顶板变形监测方法与流程

本发明涉及矿井水害防治技术领域，具体地涉及一种顶板变形监测方法。

背景技术：

煤层顶板变形破坏自下而上可分为三个带：冒落带、裂隙带和弯曲变形带。冒落带和裂隙带具有良好的导水性，这两带如果发育至顶板含水层，就可能发生顶板突水事故。

在煤矿领域，电法监测最早被用于岩爆和顶板冒落的预测、预报，随着适用于煤矿井下的电法监测设备的成功研制，矿井电法监测从早期的岩石破坏监测逐渐向水害监测发展，并取得了良好的效果。在顶板水害电法监测中，一般采用向顶板斜上方打深度数百米的钻孔并在钻孔中安装电极进行监测的方法。由于煤矿井下打钻成本较高，在钻孔中安装电极的难度也较大，该方法只能在较小范围内开展，无法大规模使用。对于回采长度达数千米同时受顶板水害威胁的大型工作面而言，在顶板钻孔中开展电阻率监测的方法显然并不适用。

技术实现要素：

本发明实施例旨在提供一种顶板变形监测方法，将锚杆或锚索当作电极使用进行顶板水害监测，避免了钻孔施工和安装电极的麻烦，可以适用于回采长度较大的大型工作面。

为此，本发明提供一种顶板变形监测方法，包括如下步骤：

根据待监测顶板所处工作面的水文数据，确定监测电极所在位置和不同监测电极之间的电极间距，每一所述监测电极具有特定的电极编号；

根据所述监测电极所在位置确定每一所述监测电极周围设定区域内的导电体，选择所述导电体作为所述监测电极使用，每一所述导电体具有特定的导电体编号；将每一所述导电体的顶端与电法监测装置的输入端电连接；

在工作面回采之前，实时通过所述电法监测装置监测每一所述导电体的初始电信号，每一所述导电体的导电体编号和初始电信号相关联；

在工作面回采过程中，实时通过所述电法监测装置监测每一所述导电体的工作电信号，每一所述导电体的导电体编号和工作电信号相关联；

根据每一所述导电体的工作电信号与初始电信号确定相应导电体所在位置的顶板是否破坏变形。

可选地，上述的顶板变形监测方法中，还包括如下步骤：

实时地对每一导电体的初始电信号和工作电信号进行三维电阻率反演处理，根据反演结果得到同一时间点的不同导电体电阻值的关系；

根据不同时间点的不同导电体电阻值的关系得到顶板低阻区域的变化趋势，以得到水害监测结果。

可选地，上述的顶板变形监测方法中，根据所述监测电极所在位置确定每一所述监测电极周围设定区域内的导电体，选择所述导电体作为所述监测电极使用，每一所述导电体具有特定的导电体编号；将每一所述导电体的顶端与电法监测装置的输入端电连接的步骤中：

所述导电体选择与巷道外帮距离最近的锚杆或锚索或锚网。

可选地，上述的顶板变形监测方法中，根据所述监测电极所在位置确定每一所述监测电极周围设定区域内的导电体，选择所述导电体作为所述监测电极使用，每一所述导电体具有特定的导电体编号；将每一所述导电体的顶端与电法监测装置的输入端电连接的步骤中：

选定所述导电体后，断开所述导电体与其他导体之间的连接，去除导电体表层的铁锈。

可选地，上述的顶板变形监测方法中，根据所述监测电极所在位置确定每一所述监测电极周围设定区域内的导电体，选择所述导电体作为所述监测电极使用，每一所述导电体具有特定的导电体编号；将每一所述导电体的顶端与电法监测装置的输入端电连接的步骤中：

选定所述导电体后，将所述导电体与电和万用表连接成测试回路，通过所述万用表测量所述导电体的导电参数，所述导电参数大于设定阈值时确定使用选定的所述导电体作为所述监测电极。

可选地，上述的顶板变形监测方法中，根据所述监测电极所在位置确定每一所述监测电极周围设定区域内的导电体，选择所述导电体作为所述监测电极使用，每一所述导电体具有特定的导电体编号；将每一所述导电体的顶端与电法监测装置的输入端电连接的步骤中，还包括：

铺设带抽头的多通道监测线缆，将所述抽头中裸露的铜丝缠绕在所述导电体上，所述监测线缆的另一端与所述电法监测装置的输入端连接；

通过绝缘组件将所述抽头与所述导电体的连接处进行加固和密封。

可选地，上述的顶板变形监测方法中，根据所述监测电极所在位置确定每一所述监测电极周围设定区域内的导电体，选择所述导电体作为所述监测电极使用，每一所述导电体具有特定的导电体编号；将每一所述导电体的顶端与电法监测装置的输入端电连接的步骤中，还包括：

通过所述电法监测装置测量每一所述导电体的发射电流，所述导电体的发射电流超过电流阈值时，确定所述抽头与所述导电体连接正常。

可选地，上述的顶板变形监测方法中，在工作面回采过程中，实时通过所述电法监测装置监测每一所述导电体的工作电信号，每一所述导电体的导电体编号和工作电信号相关联的步骤中，包括：

所述电法监测装置对所述导电体进行分段式滚动监测，单个监测段沿回采推进方向覆盖长度与采空区的重叠的长度不超过当前监测段长度的一半。

与现有技术相比，本发明实施例提供的上述技术方案至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的顶板变形监测方法中，将工作面中已经存在的导电体当作监测电极使用，避免了钻孔施工和安装电极的麻烦，可以适用于回采长度较大的大型工作面。另外，由于预设电极对于电极埋设深度的限制，会导致电极接收电信号的穿透深度有限，而通过本发明中的方案，由于直接采用工作面中的导电体作为电极，其具有较深的穿透深度，从而能够具有更宽泛的监测范围。

附图说明

图1为本发明一个实施例所述顶板变形监测方法的施工步骤图；

图2为本发明一个实施例所述导电体和监测线缆连接示意图；

图3a和图3b为本发明一个实施例所述回采过程中对导电体进行分段式滚动监测示意图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步说明本发明实施例。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必需具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明中提供的以下实施例中的各个技术方案，除非彼此之间相互矛盾，否则不同技术方案之间可以相互组合，其中的技术特征可以相互替换。

本实施例提供一种顶板变形监测方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：根据待监测顶板所处工作面的水文数据，确定监测电极所在位置和不同监测电极之间的电极间距，每一所述监测电极具有特定的电极编号；本步骤中，根据矿方提供的工作面平面图和水文地质资料，进行顶板水害电法监测施工方案设计，确定监测电极位置和电极间距，绘制施工设计图。根据井下可利用的施工环境，如附图2所示，监测电极一般设计于工作面巷道顶板1靠近巷道外帮2一侧，采用工作面透视的数据采集模式，在运输巷和回风巷分别布置监测电极。为了保证一个巷道发射、另一个巷道接收时可以获得稳定的接收信号，优选通过现场试验确定最佳的电极间距。本步骤中，优选合适的锚杆或锚索做为监测电极使用，下面以选用锚杆做电极为例加以说明。如附图2所示，根据施工设计图，在监测电极设计位置附近选择合适的顶板锚杆3做为监测电极使用。工作面回采过程中，煤层顶板1会发生垮落，为了减小煤层顶板1跨落对监测锚杆3的影响，优选与巷道外帮2距离最近的顶板锚杆3作为监测电极。

步骤二：根据所述监测电极所在位置确定每一所述监测电极周围设定区域内的导电体，选择所述导电体作为所述监测电极使用，每一所述导电体具有特定的导电体编号，将每一所述导电体的顶端与电法监测装置的输入端电连接。本步骤中，需要对顶板锚杆3进行处理和导电性测试。断开顶板锚杆3与锚网及周围其他金属物之间的连接，确保利用顶板锚杆3供电时相对整个监测区域而言可以近似为一个点电源。施工过程中，需要去除顶板锚杆3表层的铁锈，避免铁锈对顶板锚杆3导电性的影响。完成顶板锚杆3的处理后，需要用外加电源和万用表测试顶板锚杆3的导电性，确保选用的锚杆3具有良好的导电性。进一步地，本步骤中需要将监测线缆4与顶板锚杆3相连接。铺设带抽头5的多通道监测线缆4，将抽头5裸露的铜丝缠绕在顶板锚杆3上，抽头5与顶板锚杆3连接处用绝缘胶布缠绕，进行加固和密封。监测线缆4固定在巷道外帮2上，避免工作面回采过程中监测线缆4被采煤设备切断。在连接过程中，需要安装矿用电法监测装置，监测装置通过监测线缆4控制顶板锚杆3供电和数据采集，需要利用矿用电法监测装置对监测线缆4和顶板锚杆3的连接进行测试，保证每个顶板锚杆3的发射电流都大于5ma，从而能够保证顶板锚杆3的导电性能。

步骤三：在工作面回采之前，实时通过所述电法监测装置监测每一所述导电体的初始电信号，每一所述导电体的导电体编号和初始电信号相关联；

步骤四：在工作面回采过程中，实时通过所述电法监测装置监测每一所述导电体的工作电信号，每一所述导电体的导电体编号和工作电信号相关联；本步骤采用分段式滚动监测。如附图3所示，工作面6回采过程中，单个监测段7沿回采推进方向覆盖固定长度，随着工作面6回采不断推进，监测段7逐渐向推进方向移动，移动过程中保证该监测段7进入采空区8的长度不超过当前监测段7长度的一半。在监测过程中，实时采集顶板锚杆3的发射电流和接收电压，监测数据传输至地面服务器。监测过程中，通过矿用电法监测装置实时采集当前监测段7内每个锚杆3的发射电流和接收电压，监测数据可传输至地面服务器。

步骤五：根据每一所述导电体的工作电信号与初始电信号确定相应导电体所在位置的顶板是否破坏变形。可通过实时绘制每个顶板锚杆3的发射电流曲线和接收电压曲线，根据发射电流和接收电压的变化，可以判断锚杆3位置的顶板1是否发生破坏变形。

优选地，以上方案中还包括如下步骤：

步骤五：实时地对每一导电体的初始电信号和工作电信号进行三维电阻率反演处理，根据反演结果得到同一时间点的不同导电体电阻值的关系；

步骤六：根据不同时间点的不同导电体电阻值的关系得到顶板低阻区域的变化趋势，以得到水害监测结果。

本方案中，通过对监测数据进行三维电阻率反演，并对反演结果进行动态可视化显示，通过和背景数据及前期监测数据反演结果进行对比，分析低阻区域的演化趋势，可以实现对顶板1水害发育过程的动态监测和提前预警。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。