CN114184153B - 基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法，包括：对工作面及周边地面进行勘探并收集勘探资料，并计算导高进入土层的最大深度；基于勘探资料和导高进入土层的最大深度，使用光纤传感器光缆和渗压计设计采场覆岩及土层复合导高监测方案，并基于监测方案铺设光纤传感器光缆和渗压计；收集光纤传感器光缆和渗压计的监测数据，对监测数据进行分析，获得采场覆岩及土层复合导高。本发明基于裂隙带最大拉伸长度设计定点光纤或选用金属基索状应变感测光缆，有效增加了光纤监测的成功率，通过观测渗压计读数在采动过程中的变化，判断土层内裂隙发育位置，基于光纤和渗压计监测结果综合判断，更加准确确定土层内导高位置。

Description

基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法

技术领域

本发明属于煤炭开采领域，特别是涉及一种基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法。

背景技术

在地下开采的过程中，在矿山压力的作用下，采动工作面顶板覆岩会产生显著的移动破坏，在岩层内产生裂隙，当这些裂隙相互贯通后，就会形成具有导水功能的导水裂隙带。根据“上三带理论”，导水裂隙带是指采空区上覆岩层的冒落带与裂隙带之和。按可采矿层与充水含水层的彼此位置和接触关系将矿井水害类型划分为顶板水害、底板水害和周边充水水害3种。顶板水害的天然水源可分为地表水体(河、湖、海)、巨厚松散含水层、煤系顶板砂岩含水层、煤系顶板灰岩含水层。一般来讲，顶板水害主要是由于采矿活动产生的导水裂隙带沟通了煤层上覆含水层，即导水裂隙带作为通道沟通了采掘空间与煤层上覆水源，从而导致含水层中的水进入工作面，发生顶板水害事故。因此，明确导水裂隙带的发育情况，对于防治顶板水害非常重要。侏罗系煤层普遍分布在西部厚土层分布区，其埋藏浅、厚度大，煤层开采后导水裂隙带普遍贯穿基岩进入土层，土层通常对导高有一定抑制作用，导高进入土层后发育高度多少？如何准确监测其高度？即采场覆岩及土层复合导高的准确获取，对侏罗系煤层开采顶板水害防治具有重要意义。

现有的导水裂隙带监测方法中，有一种利用光纤监测的方法，主要是针对基岩内导高监测，通过钻孔埋设光纤，监测工作面推进过程中光纤应变，通过与基岩极限应变比较判断导高顶界面；仅用光纤监测导高时，该方法还存在以下不足：一方面，原理主要是将光纤应变与岩土体极限应变比较判断导高顶界面，然而，煤层覆岩采动移动强烈，光纤应变大于岩土体极限应变时，仅能判断该处破坏，不能判断该处裂隙(可能为水平裂隙、离层等)是否与下部裂隙贯通，因此使得监测结果存在一定误差；另外，由于采动覆岩移动属于典型大变形，在监测过程中监测信号线易被水平或垂直应力剪断或拉断导致测量失效，使得监测成功率较低。

在矿山开采方面，渗压计主要用于监测采动过程中含水层水位变化或进行煤矿突水预警，一种是将渗压计埋设在顶板含水层内，监测采动过程中含水层水位变化，或者将渗压计埋设在隔水层中，监测采动过程中渗压计变化，预警采动过程中隔水层以上含水层水漏失情况。然而现有的渗压计监测方法无法应用于土层导高监测中，主要原因为：(1)渗压计间距太大，渗压计埋设在含水层内，渗压计周边不是封闭水源，监测的含水层变化仅能判断水位下降，可能是水流入离层空间或补给其他含水层，不能反映裂隙发育到什么位置；(2)渗压计埋设在土层中，本身渗压计周边无水，使得读数接近零，采动过程中渗压计读数变化(一般增加)，仅能说明渗压计以上含水层发生渗漏，不能判断导高顶界面。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法，包括：

对工作面及周边地面进行勘探并收集勘探资料，基于所述勘探资料计算导高进入土层的最大深度；

基于所述勘探资料和所述导高进入土层的最大深度，使用光纤传感器光缆和渗压计设计采场覆岩及土层复合导高监测方案，并基于监测方案铺设所述光纤传感器光缆和所述渗压计；

收集所述光纤传感器光缆和所述渗压计的监测数据，对所述监测数据进行分析，获得采场覆岩及土层复合导高。

可选的，对工作面及周边地面进行勘探并收集勘探资料的过程中包括：

收集工作面及周边地面勘探钻孔，分析获得勘探资料，所述勘探资料包括：工作面煤层厚度、煤层埋深、煤层顶板基岩厚度、土层底界面埋深及土层厚度的空间分布。

可选的，基于所述勘探资料计算导高进入土层的最大深度的过程中包括：

基于所述工作面煤层厚度进行计算，获得基岩及土层复合导高最大值；

基于所述煤层顶板基岩厚度和所述基岩及土层复合导高最大值获得所述导高进入土层的最大深度。

可选的，基于所述工作面煤层厚度进行计算，获得基岩及土层复合导高最大值的过程中，采用了如下公式：

H_f＝γ·M_煤

式中，H_f为预计基岩导高，γ为本地区导高在基岩发育的裂采比，M_煤为工作面煤层厚度。

可选的，基于所述勘探资料和所述导高进入土层的最大深度，使用光纤传感器光缆和渗压计设计采场覆岩及土层复合导高监测方案，并基于监测方案铺设所述光纤传感器光缆和所述渗压计的过程中包括：

基于所述土层底界面埋深设计光纤传感器光缆的长度，所述光纤传感器光缆采用矿用定点光纤或金属基索状应变感测光缆；

基于所述导高进入土层的最大深度设定渗压计的监测范围，基于所述渗压计的监测范围制作渗压计的串联线路，并基于所述渗压计的串联线路将若干个所述渗压计埋设在钻孔监测范围段。

可选的，基于所述土层底界面埋深设计光纤传感器光缆的长度的过程中，所述光纤传感器光缆的长度为所述土层底界面埋深+10cm，采用U型回路埋设。

可选的，所述光纤传感器光缆采用矿用定点光纤时，设定所述矿用定点光纤的抗拉极限为所述矿用定点光纤长度的2％。

可选的，基于所述渗压计的串联线路将若干个所述渗压计埋设在钻孔监测范围段包括：

若干个所述渗压计按照所述串联线路以间距2m均匀排列，采用粘土球和混合粒径石英砂间隔回填，所述间隔回填的方法包括：

在所述渗压计的所在位置方圆0.5m范围采用所述混合粒径石英砂回填，所述渗压计间回填1m所述粘土球，且所述渗压计周围回填的所述混合粒径石英砂充满水，使得渗压计的显示数值大于等于0.05MPa。

可选的，收集所述光纤传感器光缆和所述渗压计的监测数据，对所述监测数据进行分析，获得采场覆岩及土层复合导高的过程中包括：

所述监测数据包括第一监测数据和第二监测数据，采集所述光纤传感器光缆的监测数据作为第一监测数据，采集所述渗压计的监测数据作为第二监测数据；

若在所述第一监测数据中，监测到拉伸应变值大于土的最大极限拉伸应变值的情况，则认为对应土层已破坏；

若在所述第二监测数据中，监测到渗压计读数减小，且此处渗压计以下的其余渗压计的读数均减小，则认为第一个读数减小的所述渗压计和其上一个渗压计之间存在导高顶界面，将第一个读数减小的所述渗压计和其上一个渗压计之间的区域作为待测区域，并对所述待测区域的第一监测数据进行分析，判断所述导高顶界面的位置。

本发明的技术效果为：

本发明基于裂隙带最大拉伸长度设计定点光纤或选用金属基索状应变感测光缆，有效增加了光纤监测的成功率，同时，考虑一孔多用，本发明提供的基于渗压计的土层裂隙高度判别方法，在土层内间隔埋设渗压计，通过观测渗压计读数在采动过程中的变化，判断土层内裂隙发育位置，基于光纤和渗压计监测结果综合判断，更加准确确定土层内导高位置，本方法实施简单，监测成功率高，监测结果准确可靠。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的流程图；

图2为本发明实施例中的监测方案设计图；

图3为本发明实施例中的监测开采区段设计图；

图4为本发明实施例中的工作面推过监测孔78m时光纤监测结果示意图；

图5为本发明实施例中的渗压计监测结果示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明公开了一种基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法，该监测方法的流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

S1、收集分析工作面及周边地质勘探资料。

收集工作面及周边地面勘探钻孔，分析获得工作面煤层厚度、煤层埋深、煤层顶板基岩厚度、土层底界面埋深及土层厚度的空间分布。

S2、预计导高进入土层的最大深度。

若不考虑土层对导高的抑制作用，基岩及土层复合导高最大值为工作面顶板全部为基岩时导高值H_f，可将煤层厚度代入本地区基岩导高预计经验公式：

H_f＝γ·M_煤

式中，H_f为预计基岩导高，单位为m；γ为本地区导高在基岩发育的裂采比；M_煤为煤层厚度，单位为m。通过计算获得基岩及土层复合导高最大值H_f，进而根据煤层顶板基岩厚度M_基，预测导高进入土层的最大深度为H_±＝H_f-M_基。

S3、选用光纤传感光缆和渗压计，设计采场覆岩及土层复合导高监测方案。

若土层底界面埋深为d_±，则设计定点光纤长度为d_±+10m，可选用矿用定点光纤或金属基索状应变感测光缆，采用U型回路埋设；根据预测导高进入的土层最大深度，设计渗压计监测范围为地表以下d_±-H_±～d_±，制作渗压计串联线路，并将其埋设在钻孔监测范围段。

所述矿用定点光纤，其抗拉极限为光纤长度的2％，考虑监测过程中光纤尽量不被拉断且保证监测精度，若裂隙带内岩层最大拉伸长度h，则设计小于等于

定点光纤，其中裂隙带内岩层最大拉伸长度可根据本区现场测试结果或采用下式计算：

h＝M_煤-H_垮(K_P-1)

式中，M_煤为煤层厚度，单位为m；H_垮为煤层开采垮落带高度，单位为m；K_P为垮落带范围内岩层平均碎胀系数。

所述制作渗压计串联线路，并将其埋设在钻孔监测范围段，具体为：渗压计以间距2m均匀排列，采用粘土球和混合粒径石英砂间隔回填，即渗压计所在点方圆0.5m范围采用混合粒径石英砂回填，渗压计间回填1m粘土球，且保证渗压计周围回填的混合粒径石英砂充满水，使得渗压计的显示数值大于等于0.05MPa。

S4、采集光纤应变及渗压计水压监测数据。

工作面推进至距监测孔水平距离L时开始监测，工作面推进过监测孔L时停止监测，L可采用下式计算确定：

式中，d_煤为煤层埋深，单位为m；θ为煤层开采塌陷角，单位为°。

S5、分析监测结果，得到采场覆岩及土层复合导高。

根据光纤监测数据，若所测拉伸应变为ε大于土的最大极限拉伸应变为ε′则认为该处土层以破坏；根据渗压计监测数据，若某处渗压计读数减小，且该处以下渗压计读数均减下，则可认为导高顶界面位于该处与其之上渗压计间，进一步分析该段光纤数据，可进一步准确判断导高顶界面。

为了验证技术效果，本发明通过对某井田工作面及周边地面勘探钻孔收集分析，工作面煤层厚度为8.0～11.2m，煤层埋深为250.0～266.0m，煤层顶板基岩厚度为160.0～220.0m，黄土层底界面埋深为40.0～86.0m，黄土层厚度为20.5～47.9m。设计的监测钻孔位置的煤层厚度约8.9m，煤层埋深约255m，煤层顶板基岩厚度厚约180m，黄土层底界面埋深约75.0m，黄土层厚度约26m。

若不考虑土层对导高的抑制作用，基岩及土层复合导高最大值为工作面顶板全部为基岩时导高值，本地区导高在基岩发育的裂采比一般为22倍，则H_f＝γ·M_煤＝22×8.9＝195.8m，进而可预测导高进入土层的最大深度为H_±＝H_f-M_基＝195.8-180＝15.8m。

进一步，选用金属基索状应变感测光缆和定点光纤，采用U型布置，设计长度为d_±+10m＝85.0m，本地区裂隙带内土层最大拉伸长度2～20mm，保守考虑，设置2m定点光纤；渗压计监测范围为地表以下d_±-H_±～d_±＝59.2～75.0m，制作渗压计串联线路，渗压计以间距2m均匀排列，采用粘土球和混合粒径石英砂间隔回填，即渗压计所在点方圆0.5m范围采用混合粒径石英砂回填，渗压计间回填1m粘土球，且保证渗压计周围回填的混合粒径石英砂充满水，使得渗压计的显示数值大于等于0.05MPa，具体设计见图2。

本区煤层开采塌陷角取73°，结合煤层埋深，可计算确定监测起始距离L为78m，即工作面推进至距监测孔水平距离78m时开始监测，工作面推进过监测孔78m时停止监测，具体见图3。

通过监测可获取监测数据并绘制曲线，工作面推过监测孔78m时光纤监测结果见图4，渗压计监测结果见图5。黄土的抗拉强度为平均约7kPa；其极限拉伸应变为约4500με，由监测结果可以看出，在埋深5m、埋深45～53m、埋深68m以下应变均大于黄土极限应变，根据渗压计监测结果可以看出埋深69m及以下渗压计读数降低，降低值超过渗压计初始值的70％，而67m处渗压计基本没有变化，说明导高顶界面位于埋深67m～69m间，综合光纤监测结果可判断导高顶界面埋深约68m，即工作面开采覆岩及土层复合导高为187m。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于光纤及渗压计的采场覆岩及土层复合导高监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

对工作面及周边地面进行勘探并收集勘探资料，勘探资料包括土层底界面埋深，基于所述勘探资料计算导高进入土层的最大深度；

基于所述勘探资料和所述导高进入土层的最大深度，使用光纤传感器光缆和渗压计设计采场覆岩及土层复合导高监测方案，并基于监测方案铺设所述光纤传感器光缆和所述渗压计；

基于所述土层底界面埋深设计光纤传感器光缆的长度，所述光纤传感器光缆采用矿用定点光纤或金属基索状应变感测光缆；

基于所述导高进入土层的最大深度设定渗压计的监测范围，基于所述渗压计的监测范围制作渗压计的串联线路，并基于所述渗压计的串联线路将若干个所述渗压计埋设在钻孔监测范围段；

收集所述光纤传感器光缆和所述渗压计的监测数据，对所述监测数据进行分析，获得采场覆岩及土层复合导高；

所述监测数据包括第一监测数据和第二监测数据，采集所述光纤传感器光缆的监测数据作为第一监测数据，采集所述渗压计的监测数据作为第二监测数据；

若在所述第一监测数据中，监测到拉伸应变值大于土的最大极限拉伸应变值的情况，则认为对应土层已破坏；

若在所述第二监测数据中，监测到渗压计读数减小，且此处渗压计以下的其余渗压计的读数均减小，则认为第一个读数减小的所述渗压计和其上一个渗压计之间存在导高顶界面，将第一个读数减小的所述渗压计和其上一个渗压计之间的区域作为待测区域，并对所述待测区域的第一监测数据进行分析，判断所述导高顶界面的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对工作面及周边地面进行勘探并收集勘探资料的过程中包括：

收集工作面及周边地面勘探钻孔，分析获得勘探资料，所述勘探资料还包括：工作面煤层厚度、煤层埋深、煤层顶板基岩厚度及土层厚度的空间分布。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述勘探资料计算导高进入土层的最大深度的过程中包括：

基于所述工作面煤层厚度进行计算，获得基岩及土层复合导高最大值；

基于所述煤层顶板基岩厚度和所述基岩及土层复合导高最大值获得所述导高进入土层的最大深度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于所述工作面煤层厚度进行计算，获得基岩及土层复合导高最大值的过程中，采用了如下公式：

H_f＝γ.M_煤

式中，H_f为预计基岩导高，γ为本地区导高在基岩发育的裂采比，M_煤为工作面煤层厚度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述土层底界面埋深设计光纤传感器光缆的长度的过程中，所述光纤传感器光缆的长度为所述土层底界面埋深+10cm，采用U型回路埋设。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光纤传感器光缆采用矿用定点光纤时，设定所述矿用定点光纤的抗拉极限为所述矿用定点光纤长度的2％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述渗压计的串联线路将若干个所述渗压计埋设在钻孔监测范围段包括：

若干个所述渗压计按照所述串联线路以间距2m均匀排列，采用粘土球和混合粒径石英砂间隔回填，所述间隔回填的方法包括：

在所述渗压计的所在位置方圆0.5m范围采用所述混合粒径石英砂回填，所述渗压计间回填1m所述粘土球，且所述渗压计周围回填的所述混合粒径石英砂充满水，使得渗压计的显示数值大于等于0.05MPa。

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