，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤上方，开采保护层之后，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤上方时：

δ_测＝s₁-s₂；

b)在开采保护层之前，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤上方，开采保护层之后，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤下方时：

δ_测＝s₁+s₂；

c)在保护层为上保护层时，且开采保护层之前，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤下方，开采保护层之后，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤下方时：

δ_测＝s₂-s₁。

实施例5：

本实施例主要步骤同实施例2，参见图2，本实施例为保护层为下保护层的情况。被保护煤层的膨胀变形量测量值δ_测的计算如下：

a)在开采保护层之前，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤上方，开采保护层之后，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤上方时：

δ_测＝s₂-s₁；

b)在开采保护层之前，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤下方，开采保护层之后，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤上方时：

δ_测＝s₁+s₂；

c)在开采保护层之前，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤下方，开采保护层之后，被保护层顶板基点对应重锤在底板基点对应重锤下方时：

δ_测＝s₁-s₂。

实施例6：

本实施例主要结构同实施例2，当考虑的被保护层为倾斜煤层时，且钻孔方向也为任意值时，对测得的任意钻孔方向煤层的绝对变形量，可按下述公式换算为垂直煤层方向的绝对变形量：

ε_⊥＝ε_e/(cosαcosβsinθ+sinαcosθ)²

式中：ε_⊥、ε_e─分别为垂直煤层方向、任意钻孔方向煤层的绝对变形量；α─钻孔仰角，°；β─钻孔方位与煤层法线的夹角(即偏角)，°；θ─煤层倾角，°。

其中走向(倾向)方向钻孔方位与煤层法线夹角β计算方法如下：

走向方向钻孔方位与煤层法线的夹角β计算方法如下：

cosφ＝cosω×cosθ；

cosA＝cosφ×cosB；

tanγ＝tanθ×sinA；

β＝90°-γ-α。

式中：φ─钻孔真实方位角，°；ω─钻孔水平方位角，°；A─钻孔与煤层走向夹角，°；B─钻孔在煤层走向剖面上的投影与煤层走向剖面线的夹角，°；γ─煤层伪倾角，°。

倾向方向钻孔方位与煤层法线的夹角β计算方法如下：

β＝90°-θ-α。

实施例7：

本实施例主要结构同实施例2，其中，所述顶板基点测定线和底板基点测定线为抗拉钢丝绳。

Claims (4)

1.一种被保护层保护范围测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在开采扰动区外选定被保护层地应力测点；按照测点布置方案钻设地应力测量钻孔(1)；

2)采用空心包体钻孔应力解除法测量被保护层(2)的地应力值σ₁；其中，取出岩芯后进行弹模率定试验，确定被保护层顶板岩层的弹性模量E₁和泊松比参数，以及被保护层底板岩层的弹性模量E₂和泊松比参数；

3)确定保护范围理论边界线；

4)在抽放钻场内向保护范围外侧区域施工若干个穿煤钻孔作为测试钻孔(3)；

5)采用深部基点法测定被保护层顶底板的相对变形δ_测；根据应力传感器的监测数据得出被保护层采动应力值σ₂；其中，应力传感器设置在深部基点位置处；保护层开采前后被保护层的应力变化量Δσ＝σ₁-σ₂；步骤5)具体包括以下步骤：

5.1)将若干应力传感器、扩张式煤层顶板基点固定器(4)和扩张式煤层底板基点固定器(5)送入测试钻孔(3)中；其中，所述扩张式煤层顶板基点固定器(4)推送至测试钻孔(3)位于煤层顶板的区段中并固定安装；所述扩张式煤层底板基点固定器(5)推送至测试钻孔(3)位于煤层底板的区段中并固定安装；所述应力传感器设置在扩张式煤层顶板基点固定器(4)和扩张式煤层底板基点固定器(5)对应位置处；所述扩张式煤层顶板基点固定器(4)配有顶板基点测定线；所述扩张式煤层底板基点固定器(5)配有底板基点测定线；所述顶板基点测定线的一端穿入扩张式煤层顶板基点固定器(4)，另一端从测试钻孔(3)的孔口引出；所述顶板基点测定线的引出端绕设过摩擦轮(6)后悬挂重锤(7)；所述底板基点测定线的一端穿入扩张式煤层底板基点固定器(5)，另一端从测试钻孔(3)的孔口引出；所述底板基点测定线的引出端绕设过摩擦轮(6)后悬挂重锤(7)；

5.2)测量被保护层(2)的厚度h、顶板基点与被保护煤层交界处的距离h₁以及底板基点与被保护煤层交界处的距离h₂；

5.3)以重锤(7)的上表面为基准，测量两个重锤(7)的初始高度差s₁；

5.4)在保护层的采动作用下，扩张式煤层顶板基点固定器(4)和扩张式煤层底板基点固定器(5)随顶底板移动；保护层开采完毕后，再次测量两个重锤(7)的高度差s₂；

5.5)根据两个重锤(7)之间的相对位移得出被保护层顶底板的相对变形δ_测；根据应力传感器的监测数据得出被保护层采动应力值σ₂；

6)根据应力变化量与弹性模量的关系，得出保护层开采前后被保护层顶板的膨胀变形量δ₁以及被保护层底板的膨胀变形量为δ₂；

7)计算被保护层(2)的绝对膨胀变形量δ_实＝δ_测-δ₁-δ₂；

8)利用测试钻孔(3)在预设范围内的被保护层中采集煤岩作为煤样；测定被保护层的瓦斯压力和被保护层地应力；

9)通过煤与瓦斯失稳判据，依据测试钻孔(3)判定的突出可能性重新划定保护范围边界线。

2.根据权利要求1所述的一种被保护层保护范围测定方法，其特征在于：所述顶板基点测定线和底板基点测定线为抗拉钢丝绳。

3.根据权利要求1所述的一种被保护层保护范围测定方法，其特征在于：所述测试钻孔(3)与被保护层(2)垂直。

4.根据权利要求1所述的一种被保护层保护范围测定方法，其特征在于：对测得的任意钻孔方向煤层的绝对变形量，按下述公式换算为垂直煤层方向的绝对变形量：

ε_⊥＝ε_e/(cosαcosβsinθ+sinαcosθ)²

式中，ε_⊥为垂直煤层方向的绝对变形量；ε_e为任意钻孔方向煤层的绝对变形量；α为钻孔仰角，°；β为钻孔方位与煤层法线的夹角，°；θ为煤层倾角，°。

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