一种密闭采空区垮落带应力场演化实测方法

摘要

本发明公开了一种密闭采空区垮落带应力场演化实测方法，用于Y型通风方式条件下密闭采空区内破碎煤岩体压实过程中的应力测量，煤层回采后密闭墙密封支护采空区垮落带侧沿空留巷巷帮，根据对称原则，在工作面推进至0.1D、0.2D、0.3D、0.4D、0.5D时距离工作面10m处的密闭墙底部向采空区垮落带侧打5组钻孔，间距0.5m，深度分别为0.1L、0.2L、0.3L、0.4L、0.5L，D为工作面总推进长度，L为采煤工作面长度；在各钻孔顶部布设钻孔应力计，封闭钻孔。将上述实测数据导入至matlab数值分析软件中，根据差值算法就能求出垮落带任意一点压实应力的大小。

说明书

技术领域

本发明涉属于煤层密闭采空区垮落带应力测量方法，尤其涉及一种密闭采空区垮落带应力场演化实测方法。

背景技术

采空区垮落带由于包含大量有毒有害气体及水资源，一般处于封闭状态，很难进行垮落带内压实应力的实测。特别是针对垮落带内应力直接测量更是鲜有报道。基本上是通过无线等传感装置进行远程测量，而由于矿井地质条件复杂，无线信号质量差，实测结果精确度很低。而垮落带的应力分布特征及其演化规律与地表沉陷、温室气体地下存储、地下残煤自然、地下水库建设、水资源过滤、废弃矿井水气资源利用等密切相关。因此，准确的掌握采空区垮落带压实应力的时空演化关系对煤矿安全高效生产、环境生态保护、资源再利用等具有重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种方法简单、安全高效、可行性高、精确度高的密闭采空区垮落带应力场测量方法。

本发明的密闭采空区垮落带应力大小及演化规律的现场实测方法，包括通风方式选择、密闭墙布设、数显式钻孔应力计及其布置方式、应力计读取间隔以及各工序与工作面推进速度的相互配合,实现采空区垮落带应力场演化实时监测，其特征在于，包括如下步骤：

a、工作面开采过程中采用Y型通风方式，采煤工作面开采过后在沿空留巷巷道采空区垮落带侧建立密闭墙，用以隔离采空区气体，支撑上覆顶板维护沿空留巷稳定；

b、在采煤工作面推进至0.1D时，D为工作面总推进长度，在距离工作面10m处通过密闭墙向采空区内打5组钻孔，钻孔位于密闭墙底部，间隔0.5m，深度分别为0.1L、0.2L、0.3L、0.4L、0.5L；

c、通过钻孔向采空区垮落带内布置钻孔应力计，钻孔应力计布设深度分别为0.1L、0.2L、0.3L、0.4L、0.5L，L为采煤工作面长度；

d、布置完钻孔应力计后，对钻孔进行密封处理，记录钻孔应力初始值，将钻孔应力计接入应力在线监测系统，实时监测应力大小，根据工作面推进情况具体进行四个阶段数据记录。

e、第一阶段每隔3小时记录1次应力，测3天，第二阶段每隔6小时记录1次应力，连续测1周，第三阶段每隔12小时记录1次应力，连续测1个月，第四阶段每隔1天测1次应力，直至工作面回采完毕；

f、在工作面推进至0.2D、0.3D、0.4D以及0.5D处时，D为工作面总推进长度，重复步骤b-e。

g、通过应力在线监测系统将钻孔应力计实测数据传输至服务器，利用matlab数据处理软件并采用差值算法绘制出整个采空区垮落带在各个时间段的应力的分布规律及演化特征。

有益效果：采用上述方法能够大幅度的简化密闭采空区垮落带应力测量，实现密闭采空区垮落带应力的高精度、安全高效测量，且无需通过间接测量其它数据进行反算。而采空区垮落带应力大小及演化规律的获得有利于实现煤矿安全高效生产、环境生态保护、资源再利用。

附图说明

图1是本发明的密闭空区垮落带钻孔应力计布置平剖面图；

图2是图1的A-A剖面图；

图中：1-煤层，2-采煤工作面，3-密闭墙，4-沿空留巷巷道，5-钻孔，6-采空区垮落带，7-钻孔应力计，8-工作面推进方向，9-应力在线监测系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的密闭采空区垮落带应力大小及演化规律的现场实测方法，包括通风方式选择、密闭墙布设、数显式钻孔应力计及其布置方式、应力计读取间隔以及各工序与工作面推进速度的相互配合，实现采空区垮落带应力场演化实时监测。

本发明的密闭采空区垮落带应力大小及演化规律的现场实测方法，主要用于煤层1开采过程中，Y型通风方式条件下密闭采空区垮落带6压实过程中的应力测量。采煤工作面2开采过后在沿空留巷4靠近采空区垮落带6处进行密闭墙3支护，用以隔离采空区气体，维护沿空留巷稳定。根据对称原则，在工作面2推进至0.1D、0.2D、0.3D、0.4D、0.5D处在沿空留巷巷道4采空区侧巷帮底部距采煤工作面10m处密闭墙上打5组钻孔5，间隔0.5m，深度为0.1L、0.2L、0.3L、0.4L、0.5L,D为工作面总推进长度。(上述测点的选择主要是考虑了对称原则，实测长方形的1/4即可以对称至整个工作面。)通过钻孔5向采空区垮落带6内布置钻孔应力计7，钻孔应力计7深度分别为0.1L、0.2L、0.3L、0.4L、0.5L，L为采煤工作面长度。布置完钻孔应力计7后，封闭钻孔，将钻孔应力计7接入应力在线监测系统9，根据工作面2的推进速度，每隔3小时记录1次应力，测3天。之后每隔6小时记录1次应力，连续测1周。之后每隔12小时记录1次应力，连续测1个月。最后每隔1天测1次应力，直至工作面沿着回采方向8开采完毕。发明人发现：四个阶段的测量时间间隔及测量时间与垮落带的压实特征及工作面推进速度有关，一般采空区垮落带随工作面推进速度的不同可以分为顶板破碎阶段(应力变化快且规律性差，经力时间短)、散乱堆积阶段(应力变化中等但规律性较差，经历时间较短)、逐渐压实阶段(应力变化快规律性较强，经历时间较长)以及压实阶段(应力变化慢幅度小，经历时间长)。本发明根据开采过程的特点，制定了分阶段的应力数据测量策略。该方法具有采空区垮落带应力测量方法简单、安全高效、可行性高、精确度高等特点，且无需通过间接测量其它数据进行反算。采有利于实现煤矿安全高效生产、环境生态保护、资源再利用。

如图1，2所示，煤层1开采造成上覆岩层垮落形成垮落带，属于密闭空间并含有大量有毒有害气体以及丰富水气资源，在沿空留巷4内向采空区垮落带6布置钻孔应力计7进行压实应力的实测，具体步骤如下：

a、采煤工作面2开采过程中采用Y型通风方式，采煤工作面2开采过后在沿空留巷4靠近采空区垮落带6处建立密闭墙3，用以隔离采空区气体，支撑上覆顶板维护沿空留巷4稳定。

b、在采煤工作面2推进至工作面总推进长度的1/10时，在距离工作面10m处向密闭墙3内打5组钻孔5。钻孔5位于沿空留巷巷道4底部，间隔0.5m。

c、通过钻孔5向采空区垮落带6内布置钻孔应力计7，钻孔应力计7深度分别为0.1L、0.2L、0.3L、0.4L以及0.5L，L为采煤工作面2长度。

d、布置完钻孔应力计7后，对钻孔5进行密封处理，记录钻孔应力计7初始值，将钻孔应力计7接入应力在线监测系统9，实时监测应力大小，根据工作面2推进情况具体进行四个阶段数据记录。在线监测系统9位于井下，是一个应力采集装置(用于采集数据，可以记录任意时间段内测得的应力)，采集完后可以传输至地面的服务器

e、第一阶段每隔3小时记录1次应力，测3天，第二阶段每隔6小时记录1次应力，连续测1周，第三阶段每隔12小时记录1次应力，连续测1个月，第四阶段每隔1天测1次应力，直至工作面2回采完毕；

f、在工作面2推进至0.2D、0.3D、0.4D以及0.5D处时，D为工作面2推进总长度，重复步骤b-e。

g、通过应力在线监测系统9将钻孔应力计7实测数据传输至服务器，在线监测系统接入至井下光纤传输至地表服务器，利用matlab数据处理软件并采用差值算法绘制出整个采空区垮落带6在各个时间段的应力的分布规律及演化特征。本发明采用的差值算法主要根据采空区垮落带压实的O型圈分布特征(由采空区垮落带边缘向内部压实应力逐渐升高，垮落带边缘处的压实应力为0)对传统的差值算法进行了改进。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替换、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围内，理应受到本发明的保护。