工作面底板跨孔成像装置及注浆效果监测方法与流程

本发明涉及一种煤矿工作面底板注浆领域，尤其是一种工作面底板跨孔成像装置及注浆效果监测方法。

背景技术：

近年来，随着煤矿开采深度的不断增加，华北型煤田浅部煤层几乎开采完毕，矿井深部煤层由于受到高承压水、薄隔水层的威胁，矿井突水时有发生。华北型煤田沉积煤层一般属于焦煤，而焦煤是炼钢必备品，其它煤种不可代替的。因此，如何解放华北型煤田深部矿井受高承压水、薄隔水层的煤层成为当前矿井水防治的重要研究课题。

工作面底板注浆技术是解决高承压水上采煤的重要方法。传统的注浆技术方法是采用均匀打钻孔进行注浆的方法，这种方法的缺点：注浆量大，注浆效率低，注浆过程中不能做到有的放矢，注浆效果不佳。随着技术的发展，注浆前，很多技术人员采用地球物理技术探查的岩层的变化情况，对工作面底板薄水层处进行注浆加固。该方法与传统方法相比，该专利不仅可以监测到真个注浆过程的变化，而且将整个工作面的注浆情况，通过三维可视化系统展现出来，尤其将注浆薄弱区域实时展现给矿井水防治者，防治者可以根据现场变化做出注浆改进方案，既可以提高注浆效率，又能节约注浆材料，这是其它方法无法解决的。

中国专利申请201210038167采用瞬变电磁仪器作为工作面测点网络的一部分,瞬变电磁仪器优点对低阻体敏感,探测准确率高；但其缺点是受周围环境的影响大、干扰多，尤其在回采过程中受“低阻干扰体”的影响，数据可靠性存在问题，不仅监测不准，容易造成假异常，影响工作面正常的回采；另外该专利对工作面重点区域进行重点监测，重点区域只是泛泛而谈，没有涉及采动过程中矿山压力对岩层破坏所形成的重点区域，更没有涉及工作面注浆的问题。

中国专利申请201310728093主要针对水体下采煤防止水砂体突涌，提高煤层开采上限而进行的试验设计，属于顶板突水的一种特殊情况，不具备工作面注浆及水情的实时动态监测的普遍意义。

中国专利申请201410529007、201410529019、201510134024，以上三个专利主要是针对在采动过程中研究工作面底板破坏深度的，虽然底板破坏深度对底板水情的赋存状态具有一定影响作用，但底板破坏深度与工作面注浆及水情是两个截然不同的概念，因此，不能将底板破坏深度监测视为工作面水情的实时监测。公开的工作面水情监测，该方法技术方案比较复杂，现场操作耗资大，利用瞬变电磁监测工作面水情变化，采集数据可信度低，监测效果差。该专利只是实现工作面涌水水文地质条件的监测，对于工作面注浆过程中浆液的变化规律无能为力。

中国专利200920143376.2公开了一种高密度电阻率监测危岩松动圈的系统，它是先在围岩巷道内的多个断面钻孔，孔内埋设带有电极的多芯电缆和排气管，运用注浆装置将钻孔内注满耦合剂，通过连接到多线电缆的外端的电阻率仪测出多组电阻率数据，最后根据采集到的数据运用高密度电阻率法对围岩松动圈实现监测。该专利仅仅是在高密度电法的传统基础上改变布极方法和观测装置的问题,只能简单的测量巷道电阻率变化，与工作面底板成像装置不同，对于工作面注浆效果实时监测方法存在本质区别。工作面底板注浆不仅仅是动态过程,而且涉及三维成像技术和方法,从钻孔施工到整个观测装置的设计,200920143376.2专利都不涉及。

中国专利201420786793.X公开了一种采煤工作面顶、底板突水灾害的监测预报装置，该装置包括设置在定向顺层钻孔内的若干个电极、以及设置在巷道内的两个无穷远电极，所述定向顺层钻孔设置若干个，并且每个定向顺层钻孔从工作面顶板或底板，或者局部危险区段的顶板或底板延伸至地下至少两层；所述若干个电极和两个无穷远电极均通过通讯线缆与地面设置的处理器连接。201420786793.X专利只是简单的改变电极和电缆的连接方法去监测水害装置,跟传统的矿井直流二维电法没有区别,只能呈现一条剖面,不能全方位观察工作面注浆情况，因此，工作面底板注浆效果得不到保证。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种工作面底板跨孔成像装置及注浆效果监测方法，该装置及方法既可以监测工作面底板注浆效果，又可以监测工作面底板水情变化情况，方法原理简单，实用性强。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种工作面底板跨孔成像装置，包括在煤矿工作面两巷道内设置的多个监测孔，在每个监测孔内均设有固定在塑料套管内一定数量的环形电极及一根电缆，所述环形电极均匀串联在电缆上，多个监测孔中的电缆在监测孔口处引出后，引入巷道底板下，电缆通过预设的电缆槽沟引入到工作面外，电缆连接到工作面外的直流电法仪器；

所述监测孔的深度大于工作面底板含水层到工作面底板的深度；

所述环形电极与电缆的最下端加一重物，使环形电极和电缆与监测孔的孔壁保持平行状态，使环形电极间距均等。

每两个监测孔之间的间距为50-120m之间。

所述电缆的抗压力大于6Mpa。

所述监测孔为垂直的钻孔或倾斜的钻孔。

所述电极为铜制圆环形电极，可以增加电极与注浆材料的接触面，使电极与外界介质充分接触。

每个监测孔中均匀设置有15个电极，每两个电极之间的间距为5m，共75m。

所述塑料套管距离巷道底板以下0.8m处，设有螺钉孔，电缆接头从该螺钉孔中引出，并使用螺母将该螺钉孔拧死。

所述巷道底板上，挖设有0.8m深的电缆槽沟，电缆通过预设的电缆槽沟引入到工作面外的直流电法仪器处，便于数据采集。

利用工作面底板跨孔成像装置的注浆效果监测方法，包括以下步骤：

1)根据工作面的情况，在工作面两上下两巷道内合理设计钻孔；

2)根据设计的钻孔进行跨孔三维成像正、反演研究，观测成像效果，根据反演成像情况确定钻孔的合理性；

3)确定钻孔位置后，进行钻孔施工：

a钻孔在施工过程中，钻孔必须采用套管技术，使用非金属套管，套管孔径小于钻孔孔径既可；

b当钻孔揭露含水层的时，必须对含水层先进行注浆，封堵含水层裂隙，封闭含水层孔段；封闭完好后，重新对钻孔进行施工，继续向钻孔深部施工，直至施工到钻孔设计深度位置；

4)钻孔施工完毕后，将电极和电缆连接好；在电极与电缆的最下端加一重物，目的是电极和电缆孔壁保持平行状态，使电极间距均等；

5)注浆封堵电极及电缆钻孔及埋设钻孔中接出来的电缆；为了保证数据采集正常采集，将电极及电缆埋设好，确保数据经电缆将传输到主机。

6)检测整套装置的连接情况，连接完好后方可进行正常进行跨孔三维成像，监测注浆情况，对注浆不良区域进行重点注浆。

所述步骤2)中的跨孔三维成像正、反演具体为：

根据地电理论点电源三维电场微分方程为：

σ表示电导率，表示电位差，I表示电流，δ是狄拉克函数，(x₀,y₀,z₀)为电源位置，(x，y，z)为测量点的位置，将上式子改成三维直角坐标条件下格式：

$\mathrm{\σ}(\frac{{\∂}^{2}U}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}U}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}U}{\∂z^2})+\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂x}\frac{\∂U}{\∂x}+\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂y}\frac{\∂U}{\∂y}+\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂z}\frac{\∂U}{\∂z}=-I\mathrm{\δ}(x-x_0)\mathrm{\δ}(y-y_0)\mathrm{\δ}(z-z_0)$

上式改成有限差分方程为A为大型对称正定矩阵，为网格节点上的电位向量，b为供电点位置向量；并利用双向共轭梯度方法求解三维电位分布值，求解三维电场的电位分布过程即为正演过程；三维正演完成后，利用圆滑最小二乘法进行反演，反演出工作面岩层电阻率分布图。

注浆完成后，本方法可以继续作为监测采动工作面的方法，在工作面回采过程中，实时监测工作面底板采动破坏过程，直至工作面安全回采完成。

本发明利用传统的直流电法技术的基础上，通过在工作面两巷道内施工钻孔，在钻孔内设计一定数量的环形电极及电缆，利用塑料套管将电极和电缆固定好，然后在套管内将电极和电缆封入钻孔内，在钻孔口处将电缆引入巷道底板下，通过预设的电缆沟将电缆引入到工作面外，将电缆连接到直流电法仪器内进行数据采集处理成像等过程，基于不同钻孔之间实现跨孔三维电阻率成像技术，实时监测工作面由于注浆而引起电阻率变化情况，根据监测情况做出合理的注浆安排，提高注浆效果。注浆完成后，工作面在回采过程中，可以监测工作面底板水情的变化，对工作面底板突水情况做出预测预报，从而保障工作面安全开采。本发明是既可以监测工作面底板注浆效果，又可以监测工作面底板水情变化情况，方法原理简单，实用性强。

本发明装置包括工作面监测孔多个(根据需求设计)、电缆、环形电极、直流电法仪器等装置。其中监测孔个数根据工作面的长度和监测精度设计，一般情况下监测孔的位置在50-120m之间，监测孔的深度根据回采工作面含水层的深度设计，监测孔的深度要大于含水层到工作面底板的深度。电缆要求抗压力，一般大于6-8Mpa；电缆的长度每一个监测孔的电缆都要连接到直流电法仪器位置。环形电极个数根据需求设计，要求电极与电缆连接处连接完好，连接处密封。直流电法仪器能够进行跨空采集数据即可。

附图说明

图1是本发明工作面注浆钻孔设计示意图；

图2是本发明监测孔结构示意图；

图3是本发明200m×100m工作面跨空成像模型；

图4是本发明200m×100m跨空成像反演图；

图5是本发明某工作面跨孔成像模型；

图6是本发明某工作面跨孔成像模型反演图；

图7是本发明某工作面注浆后跨孔成像反演图；

图8是本发明某工作面注浆后跨孔成像Z方向水平切片；

图9是本发明某工作面注浆后跨孔成像X方向垂直切片；

其中，1.监测孔，101.螺钉孔，102.环形电极，103.塑料套管，2.电缆，3.直流电法仪器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图2所示，工作面底板跨孔成像装置，包括在煤矿工作面两巷道内设置的多个监测孔1，在每个监测孔1内均设有固定在塑料套管103内一定数量的环形电极102及一根电缆2，所述环形电极102均匀串联在电缆2上，多个监测孔1中的电缆2在监测孔口处引出后串联后被引入巷道底板下，电缆2通过预设的电缆槽沟引入到工作面外，电缆2连接到工作面外的直流电法仪器3；所述监测孔1的深度大于含水层到工作面底板的深度；所述环形电极102与电缆2的最下端加一重物，使环形电极102和电缆2与监测孔1的孔壁保持平行状态，使环形电极102间距均等。

每两个监测孔1之间的间距为50-120m之间。所述电缆2的抗压力大于6Mpa。监测孔1为垂直的钻孔或倾斜的钻孔。

环形电极102为铜制圆环形电极，可以增加电极与注浆材料的接触面，使电极与外界介质充分接触。

每个监测孔1中均匀设置有16个环形电极，每两个环形电极之间的间距为5m，共75m。

塑料套管103距离巷道底板以下0.8m处，设有螺钉孔101，电缆接头从该螺钉孔101中引出，并使用螺母将该螺钉孔拧死。

巷道底板上，挖设有0.8m深的电缆槽沟，电缆2通过预设的电缆槽沟引入到工作面外的直流电法仪器3处，便于数据采集。

利用工作面底板跨孔成像装置的注浆效果监测方法，包括以下步骤：

1)根据工作面的实际情况，在工作面两上下两巷道内合理设计钻孔；设计某工作面长为328m，宽为110m的工作面，共设计8个钻孔，上下巷道各4个钻孔，每个钻孔使用电极15个，共使用120个电极，工作面钻孔及电极三维坐标示意图5所示。

2)设计完成钻孔和电极坐标后，根据地电理论点电源三维电场微分方程为：

σ表示电导率，表示电位差，I表示电流，δ是狄拉克函数，(x₀,y₀,z₀)为电源位置。(x，y，z)为测量点的位置，将上式子改成三维直角坐标条件下格式：

$\mathrm{\σ}(\frac{{\∂}^{2}U}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}U}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}U}{\∂z^2})+\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂x}\frac{\∂U}{\∂x}+\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂y}\frac{\∂U}{\∂y}+\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂z}\frac{\∂U}{\∂z}=-I\mathrm{\δ}(x-x_0)\mathrm{\δ}(y-y_0)\mathrm{\δ}(z-z_0)$

上式改成有限差分方程为A为大型对称正定矩阵，为网格节点上的电位向量，b为供电点位置向量；并利用双向共轭梯度方法求解三维电位分布值，求解三维电场的电位分布过程即为正演过程。三维正演完成后，利用圆滑最小二乘法进行反演，反演出工作面岩层电阻率分布图，如图6为跨孔三维成像电阻率图。如图6中可以看到，在模型中的低阻和电阻很好的展现出来，说明该装置在监测成像中有很重要的作用。

3)钻孔施工，钻孔施工中：

a钻孔在施工过程中，钻孔必须采用套管技术，使用非金属套管，套管孔径小于钻孔孔径既可；使用套管的目的：一是，防止在钻孔施工过程中钻孔出现塌孔现象。钻孔施工过程中，边施工钻孔，边下套管，此目的也是为了防止钻孔塌孔。二是钻孔施工完毕后，钻孔中需要铺设电极，如果使用金属套管，所有电极变成一个电极，监测装置失去了监测功能；

b当钻孔揭露含水层的时，必须对含水层先进行注浆，封堵含水层裂隙，封闭含水层孔段；封闭完好后，重新对钻孔进行施工，继续向钻孔深部施工，直至施工到钻孔设计深度位置；

4)钻孔施工完毕后，将电极和电缆连接好，并将其置于钻孔中，在电极与电缆的最下端加一重物，目的是电极和电缆孔壁保持平行状态，使电极间距均等；当电极和电缆到达孔底且与孔壁保持平行时，将其底端固定好，对钻孔进行注浆，将电极和电缆固定在孔中设计位置；

5)注浆封孔及电缆埋设：

准备工作完成后，方可进行注浆封孔，对于注浆封口而言，按照常规方法实施；对钻孔采取高压注浆的方式，必须解决以下问题：电缆必须耐高压；防止接头注入浆液内；为了便于电缆接头引出，在套管距离巷道底板0.8m处，设计螺钉孔，将电缆接头从孔中引出，并使用螺母将孔拧死即可；在巷道底板上，挖0.8m深得电缆槽沟，将电缆输送到主机处，便于数据采集；

6)将以上设备连接完成后，对设备进行数据采集检验，检验合格后，进行数据采集工作，数据采集完成后，将数据输入直流电法仪器，对数据进行预处理，预处理完成后，对不同跨孔之间进行成像，根据需求监测注浆的效果，实时调节注浆压力和注浆量，提高注浆效率和精度；图7到图9为某工作面注浆后的跨孔三维反演图，从图中可以看出该工作面注浆效果不错，但此时仍然存在两次注浆异常区域。主要集中在工作面y方向为0的巷道附件109m和左侧和219m附近位置，此处是下一步注浆重点区域。

注浆完成后，本方法可以继续作为监测采动工作面的方法，在工作面回采过程中，实时监测工作面底板采动破坏过程，直至工作面安全回采完成。

本发明利用传统的直流电法技术的基础上，通过在工作面两巷道内施工钻孔，在钻孔内设计一定数量的环形电极及电缆，利用塑料套管将电极和电缆固定好，然后在套管内将电极和电缆封入钻孔内，在钻孔口处将电缆引入巷道底板下，通过预设的电缆沟将电缆引入到工作面外，将电缆连接到直流电法仪器内进行数据采集处理成像等过程，基于不同钻孔之间实现跨孔三维电阻率成像技术，实时监测工作面由于注浆而引起电阻率变化情况，根据监测情况做出合理的注浆安排，提高注浆效果。注浆完成后，工作面在回采过程中，可以监测工作面底板水情的变化，对工作面底板突水情况做出预测预报，从而保障工作面安全开采。本发明是既可以监测工作面底板注浆效果，又可以监测工作面底板水情变化情况，方法原理简单，实用性强。

本发明装置包括工作面监测孔多个(根据需求设计)、电缆、环形电极、直流电法仪器等装置。其中监测孔个数根据工作面的长度和监测精度设计，一般情况下监测孔的位置在50-120m之间，监测孔的深度根据回采工作面含水层的深度设计，监测孔的深度要大于含水层到工作面底板的深度。电缆要求抗压力，一般大于6-8Mpa；电缆的长度每一个监测孔的电缆都要连接到直流电法仪器位置。环形电极个数根据需求设计，要求电极与电缆连接处连接完好，连接处密封。直流电法仪器能够进行跨空采集数据即可。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。