CN117607973B - 一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，涉及陷落柱监测技术领域。该方法包括：首先在采掘工作开始前计算陷落柱周边受开采影响的损伤范围，在此基础上布设固定监测钻孔并安装第一监测探头；第一监测探头安装完成后注浆密封，在采掘过程中启用监测设备收集各钻孔的双参数数据并处理分析，绘制双参数与时间的关系变化图；根据固定监测钻孔数据获得的陷落柱活化规律布设动态监测钻孔并开展监测，分析动态监测钻孔数据，绘制双参数与时间的关系变化图；最后综合分析固定监测钻孔与动态监测钻孔获得的数据，绘制陷落柱构造双参数三维立体等值线图，划定陷落柱活化区域，以实现陷落柱时空动态活化程度的监测和分析。

Description

一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法
技术领域
本发明涉及陷落柱监测技术领域，具体涉及一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法。
背景技术
煤炭资源勘查和采掘过程中的安全问题严重影响着国家的经济命脉和能源安全，随着我国煤炭资源开采逐渐趋向深部，许多煤矿面临奥灰承压水威胁，特别是在含/导水陷落柱附近，会形成垂向的导水通道直接将奥灰水导入煤层，导致水害事故，造成生命和财产的巨大损失。因此，掌握和分析陷落柱活化规律对于预防底板突水事故的发生意义重大。
目前针对陷落柱活化突水的预测方法主要有“突水系数法”、“下三带”理论、“下四带理论”、“原位张裂与零位破坏理论”、“关键层理论”，“数值模拟法”和“现场探测法”，这些技术和方法对于陷落柱活化突水的预测和防治提供了一定的理论指导和技术支持。但由于矿井地质条件的复杂性，目前在矿井工作面推进过程中陷落柱活化程度实时动态监测和突水预测方面仍存在诸多问题，现有技术和方法有待于进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，该方法在采掘过程中使用监测设备收集各钻孔的双参数数据，综合处理分析各监测钻孔获得的数据，划定陷落柱构造活化区域，以实现陷落柱时空动态活化程度的判别，为保障矿井采掘工作安全与灾害预警防控提供技术支持。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，包括以下步骤：a、在采掘工作开始前计算陷落柱周边受开采影响的损伤范围；b、确定钻孔参数并布设若干个固定监测钻孔；c、在固定监测钻孔内安装第一监测探头并注浆密封，所述的第一监测探头连接有第一数据收集系统，所述的第一监测探头包括测量电极、供电电极以及数据传输线；d、通过供电电极向大地供电，通过布置的第一监测探头测量电场变化信号，电场变化信号传输给第一数据收集系统；e、数据收集，第一数据收集系统收集储存的电场信号转化为数字信号并输出至数据分析系统，储存到数据存储设备，该数字信号主要包含探测陷落柱构造的视电阻率和视极化率双参数；f、数据处理，对转换后所得视电阻率和视极化率双参数数字信号变化情况进行分析处理，绘制视电阻率、视极化率与时间的关系变化图；g、数据分析，根据绘制的视电阻率与时间的关系变化图和视极化率与时间的关系变化图，综合分析不同时刻各个固定监测钻孔附近的构造活化程度，获得陷落柱构造活化规律；h、布置若干个动态监测钻孔，根据步骤g得到的陷落柱构造活化规律来布置动态监测钻孔，并在动态监测钻孔内安装第二监测探头，第二监测探头活动安装在动态监测钻孔内，所述的第二监测探头连接有第二数据收集系统，所述的第二监测探头结构与第一监测探头结构相同；i、通过布置的第二监测探头来测量电场变化信号，并将其传输给第二数据收集系统，通过所述的第二收集系统进行处理、分析动态监测钻孔的数据，并绘制视电阻率、视极化率与时间的关系变化图；j、综合处理数据，综合分析同一时刻，所有固定监测钻孔与动态监测钻孔的数据，利用origin软件进行处理，绘制出陷落柱构造附近的双参数视电阻率三维立体等值线图与视极化率三维立体等值线图，通过观测其变化情况，判别陷落柱构造活化状态，划定陷落柱构造活化区域，动态监测陷落柱构造活化程度。
上述的一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，步骤a中，损伤范围r的计算 步骤为：假设无限长深埋圆形硐室的围岩性质为均质线弹性且无蠕变或黏性行为，其竖向 荷载对称于横轴，水平荷载对称于竖轴，为侧压力系数，、分别为极坐标表示 的切向应力和径向应力，为圆形硐室的半径，为圆形硐室围岩角度，为极坐标表示的 剪应力，采用平面应变问题的方法，得到围岩应力分布解析式，具体公式如（1）、（2）、（3）所 示。
（1）。
（2）。
（3）。
应用坐标系变化法则，可以得到公式（4），岩体损失准则如公式（5）。
（4）。
（5）。
式(4)、（5）中，、分别为最大主应力和最小主应力；为岩石的相关系数； 为岩石饱和单轴抗压强度，利用式（1）、（4）、（5）联立，即可根据已知围岩初始应力、岩石单 轴抗压强度，求出损伤区的范围。
上述的一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，步骤b中，钻孔参数包括钻孔倾角、钻孔深度以及钻孔位置，进行打孔作业的具体步骤为：当采煤工作面推进至距离陷落柱构造10～30米时，在巷道及邻近巷道间隔围绕陷落柱构造选择6～10个固定监测点，向巷道底板及煤岩壁中先后施工一定倾角钻孔，孔深为40～80m。
上述的一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，所述的第一监测探头安装在距离陷落柱10～30m的固定监测钻孔的前端并注浆密封；所述的第一数据收集系统位于顺槽内，通过信号传输线将第一监测探头与第一数据收集系统连接，第一监测探头的测量电极、供电电极以及数据传输线均固定在测距推杆上，通过测距推杆将第一测量电极、供电电极以及数据传输线准确放置在钻孔内，并通过注浆密封来长期监测由于开采扰动引起的陷落柱活化演变规律。
上述的一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，步骤e中，电场信号经过预处理和A/D转换为数字信号。
上述的一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，步骤g中，构造活化程度的判断标准为：Ⅰ级：视电阻率减小，视极化率增高时，此时陷落柱处于活化状态，应立即采取措施；Ⅱ级：视电阻率增大，视极化率增高时，陷落柱处于活化状态，采取相应措施；Ⅲ级：视电阻率减小，视极化率降低时，陷落柱处于活化状态，采取相应措施；Ⅳ级：电阻率变大，极化率降低时，陷落柱处于稳定状态，此时安全。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果。
（1）固定监测钻孔内的第一监测探头的电极封存于钻孔前端，用于长期监测由于开采扰动引起的陷落柱活化演变规律，避免了进行重复安装电极及复杂的调试工作，提高了监测效率。
（2）第二监测探头的电极安装不进行注浆密封可随时取出，根据工况变化动态调整监测位置，扩大监测范围，提高了监测工作灵活性，保障开采安全。
（3）实现了巷道掘进探测时物探与钻探的结合，在不同时刻、不同测点得到多组不同数据并处理分析得到数据的三维立体图像，直观反映陷落柱时空动态活化程度。
综上所述，本发明首先根据已探明的陷落柱的范围及位置，在采掘工作开始前计算陷落柱周边受开采影响的损伤范围，在此基础上布设固定监测钻孔并安装第一监测探头；固定监测钻孔在第一监测探头安装完成后注浆密封，用于长期监测由于开采扰动引起的陷落柱活化演变规律，在采掘过程中启用监测设备收集各钻孔的双参数数据并处理分析，绘制双参数与时间的关系变化图；然后根据固定监测钻孔数据获得的陷落柱活化规律布设动态监测钻孔并开展监测，分析动态监测钻孔数据，绘制双参数与时间的关系变化图；最后综合分析固定监测钻孔与动态监测钻孔获得的数据，绘制陷落柱构造双参数三维立体等值线图，划定陷落柱活化区域，以实现陷落柱时空动态活化程度的监测和分析，为保障矿井采掘工作安全与灾害预警防控提供技术支持。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为矿井底板陷落柱构造位置示意图。
图3为工作面固定监测钻孔布设示意图。
图4为第一固定监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图5为第二固定监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图6为第三固定监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图7为第四固定监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图8为第五固定监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图9为第六固定监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图10为工作面动态监测钻孔布设示意图。
图11为第一动态监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图12为第二动态监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图13为第三动态监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图14为第四动态监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图15为第五动态监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图16为第六动态监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图17为第七动态监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图18为第八动态监测钻孔的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图。
图19为极化率三维立体等值线图。
图20为电阻率三维立体等值线图。
图21为构造活化区划定立体图。
图中：11、第一固定监测钻孔，12、第二固定监测钻孔，13、第三固定监测钻孔，14、第四固定监测钻孔，15、第五固定监测钻孔，16、第六固定监测钻孔；21、第一动态监测钻孔，22、第二动态监测钻孔，23、第三动态监测钻孔，24、第四动态监测钻孔，25、第五动态监测钻孔，26、第六动态监测钻孔，27、第七动态监测钻孔，28、第八动态监测钻孔。
具体实施方式
本发明提出了一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的描述中，“第一”、“第二”等字样仅用于区别不同对象，并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本发明，一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，如图1所示，包括以下步骤： a、根据已探明的陷落柱的范围及位置，在采掘工作开始前计算陷落柱周边受开采影响的损 伤范围。假设无限长深埋圆形硐室的围岩性质为均质线弹性且无蠕变或黏性行为，其竖向 荷载对称于横轴,水平荷载对称于竖轴,为侧压力系数，、分别为极坐标表示的 切向应力和径向应力，为圆形硐室的半径，为圆形硐室围岩角度，为极坐标表示的剪 应力。采用平面应变问题的方法,得到围岩应力分布解析式，具体公式如下。
（1）。
（2）。
（3）。
应用坐标系变化法则，可以得到。
（4）。
岩体损伤准则。
（5）。
式中，、/>分别为最大主应力和最小主应力；/>为岩石的相关系数；/>为岩石饱和单轴抗压强度，利用式（1）、（4）、（5）联立，即可根据已知围岩初始应力、岩石单轴抗压强度，求出损伤区的范围/>。
b、在步骤a的基础上设定钻孔参数，并设置若干个固定监测钻孔，钻孔参数具体如钻孔倾角、钻孔深度以及钻孔位置等，进行打孔作业，具体步骤包括：当采煤工作面推进至距离陷落柱构造10-30米时，在巷道及邻近巷道间隔围绕陷落柱构造选择6-10个固定监测点，向巷道底板及煤岩壁中先后施工一定倾角钻孔，孔深根据陷落柱构造位置及范围而定，一般钻孔孔深为40-80m不等。
c、钻孔作业完成后，在每个固定监测钻孔内安装第一监测探头，具体步骤包括：清理钻孔，避免杂物影响监测效果，根据钻孔深度，确定第一监测探头安装位置，固定监测钻孔的探头安装在距离陷落柱10-30米的钻孔前端，通过信号传输线与置于顺槽内的第一数据收集系统连接，信号传输线及供电线通过挖沟浅埋的方式连接至第一数据收集系统，将第一监测探头的测量电极和供电电极以及数据传输线固定在测距推杆上，通过测距推杆，准确放置在钻孔内并注浆密封，封存于钻孔前端长期监测由于开采扰动引起的陷落柱活化演变规律。
d、启动陷落柱活化双参数动态监测设备，具体步骤包括：使用供电电极向大地供电，通过布置的第一监测探头测量电场变化信号，电场变化信号将通过信号传输线输入第一数据收集系统，同时第一数据收集系统会将采集到的信号甄别过滤，排除干扰数据后收集存储，该系统可根据实际工况需要调整数据收集频率，一般可以每半天（12h）采集一次，陷落柱构造不稳定时期可调整为每半小时至每一小时收集一次，采集次数及频率可根据陷落柱活化程度及工况需要灵活设定。
e、数据收集，具体步骤包括：将第一数据收集系统收集储存的电场信号经过预处理和A/D转换为数字信号，同时将数字信号输出至数据分析系统以及储存到数据存储设备，该数字信号主要包含探测陷落柱构造的视电阻率和视极化率双参数。
f、数据处理，对系统采集转换后的视电阻率和视极化率的双参数数字信号变化情况进行分析处理，绘制视电阻率、视极化率与时间的关系变化图。
g、数据分析，根据绘制的视电阻率-时间曲线图和视极化率-时间曲线图所示的电阻率和极化率的变化情况，综合分析不同时刻各个钻孔附近构造活化程度，获得陷落柱构造活化规律，判断陷落柱构造活化程度的标准如下所示。
（1）Ⅰ级：视电阻率减小，极化率增高时，此时陷落柱处于活化状态，极有可能含水，应立即采取措施；（2）Ⅱ级：视电阻率增大，极化率增高时，陷落柱可能处于活化状态，可能含水，应注意防范，或结合现场工况，采取相应措施；（3）Ⅲ级：视电阻率减小，极化率降低时，陷落柱可能处于活化状态，可能含水，应注意防范，或结合现场工况，采取相应措施；（4）Ⅳ级：视电阻率变大，极化率降低时，陷落柱处于稳定状态，不含水，此时安全。
h、动态监测钻孔布置与数据分析，具体步骤包括：根据固定监测钻孔数据获得的陷落柱活化规律布设动态监测钻孔并安装第二监测探头，动态监测钻孔的参数及第二监测探头的安装方式与固定监测钻孔基本相同，但钻孔不需要进行注浆密封，根据工况变化可随时取出探头电极，动态调整监测位置，扩大监测范围。第二监测探头连接有第二数据收集系统，第二监测探头结构与第一监测探头结构相同。
i、通过布置的第二监测探头来测量电场变化信号，并将其传输给第二数据收集系统，通过所述的第二数据收集系统进行处理、分析动态监测钻孔的数据，并绘制视电阻率、视极化率与时间的关系变化图。
j、综合处理数据，动态监测陷落柱活化程度，具体步骤包括：综合分析同一时刻、不同固定监测钻孔与不同动态监测钻孔的双参数数据，利用origin软件进行处理，绘制出陷落柱构造附近的视电阻率三维立体等值线图与视极化率三维立体等值线图，通过观测各时刻双参数三维立体等值线图变化情况，判断陷落柱构造活化状态，划定陷落柱构造活化区域，动态监测陷落柱构造活化程度。
实施例1：下面结合图2至图21来对本发明做进一步说明。以某煤矿工作面为例，在工作面开采过程中，对该煤矿工作面陷落柱构造活化监测进行举例说明。
步骤一、对工作面顺槽周边不同距离内的邻近区域进行精细探测，探测工作面附近陷落柱构造具体位置及范围，经探查可知，该工作面底板存在一处陷落柱构造，陷落柱下部是含水层，有较强富水性，如图2所示。
步骤二、在工作面推进至邻近陷落柱构造之前，利用上述公式方程（1）～（5）计算采动影响下的开采损伤范围。
步骤三、根据陷落柱构造位置及范围，进行打孔作业，分别在巷道及相邻巷道围绕陷落柱构造布置6个固定监测钻孔，命名为第一固定监测钻孔11、第二固定监测钻孔12、第三固定监测钻孔13、第四固定监测钻孔14、第五固定监测钻孔15以及第六固定监测钻孔16，如图3所示，分别以倾角45°向陷落柱附近打钻，固定监测钻孔深度至陷落柱边缘10-20米处，将固定监测钻孔清理干净后，把第一监测探头安装在距离陷落柱构造15-20米的钻孔前端，通过信号传输线与安置在顺槽内的第一数据收集系统连接，静态监测钻孔探头的测量电极和供电电极以及传输线均固定在测距推杆上，通过测距推杆，准确放置在钻孔内，并进行注浆密封。
步骤四、接通电源，通过布置在钻孔内的第一监测探头测量电场变化信号，同时将电场变化信号经信号传输线传输至第一数据收集系统，在巷道掘进时，每20-30分钟进行一次数据采集。
步骤五、将第一数据收集系统收集储存的电场变化信号经过预处理和A/D转换为数字信号，该数字信号主要包含陷落柱构造内的视电阻率和视极化率双参数，收集经陷落柱构造活化双参数监测设备处理后的视电阻率和视极化率双参数。
步骤六、对第一数据收集系统采集转换后的视电阻率和视极化率的双参数数字信号变化情况进行分析处理，绘制固定监测钻孔的视电阻率，视极化率与时间的关系变化图，如图4至图9所示。
步骤七：根据固定监测钻孔数据分析此陷落柱活化规律，结合现场工况布设8个动态监测钻孔，命名为第一动态监测钻孔21、第二动态监测钻孔22、第三动态监测钻孔23、第四动态监测钻孔24、第五动态监测钻孔25、第六动态监测钻孔26、第七动态监测钻孔27、第八动态监测钻孔28，如图10所示，安装第二监测探头时重复步骤三中的操作但不进行注浆密封，然后重复步骤四至步骤六中的操作，分析动态监测钻孔数据，绘制视电阻率、视极化率双参数与时间的关系变化图，如图11至图18所示。
步骤八：将同一时刻、不同固定监测钻孔与不同动态监测钻孔的数据用origin软件处理，绘制出视电阻率三维立体等值线图与视极化率三维立体等值线图，如图19、图20所示，观测各时刻双参数三维立体等值线图变化情况，判断陷落柱构造活化状态，划定陷落柱构造活化区域，如图21所示，动态监测陷落柱活化程度。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在采掘工作开始前计算陷落柱周边受开采影响的损伤范围；
步骤a中，损伤范围r的计算步骤为：
假设无限长深埋圆形硐室的围岩性质为均质线弹性且无蠕变或黏性行为，其竖向荷载P0对称于横轴，水平荷载λP0对称于竖轴，λ为侧压力系数，σθ、σr分别为极坐标表示的切向应力和径向应力，R0为圆形硐室的半径，θ为圆形硐室围岩角度，τrθ为极坐标表示的剪应力，采用平面应变问题的方法，得到围岩应力分布解析式，具体公式如(1)、(2)、(3)所示：
应用坐标系变化法则，可以得到公式(4)；
岩体损失准则如公式(5)：
σ1-σ3＝Aσu (5)；
式(4)、(5)中，σ1、σ3分别为最大主应力和最小主应力；A为岩石的相关系数；σu为岩石饱和单轴抗压强度，利用式(1)、(4)、(5)联立，即可根据已知围岩初始应力、岩石单轴抗压强度，求出损伤区的范围r；
b、确定钻孔参数并布设若干个固定监测钻孔；
c、在固定监测钻孔内安装第一监测探头并注浆密封，所述的第一监测探头连接有第一数据收集系统，所述的第一监测探头包括测量电极、供电电极以及数据传输线；
d、通过供电电极向大地供电，通过布置的第一监测探头测量电场变化信号，电场变化信号传输给第一数据收集系统；
e、数据收集，第一数据收集系统收集储存的电场信号转化为数字信号并输出至数据分析系统，储存到数据存储设备，该数字信号主要包含探测陷落柱构造的视电阻率和视极化率双参数；
f、数据处理，对转换后所得视电阻率和视极化率双参数数字信号变化情况进行分析处理，绘制视电阻率、视极化率与时间的关系变化图；
g、数据分析，根据绘制的视电阻率与时间的关系变化图和视极化率与时间的关系变化图，综合分析不同时刻各个固定监测钻孔附近的构造活化程度，获得陷落柱构造活化规律；
h、布置若干个动态监测钻孔，根据步骤g得到的陷落柱构造活化规律来布置动态监测钻孔，并在动态监测钻孔内安装第二监测探头，第二监测探头活动安装在动态监测钻孔内，所述的第二监测探头连接有第二数据收集系统，所述的第二监测探头结构与第一监测探头结构相同；
i、通过布置的第二监测探头来测量电场变化信号，并将其传输给第二数据收集系统，通过所述的第二数据收集系统进行处理、分析动态监测钻孔的数据，并绘制视电阻率、视极化率与时间的关系变化图；
j、综合处理数据，综合分析同一时刻，所有固定监测钻孔与动态监测钻孔的数据，利用origin软件进行处理，绘制出陷落柱构造附近的双参数视电阻率三维立体等值线图与视极化率三维立体等值线图，通过观测其变化情况，判别陷落柱构造活化状态，划定陷落柱构造活化区域，动态监测陷落柱构造活化程度。
2.根据权利要求1所述的一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，其特征在于：步骤b中，钻孔参数包括钻孔倾角、钻孔深度以及钻孔位置，进行打孔作业的具体步骤为：当采煤工作面推进至距离陷落柱构造10～30米时，在巷道及邻近巷道间隔围绕陷落柱构造选择6～10个固定监测点，向巷道底板及煤岩壁中先后施工有倾角的钻孔，孔深为40～80m。
3.根据权利要求1所述的一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，其特征在于：所述的第一监测探头安装在距离陷落柱10～30m的固定监测钻孔的前端并注浆密封；所述的第一数据收集系统位于顺槽内，通过信号传输线将第一监测探头与第一数据收集系统连接，第一监测探头的测量电极、供电电极以及数据传输线均固定在测距推杆上，通过测距推杆将第一测量电极、供电电极以及数据传输线准确放置在钻孔内，并通过注浆密封来长期监测由于开采扰动引起的陷落柱活化演变规律。
4.根据权利要求1所述的一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，其特征在于：步骤e中，电场信号经过预处理和A/D转换为数字信号。
5.根据权利要求1所述的一种可判别陷落柱时空动态活化程度的方法，其特征在于：步骤g中，构造活化程度的判断标准为：
Ⅰ级：视电阻率减小，视极化率增高时，此时陷落柱处于活化状态，应立即采取措施；
Ⅱ级：视电阻率增大，视极化率增高时，陷落柱处于活化状态，采取相应措施；Ⅲ级：视电阻率减小，视极化率降低时，陷落柱处于活化状态，采取相应措施；Ⅳ级：电阻率变大，极化率降低时，陷落柱处于稳定状态，此时安全。
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