煤矿开采岩层运动大空间原位监测方法与流程

本发明涉及煤层开采前后的岩层运动监测技术，特别涉及煤层开采前后覆岩大空间范围的1:1原位监测方法，具体为煤矿开采岩层运动大空间原位监测方法。

背景技术：

煤矿开采后岩层的运动特征和规律一直是煤矿开采的核心问题，岩层运动与采场矿压、瓦斯突出、透水、采空区发火等灾害都息息相关。然而，因为岩层运动与其所处地质环境、岩层属性、开采条件等因素都密切相关，造就了岩层运动的复杂性和多样性，使得对于本身就处于“暗箱”状态的岩层运动的研究更为复杂。近年来，国内外学者对于岩层运动的研究都做了大量的工作，但是大部分都是采用实验室物理模拟、数值模拟等相似模拟的方法进行研究，其研究结果往往不能真实反映岩层的运动状态，无法较好指导现场的生产实践；部分学者也采用了微震监测、钻孔电视、支架工作阻力监测、巷道应力应变监测等现场实测手段对岩层运动进行了定量的描述。微震监测虽能获得岩层运动和破断的空间范围和尺度，但其精度较低，误差大；钻孔电视虽能精细描述岩层破断特征，但局限性大，可观测范围有限；支架工作阻力和巷道应力应变的监测虽能准确描述围岩应力状态，但是都是通过被动的处理数据来反演得到岩层可能发生的破断形态。上述单一监测手段大都只是针对于工作面采场巷道或是岩层运动的某一点或宏观空间范围进行观测，具有一定的局限性，且目前国内外对于采场岩层的研究大都也是局限于基本顶范围之内，而我国厚及特厚煤层储量丰富，以我国大同矿区20m特厚煤层开采为例，其开采实践表明，基本顶范围之外的高位岩层的破断对于工作面的矿压显现影响亦较为剧烈，因此很有必要对大空间范围内岩层的破断特征进行精准描述，这不仅能够得到覆岩破断运移规律，更对于揭示厚及特厚煤层开采的强矿压显现机理具有重要意义。

所以，精准探测岩层在时间、空间上的连续性运动特征，发明一种煤矿开采岩层运动大空间原位连续监测方法，实现对岩层运动在时间、空间尺度上的连续监测势在必行。但是目前国内外对于大空间范围内岩层的运动尚无监测手段。

技术实现要素：

本发明解决目前国内外对于大空间范围内岩层的运动尚无监测手段的问题，提供一种煤矿开采岩层运动大空间原位监测方法，不仅可精细描述岩层的运动特征，同时为工作面矿压的发生和控制提供依据，有利于保证煤矿的安全开采。

本发明是采用如下技术方案实现的：煤矿开采岩层运动大空间原位监测方法，是由如下步骤实现的：

a.在工作面开采前，沿工作面推进方向自地表垂直向下每隔一定距离打钻孔电视观测孔，通过钻孔电视对覆岩结构及岩性进行观测，并取部分钻孔电视观测孔岩芯进行岩层的力学性能测试，依据测试结果判断工作面上覆关键层位置，同样也利用工作面地表瓦斯抽放钻孔、探放水孔及其他工程钻孔进行钻孔电视观测；

b. 在工作面开采前，沿工作面推进方向自地表垂直向下每隔一定距离打一组“三位一体”岩移监测孔，每组有三个间隔一定距离的“三位一体”岩移监测孔，在“三位一体”岩移监测孔进行岩移监测仪器的安装，岩移监测仪器安装在工作面上覆主要关键岩层位置处，并在其安装位置对应地表处沿工作面走向和倾向布置地表沉降观测点进行初次观测；

c.在工作面开采前，在钻孔电视观测孔、地表瓦斯抽放钻孔、探放水孔中，任意选取多个钻孔进行孔间CT探测仪器的安装，其中一个钻孔作为发射孔，其他任意多个钻孔为接收孔，并进行初次探测，掌握工作面开采前岩层裂隙发育特征；

d. 随工作面开采，在采空区内对应每一“三位一体”岩移监测孔位置处埋设采空区压力监测装置，采空区压力监测装置安装有无线发射器，压力数据通过无线传输，同时采用支架工作阻力监测装置对间隔十架支架工作阻力进行实时监测；

e.随工作面开采，在巷道中每隔一定距离布置应力监测装置、应变监测装置对工作面采场围岩进行实时监测，同时采用激光扫描装置对巷道轮廓进行初次扫描，并在工作面巷道范围内布置微震监测系统对覆岩破断范围及其释放能量强度进行实时记录；

f.随工作面开采，实时对各监测数据进行记录，并设立预警预报软件系统，当支架工作阻力数据或采空区压力数据超过设定最大值时软件系统发生报警，此时，查看其它监测数据，若微震监测系统监测得到岩层释放能量小于10⁵J，钻孔电视、孔间CT探测仪器、“三位一体”岩移监测仪器同时监测得到岩层垮落范围不明显，且激光扫描发现巷道变形速率小于0.1m/d，则解除警报，否则则在工作面及巷道范围内采取加强支护措施；

g.随工作面开采，实时对各监测数据进行记录，若虽预警预报软件系统未发生报警，但监测得到以下现象任意两者出现，则人工启动警报，在工作面及巷道范围内加强支护措施：①微震监测系统得到岩层释放能量超过10⁶J，且根据钻孔电视数据发现是关键层破断；②激光扫描发现巷道变形速率超过0.3m/d-0.5m/d；③采空区压力数据短时间出现急速增加，且根据钻孔电视数据发现是关键层破断；④钻孔电视、孔间CT探测仪器、“三位一体”岩移监测仪器监测得到岩层垮落范围大；⑤工作面支架工作阻力短时间出现急速增加；⑥工作面瓦斯抽采孔瓦斯短时间出现急剧增加，气流极不稳定；

h.采用上述方法对监测数据进行综合分析，直至工作面开采结束，临近下一工作面开采时，采用同样的方法进行监测，并同时对上一已开采结束工作面的地表沉降数据、岩移数据、孔间CT数据进行继续监测，分析临近下一工作面开采时大空间范围内覆岩运移特征。

本发明创新性地融各种观测手段为一体，并通过在大空间范围内对各监测手段进行合理的布置、设计、观测和分析，使得各观测手段之间实现相互补充、对比和验证，同时对各单独监测技术进行创新提升，从而实现煤矿开采岩层运动大空间原位精准实测。

本发明所述方法有以下优点：1）实现岩层运动从“地表-覆岩-工作面”的井上下垂直方向连续监测，工作面推进方向钻孔的布置和观测实现了岩层运动在垂直方向、工作面推进方向（水平方向）的连续监测，通过岩移监测、孔间CT观测、微震监测、巷道应力应变监测以及采空区应力监测的布置实现了基于地表-覆岩-工作面-时间的四维尺度的连续监测；2）监测方法多，各监测手段之间可相互弥补和对应，有利于岩层运动的精细化描述；3）观测钻孔工程量大，工作面钻孔密度可达120孔/km²以上；4）工作面其他工程钻孔（瓦斯抽采钻孔、探放水孔等）的瓦斯抽采量、钻孔水位在一定程度也可反应岩层破断特征，尤其是瓦斯抽采量的突然变化都对应着岩层垮断的发生，同时该类钻孔可做岩移观测孔用，实现一孔多用。所述的监测方法不仅可对煤矿开采大空间范围内岩层的运动进行精细探测，同时对于工作面的矿压显现和控制具有指导作用，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述方法的原理示意图；

图2为图1的局部A剖视图；

图3为图1的局部C剖视图；

图4为图1的局部B剖视图。

图中：1-工作面，2-钻孔电视观测孔，3-钻孔电视，4-“三位一体”岩移监测孔，5-岩移监测仪器，6-地表沉降观测点，7-孔间CT探测仪器，8-采空区压力监测装置，9-支架工作阻力监测装置，10-巷道，11-应力监测装置，12-应变监测仪，13-微震监测系统，14-临近下一工作面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1所示是本发明煤矿开采岩层运动大空间原位监测方法原理图，综合采用基于地表沉陷-覆岩运移-井下矿压的“三位一体”井上下联动观测、钻孔电视观测、孔间CT观测和微震监测等物探手段、工作面围岩应力应变监测等一体化监测方法，其步骤为：

a.在工作面1开采前，沿工作面1推进方向自地表垂直向下每隔50m打钻孔电视观测孔2，通过钻孔电视3对覆岩结构及岩性进行观测，并取部分钻孔电视观测孔2岩芯进行岩层的力学性能测试，依据测试结果判断工作面上覆关键层位置，同样也利用工作面地表瓦斯抽放钻孔、探放水孔等其他工程钻孔进行钻孔电视3观测；

b. 在工作面1开采前，沿工作面推进方向自地表垂直向下每隔150m打一组“三位一体”岩移监测孔4，每组有3个岩移监测钻孔4，间距50m，在“三位一体”岩移监测孔4进行岩移监测仪器5的安装，岩移监测仪器5安装在工作面上覆主要关键岩层位置处，并在其安装位置对应地表处沿工作面走向和倾向布置地表沉降观测点6进行初次观测，走向、倾向观测线全长均为200m，各布设11个地表沉降观测点6，各地表沉降观测点6间距为20m；

c.在工作面1开采前，在钻孔电视观测孔2、地表瓦斯抽放钻孔、探放水孔中，任意选取多个钻孔进行孔间CT探测仪器7的安装，其中一个钻孔作为发射孔，其他任意多个钻孔为接收孔，并进行初次探测，掌握工作面1开采前岩层裂隙发育特征；

d.随工作面1开采，在采空区内对应每一“三位一体”岩移监测孔4位置处埋设采空区压力监测装置8，采空区压力监测装置8安装有无线发射器，压力数据通过无线传输，同时采用支架工作阻力监测装置9对间隔十架支架工作阻力进行实时监测；

e.随工作面1开采，在巷道10中每隔150m布置应力监测装置11、应变监测装置12对工作面采场围岩进行实时监测，具体包括5个应力监测仪、5个位移监测仪，同时采用激光扫描装置对巷道10轮廓进行初次扫描，并在工作面巷道10范围内布置微震监测系统13对覆岩破断范围及其释放能量强度进行实时记录；

f.随工作面1开采，实时对各监测数据进行记录，并设立预警预报软件系统，开采过程中监测到支架工作阻力数据或采空区压力数据超过设定最大值，软件系统发生报警，此时，查看其它监测数据，若微震监测系统13监测得到岩层释放能量小于10⁵J，钻孔电视3、孔间CT探测仪器7、“三位一体”岩移监测仪器5同时监测得到岩层垮落范围不明显，且激光扫描发现巷道10变形速率小于0.1m/d，此时解除警报，否则则在工作面及巷道范围内采取加强支护措施；

g. 随工作面1开采，实时对各监测数据进行记录，若虽预警预报软件系统未发生报警，但监测得到以下现象任意两者出现，则人工启动警报，在工作面及巷道范围内加强支护措施：①微震监测系统7得到岩层释放能量超过10⁶J，且根据钻孔电视数据发现是关键层破断；②激光扫描发现巷道10变形速率超过0.3m/d-0.5m/d；③采空区压力数据短时间出现急速增加，且根据钻孔电视数据发现是关键层破断；④钻孔电视3、孔间CT探测仪器7、“三位一体”岩移监测仪器5监测得到岩层垮落范围大；⑤工作面支架工作阻力短时间出现急速增加；⑥工作面瓦斯抽采孔瓦斯短时间出现急剧增加，气流极不稳定；

h.采用上述方法对监测数据进行综合分析，直至工作面1开采结束，临近下一工作面14开采时，采用同样的方法进行监测，并同时对上一已开采结束工作面1的地表沉降数据、岩移数据、孔间CT数据进行继续监测，分析临近下一工作面14开采时大空间范围内覆岩运移特征，并根据监测结果相应对工作面的矿压显现进行有效控制。

同时，通过现场大空间原位实测发现，上覆关键岩层破断与工作面来压、采空区压力呈一一对应关系，上覆关键岩层的破断导致工作面矿压显现程度增加，当上覆主关键层破断后，一般都伴随着地表下沉的发生，地表沉降数据的突增一般与主关键层破断也一一对应；钻孔电视监测得到工作面裂隙超前发育范围约30m，当20m特厚煤层开采后，覆岩裂隙发育高度可达300m，孔间CT亦探测得到当工作面开采后覆岩裂隙发育程度大大增加，但不同埋深处发育程度不同，与钻孔电视数据一一对应；微震监测、工作面围岩应力应变监测得到的在空间、时间尺度上的监测结果也与上述监测结果具有很好的对应性；通过对瓦斯抽放孔、探放水孔的观测表明，瓦斯抽采量、钻孔水位的变化也可反映岩层的破断特征。同时，多工作面在水平方向上大尺度的连续监测表明了工作面临近采空区和实体煤不同结构对于本开采工作面覆岩破断特征影响亦不同。通过采用上述大空间原位实测方法，对于分析煤层开采后大空间范围内岩移在空间、时间尺度的破断特征、矿压作用机制具有重要的意义。