钻孔地质探测系统及覆岩综合破断角、垮落形态实测方法

摘要

本发明公开了一种钻孔地质探测系统及覆岩综合破断角、垮落形态实测方法，钻孔地质探测系统包括了探测主机、深度记录仪、传输导线、导线卷、雷达天线、推杆、导向轮以及数据处理软件。覆岩综合破断角实测方法及覆岩垮落形态实测方法为利用钻孔地质探测系统，在预探测巷道中进行钻孔，采用矿用钻孔地质雷达对各钻孔进行探测，通过数据处理软件生成各钻孔探测图像，算出图像中异常体综合倾角；利用数据处理软件结合计算机程序，反演各钻孔探测数据生成三维立体图形，图形中异常范围的空间几何形态即为采空区覆岩垮落的空间形态。本发明的方法简单，探测结果较理论分析准确、合理，贴近工程实际，采空区覆岩垮落空间形态探测更形象直观。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻孔地质探测系统及应用该钻孔地质探测系统进行覆岩综合破断角、覆岩垮落形态的实测方法，属于煤矿安全开采的应用技术领域。

背景技术

采场上覆岩层综合破断角是煤矿开采设计中的一个重要参数，目前多是依据板或梁结构进行理论推到计算，并未统一进行过现场实测。实际开采煤层时，其上覆岩层结构十分复杂，由于岩性、岩层厚度及载荷等的不同，各个岩层断裂时的破断角也均不相同，从而导致覆岩综合破断角也随之不同。上覆岩层破断所形成的结构有待继续探究，但可以确定的是，仅通过理论分析计算很难满足现场计算和预测的要求，且覆岩综合破断角的确定显得具有一定的主观性和随意性。

近年来，经过不断攻关试验，地质钻孔雷达在探测地质构造、水等异常体方面的效果尤为显著，其探测精度和范围较以往常规的物探方法高。把钻孔地质雷达探测技术引入到煤矿井下现场进行相关异常体探测，可进一步提高探测结果的准确性，增加一次探测的范围，同时还可拓展地质钻孔雷达的应用领域。

为弥补覆岩综合破断角测量手段的限制、现场测量结果并不能完整正确反映整个覆岩的破断形态等缺陷，尤其是采空区上覆岩层的破断空间形态等问题，亟需发明一种覆岩综合破断角及采空区覆岩垮落空间形态实测方法。

发明内容

为了克服上述现有测试条件和测试技术手段的不足，本发明提供了钻孔地质探测系统及覆岩综合破断角、垮落形态实测方法，通过采用地质钻孔雷达探测技术，在设定区域/位置按设计参数向上覆岩层钻孔，对煤层开采后上覆岩层的综合破断角进行现场实测，同时还可测试得出采空区上覆岩层的整体垮落空间形态，为煤层开采相关技术设计提供更准确的岩层综合破断角，进一步提升井下开采的安全性。

为实现前述目的，本发明提供了一种钻孔地质探测系统，该系统包括探测主机、深度记录仪、传输导线、导线卷、雷达天线、推杆、导向轮、数据处理软件；

所述的探测主机是用于初始参数设置、探测数据储存查看；

所述的深度记录仪通过配套数据线与所述探测主机的深度记录接口连接，是用于记录和传输钻孔探测的推进深度；

所述的传输导线包括第一传输导线和第二传输导线，第一传输导线前端有个传输连接器，用于连接雷达天线；第二传输导线用于连接导线卷与探测主机；第一传输导线和第二传输导线的连接共同实现雷达探测天线探测数据向探测主机的传输；

所述的导线卷是用于收卷传输导线，避免传输导线收线时打绞，便于整理搬运，导线卷上一接口用于第二传输导线连接导线卷与探测主机；

所述的雷达天线分为发射天线和接收天线两部分，中间通常通过螺纹卡套连接；雷达天线的频率可根据需要探测的范围进行选择，目前的技术水平一般为75～200MHz；

所述的推杆采用碳纤维材料制作，重量轻、强度高，用于将雷达天线向钻孔深部推送进行探测；在保证重量轻、强度高的前提下，推杆也可采用其他材料制作。

所述的导向轮安装在雷达天线的两侧，用于辅助雷达天线向钻孔深入前进；是为了减小阻力以便于推送雷达天线，同时一定程度减轻雷达天线与钻孔孔壁的接触磨损；导向轮多为碳纤维轻质高强度材料；

所述的数据处理软件矿用钻孔地质雷达探测系统的配套，用于查看探测结果的数据图像；数据处理软件结合简单的计算机程序可实现生成三维立体图像。

为测量覆岩综合破断角，本发明提供了一种覆岩综合破断角实测方法，利用上述钻孔地质探测系统进行测量，具体包括如下步骤：

第一步，设计用于测量覆岩综合破断角的探测钻孔的参数，参数包括打孔区域/位置、方位角、倾角、孔深、孔径、数量；

第二步，按探测钻孔的参数在回采巷道中向采空区边缘进行钻孔；

第三步，采用钻孔地质探测系统一个孔一个孔的进行探测；

第四步，利用数据处理软件对每个孔的探测数据进行图像生成与处理，显示异常体区域位置，算出异常体的综合走势倾角，综合钻孔倾角和煤层倾角后得出各钻孔初步的岩层综合破断角；

第五步，通过求取各钻孔初步的岩层综合破断角的平均值，即得出所探测区域煤层开采上覆岩层的综合破断角。

所述的探测钻孔的参数中的钻孔数量要足够保证后期求取平均值的有效性和生成三维立体图像的有效准确性。

为测量覆岩垮落形态，本发明提供了一种覆岩垮落形态实测方法，利用上述钻孔地质探测系统进行测量，具体包括如下步骤：

第一步，设计工作面两侧回采巷道的探测钻孔的参数，参数包括打孔区域、位置、方位角、倾角、孔深、孔径、数量；

第二步，按照设计的参数在工作面两侧回采巷道中向采空区边缘区域进行钻孔；

第三步，采用钻孔地质探测系统对各个钻孔一次进行探测；

第四步，通过数据处理软件并结合计算机程序，将各钻孔的探测数据反演并同时进行三维立体呈现，生成颜色渐变的三维立体图形，该三维立体图形中异常体边界即为采空区断裂边缘，图形中明显异常的范围即为所探测工作面采空区上方覆岩垮落范围，图形的空间几何形态即为采空区覆岩垮落的空间形态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中所述的实测方法简单，结果明了，现场所测得的上覆岩层综合破断角更贴近工程实际，较理论分析更加准确、合理，综合破断角的探测结果可指导井下巷道布置和安全生产。

(3)本发明中探测所得的采空区覆岩垮落空间形态三维图形更加形象、直观，即为现场实际的采空区覆岩垮落空间形态，可为现场工程相关参数的设提供依据。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明一种钻孔地质探测系统的示意图

图2为本发明覆岩综合破断角实测方法的示意图。

图3为本发明覆岩垮落形态实测方法的示意图。

图4为本发明覆岩综合破断角实测方法中测量结果图。

图中所对应的附图标记为：

1—发射天线；2—接收天线；3—导向轮；4—传输连接器；5—推杆；6—第一传输导线；7—深度记录仪；8—探测主机；9—导线卷；10—煤层；11—钻孔；12—回采巷道；13—第二传输导线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术效果的实现过程，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参加图1、图2、图3，均以某矿近水平煤层为例进行现场具体实施实测。

实施例1，参见图1与图2，一种煤层开采上覆岩层综合破断角的实测方法，包括以下步骤：第一步，设计预探测钻孔11参数，钻孔11垂直于回采巷道12，与垂直方向夹角为α，深度设计为40m；第二步，按照设计参数向采空区边缘进行钻孔；第三步，完整组装矿用钻孔地质雷达探测系统(依次连接导向轮3、发射天线1、接收天线2、传输连接器4、推杆5、探测主机8和深度记录仪7)；第四步，开机检查确定连接有信号后设置探测参数，缓慢向钻孔11深部推进进行探测，直至推到钻孔11孔底或不能继续推进为止，然后保存数据，关闭探测主机8，缓慢拉出探测天线并整理收好设备；第五步，至地面将探测数据拷贝出来利用数据处理软件进行数据图形查看，如图4所示，通过图形测量可得异常体的综合走势倾角为β

实施例2，参见图3，一种煤层开采采空区覆岩垮落空间形态的实测方法，包括以下步骤：第一步，设计工作面两回采巷道12的探测钻孔11的各项参数(倾角、孔深、孔径、数量)；第二步，按照设计参数在回采巷道12中向采空区边缘区域进行钻孔；第三步，完整组装矿用钻孔地质雷达探测系统(依次连接导向轮3、发射天线1、接收天线2、传输连接器4、推杆5、探测主机8和深度记录仪7)；第四步，开机检查确定连接有信号后设置探测参数，缓慢向钻孔11深部推进进行探测，直至推到钻孔11孔底或不能继续推进为止，然后保存数据，关闭探测主机8，缓慢拉出探测天线并整理收好设备；第五步，至地面将探测数据拷贝出来，通过数据处理软件并结合计算机程序，将各钻孔的探测数据反演并同时进行三维立体呈现，生成颜色渐变的三维立体图形，该三维立体图形中异常体边界即为采空区断裂边缘，其空间几何形态即为采空区覆岩垮落的空间形态。

以上显示和描述了本发明的主要方法、原理和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和方法，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。