采动煤岩体裂隙演化的测量方法
【专利摘要】采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其步骤为：（1）确定需要进行瓦斯治理的煤层并布置测量孔；（2）将所有测量孔孔口与孔底中心处的三维坐标输入计算机；（3）在每个测量孔内各安装1台本质安全型钻孔成像仪，在煤采动过程中用所述成像仪采集各测量孔不同孔深处的孔壁视频信息；（4）将各次采集到的每个测量孔不同孔深处的孔壁视频信息转化为各次每个测量孔的孔壁展开二值化图像，计算各次每个测量孔的裂隙网络的分形维数；（5）将与采煤工作面距离相同的测量孔的裂隙网络的分形维数分在同一组，将各组分形维数分别进行算数平均，即得采煤工作面推进过程中距采煤工作面不同距离的煤岩体裂隙网络的平均分形维数。
【专利说明】采动煤岩体裂隙演化的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于矿山安全【技术领域】，特别涉及一种采动煤岩体裂隙演化的测量方法。【背景技术】
[0002]瓦斯一直是影响煤矿安全生产的主要因素，随着煤矿开采深度的增加，瓦斯灾害会更加明显，并且，大量的浅部低瓦斯矿井在逐渐转变为高瓦斯矿井，瓦斯事故起数和致死率都呈逐年上升的态势。另一方面，瓦斯对大气环境的破坏也十分严重，瓦斯对臭氧层的破坏能力是CO2的7倍，其产生的温室效应为CO2的21倍。
[0003]对于具有低渗透、强吸附、高瓦斯含量的煤层而言，地面抽采瓦斯通常十分困难，必须在单一煤层开采中实施有效的人工增透，或在煤层群的大范围采动过程中诱致煤岩体产生裂隙、促使瓦斯解吸、形成瓦斯流动，才能有效地实施煤与瓦斯共采。煤岩体裂隙场是瓦斯渗流、运移的主要通道，煤岩体裂隙的发育及演化情况直接影响到煤岩体的渗透性和瓦斯在破断煤岩体中的运移流动。目前，用于获取煤岩体破断规律的方法有物理模型试验法和数值模拟法，但由于煤采动现场的边界条件复杂，现有的方法无法准确模拟复杂的现场条件，最终获得的煤岩体破断规律并不真实，对瓦斯治理工程的实际指导意义不大。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采动煤岩体裂隙演化的测量方法，该方法能对采动过程中煤岩体裂隙网络的的分布规律及裂隙网络的联通性进行定量测定，可用于指导煤层的瓦斯抽采以及巷道支护工作，保证矿井的开采安全。
[0005]本发明所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，步骤如下:
[0006](I)根据煤层瓦斯地质条件，确定需要进行瓦斯治理的煤层，在需要进行瓦斯治理的煤层，裂隙演化测量范围圈定在距采煤工作面至少50m以外，从圈定的裂隙演化测量范围起始处计，沿机巷方向每隔20?30m布置I个测量断面，每个测量断面上至少布置一组测量孔，每组测量孔包括顶板孔和顺层孔各I个；
[0007](2)在裂隙演化测量范围建立三维坐标系，使各测量断面上的测量孔均在同一三维坐标系中并确定各测量孔的孔口中心处和孔底中心处的三维坐标，将所有测量孔孔口中心处与孔底中心处的三维坐标输入计算机，生成各测量孔的三维立体图；
[0008](3)在每个测量孔内各安装I台本质安全型钻孔成像仪，在煤采动过程中，使用所述本质安全型钻孔成像仪按照采煤工作面每推进2?4m进行一次采集的频率采集各测量孔不同孔深处的孔壁视频信息，将采集到的视频信息实时传输到计算机或者存储于本质安全型钻孔成像仪中待测量完成后导入计算机；
[0009](4)对各次采集到的每个测量孔不同孔深处的孔壁视频信息进行处理得到各次每一个测量孔的孔壁展开二值化图像，然后以各次每一个测量孔的孔壁展开二值化图像为基础，计算出各次每一个测量孔的裂隙网络的分形维数Db并保存；
[0010](5)将所保存的各次测量孔的裂隙网络的分形维数进行分组，与采煤工作面距离相同的测量孔的裂隙网络的分形维数分在同一组，将各组的裂隙网络的分形维数分别进行算数平均，即得到采煤工作面推进过程中距采煤工作面不同距离的煤岩体裂隙网络的平均分形维数。
[0011]上述方法中，步骤(1)中所述裂隙演化测量范围圈定在距离采煤工作面50m~200m的范围。
[0012]上述方法中，步骤(1)中所述测量断面至少布置5个。
[0013]上述方法中，步骤(1)中所述顶板孔的孔径为30~200mm，顶板孔的深度至少与煤层的厚度相同，所述顺层孔的孔径为50~200mm，顺层孔的深度至少为机巷与风巷之间距离的1/2，顺层孔的中心线与底板的距离为1/3煤层厚度~2/3煤层厚度。
[0014]上述方法中，步骤(4)中所述对各次采集到的每个测量孔不同孔深处的孔壁视频信息进行处理的操作如下:分别提取各次采集到的每个测量孔在不同孔深处的图像，将所得各测量孔的每一帧图像分别与各测量孔的三维坐标进行匹配得到各测量孔每一帧图像的三维坐标，以各测量孔的每一帧图像的中心点为原点，分别提取每一帧图像中的圆环状像素集并将其拉伸成带状像素集，再按从孔口至孔底方向分别依次拼接各测量孔不同孔深处的带状像素集，形成各测量孔的整个孔壁展开图，将各测量孔的孔壁展开图进行二值化，即得到各测量孔的孔壁展开二值化图像。
[0015]上述方法中，步骤(4)中所述测量孔的裂隙网络的分形维数Db的计算方法为:
[0016]①对所述测量孔的孔壁展开二值化图像用边长由大至小变化的i种不同边长的正方形进行分割，然后统计用每一种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的各种正方形个数，所述i≤9;第一种正方形的边长记为S1,S1形成的一个正方形能完全覆盖孔壁展开二值化图像上所有裂隙的像素点为准，第二种正方形的边 长记为δ2，S2 = IcS1,......,第i种正方形的边长记为Si, δ i = k δ;用第一
种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为N1，用第二种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为N2,……，用第i 一I种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为Np1，用第i种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为Ni ；
[0017]②以IgS为横坐标、IgN为纵坐标建立平面直角坐标系，并分别对所述δ”δ2>……、\ —r Si及所述K、Ν2、……、N1-r Ni取对数，然后用IgS1Ug N1, Iga2UgN2,……，IgS1-P Ig Ni^1, Ig δρ Ig Ni数据对在IgS-1gN直角坐标系中描点并根据所描各点进行线性拟合得一直线，该直线斜率的绝对值即为所述测量孔的裂隙网络的分形维
数Db。
[0018]本发明具有以下有益效果:
[0019]1、本发明提供了一种采动煤岩体裂隙演化的测量方法，该方法通过对各测量孔孔壁视频信息进行实时采集并转化为各测量孔裂隙网络的分形维数的技术手段，能够获得在复杂边界条件下受采动应力场影响的采煤工作面前方煤岩体裂隙出现、扩展以及演化过程，与物理模型试验及数值模拟相比，能够更加真实和准确地获取采动煤岩体的破断规律。
[0020]2、本发明所述方法获得的裂隙网络的分形维数是采煤工作面推进过程中煤岩体裂隙网络复杂性和连通性的定量评价指标，距采煤工作面不同距离的测量孔裂隙网络分形维数的变化规律可定量指示超前支撑压力的范围及其峰值区域，从而可用于指导同一煤层的相同采深面的瓦斯抽采以及巷道支护工作，治理高突矿井工作面瓦斯超限，保证高突矿井的开采安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是实施例中裂隙演化测量范围内所布置的测量断面和测量孔的平面图；
[0022]图2是图1的A-A’剖面示意图；
[0023]图3是使用1#顶板孔第一次测量的Ig δ P Ig N1, Ig δ 2、Ig N2,……，Ig δ 9、IgN9, Ig δ 1(|、Ig N10数据对在Ig δ -1gN直角坐标系中进行线性拟合的示意图；
[0024]图4是实施例1中距 离采煤工作面不同距离的测量孔的平均分形维数变化曲线；
[0025]图中，I—米空区、2—煤层、3—机巷、4一风巷、5—顺层孔、6—顶板孔、7—顶板岩层。
【具体实施方式】
[0026]以下通过实施例并结合附图对本发明所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法作进一步说明。
[0027]本实施例中，煤层的厚度为3m，机巷与风巷之间距离为80m，采动煤岩体裂隙演化的测量方法，步骤如下:
[0028](I)根据煤层瓦斯地质条件，确定要进行瓦斯治理的煤层，在需要进行瓦斯治理的煤层，，裂隙演化测量范围圈定在距采煤工作面50m~130m的范围，以距离采煤工作面50m处为起点，沿机巷3方向每隔20m布置I个测量断面，共布置五个测量断面，每个测量断面上布置一组测量孔(1#~5#测量孔)，每组测量孔包括I个顶板孔(垂直于顶板岩层7方向的测量孔)和I个顺层孔(平行于煤层2并且垂直于机巷3轴向的测量孔)，如图1所示，每一组测量孔中的顶板孔和顺层孔孔口中心的三维坐标相同；其中，顺层孔的孔深度为40m、孔径为75mm、距离底板的高度为1.5m,顶板孔的深度为17m、孔径为38mm。
[0029](2)如图1和图2所示，在裂隙演化测量范围建立三维坐标系，使各测量断面上的测量孔均在同一三维坐标系中，以煤层开采方向为X轴正方向，以顺层孔的孔口到孔底的方向为Y轴正方向，以垂直于X-Y平面且指向顶板岩层的方向为Z轴正方向，即A-A’断面为Y-Z坐标平面，以A-A’断面上顺层孔中心线与顶板孔中心线交点为坐标原点(0，O, O),1#~5#测量孔孔孔口中心处与孔底中心处的三维坐标如表1所示:
[0030]表1 1#~5#测量孔孔口中心与孔底中心的三维坐标
[0031]
【权利要求】
1.一种采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤如下: (1)根据煤层瓦斯地质条件，确定需要进行瓦斯治理的煤层，在需要进行瓦斯治理的煤层，裂隙演化测量范围圈定在距采煤工作面至少50m以外，从圈定的裂隙演化测量范围起始处计，沿机巷方向每隔20~30m布置1个测量断面，每个测量断面上至少布置一组测量孔，每组测量孔包括顶板孔和顺层孔各1个； (2)在裂隙演化测量范围建立三维坐标系，使各测量断面上的测量孔均在同一三维坐标系中并确定各测量孔的孔口中心处和孔底中心处的三维坐标，将所有测量孔孔口中心处与孔底中心处的三维坐标输入计算机，生成各测量孔的三维立体图； (3)在每个测量孔内各安装I台本质安全型钻孔成像仪，在煤采动过程中，使用所述本质安全型钻孔成像仪按照采煤工作面每推进2~4m进行一次采集的频率采集各测量孔不同孔深处的孔壁视频信息，将采集到的视频信息实时传输到计算机或者存储于本质安全型钻孔成像仪中待测量完成后导入计算机； (4)对各次采集到的每个测量孔不同孔深处的孔壁视频信息进行处理得到各次每一个测量孔的孔壁展开二值化图像，然后以各次每一个测量孔的孔壁展开二值化图像为基础，计算出各次每一个测量孔的裂隙网络的分形维数(Db)并保存； (5)将所保存的各次测量孔的裂隙网络的分形维数进行分组，与采煤工作面距离相同的测量孔的裂隙网络的分形维数分在同一组，将各组的裂隙网络的分形维数分别进行算数平均，即得到采煤工作面推进过程中距采煤工作面不同距离的煤岩体裂隙网络的平均分形维数。
2.根据权利要求1所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤(1)中所述裂隙演化测量范围圈定在距离采煤工作面50m~200m的范围。
3.根据权利要求1或2所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤(1)中所述测量断面至少布置5个。
4.根据权利要求1或2所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤(1)中所述顶板孔的孔径为30~200mm，顶板孔的深度至少与煤层的厚度相同；所述顺层孔的孔径为50~200mm，顺层孔的深度至少为机巷与风巷之间距离的1/2，顺层孔的中心线与底板的距离为1/3煤层厚度~2/3煤层厚度。
5.根据权利要求3所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤(1)中所述顶板孔的孔径为30~200mm，顶板孔的深度至少与煤层的厚度相同；所述顺层孔的孔径为50~200mm，顺层孔的深度至少为机巷与风巷之间距离的1/2，顺层孔的中心线与底板的距离为1/3煤层厚度~2/3煤层厚度。
6.根据权利要求1或2所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤(4)中所述对各次采集到的每个测量孔不同孔深处的孔壁视频信息进行处理的操作如下:分别提取各次采集到的每个测量孔在不同孔深处的图像，将所得各测量孔的每一帧图像分别与各测量孔的三维坐标进行匹配得到各测量孔每一帧图像的三维坐标，以各测量孔的每一帧图像的中心点为原点，分别提取每一帧图像中的圆环状像素集并将其拉伸成带状像素集，再按从孔口至孔底方向分别依次拼接各测量孔不同孔深处的带状像素集，形成各测量孔的整个孔壁展开图，将各测量孔的孔壁展开图进行二值化，即得到各测量孔的孔壁展开二值化图像。
7.根据权利要求3所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤(4)中所述对各次采集到的每个测量孔不同孔深处的孔壁视频信息进行处理的操作如下:分别提取各次采集到的每个测量孔在不同孔深处的图像，将所得各测量孔的每一帧图像分别与各测量孔的三维坐标进行匹配得到各测量孔每一帧图像的三维坐标，以各测量孔的每一帧图像的中心点为原点，分别提取每一帧图像中的圆环状像素集并将其拉伸成带状像素集，再按从孔口至孔底方向分别依次拼接各测量孔不同孔深处的带状像素集，形成各测量孔的整个孔壁展开图，将各测量孔的孔壁展开图进行二值化，即得到各测量孔的孔壁展开二值化图像。
8.根据权利要求4所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤(4)中所述对各次采集到的每个测量孔不同孔深处的孔壁视频信息进行处理的操作如下:分别提取各次采集到的每个测量孔在不同孔深处的图像，将所得各测量孔的每一帧图像分别与各测量孔的三维坐标进行匹配得到各测量孔每一帧图像的三维坐标，以各测量孔的每一帧图像的中心点为原点，分别提取每一帧图像中的圆环状像素集并将其拉伸成带状像素集，再按从孔口至孔底方向分别依次拼接各测量孔不同孔深处的带状像素集，形成各测量孔的整个孔壁展开图，将各测量孔的孔壁展开图进行二值化，即得到各测量孔的孔壁展开二值化图像。
9.根据权利要求1或2所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤(4)中所述测量孔的裂隙网络的分形维数(Db)的计算方法为: ①对所述测量孔的孔壁展开二值化图像用边长由大至小变化的i种不同边长的正方形进行分割，然后统计用每一种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的各种正方形个数，所述i≥9;第一种正方形的边长记为S1, 尺寸以S1B成的一个正方形能完全覆盖孔壁展开二值化图像上所有裂隙的像素点为准，第二种正方形的边长记为S2，= ……，第i种正方形的边长记为δ” Si =;用第一种正方形分割后孔壁展开二值 化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为N1，用第二种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为N2,……，用第i 一 I种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为Np1，用第i种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为Ni ； ②以IgS为横坐标、IgN为纵坐标建立平面直角坐标系，并分别对所述δρδ2、……、\ —η Si及所述Np Ν2、……、队―1、Ni取对数，然后用IgS1Jg N1, IgS 2、Ig N2,……，IgSp1Ug Ni^17IgaiUg Ni数据对在IgS-1gN直角坐标系中描点并根据所描各点进行线性拟合得一直线，该直线斜率的绝对值即为所述测量孔的裂隙网络的分形维数(Db)。
10.根据权利要求8所述采动煤岩体裂隙演化的测量方法，其特征在于步骤(4)中所述测量孔的裂隙网络的分形维数(Db)的计算方法为: ①对所述测量孔的孔壁展开二值化图像用边长由大至小变化的i种不同边长的正方形进行分割，然后统计用每一种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的各种正方形个数，所述i≥9;第一种正方形的边长记为S1, 尺寸以S1B成的一个正方形能完全覆盖孔壁展开二值化图像上所有裂隙的像素点为准，第二种正方形的边长记为S2，= ……，第i种正方形的边长记为δ” Si =;用第一种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为N1，用第二种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为N2,……，用第i 一 I种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为Np1，用第i种正方形分割后孔壁展开二值化图像上包含至少一个像素点的正方形个数记为Ni ； ②以IgS为横坐标、IgN为纵坐标建立平面直角坐标系，并分别对所述δρδ2、……、\ —η Si及所述Np Ν2、……、队―1、Ni取对数，然后用IgS1Jg N1, IgS 2、Ig N2,……，IgSp1Ug Ni^17IgaiUg Ni数据对在IgS-1gN直角坐标系中描点并根据所描各点进行线性拟合得一直线，该直线`斜率的绝对值即为所述测量孔的裂隙网络的分形维数(Db)。
【文档编号】E21B49/00GK103775071SQ201410018710
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】高明忠, 张茹, 金文城, 谢晶, 高春玉, 帅春, 谭强, 徐晓练, 李圣伟 申请人:四川大学