专利名称：一种井工开采工作面动态裂缝的监测方法
技术领域：
本发明涉及环境监测技术领域，特别涉及风沙区井工开采工作面前端动态裂缝的监测方法。
背景技术：
风沙区的主体矿区具有独特的土壤理化性质，比如中国神东地区，由于沙漠化及潜在的沙漠化，使得风沙区土壤颗粒组成较粗、疏松无结构、储水保肥能力差，一遇水流，沙层上赋存的薄表土层，迅速崩解，土粒容易分散。另外，土壤的理化性质与暴雨、大风等恶劣的气候因素相互作为，引发严重的土壤侵蚀。这些条件和因素最终导致矿区生态环境十分脆弱。相关研究表明，煤炭开采导致该类型的部分区域内景观破碎度加大，水井干涸，地下水位下降，中心水位下降程度可达2-3m，土壤含水量下降，植被覆盖度减小，水土流失加 重。而该区域高强度开采对土地的影响规律和机理、土地损伤(如地裂缝)的时空变化规律以及随之而导致的地表水的变化、土地损伤哪些是暂时的哪些是永久的、土地的自修复能力如何等关键问题没有进行系统研究，从而最终导致无法对该区域扰动后生态环境的修复措施的选择提供科学的决策依据。地表裂缝的生命周期是指其在地表存在的从产生到完全闭合的全过程。对于该过程的监测，是研究该区域采煤扰动前后土壤孔隙度、土壤养分、土壤含水量的时空演变规律的前提和基础，是研究该区域土地损伤机理重要组成部分。目前，相关研究主要是针对地裂缝产生的机理、地裂缝分布规律，地裂缝几何信息的理论研究，部分文献涉及到地裂缝监测的内容王金庄利用土体压缩理论，定性分析了裂缝宽度的函数模型，指出在相同条件下，裂缝d与间距L之比与地表水平变形存在线性关系(请给出对应王金庄的参考文献，谢谢)；吴侃通过提出了开采引起的地表任意点动态应变分量的计算方法.将地表点的变形同地表土的力学性质结合起来，提出了地表裂缝分布规律动态计算模型，并指出裂缝在地表上显示时间大致等于T = 2B/V，其中B为回采工作面上方裂缝区宽度，V为工作面平均推进速度(吴侃，胡振琪，常江，葛家新.开采引起的地表裂缝分布规律中国矿业大学学报，1997，26 (2) 56 59);李晓等采用自主研发的IGG-I机械式裂缝观测计，对金川二矿区10余条地裂缝的几何信息进行了不同时段的监测并进行了数据分析，得到了裂缝具有明显的三维特征，并对其成因进行了相应的剖析(李晓，路世豹，廖秋林，杜国栋.充填法开采引起的地裂缝分布特征与现场监测分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25 (7) :1361 1369)；姚娟根据任意两点之间的空间信息的变化情况，建立了裂缝宽度和变形计算的数学模型，指出裂缝宽度和变形是反映裂缝变化的一个重要指标(姚娟，徐工，开采引起的地表裂缝规律研究[J].山东理工大学学报(自然科学版)，2009，23 (6) :105 108);李亮、吴侃等利用三维激光扫描的方法，获取塌陷地裂缝区地表特征的云数据，各点距起点的距离和下沉值以(x，y)的形式输入MATLAB中，对这些离散点进行插值，形成平滑的待分析曲线L，利用四种小波进行小波分析，与其实际观测数据符合，可用于提取裂缝分布规律(李亮，吴侃，陈冉丽，张舒.小波分析在开采沉陷区地表裂缝信息提取的应用[J].测绘科学，2010，35(1) :165 167)。然而，上述研究多以整体裂缝作为研究对象，着重体现在裂缝的分布规律，部分对裂缝的监测研究，裂缝最初监测时间较严重滞后于裂缝出现的时间，获取的数据也不能完全包含裂缝最初状态的信息，监测频率不规范，不适合神东矿区现代化开采造成裂缝在地表显示特征的快速变化。总体来说，对于裂缝从产生时的最初状态到表征在地表上完全或者基本消失所经历的阶段、过程，特别是对于薄基岩风沙区工作面前端裂缝的生命周期的监测还没有开展没有进行相应研究，该过程中裂缝对土地生态环境的研究也就无从谈起。风沙区工作面前端裂缝生命周期的监测方法的难题在于I)观测对象的辨别与选取难度很大薄基岩风沙区地表被松散层覆盖，冲刷层以 上的土壤构成主要是黄沙，且流动性较大，加之大风、雨水天气对于小区域内地貌重塑的影响较大，地表裂缝最初产生阶段在地表上的表征相对较弱，其特征辨别和选取相对于其他类型区域非常困难，从而对地裂缝产生时最初状态的数据以及最终裂缝生命周期的获取造成了很大的影响；2)裂缝几何信息的获取难度较大风沙区地表流动沙层的存在，裂缝两侧的土壤过砂、质地松散，裂缝在开裂、闭合等发育过程中，裂缝壁的部分土壤容易出现塌落现象，给裂缝宽度数据的获取带来了很大的困难，不确定的偶然误差引入粗差，无法取得预期的效果，最终也无法获得前端裂缝的生命周期。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提出一种井工开采工作面动态裂缝的监测方法，以准确和完整的获取动态裂缝及其发育过程中的几何信息，为研究由区域地表裂缝导致的土壤理化性质的时空演变规律提供基础，最终为该区域生态修复方案和措施提供科学的依据。为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案一种井工开采工作面动态裂缝的监测方法，所述方法包括以下步骤(I)布设裂缝监测基准线在采煤工作前，布设裂缝监测基准线，所述基准线由若干个地表移动观测站组成，所述观测站从开切眼处的后方沿工作面走向的中心线布设，基准线的两端应保证超出采动影响范围，并在布设后测定各观测站的空间坐标位置；(2)找出最前端裂缝当工作面推进到第一位置为A时，对其前方新出现的疑似裂缝进行标记观测，找出这些疑似裂缝中随工作面的后续推进而发育的裂缝，这些发育的裂缝中与第一位置距离最大的裂缝即为最前端裂缝，测定最前端裂缝的第二位置为B，得到第二位置与第一位置之间的距离C ；(3)建立数学模型重复步骤2得到多个工作面的第一位置Ai，以及与其相应的最前端裂缝的第二位置Bi和第一位置与第二位置的距离Ci，建立三者的数学模型，Bi =Ai+C’，其中C，为多个Ci的数学期望，i = 1,2. .n ；(4)根据步骤3建立的数学模型，在距离工作面C’的位置，选定该位置两侧最相邻的多条裂缝作为观测裂缝，测定该多条裂缝随工作面推进的多个宽度变化，测定频率大于I天/次，直至裂缝不再发育，在地表上完全闭合为止，从中选出发育最为明显的一条裂缝作为最佳观测裂缝；(5)在不同的工作面位置，重复步骤4，得到多个最佳观测裂缝的宽度变化数据；(6)根据步骤4和5得到的最佳观测裂缝随工作面推进的多个宽度变化数据，绘制裂缝宽度关于工作面位置的变化趋势图。优选地，根据开采沉陷学相关理论，所述基准线的布设遵循如下原则在地表能达到充分采动的条件下，基准线通过移动盆地的平底部分即可；在地表不能达到充分采动的条件下，基准线需设在移动盆地的主断面上。优选地，在步骤I中，所述观测站间隔10-40米布设。
优选地，在观测裂缝宽度的同时，还观测裂缝的长度、深度和落差的变化。优选地，步骤4中观测裂缝宽度时，在裂缝两侧距离裂缝5-lOcm处垂直于裂缝布设观测棒，测量裂缝初始宽度Lo，以及两端观测棒的距离Do，后期测量观测棒的距离Di，通过公式Li = Lo+(Di-Do)计算裂缝宽度Li,其中i = 1,2. n。优选地，在每条裂缝上布设多个宽度测量点，宽度测量点之间的间距为3-5米。优选地，每条裂缝的观测周期T >2B/V，其中B为工作面走向方向连续裂缝带的带宽，V为工作面日推进速度，观测工作直至地裂缝的地面表征消失、且持续无变化为止，其中T的单位为天，B的单位为米，V的单位为米/天。优选地，步骤4和5中，根据公式L=Ho*tan以计算出最大下沉速度滞后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深，以为最大下沉速度滞后角，在工作面与观测裂缝之间的距离D < 2L时，加大观测频率，当D > 2L时，减小观测频率。由上述技术方案可知，本发明提供的动态裂缝的监测方法构建了工作面和裂缝的空间参考体系；通过建立工作面最前端裂缝与工作面位置之间的数学模型，提供了裂缝特征的测量方法(观测方法、观测周期与频率)，为任意工作面位置处最佳观测裂缝(观测对象)的准确选取提供了科学依据，并且通过测定包括地裂缝产生发育的最初阶段在内的裂缝几何信息，绘制了裂缝宽度关于工作面位置的变化趋势图，以便分析前端裂缝从产生到完全闭合此全过程中所经历的所有典型阶段的特征和时间节点信息，为裂缝生命周期的获取提供完整可靠的数据；进而为研究该区域煤炭开采对土地生态环境的影响机理及其自修复周期的研究提供时间基准和技术支撑。
图I为本发明中基准线和监测点的布设示意图；图2为本发明中裂缝宽度的观测示意图；图3为本发明的一个实施例中裂缝宽度随工作面推进的变化趋势图。
具体实施例方式下面以本发明所述方法在薄基岩风沙区工作面前端裂缝生命周期监测中的实际应用为例，对本发明进行详细说明。然而本领域技术人员应该认识到，本发明并不因此而受到任何限制。
本发明所述方法包括以下步骤第一步布设裂缝监测基准线。所述基准线由若干个地表移动观测站组成，所述观测站从开切眼处的后方沿工作面走向的中心线布设，基准线的两端应保证超出采动影响范围，其布设工作应超前于采煤工作。优选地，所述基准线根据开采沉陷学相关理论，所述基准线的布设遵循如下原则在地表能达到充分采动的条件下，基准线通过移动盆地的平底部分即可；在地表不能达到充分采动的条件下，基准线需设在移动盆地的主断面上。如图I所示，其中I为开切眼位置，2为基准线，3为布设在基准线上的观测站。所述观测站间隔10-40米布设，并在布设后使用比如经纬仪导线和水准测量的方法测定观测站的空间坐标。第二步找出最前端裂缝。
工作面最前端裂缝是裂缝发育全过程最好的监测对象，而在风沙区，地表可能被松散层所覆盖，导致工作面最前端裂缝的产生初期在地表的表征很微弱。此外，一些沙生植物的根系生长也可能导致地表的开裂，从而最前端裂缝的辨别带来很多干扰信息。故此，需要结合工作面开采的位置，采取措施找出最前端裂缝。具体地，当工作面推进到第一位置为A时(工作面与开切眼之间的距离)，对其前方新出现的疑似裂缝进行标记观测，利用其周边的地表移动观测站作为控制点，架设全站仪或者其它测量设备，根据现场情况，在一段合适的时间内(比如4-10天)观察这些疑似裂缝的发育情况，找出这些疑似裂缝中随工作面的后续推进而发育的裂缝(即长度或宽度会变化的裂缝)，这些发育的裂缝中与第一位置A距离最大的裂缝即为最前端裂缝，测定最前端裂缝的第二位置位B，得到第二位置B与第一位置A之间的距离C。第三步建立数学模型。重复第二步的方法，得到多个工作面第一位置Ai，以及与其相应的最前端裂缝的第二位置Bi和第一位置Ai与第二位置Bi之间的距离Ci (i = 1，
2..n)，利用最小二乘法建立三者的数学模型，Bi = Ai+C’，其中C’为多个Ci的数学期望， 从而为下一步观测对象的选取及其最初状态的几何信息的获取奠定基础。第四步根据第三步建立的数学模型，在与当前工作面距离为C’的位置，选定该位置两侧最相邻的多条裂缝(比如4条裂缝)作为观测裂缝，可以利用全站仪以及邻近地表移动观测站标定其初始状态时的空间位置，并同时测定该多条裂缝随工作面推进的多个宽度变化，测定频率大于I天/次，直至裂缝不再发育，在地表上完全闭合为止，并从中选出发育最为明显的一条裂缝作为最佳观测裂缝。如图2所示，其中4为体表裂缝，5为观测棒，6为钢尺。裂缝宽度的变化情况可采用如下方法测量在裂缝两侧距离裂缝5-lOcm处垂直于裂缝布设观测棒，测出该处裂缝初始宽度Lo(可直接使用钢尺测量)，以及两端观测棒的距离Do，后期只需测量观测棒的距离Di (i =1，2..11，为测量次数)，通过公式1^ = 1^+(01-00)计算出每次测量时的裂缝宽度Li。另夕卜，由于裂缝较长，因此每条裂缝上可以设置多组观测棒，间隔3-5米设置，实际操作中，还可根据裂缝的发育情况及时加设观测棒。此外，观测棒应尽量垂直于地面，嵌入土中，埋深不少于20cm。其中，为尽量减少野外工作量，可以进一步利用经验公式确定观测的周期及频率。
随着工作面的推进，对裂缝进行持续观测，根据盆地内走向方向连续裂缝带的宽度B，和工作面日推进速度V，优选地，每条裂缝的观测周期T > 2B/V,观测工作直至地裂缝的地面表征消失、且持续无变化为止，其中T的单位为天，B的单位为米，V的单位为米/天。裂缝宽度的变化与地表活动剧烈程度有关，可以用地表下沉速度以及地表达到最大下沉速度时与工作面距离L (通常表述为最大下沉速度滞后距)反映，因此，优选地，应该与根据被观测的裂缝的位置与工作面位置之间的距离d与L的贴近程度调整观测频率，当裂缝宽度变化较大时，需要加大观测频率；当裂缝宽度变化较小时，减小观测频率。通常情况下，可以利用最大下沉速度滞后角以，根据公式L=Ho* tan以计算出最大下沉速度滞后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深。根据先前布设的裂缝观测基准线上地表移动观测站在采动过程中高程的变化数据，即可计算出最大下沉速度以及0，进而得到L的大小。在工作面与观测对象二者之间的距离D < 2L时，观测频率相对较大，尤其是在0. 5L < D< 1.5L时，应进行加密观测，当D > 2L时，观测频率应相应减小。为更好地获取裂缝的变化情况，优选地，在测定裂缝宽度变化的同时，还可以同时测量裂缝的长度和落差变化情况。例如，通过最近的观测站，用全站仪在裂缝的两端用导线 测量的方法确定裂缝两端的坐标位置，并绘制到工作面的井上下对照图，利用两点坐标求的裂缝长度。第五步为了更加全面地观测裂缝随工作面的推进的生长发育情况，重复第四步的方法，以便在不同的工作面位置，得到多个最佳观测裂缝的发育情况。第六步利用获取的裂缝的宽度信息绘制单条裂缝宽度信息的变化趋势图，分析各主要典型性阶段的持续时间和工作面推进量，通过多条裂缝的统计信息，总结该区域地表裂缝的完整的生命周期。实施例针对某矿区的采动裂缝监测，使用上述方法获取的裂缝宽度信息绘制了裂缝宽度随工作面推进的趋势图，如图3所示，该裂缝上设有5个观测点，其中■代表1#、 代表2#、▲代表3#、▼代表4#和4代表5#。当前工作面距离开切眼的位置为454m时，该裂缝最早出现，超前工作面7m ;工作面向前推进19m时，裂缝呈现出最大表征，其中5#信息采集点由3. 3mm递增到25mm左右，变化速度约为I. 158mm/m。该区域对应的为Al阶段，在此阶段内，#1、#2、#3、#4四个信息采集点的裂缝宽度均递增，属于裂缝发育阶段。工作面继续向前推进42m时，5个信息采集点的宽度整体处于下降状态，在515m处信息采集点的宽度值趋于0，从地面表征上来看，裂缝整体也处于愈合状态。当工作面继续推进至565m时，裂缝基本无发育，对应的区域为图上的A2阶段；在裂缝发育的第一个半周期，从出现-发育-闭合及其稳定，工作面总计推进了约111m，此时工作面超前裂缝的位置为 I04mo当工作面继续向前推进至577m时，裂缝在先前位置重新裂开，5个信息采集点处裂缝的宽度均小于第一个阶段发育为最大值的情况，该阶段对应的A3区域，属于地表松动阶段，此时工作面超前裂缝116m。从577m处直至613m处，裂缝宽度的变化很微弱，该阶段对应的为A4区域，定义为渐稳定阶段，此时工作面超前裂缝152m ;后期裂缝逐渐趋于闭合状态，该阶段对应的A5区域，定义为完全愈合阶段，后续的观测结果显示，裂缝没有继续裂开的现象，此时工作面超前裂缝219m.各阶段，裂缝与工作面位置分别为:Al(-7m 12m) ;A2(12m 104m)；A3 (104m 116m) ;A4(116m 152m) ;A5 (152m 219m)，其中代表工作面滞后于裂缝出现的位置。从出现至完全闭合这个全过程，这个具有周期性变化情形的，称之为裂缝的生命周期。其它观测对象亦具有相似规律，因此可以将风沙区该工作面上方动态裂缝的生命周期划分为5个阶段A1发育阶段(最初出现，由小到大)；A2愈合阶段(由大变小，初次愈合)；A3地表松动阶段(裂缝重新裂开，但较之发育阶段程 度要小)；A4渐稳定阶段(裂缝几乎不变化，处于稳定阶段)；A5完全闭合阶段(裂缝再次愈合，不再张开)。
权利要求
1.一种井工开采工作面动态裂缝的监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 (1)布设裂缝监测基准线在采煤工作前，布设裂缝监测基准线，所述基准线由若干个地表移动观测站组成，所述观测站从开切眼处的后方沿工作面走向的中心线布设，基准线的两端应保证超出采动影响范围，并在布设后测定各观测站的空间坐标位置； (2)找出最前端裂缝当工作面推进到第一位置为A时，对其前方新出现的疑似裂缝进行标记观测，找出这些疑似裂缝中随工作面的后续推进而发育的裂缝，这些发育的裂缝中与第一位置距离最大的裂缝即为最前端裂缝，测定最前端裂缝的第二位置为B，得到第二位置与第一位置之间的距离C ; (3)建立数学模型重复步骤2得到多个工作面的第一位置Ai，以及与其相应的最前端裂缝的第二位置Bi和第一位置与第二位置的距离Ci，建立三者的数学模型，Bi = Ai+C’，其中C’为多个Ci的数学期望，i = l,2..n ； (4)根据步骤3建立的数学模型，在距离工作面C’的期望位置，选定该位置两侧最相邻的多条裂缝作为观测裂缝，测定该多条裂缝随工作面推进的多个宽度变化，测定频率大于I天/次，直至裂缝不再发育，在地表上完全闭合为止，从中选出发育最为明显的一条裂缝作为最佳观测裂缝； (5)在不同的工作面位置，重复步骤4，得到多个最佳观测裂缝的宽度变化数据； (6)根据步骤4和5得到的最佳观测裂缝随工作面推进的多个宽度变化数据，绘制裂缝宽度关于工作面位置的变化趋势图。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，根据开采沉陷学相关理论，所述基准线的布设遵循如下原则在地表能达到充分采动的条件下，基准线通过移动盆地的平底部分即可；在地表不能达到充分采动的条件下，基准线需设在移动盆地的主断面上。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述观测站间隔10-40米布设。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，在观测裂缝宽度的同时，进一步观测裂缝的长度和落差的变化。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤4中测量裂缝宽度时，在裂缝两侧距离裂缝5-lOcm处垂直于裂缝布设观测棒，测量裂缝初始宽度Lo，以及两端观测棒的距离Do，后期测量观测棒的距离D i，通过公式Li =Lo+(Di-Do)计算裂缝宽度Li，其中i = 1，2. . n。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在每条裂缝上布设多个宽度测量点，宽度测量点之间的间距为3-5米。
7.如权利要求I或5所述的方法，其特征在于，每条裂缝的观测周期T> 2B/V，其中B为工作面走向方向连续裂缝带的带宽，V为工作面日推进速度，观测工作直至地裂缝的地面表征消失、且持续无变化为止，其中T的单位为天，B的单位为米，V的单位为米/天。
8.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤4和5中，根据公式L=Ho*tanp计算出最大下沉速度滞后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深，jgr为最大下沉速度滞后角，在工作面与观测裂缝之间的距离D < 2L时，加大观测频率，当D > 2L时，减小观测频率。
全文摘要
本发明涉及一种井工开采工作面动态裂缝的监测方法，以准确和完整的获取采动裂缝及其发育过程中的几何信息。该方法包括布设裂缝监测基准线，建立工作面最前端裂缝位置与工作面位置之间的数学模型，通过该数学模型找到相应的最佳观测裂缝，进行持续的动态观测，获取裂缝宽度的变化数据，绘制裂缝宽度关于工作面位置的变化趋势图，以便分析前端裂缝从产生到完全闭合此全过程中所经历的所有典型阶段的特征和时间节点信息，总结和提炼工作面前端动态裂缝完整的生命周期，进而为研究该区域煤炭开采对土地生态环境的影响机理及其自修复周期的研究提供时间基准和技术支撑。
文档编号G01B21/04GK102759337SQ20121013498
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者张建民, 王新静, 胡振琪, 郭雨明, 顾大钊 申请人:中国矿业大学(北京), 中国神华能源股份有限公司