一种水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法

1.本发明属于水体下采煤技术领域，尤其涉及一种水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法。


背景技术：

2.随着煤炭的不断开采，越来越多的矿井浅部煤炭资源近于枯竭，为进一步提高煤炭资源采出率以及经济效益，部分矿井开始实施水体下采煤。解放水体下采煤虽然有效缓解了矿井采掘接替紧张的矛盾，延长了矿井服务年限。但不合理开采随之带来的是对地表水资源的破坏，甚至会导致矿区生态环境的严重恶化。实现保水开采对保护地表水以及矿区生态环境等都具有十分重要的现实意义。
3.通常情况下，水体下采煤注重保证煤矿井下的生产安全以及煤炭的开采效率，忽视了对地表水资源的保护。传统监测手段单一，主要监测导水裂隙带发育高度以及地下水等来保证安全开采。井上监测设备较少，缺少对关键层监测。关键层作为上覆岩层局部或全部岩层活动起控制作用的岩层。对保证水体安全有重要意义。传统监测手段只注重了水体对矿井安全影响，忽视了水体下采煤对自然生态环境造成的破坏。因此亟需一种监测方法，在保证地下开采安全的同时，确保矿区水资源得到有效保护并且可以实现长期监测，对后续治理隐患及排查风险提供依据。达到矿区自然生态环境不会因煤层开采而被破坏的目的。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中水体下采煤检测中存在的问题，实现对水体下采煤采动裂隙动态发育监测，采用井上下联合监测方法，采用长距离钻孔窥视仪对隔水关键层进行监测，直接监测隔水关键层裂隙，更加直观的获得水体稳定状况，同时结合微震、钻孔冲洗液法、超声波探测、采动应力测试、地质雷达监测等共同实现水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测，最终在实现井下安全开采的基础上，保护水体安全。
5.一种水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法，包括，采用长距离地表钻孔窥视仪探测地表到关键层的裂隙发育特征，直接监测隔水关键层裂隙；同时利用地质雷达对巷道进行超前探测，监测小型陷落柱及破碎带的位置；利用微震系统探测弯曲下沉带及裂隙带；利用钻孔冲洗液法监测导水裂隙带高度；利用采动应力监测系统监测采空区采动应力；利用超声波测试仪监测巷道围岩松动圈范围，根据巷道围岩松动圈范围调整巷道支护。
6.进一步的，采用长距离地表钻孔窥视仪探测地表到关键层的裂隙发育特征，直接监测隔水关键层裂隙，包括如下步骤：根据现场情况与大坝之间保留安全距离s在合适位置钻孔，首先用小孔径钻头钻进，并用水清洗钻孔，移除钻孔杂物；将长距离地表钻孔窥视仪运送到预定点，将光电探头运送到钻孔中的初始监测点；探头自动扫描孔壁以形成图像，并将数据传输至监测主机，监测主机自动识别图像中的裂缝数量，并确定裂缝发育程度。
7.进一步的，光电探头下放过程中若发现裂隙，记录所有裂隙位置，继续下放光电探头，若光电探头探测到离层，则进行如下处理步骤：a先将光电探头拔出，对原钻孔进行扩孔，并在钻孔中铺设注浆管；b将注浆管连接注浆泵，利用注浆压力及自重将浆液注入离层中，直到注满离层；c上提注浆管至标记裂隙的位置利用注浆压力及自重将浆液注入离层中，直到充满裂隙。
8.进一步的，光电探头下放过程中若发现裂隙，记录所有裂隙位置，继续下放光电探头，若光电探头达到弯曲下沉带仍未探测到离层，则进行如下处理步骤：a先将光电探头拔出，对原钻孔进行扩孔，并在钻孔中铺设注浆管；b上提注浆管至标记裂隙的位置利用注浆压力及自重将浆液注入，直到充满裂隙。
9.进一步的，钻孔间距和钻孔排距根据具体水文地质状况确定，两者均不超过两倍的浆液扩散半径；安全距离s为15m-50m；小孔径钻头选用φ50mm、φ75mm、φ95mm的钻头，扩孔钻进时选用φ450mm钻头。
10.进一步的，同时利用地质雷达对巷道进行超前探测，监测小型陷落柱及破碎带的位置，包括如下步骤：根据巷道的具体情况。其原则是使测线的距离尽可能长，并收集尽可能多的数据，测线为2-50m；固定接收天线位置，人工手持发射天线进入待检测点，调整地质雷达天线位置及姿态，保障雷达数据的有效采集、地质雷达天线装置处于安全高度范围内采集一次数据，手持天线以固定距离移动，每天掘进前后分别测一次；发射天线达向垮落带发送脉冲电磁波讯号，当讯号遇到裂隙会产生反射讯号，接收机接收到反射讯号放大后由示波器显示出来，根据接收反射讯号的滞后时间、雷达波形、电磁场强度、振幅等参数推断出小型陷落柱、破碎带等隐蔽灾害的位置。
11.进一步的，利用微震系统探测弯曲下沉带及裂隙带，包括如下步骤：根据采场工作面的具体情况，确定检波器在巷道的安装位置，选取垂直于巷道方向，开孔位置距离巷帮0～20cm；对钻孔进行清洗，保证在孔底不淤积煤岩泥，及时安装检波器并灌注水泥，确保与围岩耦合接触；孔口安装管外露高度20～30cm，铺设通讯电缆到指定位置，并将检波器与监测分站连接，通过检波器实时采集微震数据，监测分站接收数据后，经通信光缆将数据传给监测主站。
12.进一步的，利用钻孔冲洗液法监测导水裂隙带高度，包括如下步骤：在回风巷以及运输巷顶板上方向工作面上方打入钻孔，要求据终采线与始采线距离均大于10m，将双端堵水器送至钻孔内观测点；对双端堵水器的胶囊注水，根据孔深调整适合的封孔压力，对钻杆注水并保持注水压力的稳定，注水量与漏失量达到动态平衡，测试完成后，胶囊放水泄压，将双端堵水器移送至下一测点，根据导水裂隙带高度推断隔水层高度。
13.进一步的，利用采动应力监测系统监测采空区采动应力，包括如下步骤：设置煤层采动应力分布式监测系统，包括采动应力监测总站和多个采动应力监测子站，采动应力监测子站包括钻孔应力计、一孔多点钻孔应力计，钻孔应力计观测一点的应力，一孔多点钻孔应力计在同一钻孔中布设多个测点，在距工作面200m、250m、 300m处的运输平巷巷帮均布置1个监测子站，每个监测子站内均布置应力观测孔，孔深d/4和d/2，孔间距均为5m，d为采空区宽度；将钻孔应力计布设在相应钻孔中，使油压枕紧贴孔壁。
14.权10引权1-4,进一步的，利用超声波测试仪监测巷道围岩松动圈范围，根据巷道围岩松动圈范围调整巷道支护，具体包括如下步骤：在巷道顶板布置两个钻孔，在顶板与左
右巷帮连接处分别布置两个与水平夹角45度的仰斜孔，左右巷帮中部布置两个水平钻孔，孔径均为ф42 mm，钻孔打设好后，将孔内住满清水，将套上封孔器的探测棒放置在钻孔里，并利用封孔器将钻孔封好，打开超声波探测仪，超声波探头发出超声波，超声波遇到裂隙、结构面发育则波速衰减快频谱变复杂，遇到含水层波速变快衰减减少频谱简化，每次从内到外移动20cm，记录接收器收到超声波的时间差，直至测试到孔口，结束测量。
15.本发明采用水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法，通过井上下联合实时监测，在保证井下安全生产的同时，监测隔水关键层，对后续治理隐患及排查风险提供依据，保护地表水资源，减少采煤对自然环境的破坏，并实施动态监测。
附图说明
16.图1 为本发明的水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法的仪器布置走向示意图；图2 为本发明的水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法的仪器布置倾向示意图；图3为本发明的水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法的地质雷达对巷道进行超前探测的原理图；图4为本发明的水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法的采动应力监测系统的应力计布置示意图。
17.图中a为长距离地表钻孔窥视仪，b为微震检波器，c为钻孔冲洗液钻孔。
具体实施方式
18.为了解决现有技术中水体下采煤检测中存在的问题，实现对水体下采煤采动裂隙动态发育监测，采用井上下联合监测方法，采用长距离钻孔窥视仪对隔水关键层进行监测，直接监测隔水关键层裂隙，更加直观的获得水体稳定状况，同时结合微震、钻孔冲洗液法、超声波探测、采动应力测试、地质雷达监测等共同实现水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测，最终在实现井下安全开采的基础上，保护水体安全。
19.现结合图1-4对本发明采用水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法进行说明，一种水体下采煤采动裂隙动态发育井上下联合监测方法，包括，采用长距离地表钻孔窥视仪探测地表到关键层的裂隙发育特征，直接监测隔水关键层裂隙；同时利用地质雷达对巷道进行超前探测，监测小型陷落柱及破碎带的位置；利用微震系统探测弯曲下沉带及裂隙带；利用钻孔冲洗液法监测导水裂隙带高度；利用采动应力监测系统监测采空区采动应力；利用超声波测试仪监测巷道围岩松动圈范围，根据巷道围岩松动圈范围调整巷道支护。
20.采用长距离地表钻孔窥视仪探测地表到关键层的裂隙发育特征，直接监测隔水关键层裂隙，包括如下步骤：根据现场情况与大坝之间保留安全距离s在合适位置钻孔，首先用小孔径钻头钻进，并用水清洗钻孔，移除钻孔杂物；将长距离地表钻孔窥视仪运送到预定点，将光电探头运送到钻孔中的初始监测点；探头自动扫描孔壁以形成图像，并将数据传输至监测主机，监测主机自动识别图像中的裂缝数量，并确定裂缝发育程度。
21.光电探头下放过程中若发现裂隙，记录所有裂隙位置，继续下放光电探头，若光电
探头探测到离层，则进行如下处理步骤：a先将光电探头拔出，对原钻孔进行扩孔，并在钻孔中铺设注浆管；b将注浆管连接注浆泵，利用注浆压力及自重将浆液注入离层中，直到注满离层；c上提注浆管至标记裂隙的位置利用注浆压力及自重将浆液注入离层中，直到充满裂隙。
22.光电探头下放过程中若发现裂隙，记录所有裂隙位置，继续下放光电探头，若光电探头达到弯曲下沉带仍未探测到离层，则进行如下处理步骤：a先将光电探头拔出，对原钻孔进行扩孔，并在钻孔中铺设注浆管；b上提注浆管至标记裂隙的位置利用注浆压力及自重将浆液注入，直到充满裂隙。
23.钻孔间距和钻孔排距根据具体水文地质状况确定，两者均不超过两倍的浆液扩散半径；安全距离s为15m-50m；小孔径钻头选用φ50mm、φ75mm、φ95mm的钻头，扩孔钻进时选用φ450mm钻头。
24.同时利用地质雷达对巷道进行超前探测，监测小型陷落柱及破碎带的位置，包括如下步骤：根据巷道的具体情况，灵活采用相应的接线方式。测线可根据现场情况灵活布置。其原则是使测线的距离尽可能长，并收集尽可能多的数据，以便以后进行数据分析和处理；测线为2-50m；固定接收天线位置，人工手持发射天线进入待检测点，调整地质雷达天线位置及姿态，保障雷达数据的有效采集、地质雷达天线装置处于安全高度范围内采集一次数据，手持天线以固定距离移动，每次移动均采集一次数据；每天掘进前后分别测一次；发射天线达向垮落带发送脉冲电磁波讯号，当讯号遇到裂隙会产生反射讯号，接收机接收到反射讯号放大后由示波器显示出来，根据接收反射讯号的滞后时间、雷达波形、电磁场强度、振幅等参数推断出小型陷落柱、破碎带等隐蔽灾害的位置。
25.利用微震系统探测弯曲下沉带及裂隙带，包括如下步骤：根据采场工作面的具体情况，确定检波器在巷道的安装位置，选取垂直于巷道方向，在设计位置不合适、不易施工地段可左右偏移3～5m进行调整，深度5-7m，最小孔径（包括套管内径）保证不得小于50mm。开孔位置距离巷帮0～20cm；对钻孔进行清洗，保证在孔底不淤积煤岩泥，及时安装检波器并灌注水泥，确保与围岩耦合接触；孔口安装管外露高度20～30cm，铺设通讯电缆到指定位置，并将检波器与监测分站连接；岩石在应力作用下发生破坏，并产生微震和声波，通过检波器实时采集微震数据，监测分站接收数据后，经通信光缆将数据传给监测主站，监测主站将数据传至监测主机，经主机汇总数据处理中心处理、分析计算后，在综合监测预警平台上显示。
26.利用钻孔冲洗液法监测导水裂隙带高度即冒落带加裂隙带高度，包括如下步骤：在回风巷以及运输巷顶板上方以一定角度向工作面上方打入钻孔，要求据终采线与始采线距离均大于10m，将双端堵水器送至钻孔内观测点；对双端堵水器的胶囊注水，根据孔深调整适合的封孔压力，对钻杆注水并保持注水压力的稳定，注水量与漏失量达到动态平衡，记录流量表的每分注水量为漏失量，测试完成后，胶囊放水泄压，将双端堵水器移送至下一测点，当漏失量变小说明裂隙变少，漏失量出现台阶式突变且为变小时，即为导水裂隙带顶界面，根据导水裂隙带高度推断隔水层高度，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，稳定隔水层厚度为3～5倍采高时，可保证开采工作的安全进行。
27.利用采动应力监测系统监测采空区采动应力，包括如下步骤：设置煤层采动应力分布式监测系统，包括采动应力监测总站和多个采动应力监测子站，监测总站下有多个监
测子站，采动应力监测子站包括钻孔应力计、一孔多点钻孔应力计，钻孔应力计观测一点的应力，一孔多点钻孔应力计在同一钻孔中布设多个测点，在距工作面200m、250m、 300m处的运输平巷巷帮均布置1个监测子站，每个监测子站内均布置应力观测孔，孔深d/4和d/2，孔间距均为5m，d为采空区宽度；将钻孔应力计布设在相应钻孔中，使油压枕紧贴孔壁，油压枕受压，油压转化为电信号，最后转换为应力，应力在线监测系统集成多个数据采集器，通过数据采集器连接多个监测子站，能够对采动应力等信息进行统一采集，得出采空区应力分布。
28.利用超声波测试仪监测巷道围岩松动圈范围，根据巷道围岩松动圈范围调整巷道支护，具体包括如下步骤：在巷道顶板布置两个钻孔，在顶板与左右巷帮连接处分别布置两个与水平夹角45度的仰斜孔，左右巷帮中部布置两个水平钻孔，孔径均为ф42 mm，钻孔打设好后，将孔内住满清水，将套上封孔器的探测棒放置在钻孔里，并利用封孔器将钻孔封好，打开超声波探测仪，超声波探头发出超声波，超声波遇到裂隙、结构面发育则波速衰减快频谱变复杂，遇到含水层波速变快衰减减少频谱简化，每次从内到外移动20cm，记录接收器收到超声波的时间差，直至测试到孔口，结束测量，波速快慢与围岩松动关系密切。超声波测试仪可测出巷道松动圈范围，为规划巷道支护提供参考。
29.本发明通过井上下联合实时监测，在保证井下安全生产的同时，监测隔水关键层，对后续治理隐患及排查风险提供依据，保护地表水资源，减少采煤对自然环境的破坏，并实施动态监测。