一种地下深埋帷幕的稳定性动态监测预警方法与流程

本发明属于矿山帷幕稳定性监测技术领域，尤其涉及一种地下深埋帷幕的稳定性动态监测预警方法。

背景技术：

地下帷幕是解决矿山疏排水的有效手段之一，可实现矿井发展与生态环境的和谐共生。近年随着环保要求的提升，帷幕工程被越来越多的大水矿井应用发展。然而由于地下帷幕的隐蔽性，加之长时间经受地下水侵蚀和开采条件影响，很难判断其阻隔水性能。一旦帷幕薄弱位置发生严重渗流或产生结构失稳将严重危及矿井生产安全。

目前，帷幕稳定性的监测预警尚未形成完整的体系。帷幕渗透稳定性监测还依然停留在井下水压、水温和水质的观测预报阶段，监测信息滞后。大坝、基坑等渗透性的监测主要采用渗压计进行监测，其最大量程＜2.5mpa，但地下深埋帷幕通常渗透压力超3mpa，现有渗压计无法满足测量需求。对帷幕结构稳定性的监测通常采用工业探测、无线电透视、视电阻率、微震等方法，但其应用在深埋帷幕时，会因采矿活动等因素干扰导致数据失真。

综合以上，目前的稳定性监测方法存在以下问题：采用定点、定时监测，不能对帷幕进行实时动态监测，造成信息反馈滞后；无法进行事前预防性监测，传统方法获取数据是事后数据，不能在帷幕失效前提供预警预报；干扰因素多，造成数据失真，无法真实反应帷幕稳定性情况；现有部分监测仪器量程有限，无法应用于深埋地下帷幕。

技术实现要素：

本发明提供一种地下深埋帷幕的稳定性动态监测预警方法，通过在帷幕及其周边布设观测孔和传感器，实现帷幕的稳定性监测及预警。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：

一种地下深埋帷幕的稳定性动态监测预警方法，包括如下步骤：

步骤1)：布设监测点，包括:

布设水文观测孔，监测帷幕的渗透稳定性：依据矿井含水层露头、井田和帷幕空间位置关系，在帷幕内外沿含水层的主径流方向，井上下施工多个针对目标含水层及相关含水层的水文观测孔，井上水文观测孔组内安装包括水位、水温和水质监测仪器，井下水文观测孔组内安装包括水压、水温和水质监测仪器，构成井上下结合的水文观测系统；

布设分布式光纤，监测帷幕体的结构稳定性：在帷幕体每间隔100m施工或预留深入帷幕内的钻孔，将紧套绞式光缆固定在锥体上，通过连接插头与钻杆相接送入钻孔，利用锥体自重使之与钻杆分离，光缆下入孔内后用速凝水泥浆液封孔，构成帷幕体应力应变监测系统；

布设地表型沉降计，监测帷幕周边的结构稳定性：在矿区内均匀布设孔深0.5m的钻孔，埋入沉降计，构成地表沉降监测系统；

步骤2)：采集及提取监测数据：将各监测点用通讯光缆或无线基站连接，通过线上自动化数据采集系统获取包括水温、水位、水压、水质、应力和应变六种因子监测数据；提取井田正在开采工作面各回采阶段的所有监测数据作为帷幕稳定性判定的样本值；

步骤3)：监测范围网格剖分：依据帷幕形态和含水层露头情况，圈出监测点所覆盖监测范围。将监测范围划分为1×1个单位的网格，分别计算各因子监测范围面积s和开采工作面影响范围面积s’；依据各监测点处于位置分别统计水位、水压、水温、水位变化速率、水质、应力和应变六种因子在监测范围内监测点个数n和开采工作面范围监测点个数n’；

步骤4)：因子敏感性划分：利用正交法对多因子的敏感性进行分析，进行归一化后计算各因子极差r；依据极差值大小对各因子进行排序并将其分为敏感、一般和辅助三类指标，确定三类指标对应阈值；

步骤5)：计算帷幕综合稳定性阈值：将各因子包含的信息量计算记为i(x)，利用层次分析法计算各因子权重，各因子的权重记为w(x)，并依据权重和信息量计算帷幕综合稳定性阈值m；

步骤6)：搭建动态监测预警系统：将各监测站点位置、监测数据信息汇总到线上平台，设定帷幕综合稳定性阈值和超值预警响应机制，实现帷幕稳定性动态监测预警。

进一步的，所述步骤5)中水位、水压、水温、水质、应力和应变六种因子分别记为a、b、c、d、e、f和g，它们对应的信息量分别记作i(a)、i(b)、i(c)、i(d)、i(e)和i(f)，它们对应的权重分别记为w(a)、w(b)、w(c)、w(d)、w(e)和w(f)，敏感阈值记为m，可得：

x—各因子特征a、b、c、d、e和f；n’—开采工作面；n—监测时间内数据采集数；s’—监测点覆盖有效面积；s—监测范围覆盖面积；

m＝w(a)×i(a)+w(b)×i(b)+w(c)×i(c)+w(d)×i(d)+w(e)×i(e)

m—敏感阈值；w—因子权重；i—因子信息量。

进一步的，所述步骤2)中水位、水温监测数据采用实时监测采集的方式，水位监测精度误差≯10mm，水温监测精度误差不超过±0.2℃；应力应变的监测采用分布式光纤进行监测，光缆采用10m定点光缆，采样间隔5cm，空间分辨率100cm，频率范围10.6～11.5ghz。

进一步的，所述步骤1)中相关含水层是指与帷幕截流的目标含水层存在直接或间接水力联系的含水层。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明方法步骤1)中利用水位、水位降速等指标监测帷幕渗透稳定性，解决了现有渗压计量程不足无法对深埋帷幕渗透性进行监测的问题；步骤1)中将分布式光纤引入到深埋帷幕的稳定性监测中，分布式光纤优良的稳定性可靠性解决了微震、工业ct、测斜仪、应变计等受干扰因素多、不稳定的缺点。

2.本发明方法步骤3)中监测点的网格化剖分，使帷幕稳定性监测考虑了监测点位置因素，使得评价结果更加科学合理。

3.本发明方法步骤5)中在帷幕稳定性监测中引入信息量模型和敏感阈值，排除了人为倾向对帷幕稳定性阈值的干扰，同时将水位、水压、应力、应变等六种因子进行了信息融合，形成了帷幕综合稳定性监测体系，有助于建立完整的监测预警系统。

附图说明

图1是本发明方法的平面示意图；

图2是本发明方法的剖面示意图；

图3是本发明方法的流程图。

图中，1—帷幕内监测点；2—五含监测点；3—四含监测点；4—奥灰含水层监测点；5—帷幕体；6—四含；7—五含；8—奥灰；9—地表沉降点；10—开采工作面影响范围面积s’；11—监测范围面积s；。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

淮北某井田内翼分布一层深埋、巨厚、极强含水层—侏罗系底砾岩，俗称五含7。为消除五含7对矿井生产安全影响，在五含7补给路径上实时了帷幕工程，有效拦截了五含”水对井田的补给并取得了良好的疏降效果。但帷幕距矿井采掘活动较近，加之长期受地下水侵蚀的影响，帷幕稳定情况难以摸清。为此，围绕帷幕的稳定性监测开展了课题研究，发明了一种地下深埋帷幕的稳定性动态监测预警方法。

如图1、图2和图3所示，本实施例的监测预警方法，包括如下步骤：

步骤一：分析矿井相关含水层流场，确定含水层径流方向。在帷幕体5周围沿五含7主径流方向分别布设五含、四含和奥灰含水层的五含监测点2、四含监测点3和奥灰监测点4；监测孔沿帷幕线走向间距为200m～300m并与帷幕轴线保持对称，各监测孔直线距离≯200m；观测孔的直径为91mm，孔深需达到疏干地下水位线以下10m，监测孔内安装mpm489w型液位变送器用于监测水位、水温和水位降速和水质。

在帷幕体5上布设帷幕内监测点1，帷幕内监测点1内埋设紧包g.652b加筋光缆(内置gfrp光缆、10m定点光缆、钢绞线光缆、加热温度感测光缆、光纤光栅测压计和大变形光缆)，通过锥体连接钻杆下入孔内，孔内注入速凝浆液进行封孔，封孔结束24h后测试分布式光纤是否可用；帷幕内监测点1布设在帷幕中轴线上，帷幕内监测点1的间距为100m。帷幕内监测点1的孔径为152mm，下光缆钻杆为79mm，帷幕内监测点1的孔深在帷幕下5m。

在井田内均匀布设地表沉降监测点，监测点深0.5m，埋入xf-86振弦式沉降仪，用水泥封孔。封孔结束24h后测试其是否可用。

步骤二：对水位、水温和水位变化速率的数据采集采用yjsy(d)水文遥测系统，水位精度为10mm，温度测量精度为±0.2℃，水位变化速率精度为0.1m/h，数据提取的间隔为30min；采用日本advantest公司生产的n8511型多通道布里渊光时域反射计(botdr)采集分布式光纤应变数据，采用gprs无线传输方式实现数据传输，数据采样间隔为30min/次。提取866-1工作面回采阶段的监测数据作为样本值。

步骤三：将监测点包含边界所覆盖的范围剖分成1×1的单元格，统计866-1工作面影响范围面积s’和监测覆盖面积s。

步骤四：将866-1工作面提取的监测数据作为样本值，对水位、水压、水温、水质、应力和应变六种因子进行正交试验，依据极差大小划分敏感性并确定其对应其相对指数结果如下：

步骤五：水位、水位变化速率、水温、应力和应变五种因子对应a、b、c、d和e分别为a＝[0.80.50.3]、b＝[0.90.60.4]、c＝[0.20.10.05]、d＝1和e＝0.7；对应的信息量i(a)＝[2.21.80.6]、i(b)＝[3.16.22]、i(c)＝[0.40.150.3]、i(d)＝0.372、i(e)＝0.2和i(f)＝0.147；对应权重为w(d)＝0.32、w(e)＝0.14和w(f)＝0.1，通过计算敏感阈值w＝3.196。

步骤六：依据监测数据和计算结果，利用bgk-micro40d采集固定式测斜仪位移数据，利用gm1采集应变计应力数据，利用yjsy(d)水文遥测分站采集钻孔水位数据和n8511型多通道布里渊光时域反射计(botdr)采集分布式光纤应变数据，采用gprs无线传输方式实现数据传输。设定帷幕综合稳定性阈值，当稳定性阈值＞3.196时，软件操作系统就会自动预警预报。

以上为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。