一种矿井工作面顶底板采动破坏裂隙发育动态监测方法

摘要

本发明属于矿井工作面顶底板采动裂隙探测技术领域，涉及一种矿井工作面顶底板采动破坏裂隙发育动态监测方法,先对矿井工作面采动围岩数值模拟，根据数值模拟计算结果和工作面顶底板塑性区域分布情况，在工作面巷道中施工钻窝并布置三组裂隙发育动态探测孔；再利用施工的围岩裂隙动态监测探测孔，对探测孔内电极、巷道电极和测线进行布置，通过数据采集传输线对工作面进行数据采集；然后建立地球物理模型建立并进行数据正反演；最后对矿井工作面顶底板采动破坏裂隙进行分析；其监测工艺简单，操作方便，施工安全，设计严谨，结构合理，井下施工方便，数据采集效率高。

说明书

技术领域:

本发明属于矿井工作面顶底板采动裂隙探测技术领域，涉及一种基于电阻率 探测的矿井工作面顶底板采动破坏裂隙发育动态监测方法。

背景技术：

随着煤炭资源的开采，中国煤炭开采深度由浅部向深部转移；煤炭产区由中、 东部逐渐向西部、西北部转移，对于深部煤层资源开采，地质构造及水文地质日 趋复杂，矿山压力、采动应力对底板的破坏深度不断加大，底板突水问题日益严 重；对于宁夏、鄂尔多斯西部、陕西及新疆煤层而言，煤层顶板岩层多为岩石力 学性质偏软的泥岩，与岩石力学性质偏坚硬的砂砾岩及砂岩组成，由于煤层上四 带理论中的离层水、上三带理论中的砂砾岩水将成为其顶板突水关键因素，而顶 底板突水问题中的关键因素—采动裂隙发育高度及深度，成为研究突水机理的重 要内容。

目前，对煤层采动裂隙发育探测的主要方法有钻孔双端封堵测漏法、超声波 探测法、钻孔成像法和物探方法，其中超声波探测方法仅适用于煤层底板钻孔中 存在水的情况，其中的水作为超声波耦合介质，但对不存在水的底板孔或顶板导 水裂隙观测孔而言，此方法无法施工；钻孔成像方法的探测原理为钻孔摄像头成 像，仅能通过观测钻孔围岩岩壁的裂隙发育推测整个岩层的裂隙发育程度；在钻 孔中存在浑浊水、高温蒸汽的情况下，钻孔成像同样无法观测；物探方法中使用 较多的为钻孔电阻率法，通过测量钻孔围岩的电性特征，利用裂隙—电阻率之间 的对应关系，反演出整个岩层的裂隙发育特征，但该方法测线均位于钻孔内，无 法与采掘巷道相互测量，对采动裂隙的形态、动态演化均无法实现；双端封堵测 漏法是目前探测导水裂隙最为实用、全面的手段，通过对封闭段的注水，利用注 水量—裂隙发育程度之间的对应关系，探测采动裂隙的发育程度，但是该方法现 场施工需要相应的水、风管路，也无法动态的呈现采动裂隙的发育形态，特别是 对于顶板裂隙发育较高的钻孔，由于静水压力的存在，注水管路由于依靠钻杆实 现，注水管路的封闭性阻碍对厚煤层导水裂隙带的探测；对于底板采动裂隙发育 较深的观测孔，同样由于静水压力的存在，导致注水压力较高，气囊封闭性成为 影响观测精度的主要难题。综上所述，现有的煤层采动裂隙发育探测方法均具有 其相应的局限性。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种基于电阻率探测的工 作面顶底板采动破坏裂隙发育动态监测方法，利用高密度直流电法技术，结合气 囊封闭原理，使得通过利用直流电法能够有效的对工作面顶底板裂隙的发育形 态、规律实时观测，同时对顶底板突水进行有效的预警。

为了实现上述目的，本发明包括矿井工作面采动围岩数值模拟、矿井工作面 顶底板采动裂隙动态监测钻孔设计及施工、监测钻孔电性数据动态采集、地球物 理模型建立及数据正反演和矿井工作面顶底板采动破坏裂隙分析五个步骤，其具 体监测过程为：

(1)、矿井工作面采动围岩数值模拟：根据矿井已有的钻孔资料，采集相邻 工作面顶底板岩层岩样，并对岩样进行三轴岩石力学试验，获取岩石力学参数， 将获取的岩石力学参数用于工作面顶底板围岩破坏数值模拟计算中；根据矿井工 作面的实际地质和水文地质情况进行数值模拟，并对工作面顶底板岩层受采动影 响而发育的弹塑性区域进行分析；

(2)、矿井工作面顶底板采动裂隙动态监测钻孔设计及施工：根据步骤(1) 得到的数值模拟计算结果，再根据工作面顶底板塑性区域分布情况，在工作面巷 道中施工钻窝并布置三组裂隙发育动态探测孔，每组裂隙发育动态监测孔由四个 探测孔组成，其中顶板探测孔为两个，一个顶板探测孔的倾斜角度大于另一个顶 板探测孔的倾斜角度；底板探测孔同样为两个，一个底板探测孔的倾斜角度大于 另一个底板探测孔的倾斜角度；，钻孔斜长及角度以数值模拟为依据；

(3)、探测孔电性数据动态采集：利用施工的围岩裂隙动态监测探测孔，对 探测孔内电极、巷道电极和测线进行布置，每个探测孔内均布置一条测线，监控 孔内设有数据采集传输线和电极；巷道内连续布置三条测线；测线布置完成后， 通过数据采集传输线对工作面进行数据采集，工作面每推进10m均对测线进行 电性数据采集；

(4)、地球物理模型建立及数据正反演：根据步骤(3)采集到的探测孔电 性数据，并结合工作面顶底板岩层的地质、水文地质和地球物理性质，建立倾斜 层状地球物理模型，用以增大对工作面顶底板采动裂隙响应灵敏度，提高裂隙分 辨能力；并利用建立的倾斜层状地球物理模型构建基于现有ansys软件的正演模 拟程序和基于高斯—拟牛顿方法的反演程序；

(5)、矿井工作面顶底板采动破坏裂隙分析：结合影响工作面顶底板采动裂 隙发育因素，根据动态监测结果，对工作面顶底板裂隙发育规律、形态、顶板冒 裂带发育高度、底板采动裂隙发育深度进行分析，同时，利用上三带理论和下四 带理论，分析顶底板含水层的富水性、相对隔水层厚度、采动裂隙发育等之间的 相互关系，对顶底板水害发生类型、威胁程度和涌水量进行评价，保证工作面安 全回采。

本发明所述岩石力学参数包括工作面的尺寸(主要为工作面的跨度L)、回 采速度、工作面顶底板岩石岩性、采煤厚度和顶底板岩层岩石力学参数。

本发明所述顶板探测孔和底板探测孔分别设置在工作面轨道巷和皮带巷的 钻窝内，顶板探测孔和底板探测孔的孔径均为85mm，其中顶板探测孔在工作面 轨道巷的投影长度为150m，最大孔深不超过200m；底板探测孔在皮带巷的投影 长度为150m，最大垂深为30m。

本发明所述测线采用高密度电阻率测线，顶板探测孔和底板探测孔内的电极 采用环形电极，电极布设采用封堵装置，封堵介质为气或水，封堵压力1MP， 封堵装置的气囊固定在管路上，管路为PVC材料的密封管路，气囊通过气囊孔 注射封堵介质，充气空间的膨胀使环形电极与探测孔的孔壁接触，环形电极与螺 旋多芯电缆通过电极连接线和连接线连接进行数据的传输；充气空间采用由充气 针和橡皮管组成的充气装置进行充气，充气装置多个气囊相互独立，避免探测孔 塌孔时造成气囊整体泄露而使环形电极无法与探测孔的孔壁接触，螺旋多芯电缆 为环形电极与外接采集仪器的连接线，其螺旋结构避免塌孔时扯断；螺旋多芯电 缆接出管路时采用瓣型密封设计，将瓣型密封塞扣在管路的插孔中，密封套将螺 旋多芯电缆和瓣型密封塞固定密封；顶板探测孔和底板探测孔内的电极间距为 5m，根据探测孔的斜长布置电极数量，布设在工作面道巷中的测线长度为450m， 电极间距同样为5m；进行数据采集时，采用现有的二极数据采集装置、三极数 据采集装置、赤道偶极数据采集装置，多种数据采集装置综合剔除假异常，提高 探测精度。

本发明与现有技术相比，可以对采动煤层顶底板裂隙发育的形态、发育规律 进行实时动态监测，解决以往对煤层采动裂隙探测技术的局限性，扩大裂隙发育 探测应用环境；其监测工艺简单，操作方便，施工安全，设计严谨，结构合理， 井下施工方便，数据采集效率高。

附图说明：

图1为本发明所述矿井工作面顶底板采动裂隙发育动态监测原理示意图， 其中101为顶板探测孔，102为底板探测孔，103为巷道底板测线。

图2为本发明所述测线布置结构原理示意图，其中101为顶板探测孔，102 为底板探测孔，103为巷道底板测线，104为电极位置。

图3为本发明所述探测孔布置结构原理示意图，其中105为顶板探测孔1#， 106为顶板探测孔2#，107为采空区，108为巷道，109为钻窝。

图4为本发明所述电极结构原理示意图，其中包括气囊孔114、环形电极 115、气囊116和螺旋多芯电缆117。

图5为本发明所述电极横剖面结构原理示意图，其中包括环形电极115、气 囊116和螺旋多芯电缆117、电极连接线121、充气空间122、充气针123、橡皮 管124和连接线125。

图6为本发明所述螺旋多芯电缆密封孔结构原理示意图，其中包括螺旋多芯 电缆117、瓣型密封塞118、密封套119和管路120。

图7为本发明建立的倾斜层状地球物理正演模型示意图，其中包括模型网格 节点110、1模型边界111、模型单元边界112和模型单元113。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例主要包括矿井工作面采动围岩数值模拟、矿井工作面顶底板采动裂 隙动态监测钻孔设计及施工、监测钻孔电性数据动态采集、地球物理模型建立及 数据正反演和矿井工作面顶底板采动破坏裂隙分析五个步骤：

(1)矿井工作面采动围岩数值模拟

由于目前工作面均为大采厚、大跨度、综放工艺等开采技术，以往的采动裂 隙发育机理均无法对采动裂隙的发育范围、采动围岩弹塑性区域进行估计，因此 利用矿井以往的勘探孔岩芯，进行三轴岩石力学试验，并根据获得的岩石力学参 数进行数值模拟计算；对工作面顶底板采动裂隙发育进行数值模拟时，加入目前 综采和综放等开采工艺对裂隙发育的主要影响因素，包括工作面的尺寸(主要为 工作面的跨度L)，回采速度、工作面顶底板岩石岩性、采煤厚度、顶底板岩层 岩石力学参数等，通过加入以上影响参数，对顶底板岩层裂隙发育数值模拟精度 大幅提高，更加有效的指导动态监测孔的施工；

(2)钻井工作面顶底板采动裂隙动态监测孔施工

根据数值模拟计算结果，在矿井工作面轨道巷和皮带巷相应的钻窝109内使 用三组裂隙发育动态监测孔，每组裂隙发育动态监测孔由四个监测孔组成，其中 顶板探测孔101为两个，一个低角度(顶板探测孔2#106)、一个高角度(顶板 探测孔1#105)；底板探测孔102同样为两个，一个低角度，一个高角度，并布 置高密度电法测线，布置完成后，工作面每推进10m，进行数据采集；其中顶底 板裂隙动态监测孔的孔径为85mm，其中顶板探测孔101在巷道投影长度为 150m，最大孔深不超过200m，角度及孔深确定为数值模拟为指导；底板探测孔 102在巷道投影长度为150m，最大垂深为30m，钻孔斜长及角度以数值模拟为 指导；

(3)钻井工作面顶底板采动裂隙动态监测

顶底板采动裂隙观测孔施工后，布置动态监测高密度电阻率测线，探测孔内 电极布置采用气\水封堵接触装置，且封堵装置单独封闭，既保证电极与孔壁接 触严密，又确保塌孔造成全部气囊漏气；管路内的传输线采用螺旋装置，以防止 动态监测孔坍塌时造成传输线断裂；

顶板探测孔101和底板探测孔102内的电极采用环形电极115，电极布设采 用封堵装置，封堵介质为气或水，封堵压力1MP，封堵装置的气囊116固定在 管路120上，管路120为PVC材料的密封管路，气囊116通过气囊孔114注射 封堵介质，充气空间122的膨胀使环形电极115与探测孔的孔壁接触，环形电极 115与螺旋多芯电缆117分别通过电极连接线121和连接线125连接进行数据的 传输；充气空间122采用由充气针123和橡皮管124组成的充气装置进行充气， 充气装置多个气囊116相互独立，避免探测孔塌孔时造成气囊116整体泄露而使 环形电极115无法与探测孔的孔壁接触，螺旋多芯电缆117为环形电极115与外 接采集仪器的连接线，其螺旋结构避免塌孔时扯断；螺旋螺旋多芯电缆117接出 管路120时采用瓣型密封设计，将瓣型密封塞118扣在管路120的插孔中，密封 套119将螺旋多芯电缆117和瓣型密封塞118固定密封；顶板探测孔101和底板 探测孔102内的电极间距为5m，根据探测孔的斜长布置电极数量，布设在工作 面道巷中的测线长度为450m，电极间距同样为5m；进行数据采集时，采用现有 的二极数据采集装置、三极数据采集装置、赤道偶极数据采集装置，多种数据采 集装置综合剔除假异常，提高探测精度；

(4)基于采动围岩钻孔动态监测的地球物理正、反演模拟

根据动态检测孔揭露岩层的方位，建立倾斜层状地球物理模型；利用倾斜层 状地球物理模型，开发基于ansys软件的正演模拟程序，开发基于高斯—拟牛顿 方法的反演程序；建立倾斜层状地球物理正演模型由模型网格节点110、1模型 边界111、模型单元边界112和模型单元113组成，正演软件使用ansys有限单 元法计算软件为基础，开发正演程序，程序如下：

/prep7

k,1,-800

k,2,800

k,3,-800,5

k,4,800,5

k,5,-300,-10

k,6,300,-10

k,7,-300

k,8,300

k,9,-800,-10

k,10,800,-10

k,11,-800,-500

k,12,800,-500

k,13,-800,400

k,14,800,400

k,15,100,40

k,16,120,40

k,17,100,80

k,18,120,80

a,1,2,4,3

a,5,6,8,7

a,1,9,5,7

a,6,10,2,8

a,9,11,12,10

a,3,4,14,13

a,15,17,18,16

aovlap,all

aglue,all

numcmp,area

save

该程序正演了采动裂隙破坏地球物理场分布特征，便于后续的反演计算，数据处 理采用基于高斯—拟牛顿方法的反演理论，通过缩小正演模型与采集数据之间的 误差，最终确定反演模型；

(5)矿井工作面顶底板采动破坏裂隙资料解释

通过动态监测，分析工作面顶底板围岩裂隙发育的规律及发育层位，利用上 三带理论、下四带理论，分析顶底板含水层的富水性、相对隔水层厚度、采动裂 隙发育等之间的相互关系，评价顶底板突水危险性评价，保障工作面安全回采。