覆岩水力及岩石力学监测方法及系统

本发明涉及水文地质勘探技术领域，特别是涉及一种覆岩水力及岩石力学监测方法及系统。

背景技术：

随着经济社会的发展和人口的不断增长以及城市工业化步伐加快，人类对能源的需求也成倍增长，因此煤炭将继续作为一种传统能源开发利用。然而煤层开采后造成的采空区，将引起其上覆岩层破裂从而不可避免地影响上覆含水层的结构及性质，引起地下水漏失，水质恶化，地面塌陷，地裂缝等一系列生态环境问题。因此，了解采煤过程中对上覆地层造成的力学破坏的动态变化无疑具有重要意义。当前监测煤矿开采对上覆地层破坏主要通过井下观测导水裂隙带高度结合数值模拟来研究动态演化，或者通过相似模拟的方法进行。然而数值模拟和相似模拟的缺陷在于其结果的主观性以及不确定性，使得上述方法的应用范围十分有限。此外，由于地质体的复杂性以及采矿过程中的不确定性，只有实时监测才是有效地准确获取采矿对其动态影响的关键。另一方面，常规的水文地质试验及岩石力学试验往往成本很高，连续进行监测几无可能，这也使得实时监测采矿引起的上覆岩层动态无法实现。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种覆岩水力及岩石力学监测方法及系统，能够识别采矿过程对上覆地层的实时影响。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种覆岩水力及岩石力学监测方法，所述方法包括：通过在矿区范围内的水文监测孔内设置的自动水位计和气压计，监测水位数据和气压数据；利用井水位的固体潮效应和气压效应，在不同的情况下选择相对应的反演计算模型，计算不同的煤层上覆含水层的水文地质参数；通过得到不同层位煤层上覆含水层的水文地质参数可以直观全面地了解“三带”的分布特征，为“三带”的划分提供新的依据；通过获取水文地质参数的空间、时间变化特征，监测煤矿开采过程中煤层上覆含水层水文地质参数的时间和空间变化规律。

在一些实施方式中，水文监测孔设置在工作面中央及靠近工作面的外侧。

在一些实施方式中，反演计算模型包括：固体潮水平流模型、固体潮垂直流模型、固体潮气压模型。

在一些实施方式中，固体潮水平流模型由如下公式给出：

在一些实施方式中，固体潮垂直流模型由如下公式给出：

在一些实施方式中，固体潮气压模型由如下公式给出：

在一些实施方式中，还包括：根据得到的煤层上覆含水层的水文地质参数垂向的变化规律，直观全面地了解“三带”的分布特征，建立煤层上覆地层“三带”划分的新依据。

在一些实施方式中，还包括：通过监测含水层水位动态及水文地质参数变化规律,分析得出煤矿等开采的扰动范围和影响半径，对矿井涌水和顶板垮落起到预报作用。

此外，本发明还提供了一种覆岩水力及岩石力学监测系统，所述系统包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据前文所述的覆岩水力及岩石力学监测方法。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

(1)大气压力及固体潮汐为自然作用力，无需人为激发井中水位的波动，因此无需大量的人力物力，可以节约成本；

(2)由于大气压力及固体潮汐为连续作用力，该方法可连续获取含水层水文地质参数的时间序列，最大获取频率为每5天一个值；

(3)通过不同层位含水层水位的监测可以得到煤层上覆不同含水层的水文地质参数垂向的变化规律，直观全面地了解“三带”的分布特征，建立煤层上覆地层“三带”划分的新依据；

(4)根据开采工作面掘进位置的不同，通过监测含水层水位动态及水文地质参数变化规律可以分析得出煤矿等开采的扰动范围和影响半径，对矿井涌水和顶板垮落起到预报作用。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是技术路线图；

图2是水位计气压计的立体图；

图3是读取数据装置的立体图；

图4是水位计气压计的安置示意图；

图5是工作面上方及工作面外侧井孔水位波动与工作面推进距离的关系示意图；

图6是不同井孔水位及气压的频谱图；

图7是三个井孔潮汐参数随时间演化图；

图8是三个井孔所在含水层渗透性随时间的变化图；

图9是抽水试验所得含水层水力传导系数与潮汐方法计算的结果对比图；

图10是岩石试验所得含水层压缩系数与固体潮气压方法计算的结果对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

为了实时获取煤矿开采过程中对上覆地层产生的破坏，本方法提出利用矿区的水文地质监测孔进行水位、气压观测来实时获取含水层的水力学及岩石力学参数的动态变化，从而识别采矿过程对上覆地层的实时影响。本方案的关键点在于井孔布设方案；水位与固体潮结合反演含水层渗透系数及储水率方法；水位与固体潮和大气压力结合反演压缩系数、孔隙度等岩石力学参数方法。

在矿区范围内的水文监测孔放入solinst(加拿大公司)自动水位计进行水位动态监测；为了更好地监测采矿过程对上覆地层的影响，应根据实际情况在工作面中央及靠近工作面的外侧分别布设监测孔。矿区之前所用设备为传统遥测仪，其精度只能达到小数点后两位(厘米级)，而且设备较大，电池容量小，每3-4个月需要到现场更换电池。相比之下，solinst水位计的监测精度可达小数点后四位(0.01厘米级)，设备小巧，电池电量可用3-4年。

在矿区范围内的水文监测孔放入solinst(加拿大公司)气压计进行气压动态监测；矿区之前仅能通过气象站获取气压数据；由于气象站成本高，一个矿区仅能安置一个气象站，但是气压的变化与地形起伏有关，对于不同海拔高度的地点，仅用一个数据代替并不合理。相比之下，solinst气压计设备小巧，可以轻松放入水文监测孔进行气压监测，其监测精度可达小数点后四位，电池电量可用3-4年。

在获取水位和气压的监测数据之后，利用井水位的固体潮效应和气压效应，在不同的情况下选择相对应的计算模型，计算不同的煤层上覆含水层的水文地质参数，包括渗透系数、储水率、压缩系数和孔隙度。通过得到不同层位煤层上覆含水层的水文地质参数可以直观全面地了解“三带”的分布特征，为“三带”的划分提供新的依据；通过获取水文地质参数的空间、时间变化特征，监测煤矿开采过程中煤层上覆含水层水文地质参数的时间和空间变化规律。

参数反演模型如下：

固体潮水平流模型：

这里，a是井内水位波动x0与固体潮膨胀应变ε0的比值，也称其为振幅比；η是井内水位波动x0与固体潮膨胀应变ε0的相位差；这里的e和f为计算过程中的中间参数。

固体潮垂向流模型：

这里，a是井内水位波动x0与固体潮膨胀应变ε0的比值，也称其为振幅比；η是井内水位波动x0与固体潮膨胀应变ε0的相位差；z是距离水面的深度；δ＝(2d/ω)1/2，d是水力扩散系数(m2/s)，是含水层的导水系数与储水系数的比值，其中储水系数是不排水条件下储水率ss(1/m)和井孔含水层厚度b(m)的乘积，ω是水位波动的角频率(rad/s)。

固体潮气压模型：

这里，β为含水层压缩系数,pa^-1；βs为含水层固体骨架压缩系数；βf为水的压缩系数；ν为含水层的泊松比；φ为含水层的孔隙度，无量纲；ss为含水层的储水率,m^-1；b为skempton系数；be为气压效率；le为含水层的荷载效率，是总孔隙压力该变量和垂向应力变化量之比；ζ为含水层的一个附加参数，无量纲；as为面应变敏感性，表示含水层单位水平应变引起的井水位变化。

矿区监测效果：

以某矿区为例，在矿区s1221工作面上布设的j7孔，及紧挨着工作面边缘布设的j10孔及外围监测孔j14孔，工作面推进过程中记录到的井水位变化如图5所示。从图5中可以清晰地记录到工作面接近过程中不同井孔水位的动态变化以及记录到的大气压力的变化。

根据对水位和气压数据进行频谱分析(快速傅里叶变换，fft)和潮汐分析，可以获得水位和气压时间序列的频谱，如图6所示，可以发现不同井孔水位时间序列中均可以记录到明显的o1,k1,m2,s2信号，气压时间序列中可以记录到k1,s2信号。

对三个井孔水位进行潮汐分析，其水位的相位值与振幅随时间演化如图7所示。可以发现，在采矿工作面向井孔推进的过程中，位于工作面中央的j7井以及位于工作面边缘的j10井的潮汐参数(相位和振幅)出现了明细的波动，其中以位于中央的j7井波动最为明显，表明其所在含水层的渗透性出现了一定的变化。

基于潮汐响应模型计算了采矿工作面推进过程中井孔所在的含水层渗透系数的变化，如图8所示。

从图8中可见，j7所在的含水层的渗透性随着采矿的推进出现了明细的增大，而j10的渗透性则是先增大而后减小，j14井由于离工作面位置较远而没有出现明显的变化。

为了验证上述方法，我们将利用井水位的气压、潮汐响应获得的参数与传统抽水试验及岩石力学实验获得的含水层渗透系数、压缩系数进行了对比。如图9及图10所示。可以发现，传统的方法所得结果与气压、潮汐响应方法计算的结果之间具有很好的吻合度，表明我们的方法计算结果的准确性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。