一种覆岩采动离层动态发育监测方法

本发明属于煤矿离层水突水防治及离层注浆地面减沉技术领域，具体而言涉及一种覆岩采动离层动态发育监测方法。

背景技术：

不同的沉积时间和沉积环境会造成地层岩性和厚度的差异性。当煤层开采时，覆岩原岩应力的破坏导致各地层不一致的沉降变形，因此在岩层间形成离层空间。一方面，在负压作用下，覆岩含水层大量水资源向离层空腔积聚，当规模发育到一定程度就会发生瞬时性离层突水事故，威胁矿井工作面安全开采。另一方面，覆岩离层空间的闭合会使地表下沉，形成沉降坑并积水，改变地表土壤环境，威胁地表生态及建筑物稳定。当离层空间发育最大时，地面注浆是防治离层突水和地面沉降的一种有效方法，过早(离层发育不完全)或过晚(离层开始闭合)注浆都会导致较低防治效率。因此，覆岩离层动态发育监测对离层水突水防治及地面沉降治理非常重要。

现有覆岩离层发育(覆岩变形)监测方法中，有一种利用光纤检测的方法，将传感光纤及配重借助钻杆埋设进监测孔，通过监测光纤应变情况分析采动引起的覆岩变形破坏高度和受力状况，判断离层发育高度；还有一种监测方法，通过在煤系上覆岩层布设由多组弹簧传感器和应变传感器构成的监测装置，根据监测装置的弹簧拉、压应力状态计算覆岩移动变形量。上述方法存在以下不足：(1)煤层开采过程中离层上、下覆岩岩层移动剧烈，监测信号线易被水平或垂直应力剪断或拉断导致测量失效；(2)测量装置通常用水泥与岩层进行耦合，同步变形差导致测量不准确；(3)监测结果涉及应力-应变换算，步骤繁琐；(4)监测点过少，无法完全测量所有岩层的移动；(5)价格昂贵，监测成本高。

在地铁、桥梁、基坑等施工项目的土层沉降监测中，采用磁环式分层沉降仪进行监测，磁环式分层沉降仪由沉降管、沉降磁环、磁感应探头构成，其监测原理简单，将沉降磁环套接在沉降管上下入监测孔，根据沉降磁环位置判断土层下沉量。然而，现有沉降磁环无法直接应用到岩层分层沉降监测中，理由如下：(1)岩层分层沉降监测孔埋深大，所用沉降管根数多，现有沉降管连接技术承重小，深孔安装时沉降管可能在上部断开导致安装失败；(2)沉降磁环的锚固爪弹开前，沉降磁环在自重作用下产生位移导致安装位置不准确；(3)岩石硬度远大于土体，现有沉降磁环无法长期固定在监测孔岩壁上；(4)沉降管与沉降磁环间隙小，限制沉降磁环测量量程，若其被岩屑或土颗粒堵塞，沉降磁环无法自由移动，影响测量精度。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种覆岩采动离层动态发育监测方法，用以解决现有监测方法无法对离层动态发育过程进行简单、有效、准确监测的问题。

本发明的目的是这样实现的：

第一方面，提供一种覆岩采动离层动态发育监测方法，包括如下步骤：

s1、基于离层发育区范围，确定沉降磁环安装深度；

s2、探查沉降磁环安装深度范围内的岩层信息，确定沉降磁环安装位置及数量；

s3、基于工作面采煤进尺、监测孔钻进速度信息，确定监测孔的开始钻进时间，并完成监测孔施工；

s4、利用分层沉降监测系统对离层动态发育进行监测，在监测孔内安装沉降磁环，开启沉降监测仪进行沉降监测，根据监测数据计算沉降量及离层发育高度。

进一步地，所述离层发育区范围为第四系土层底界面到导水裂缝带顶界面，根据下式计算得到离层发育深度hs：

hs＝hc-hf

式中：hs为离层发育深度，m；hc为煤层顶板埋深，m；hf为导水裂缝带发育高度，m；

导水裂缝带发育高度hf的计算公式为：

hf＝c×mc

式中：mc为煤层累计采厚，m；c为裂采比；

或者，导水裂缝带发育高度hf利用光纤、钻井液漏失或钻孔电视的测试方式获得。

进一步地，监测孔施工时，监测孔未钻穿离层发育区，监测孔的孔底至导水裂缝带顶界面之间留有离层水防突保护层。

进一步地，根据下式计算监测孔钻孔深度hm：

hm＝hs-mp

式中：hm为监测孔钻孔深度，m；mp为离层水防突保护层厚度，m；

根据下式计算离层水防突保护层厚度mp：

上式中：p为离层上覆含水层水压，mpa；ts为临界突水系数mpa/m。

进一步地，所述步骤s2具体为：根据地面钻孔取芯、钻孔电视成像或钻井地球物理勘探的方法确定沉降磁环安装范围内覆岩岩层的岩性、厚度、岩层分界面的位置、地层分界面位置信息，在不同岩层分界面、地层分界面的上、下位置安装沉降磁环，实现沉降磁环安装位置及安装数量设计。

进一步地，步骤s3中，监测孔的开始钻进时间最早在采煤工作面距监测孔的距离为l1+d后，且最晚在采煤工作面距监测孔的距离为d前；

其中，l1计算公式如下：

式中：l1为破裂影响距，m；h为开采深度，m；α为破裂影响角，°；

d的计算公式如下：

式中：d为钻孔期间煤层进尺，m；hm为监测孔钻孔深度，m；v1为煤层开采平均每日进尺，m；v2为平均每日钻探深度，m。

进一步地，步骤s4中，采用的分层沉降监测系统包括沉降磁环、限位环、沉降管和沉降监测仪；沉降监测仪包括磁感应探头、蜂鸣器和带刻度皮尺；沉降磁环包括磁感应铁圈、磁环套、上弹簧片固定爪和下弹簧片固定爪；限位环包括限位环内环和限位环外环。

进一步地，步骤s4中，在监测孔内安装沉降磁环时，预先采用纸线将上弹簧片固定爪和下弹簧片固定爪绑紧收住；

当沉降磁环到达指定位置后，通过拉动钢丝绳使纸线拉断，实现沉降磁环弹簧片固定爪的快速释放。

进一步地，所述钢丝绳与纸线的连接步骤为：第一步，将钢丝绳围绕成一个圆环；第二歩，将钢丝绳的其中一股掏进此圆环内形成圈套结，纸线在绑紧弹簧片固定爪的同时穿进圈套结；第三步，拉紧钢丝绳收紧圈套结完成连接。

进一步地，所述纸线由麻纸卷制而成，由内到外具有多层结构；卷制前，沿卷制方向在麻纸上设置多个切口。

进一步地，步骤s4中，在沉降管下放过程中按照下放长度向沉降管内注水，注水量v1计算公式如下：

式中：v1为沉降管注水体积，m³；w2为下放沉降管重量，kg；ρ为水密度，kg/m³；v2为沉降管下放排水体积，m³。

进一步地，步骤s4中，采用的分层沉降监测系统包括岩层沉降磁感应监测装置和沉降监测仪，所述岩层沉降磁感应监测装置包括沉降磁环组件和安装导管，沉降磁环组件通过安装导管安装在钻机的钻杆上，通过钻杆配合安装导管实现沉降磁环组件的安装与回收。

进一步地，岩层沉降磁感应监测装置的操作方法，包括如下步骤：

步骤一：将锚箍组件通过安装导管安装在钻杆上，利用钻杆将收缩状态的沉降磁环组件在监测孔内下放至预设深度位置；

步骤二：降落钻杆将收缩状态的锚箍组件置于预设深度位置后，提升钻杆，带动安装导管向上运动使锚箍组件展开，长壁锚爪嵌入岩石孔壁；

步骤三：反转钻杆使安装导管与沉降磁环组件分离，重复上述步骤进行下一设计深度处的沉降磁环组件的安装，直至完成所有设计深度处的沉降磁环的安装。

进一步地，覆岩采动离层动态发育监测方法还包括如下步骤：

s5、根据计算的离层发育高度数据，绘制离层发育高度与时间关系图，基于离层动态发育过程，进行煤矿地质灾害防治。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的覆岩采动离层动态发育监测方法，通过对传统沉降磁环的结构及使用方法进行改进，将沉降磁环由土层监测应用到岩石层，原理简单，操作方便省力，能够实现对所监测岩层沉降进行精准测量，从而为判定离层的发育位置及发育空间大小提供有力依据，对煤炭的安全开采及地面注浆防沉具有重要意义。

b)本发明提供的覆岩采动离层动态发育监测方法，采用纸线将沉降磁环弹簧片固定爪绑紧收住，并将纸线与细钢丝绳连接，沉降磁环下放到设计位置后，钢丝绳将纸线拉断，使弹簧片固定爪立刻张开，抓实孔壁，保证磁环能够准确下放到预定设计深度，且固定爪设计为上下双排，爪端磨尖，能够有效的增强抓实作用，增加测量数据的准确性和可靠性。

c)本发明提供的覆岩采动离层动态发育监测方法，沉降磁环内径远大于沉降管外径，既增大了沉降磁环测量量程，也防止沉降磁环与沉降管空隙过小堵塞，阻止沉降磁环运动。

d)本发明提供的覆岩采动离层动态发育监测方法，在安装过程中采用向沉降管管内注水平衡水阻力，有效解决了沉降管承重过大断开的问题，方法科学，节省人力及安装成本。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中覆岩采动离层动态发育监测方法的实施流程图；

图2为本发明实施例中离层发育结构示意图；

图3为本发明实施例中的沉降磁环安装位置简图；

图4为本发明实施例中的沉降磁环结构示意图；

图5为本发明实施例中的限位环结构示意图；

图6为本发明实施例中纸线被拉断前的沉降磁环状态示意图；

图7为本发明实施例中钢丝绳活索绳结打法示意图；

图8为本发明实施例中纸线及其展开状态示意图；

图9为本发明实施例中纸线被拉断后的沉降磁环状态示意图；

图10为本发明实施例中煤层采动覆岩竖直运动区范围示意图；

图11为本发明实施例中离层动态发育变化曲线图；

图12为本发明实施例中沉降磁环组件的结构示意图；

图13为本发明实施例中安装导管的结构示意图；

图14为本发明实施例中沉降磁环组件的下放状态示意图；

图15为本发明实施例中沉降磁环组件嵌入孔壁状态示意图；

图16为本发明实施例中沉降磁环组件的回收状态示意图。

附图标记：

1、离层空腔；2、粉、细砂岩、泥岩岩层；3、中、粗砂岩岩层；4、离层发育区；4-1、第四系风积沙厚度；4-2、沉降磁环安装范围；4-3、离层水防突保护层厚度；5、导水裂缝区；6、沉降监测仪；6-1、磁感应探头；6-2、蜂鸣器；6-3、带刻度皮尺；7、沉降磁环；7-1、磁感应铁圈；7-2、磁环套；7-3、上弹簧片固定爪；7-4、下弹簧片固定爪；8、沉降管；9、卡箍；10、套管；11、钢丝绳；12、纸线；12-1、切口；13、限位环；13-1、限位环内环；13-2、限位环外环；14、沉降磁环组件；14-1、长壁锚爪；14-2、箍片；14-3、限位弹簧；14-4、防滑结构；14-5、连接线；14-6、螺纹卡槽；14-7、销轴；15、安装导管；15-1、连接螺纹；15-2、回收套口；15-3、螺纹卡齿；16、钻杆。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种覆岩采动离层动态发育监测方法，步骤流程如图1所示，所示监测方法包括如下步骤：

s1、基于离层发育区范围，确定沉降磁环安装深度；该步骤具体为：

煤层开采导致覆岩原岩应力破坏，煤层上覆岩层会形成导水裂缝区及离层发育区，离层发育结构如图2所示，离层发育区范围为第四系土层底界面到导水裂缝带顶界面，根据下式计算得到离层发育深度hs：

hs＝hc-hf

式中：hs为离层发育深度，m；hc为煤层顶板埋深，m；hf为导水裂缝带发育高度，m；

导水裂缝带发育高度hf的计算公式为：

hf＝c×mc

式中：mc为煤层累计采厚，m；c为裂采比；

或者，导水裂缝带发育高度hf利用光纤、钻井液漏失或钻孔电视的测试方式获得。

为防止离层水从监测孔突涌进采煤工作面，沉降磁环安装范围为离层发育区内的第四系土层底界面到离层水防突保护层顶界面，也就是说，监测孔施工时，监测孔未钻穿离层发育区，监测孔的孔底至导水裂缝带顶界面之间留有一定厚度的地层，预留厚度的地层为离层水防突保护层，离层水防突保护层的存在有效防止离层水从监测孔突涌进采煤工作面。根据下式计算监测孔钻孔深度hm：

hm＝hs-mp

式中：hm为监测孔钻孔深度，m；mp为离层水防突保护层厚度，m；

离层水防突保护层厚度根据以下公式计算得到：

上式中：p为离层上覆含水层水压，mpa；ts为临界突水系数mpa/m；其中，临界突水系数根据《煤矿防治水细则》规定取值，即无构造破坏时取值0.1mpa/m，有构造破坏时取值0.06mpa/m。

s2、探查步骤s1中沉降磁环安装深度范围内岩层信息，确定沉降磁环安装位置及数量；该步骤具体为：

根据地面钻孔取芯、钻孔电视成像或钻井地球物理勘探的方法确定沉降磁环安装范围内覆岩岩层的岩性、厚度、岩层分界面的位置、地层分界面位置等信息，在不同岩层分界面、地层分界面的上、下位置安装沉降磁环，从而实现沉降磁环安装位置及安装数量设计。

s3、基于工作面采煤进尺、监测孔钻进速度信息，确定监测孔的开始钻进时间，并完成监测孔施工。该步骤具体为：

考虑到煤层开采会使距采煤工作面一定范围内不同距离的岩层沉降存在差异，产生以水平为主和以竖直为主的地层运动。随着采煤工作面的不断推进和接近监测孔位置，监测孔附近煤层覆岩会先发生水平为主的地层运动，再发生以竖直为主的地层运动。若监测孔成孔后或沉降监测装置安装后，监测孔周围覆岩以水平运动为主，煤层开采导致的覆岩水平运动会使监测孔出现错断，因而造成监测装置无法安装或监测孔内的沉降管损坏。当监测孔成孔后，采煤工作面距监测孔小于一定距离时，煤层覆岩岩层以竖直运动为主，水平运动量小，监测孔不会发生错断。

如图10所示，当采煤工作面距监测孔距离l小于等于l1时，监测孔成孔后不会发生错断，l1计算公式如下：

式中：l1为破裂影响距，m；h为开采深度，m；α为破裂影响角，°。

由于采煤工作面不断向前推进，在采煤过程中采煤工作面是动态变化的，与采煤进尺有关，并且监测孔的深度大，监测孔的施工完成也需要一定时间，为了提升工作效率，采煤工作面向前推进与监测孔钻进施工可以同时进行，根据煤层开采平均每日进尺、平均每日钻探深度确定监测孔的开钻时机以及沉降磁环的安装时间。

也就是说，若监测孔钻进与采煤工作面向前推进同时进行，监测孔达到预定钻进深度时，需保证此时当前采煤工作面的采煤设备工作点距监测孔距离不超过l1。

考虑到监测孔钻孔施工需要一定时间，为彻底避免煤层开采覆岩水平运动对沉降管损坏，步骤s3中，监测孔的开始钻进时间最早在采煤工作面距监测孔的距离为l1+d后，且为了不影响沉降监测，监测孔的开始钻进时间最晚在采煤工作面距监测孔的距离为d前；

其中，d的计算公式如下：

式中：d为钻孔期间煤层进尺，m；hm为监测孔钻孔深度，m；v1为煤层开采平均每日进尺，m；v2为平均每日钻探深度，m。

s4、完成监测孔施工后，利用分层沉降监测系统对离层动态发育进行监测，在监测孔内安装沉降磁环，开启沉降监测仪进行沉降监测，根据监测数据计算沉降量及离层发育高度。

本步骤s4中，利用分层沉降监测系统对离层动态发育进行监测，分层沉降监测系统包括沉降磁环、限位环、沉降管和沉降监测仪。

如图3至图5所示，沉降监测仪6包括磁感应探头6-1、蜂鸣器6-2和带刻度皮尺6-3；沉降磁环7包括磁感应铁圈7-1、磁环套7-2、上弹簧片固定爪7-3和下弹簧片固定爪7-4；限位环13由限位环内环13-1、限位环外环13-2，内、外环由镂空式塑料板连接减少沉降磁环下放过程中的水阻力。

s41:根据步骤s2中沉降磁环安装位置在监测钻孔内安装若干沉降磁环。

沉降磁环安装过程中，预先采用纸线12将上弹簧片固定爪7-3和下弹簧片固定爪7-4绑紧收住，如图6所示，收住后的上弹簧片固定爪7-3和下弹簧片固定爪7-4的尺寸小于监测孔的孔径，通过采用纸线捆绑上弹簧片固定爪7-3和下弹簧片固定爪7-4，防止其张开后的抓壁力非常大导致沉降磁环下放失败，保证沉降磁环在监测孔内顺利下放至指定位置。

由于水溶性纸质胶带或纸线溶解时间长(约2-3周)，在弹簧片固定爪弹开前，沉降磁环在自重作用下产生位移导致安装位置不准确，因此将纸线12与钢丝绳11连接，当沉降磁环到达指定位置后，需要释放沉降磁环，通过拉动钢丝绳11使纸线12拉断，实现沉降磁环弹簧片固定爪的快速释放。本实施例的一个可选实施方式，采用的钢丝绳11的直径为2mm，如图7所示，钢丝绳11采用活索绳结打法，将纸线12穿进钢丝绳圈套结并拉紧钢丝绳11将纸线12与钢丝绳11进行连接，具体包括如下步骤：第一步，将钢丝绳11围绕成一个圆环；第二歩，将钢丝绳11的其中一股掏进此圆环内形成圈套结，纸线12在绑紧弹簧片固定爪的同时穿进圈套结；第三步，拉紧钢丝绳11收紧圈套结完成连接。

为保证纸线在安装时有一定强度且安装后容易拉断，本实施例对纸线的结构进行了改进，以保证强度并能够快速拉断。纸线12由一定宽度麻纸卷制而成，由内到外具有多层结构，卷制前，沿卷制方向在麻纸上不同位置设置切口12-1，切口12-1的长度等于该层圆周长度；示例性的，如图8所示，纸线12卷制完成后由内向外具有10层结构，最外层为第10层，最内层位第1层，由内层到外侧的展开宽度依次增大(图8中未示出各层的展开宽度变化特征)最外层的3-5层不设置切口12-1，也即第10层至第6层不设置切口12-1，从第5层至第1层，隔层设置切口12-1，且切口12-1不位于同一径向，分散布置。此结构设置，外层3-5层不设置切口12-1，能够保证强度，当达到指定位置后，随着水浸泡，外层逐渐泡软，水渗透进入内层切口12-1处，加快浸泡，当钢丝绳11拉动时，更容易拉断。

本实施例中，纸线的强度即要保证弹簧片固定爪在下放中不张开，又要保证沉降磁环下放到设计位置后钢丝绳可将其拉断。当所有沉降磁环下放到设计位置后，在地面提拉钢丝绳11将纸线12拉断使沉降磁环上弹簧片固定爪7-3和下弹簧片固定爪7-4张开，抓实监测孔孔壁，如图9所示。

为防止沉降磁环与沉降管空隙过小限制磁环运动，沉降磁环的环套内径大于沉降管外径，可选地，沉降磁环的环套内径设置为1.3～1.5倍沉降管外径，限位环的外环直径大于等于沉降磁环的环套的外径，并略小于监测孔的孔径，限位环的内环直径略大于沉降管的外径，保证限位环可以穿进沉降管。

可选地，沉降磁环上弹簧片固定爪7-3和下弹簧片固定爪7-4的爪端磨尖，增加对监测孔孔壁抓实作用，且弹簧片固定爪的弹开直径不小于2倍监测孔孔径。

对所有沉降管进行编号，将限位环穿进沉降管，用短螺丝将限位环内环与沉降管固定在设计埋深位置，防止沉降磁环在下放过程中向上移动。在安装的第一根沉降管最底部安装锥形导头(即第60号沉降管)，并使用防水胶进行密封。按照一个限位环对应一个沉降磁环，将沉降磁环从下端穿过沉降管后，将沉降管按次序连接、密封并下放至监测孔。沉降磁环全部下放到设计位置后，提拉细钢丝绳将各纸线拉断，使弹簧片固定爪张开，抓实监测孔孔壁。

考虑到监测孔中的水在沉降磁环下放过程中对沉降管会产生浮力，为减小阻力，在沉降管下放过程中按照下放长度向沉降管内注水，从而在下放过程中平衡浮力，减小阻力。其中，注水量v1计算公式如下：

式中：v1为沉降管注水体积，m³；w2为下放沉降管重量，kg；ρ为水密度，kg/m³；v2为沉降管下放排水体积，m³。

安装完成后，将最后一根安装的沉降管用卡箍卡在钻孔套管上，即第1号沉降管，防止沉降管下沉造成监测不准，并以沉降管孔口作为测量起始点，立刻用沉降监测仪对各个沉降磁环位置进行测量作为初始位置，后期每次监测以沉降管孔口作为测量起始点。

s42、开启沉降监测仪进行沉降监测，并根据监测数据计算沉降量及离层发育高度。

该步骤具体为：

s421：以安装完成时所测各磁环初始埋深为计算初始点，根据同一沉降磁环监测数据计算沉降量。其中，沉降磁环沉降量计算公式如下：

s＝s1-s0

式中：s为沉降磁环沉降量，m；s1为监测沉降磁环埋深，m；s0为初始沉降磁环埋深，m。

s422:根据相邻沉降磁环沉降量进一步计算离层发育高度。其中，离层发育高度ms计算公式如下：

ms＝s下-s上

式中：ms为离层发育高度，m；s下为下沉降磁环沉降量，m；s上为上沉降磁环沉降量，m。

s5、根据计算的离层发育高度数据，绘制离层发育高度与时间关系图，判断离层动态发育过程，基于离层动态发育过程规律，选取合适注浆时机以防治离层水突水及煤层开采引起的地面沉降，进行煤矿地质灾害防治。

煤层开采导致上覆岩层不均匀沉降形成离层空间，离层空间的闭合会引起采煤工作面离层水突涌、地面沉降等灾害，基于监测数据绘制离层发育与时间关系图，把握采煤覆岩离层动态发育规律，在离层空间闭合前，即离层空间发育最大时，向其内部空间进行注浆填充，能够有效防止离层水涌突及煤层开采引起地面沉降等煤矿地质灾害。

与现有技术相比，本实施例提供的监测覆岩采动离层动态发育监测方法具有如下有益效果：

(1)将沉降磁环由土层监测应用到岩石层的分层监测，原理简单，操作方便省力，能够对离层动态发育过程进行简单、有效、准确的监测，为判定离层的发育位置及发育空间大小提供有力依据，对煤炭的安全开采及地面注浆防沉具有重要意义。

(2)采用纸线将沉降磁环爪绑紧收住，并将纸线与细钢丝绳连接，沉降磁环下放到设计位置后，钢丝绳将纸线拉断仅需要5-10分钟，跟纸线浸泡断开所用2-3周相比，保证磁环能够准确下放到预定设计深度，且提前了沉降监测开始时间，提高了监测装置利用效率。纸线被拉断释放磁环，使弹簧片固定爪立刻张开，抓实孔壁，增加测量数据的准确性和可靠性。

(3)沉降磁环内径设置为1.3～1.5倍沉降管外径，既增大了沉降磁环测量量程，也阻止沉降磁环与沉降管空隙过小堵塞沉降磁环运动。

(4)在安装过程中采用向沉降管管内注水平衡水阻力，避免深孔安装中沉降管太重断开，方法科学，节省人力及安装成本。

实际工程案例

以鄂尔多斯盆地营盘壕煤矿为例，利用实施例1的监测方法对该矿区覆岩采动离层动态发育进行监测。由于煤层开采导致覆岩原岩应力破坏，煤层上覆岩层会形成导水裂缝区5及离层发育区4，如图2所示。煤层顶板平均埋深为720m，煤层层厚平均6.5m，根据已采工作面及附近煤矿开采经验确定裂采比为21，因此导水裂缝区5发育高度为6.5×21＝136.5m，离层发育区深度为720-136.5＝583.5m。由于导水裂缝区5上的中、粗砂岩岩层2(硬岩)与粉、细砂岩、泥岩岩层3(软岩)岩层组合的强度差异，煤层开采会在离层发育区4中的软、硬岩岩层分界面形成离层空腔1。一方面，在负压作用下，覆岩含水层大量水资源向离层空腔1积聚，当规模发育到一定程度就会发生瞬时性离层突水事故，威胁矿井工作面安全开采。另一方面，覆岩离层空腔1的闭合会使地表下沉，形成沉降坑并积水，改变地表土壤环境，威胁地表生态及建筑物稳定。因此在留设离层水防突保护层4-3后，在离层发育区4中的第四系风积沙4-1下安装沉降磁环，确定沉降磁环安装范围4-2。离层上覆含水层埋深430m，承压1mpa，因此离层水防突保护层厚度至少为(430/100+1)/0.1＝53m，考虑到导水裂缝区上存在70m直罗组砂岩，阻水能力差，因此保护层全部在安定组泥岩中选取，此时沉降磁环安装深度为583.5-70-53＝460.5m。去除地表覆盖近90m厚第四系风积沙，则沉降磁环安装范围为埋深90-460.5m。

如图3所示，根据监测孔钻探取芯及钻井地球物理勘探可以大致确定第四系(q4)与白垩系(k1zh)交界在91米左右，白垩系(k1zh)与安定组(j2a)交界面在434米左右，监测孔孔深460m。共设计沉降磁环60个，其埋深位置如表1所示，在白垩系(k1zh)与安定组(j2a)交界面沉降磁环布设较为密集，以1-2米为间隔，安定组内部(j2a)共布设沉降磁环5个，最深位置在埋深456米左右；白垩系(k1zh)内部从下至上布设间隔逐渐增加，根据现场岩芯，局部岩层布设监测磁环加密，间隔为3-6米。

表1沉降磁环设计埋深位置

如图10所示，煤层开采会在工作面前方一定范围内的覆岩中形成滑移面及断裂面，断裂面范围内岩层主要以竖直运动为主，滑移面范围内岩层主要以水平运动为主。若监测孔成孔后或沉降监测装置安装后，监测孔周围覆岩以水平运动为主，煤层开采导致的覆岩水平运动会使监测孔出现错断，因而造成监测装置无法安装或监测孔内的沉降管损坏。当监测孔成孔后，采煤工作面距监测孔小于一定距离时，煤层覆岩岩层以竖直运动为主，水平运动量小，监测孔不会发生错断。如果监测孔钻进与采煤工作面向前推进同时进行，监测孔达到预定钻进深度时，需保证此时当前采煤工作面的采煤设备工作点距监测孔距离l不超过l1。考虑到监测孔钻进施工需要一定时间，为彻底避免煤层开采覆岩水平运动对沉降管损坏，监测孔开始钻进时间最早在采煤工作面距监测孔的距离为l1+d后，且为了不影响沉降监测，监测孔开始钻进时间最晚在采煤工作面距监测孔的距离为d前。地面沉降监测显示营盘壕煤矿破断影响角为78°，煤层顶板埋深为720m，则破断影响距为720/tan78°＝153m，因此确定沉降磁环应在煤层工作面距监测孔153m时开始安装。进一步，监测孔孔深460m，若煤层开采平均进尺为8m/d，钻机钻探深度为15m/d，则监测孔开始钻进施工时，采煤工作面距监测点距离为153+8×460/15＝398m，监测孔的最晚开钻时间在采煤工作面距监测点距离为8×460/15＝245m。

沉降磁环于2019年11月5日安装完毕，每天进行沉降监测，此时采煤工作面距监测孔75米，以沉降管孔口作为测量起始点，对60个沉降磁环测量数据进行记录。假设沉降磁环安装前各地层发生的微小沉降量为0m。截至2020年1月8日，累计监测时间为65天，此时采煤工作面采过监测孔194m。通过对沉降磁环沉降量计算及分析，去除个别监测异常磁环后，发现60个沉降磁环运动具有明显的分组特性，即编号1-27、28-40、41-54、55-60号等磁环下沉量及运动趋势较为相同，对应各组地层埋深分别为91-284m、284-389m、389-434m、434-460m。从上自下对岩层进行分组为第一、二、三、四组。由于60组数据繁多，无法在此全部列出，下表2仅列出位于每组顶部及底部沉降磁环计算沉降量数据。

表2第1、27、28、40、41、54、55、60号沉降磁环沉降量数据

对四组岩层界面处发育的三处离层从下往上分别命名为离层1、离层2、离层3。如图11所示，位于埋深434m的离层1最先发育，2019年11月10日左右，离层垂向发育达到最大值1.422m，随后由于煤层开采的暂停，在较长时间内保持微小降低；2019年11月25日，由于上部岩组发生大规模沉降，离层空腔转移到白垩系岩层内部形成离层2，埋深在389m，同时离层1开始闭合。白垩系内部埋深389m离层2并没有达到离层1垂向发育高度，在2020年12月31日达到最大值1.25m。随着采煤进尺继续推进，白垩系中部埋深284m岩组也发生大规模沉降，因此该离层空腔继续向上部转移，于埋深284m附近产生离层3。由于沉降管的水平错动，导致探头无法下放，离层3发育过程并没有完整监测，仅2020年1月3日左右监测到开始快速发育。

从上述分析可知，2019年11月10日左右最下部离层1动态发育达到最大值，此时向离层空腔中进行大规模注浆是防治离层水突水及地面沉降的最佳时间，可以取得最大防治效率。

实施例2

本发明的又一具体实施例，公开了一种覆岩采动离层动态发育监测方法，包括实施例1中的步骤s1-s3，还包括步骤s4’，步骤s4’与实施例1中步骤s4的区别在于，步骤s4’利用沉降磁环可回收的分层沉降监测系统对离层动态发育进行监测，监测完成后，能够利用钻杆将沉降磁环回收再利用，克服了现有监测方法监测结束后无法对沉降磁环进行无损坏回收以及一旦沉降磁环位置安装错误，无法再次调整的缺陷。

本实施例的分层沉降监测系统包括岩层沉降磁感应监测装置和沉降监测仪，岩层沉降磁感应监测装置包括沉降磁环组件14和安装导管15，沉降磁环组件14是在实施例1中沉降磁环7的基础上进行的改进，改进后的沉降磁环组件14通过安装导管15安装在钻机的钻杆上，利用钻杆旋转、提升、降落并配合安装导管15使锚箍组件收缩和展开，进而实现沉降磁环组件14的安装与回收。沉降磁环组件14包括磁感应铁圈7-1、磁环套7-2和锚箍组件，如图12所示，磁环套7-2套设在磁感应铁圈7-1外，锚箍组件固定设于磁环套7-2的外圆周，锚箍组件具有收缩状态和展开状态，收缩状态下，锚箍组件的整体尺寸小于等于监测孔的孔径，能够在监测孔内上下移动，且锚箍组件具有由收缩状态变为展开状态的恢复弹力；展开状态下，锚箍组件的尺寸大于监测孔的孔径，锚箍组件与监测孔的孔壁在竖直方向上至少有两个高度的支撑点，且每个高度的支撑点位于同一圆周上，展开状态的锚箍组件与监测孔的孔壁之间具有足够大的支撑作用力，以保证锚箍组件的安装稳定性，防止沉降磁环移动。

具体而言，锚箍组件包括长壁锚爪14-1、箍片14-2和弹性体。

长壁锚爪14-1包括长壁杆，长壁杆的第一端为连接端，连接端转动连接于磁环套7-2的下端外圆周，长壁锚爪14-1的连接端通过销轴14-7连接在磁环套7-2的下圆周上，能够绕销轴14-7在竖直方向进行上下转动；长壁杆的第二端为爪端，爪端为自由端，用于嵌入监测孔的孔壁，长壁锚爪14-1的数量至少为2个，多个连接端均匀分布在磁环套7-2的下端外圆周。

磁环套7-2的上端外圆周设有与长壁锚爪14-1相对应的箍片14-2，也即长壁锚爪14-1与箍片14-2成组设置，箍片14-2的数量至少为2个，与长壁锚爪14-1的数量相同，且对称设置在磁环套7-2的上端外圆周上，箍片14-2与长壁锚爪14-1一一对应且成组设置；箍片14-2包括箍片本体，箍片本体的下端固定在磁环套7-2上，箍片本体的上端呈喇叭口状向外翻折，箍片14-2由弹性钢制成，具有一定弹性变形能力。

箍片本体为弧形片状结构，示例性的，箍片14-2的数量为四个，箍片14-2的下端均匀焊接在磁环套7-2的外圆周，四个箍片本体的下部整体上位于同一柱状圆周上，能够构成空心柱状结构，该空心柱状结构的圆周直径大于等于磁环套7-2的外圆周直径。

长壁锚爪14-1通过一轴转动连接于磁环套7-2的下圆周上，也即长壁锚爪14-1与箍片14-2的箍片本体之间具有扇形转动空间，转动空间内设置弹性体14-3，安装过程中，当沉降磁环组件14沿监测孔的孔壁向下移动时，长壁锚爪14-1的爪端向箍片本体转动时，使锚箍组件呈收缩状态，由于弹性体的存在，长壁锚爪14-1的爪端向箍片14-2转动靠近过程中，弹性体14-3被挤压变形，具有使长壁锚爪14-1的爪端远离箍片14-2转动的恢复弹力；当沉降磁环组件14到达指定位置后，利用钻杆上提使沉降磁环组件14向上移动，在弹性体的恢复弹力作用下，长壁锚爪14-1的爪端远离箍片14-2转动，长壁锚爪14-1的爪端嵌入监测孔的孔壁。

箍片14-2的翻折端通过连接线14-5与长壁锚爪14-1的爪端连接，当长壁锚爪14-1的爪端远离箍片14-2转动时，连接线14-5能够带动箍片14-2的翻折端外翻，使得箍片14-2的喇叭口向外翻折，张开范围变大，张开后的箍片14-2喇叭口紧紧抵靠在监测孔的孔壁上，在连接线14-5的带动下，箍片14-2的喇叭口的支撑直径变大，从而增大了箍片14-2对监测孔孔壁的挤压力，以保证紧固效果，同时，还能够促使长壁锚爪14-1的爪端嵌入监测孔的孔壁，箍片14-2的翻折端、长壁锚爪14-1的爪端与监测孔的孔壁接触力得以同时增大，稳固效果更好。

本实施例中，弹性体14-3为弹性橡胶圈、限位弹簧中的一者或两者组合。

本实施例的一个可选实施方式，弹性体14-3为弹性橡胶圈，弹性橡胶圈至少部分套设在磁环套7-2的上部外圆周，也可以同时包覆箍片本体的下部，弹性橡胶圈的内径小于等于磁环套7-2的外径。进一步的，由磁环套7-2的下端向上端方向，弹性橡胶圈的壁厚度逐渐变大，也就是说，弹性橡胶圈的下部外径小于上部外径，弹性橡胶圈的壁截面为倒三角形，此结构设置，不仅能够保证足够大的恢复弹性力，而且能够在装入监测孔时小角度收缩，使得磁环顺利安装到位。

本实施例的一个可选实施方式，弹性体14-3为限位弹簧，每组长壁锚爪14-1和箍片14-2配套设置至少一根限位弹簧，限位弹簧的第一端连接在长壁锚爪14-1的长壁杆上，限位弹簧的第二端连接在磁环套7-2的上部外圆周，或者，限位弹簧的第二端连接在箍片本体的下部。自然状态下，长壁锚爪14-1的爪端所在圆周直径大于监测孔的孔径，沉降磁环在装入监测孔过程中，长壁锚爪14-1的爪端收缩，使限位弹簧压缩，限位弹簧具有使长壁锚爪14-1的爪端远离箍片14-2转动的恢复弹力。

本实施例的一个可选实施方式，弹性体14-3为限位弹簧和弹性橡胶圈的组合结构，具体的，每组长壁锚爪14-1和箍片14-2配套设置限位弹簧和弹性橡胶圈，其中，弹性橡胶圈至少部分套设在磁环套7-2的上部外圆周，限位弹簧的第一端连接在长壁锚爪14-1的长壁杆上，限位弹簧的第二端连接在箍片本体的下部，长壁杆、箍片本体、限位弹簧以及磁环套7-2的外圆周之间形成橡胶圈安装空间，弹性橡胶圈位于橡胶圈安装空间内。此结构设置，弹性橡胶圈和限位弹簧能够同时起作用，提高长壁锚爪14-1的爪端展开的弹性力，而且能够避免单一弹性橡胶圈或限位弹簧出现故障，导致长壁锚爪14-1的爪端展开失败，从而提升了装置的工作可靠性。

本实施例中，箍片14-2由弹性钢制材质制成，箍片14-2的翻折端设置有防滑结构14-4，箍片14-2的翻折端展开后，防滑结构14-4与监测孔的孔壁摩擦接触，通过增大箍片14-2的翻折端与监测孔孔壁的摩擦力，有助于沉降磁环的精确定位，提升沉降磁环的稳定性。

本实施例的一个可选实施方式，防滑结构为橡胶层，橡胶层设置于箍片14-2的翻折端，通过设置橡胶防滑层增大箍片14-2的翻折端与监测孔孔壁的摩擦力。

更进一步的，橡胶层上设有弹性凸起，通过设置弹性凸起进一步提高防滑性能。

本实施例的一个可选实施方式，长壁锚爪14-1的数量为3-6个，均匀布置在沉降磁环四周，优选采用4个长壁锚爪14-1。

本实施例中，沉降磁环组件14通过安装导管15安装在钻杆16上。具体而言，安装导管15的两端均设置螺纹段，第一端与钻杆16螺纹连接，第二端与沉降磁环组件14螺纹连接。安装导管15下部的螺纹卡齿15-3与沉降磁环14上螺纹卡槽14-6相配套，钻杆的正转与反转带动螺纹卡齿15-3在螺纹卡槽14-6上的旋进与旋出，规定正向(顺时针)旋转，螺纹卡齿15-3旋进螺纹卡槽14-6，此时安装导管15与沉降磁环组件14连接；反向(顺时针)旋转，螺纹卡齿15-3旋出螺纹卡槽14-6，此时安装导管15与沉降磁环组件14分离，实现安装导管15与沉降磁环14的连接与分离，进而实现沉降磁环14的无损坏回收。

具体而言，安装导管15包括第一段和第二段，第一段的直径小于第二段的直径，第一段与钻机所用钻杆16采用螺纹连接，由于第二段设置的螺纹卡齿15-3与螺纹卡槽14-6之间不是紧密接触，所以钻杆正反旋转时，第二段不会传递力，因此第一段的螺纹连接不会脱落。如图13所示，第一段的一端设置连接螺纹15-1，连接螺纹15-1与钻杆16的螺纹相配套；第一段的另一端与第二段连接，第二段设有螺纹卡齿15-3，磁环套7-2的内壁设有螺纹卡槽14-6，螺纹卡齿15-3与螺纹卡槽14-6相适配，沉降磁环14与安装导管15的第二段螺纹连接。

为了实现沉降磁环回收，第一段上设有回收套口15-2，回收套口15-2的纵向截面为下端直径大、上端直径小的倒“y”形空心结构，回收套口15-2的上端固定在第一段的外周壁，回收套口15-2的下端为开口结构，回收套口15-2的内壁为光滑凹形曲面，光滑凹形曲面形成锚箍组件的收纳空间。

进一步的，防滑结构14-4设置于箍片14-2翻折端的下部，箍片14-2翻折端的最高点所在的圆弧面为光滑上凸曲面，此结构设置能够在回收沉降磁环组件14时，防滑结构14-4不与回收套口15-2的内壁接触，减小回收阻力，以实现装置的顺利回收。

进一步的，箍片14-2的翻折端面的纵向截面大致呈“β”形，“β”形结构的翻折端面的下部开口设置，回收套口15-2的内壁为光滑凹形波浪状曲面，光滑凹形波浪状曲面与大致呈“β”形箍片14-2的翻折端面相适配，光滑凹形波浪状曲面形成收纳空间。也就是说，箍片14-2的翻折端具有过渡设置的第一翻折端面和第二翻折端面，箍片本体的内表面、第二翻折端面以及第一翻折端面依次过渡设置，第二翻折端面整体上呈凸形结构，凸形结构的第二翻折端面位于箍片本体的内表面和第一翻折端面之间，防滑结构14-4设置在第一翻折端面上，防滑结构位于第一翻折端面的下部且占据第一翻折端面的1/2-3/5面积，第一翻折端面的上部、第二翻折端面为光滑曲面，当回收沉降磁环组件14时，凸形结构的光滑第二翻折端面与回收套口15-2的内壁光滑面接触，回收套口15-2不接触防滑结构，减小了回收阻力，以实现装置的顺利回收；连接线14-5的一端连接在第二翻折端上，另一端连接在长壁锚爪14-1的长壁杆上，当连接线带动翻折端打开时，只需要小距离拉动就能使防滑结构与监测孔的孔壁接触，提升安装位置精确性，保证装置的工作可靠性。

当进行沉降磁环回收时，下放钻杆到达磁环位置时正转钻杆，带动安装导管15旋进沉降磁环14，沉降磁环14沿着安装导管15的第二段向上移动，箍片本体的上端喇叭口翻折端的第二翻折端面先进入回收套口15-2的收纳空间内，与回收套口15-2的光滑凹形波浪状曲面接触，第一翻折端面不与回收套口15-2的内壁面接触，并随着钻杆16的不断旋拧，沉降磁环14继续沿第二段的螺纹卡齿15-3移动，在光滑凹形波浪状曲面的限制下，第二翻折端面在回收套口15-2里向沉降磁环14的中心线收缩靠拢，进而带动连接线14-5向上提拉长壁锚爪14-1的爪端，使长壁锚爪14-1的爪端向箍片14-2转动，脱离监测孔的孔壁，实现沉降磁环14的回收。

为防止回收套口15-2变形，回收套口15-2由硬质合金材质制成，具有高硬度和耐磨性，可选的，回收套口15-2整体用5mm厚的钢板锻造加工而成。

为使螺纹卡齿15-3能在安装过程中顺利旋进或旋出螺纹卡槽14-6，且防止安装导管15从钻杆16上脱落，螺纹卡槽14-6的宽度要大于螺纹卡齿的15-3宽度，可选地，螺纹卡槽14-6的宽度为0.2mm，螺纹卡齿15-3的宽度为0.1mm，使其不向上部传递扭力。

本实施例的岩层沉降磁感应监测装置的操作方法包括如下步骤：

步骤一：将锚箍组件通过安装导管15安装在钻杆16上，钻杆16下降，使锚箍组件下放至监测孔的孔口处，将锚箍组件设置为收缩状态并伸入监测孔内，将收缩状态的锚箍组件在监测孔内下放至预设深度位置。

在地面将安装导管15与钻杆16通过连接螺纹15-1连接，并将沉降磁环组件14通过螺纹卡齿15-3手动旋进螺纹卡槽14-6使其连接在安装导管15下部。钻机降落钻杆16，将沉降磁环组件14下放至监测孔中，手动或者利用监测孔的孔口将锚箍组件呈收缩状态，也就是说，沉降磁环组件14在下放过程中，长壁锚爪14-1紧贴孔壁使弹性体14-3处于压缩状态，此时连接线14-5处于松垮状态，如图14所示。

步骤二：降落钻杆16将收缩状态的锚箍组件置于预设深度位置后，再提升钻杆16，钻杆16带动安装导管15向上运动使锚箍组件展开，锚箍组件展开后，长壁锚爪14-1稳定嵌入岩石孔壁。

具体的，按照沉降磁环设计位置，将利用钻杆16将沉降磁环组件14下放到设计位置后，钻机提升钻杆16带动安装导管15使沉降磁环组件14向上运动，由于压缩的弹性体14-3使长壁锚爪14-1处于向外张开状态，且长壁锚爪14-1爪端磨尖，因此钻杆16提升过程中长壁锚爪14-1可稳定嵌入岩石孔壁；同时，长壁锚爪14-1围绕销轴14-7的向下转动带动了箍片14-2呈喇叭口状向四周翻折，随着箍片14-2张开范围的扩大，端部的防滑结构14-4与孔壁接触，在防滑结构14-4的摩擦作用下，箍片14-2会进一步翻折，最终使沉降磁环上端箍定在孔壁上，如图15所示。

在钻杆16提升时，通过连接线14-5，沉降磁环组件14下端的长壁锚爪14-1和上端的箍片14-2可同时发挥作用，互相增强，即下端长壁锚爪14-1嵌入孔壁越深，箍片14-2的箍定作用越大，最终使沉降磁环稳定的固定在孔壁上。

步骤三：反转钻杆16使安装导管15与沉降磁环组件14分离，重复上述步骤进行下一设计深度处的沉降磁环组件14的安装，直至完成所有设计深度处的沉降磁环的安装。

当沉降磁环固定在孔壁后，钻杆提升受阻，观察钻机压力表，当压力表变化较大时，说明安装成功，此时反转钻杆使螺纹卡齿15-3旋出螺纹卡槽14-6实现安装导管15与沉降磁环14的分离。按照此方法可对设计数量(如60个)的沉降磁环从下到上依次安装。

当离层动态发育监测结束后，钻机降落钻杆16及安装导管15，当安装导管15到达沉降磁环组件14位置时，正转钻杆带动安装导管15转动使螺纹卡齿15-3旋进螺纹卡槽14-6。如图16所示，在旋进过程中，由于回收套口15-2下端直径大、上端直径小的倒“y”形结构设计，箍片14-2会进入回收套口15-2，且随着钻杆15的进一步转动，箍片14-2在回收套口15-2里向内翻折，进而带动连接线14-5向上提拉长壁锚爪14-1，使长壁锚爪14-1向上转动脱离孔壁，实现沉降磁环14的回收。按照此方法可从上至下依次对60个磁环进行无损坏回收。

与现有技术相比，本实施例提供的岩层沉降磁感应监测装置，创新设计的沉降磁环组件，结构简单，沉降磁环组件采用上箍下嵌式结构，长壁锚爪和箍片可同时发挥作用，互相增强，使沉降磁环稳固的固定在监测孔的孔壁上，增加离层动态发育监测的准确性；而且完成监测后利用安装导管能够从钻孔中移出，收取过程操作方便，实现磁环的重复使用，能够显著降低成本，具有显著的经济效益。另外，回收套口的内壁为光滑凹形波浪状曲面，光滑凹形波浪状曲面与大致呈“β”形箍片的翻折端面相适配，光滑凹形波浪状曲面形成收纳空间，当回收沉降磁环组件时，凸形结构的光滑第二翻折端面与回收套口的内壁光滑面接触，回收套口不接触防滑结构，减小了回收阻力，以实现装置的顺利回收；此外，连接线的一端连接在第二翻折端上，另一端连接在长壁锚爪的长壁杆上，当连接线带动翻折端打开时，只需要小距离拉动就能使防滑结构与监测孔的孔壁接触，提升安装位置精确性，保证装置的工作可靠性。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。