一种煤矿岩层移动角的确定方法与流程

本发明属于煤矿安全生产及采矿工程等技术领域，具体涉及一种煤矿岩层移动角的确定方法。

背景技术：

目前，地下开采引起的岩层移动和地表沉陷是一个非常严重的地下工程问题，在地下开采过程中，原岩应力平衡遭到破坏，围岩发生变形、移动，甚至产生大面积移动。随着开采深度的增加，矿石不断采出，围岩变形、移动和破坏逐渐加剧。而我国的一些矿山由于开采过程中确定的岩层移动角不合理，使得地表的建筑物和生产设施处于移动区内而产生破坏，不仅对矿山的安全生产和地表建筑物的稳定造成严重的威胁，而且有可能带来巨大的经济损失。然而，岩层移动角的合理确定十分复杂，一方面岩层移动角的选取要满足安全生产的需要，另一方面要尽可能地减少征地面积，降低开采成本。因此如何科学合理的确定矿山地下开采的地表岩层移动角，是一项重大的科研难题。提高地下工程岩层移动角参数预测的准确性，一直是采矿工程领域的研究重点。总结国内外在该领域的发展现状与研究成果，岩层移动角的预测理论与预测方法主要有：①现场监测方法；②理论分析方法；③物理模拟方法；④数值分析方法等。其中现场监测方法需要布置大量测量点，成本较高且监测时间较长；理论分析方法由于现场条件的复杂性，很难建立一套与现场实际情况相吻合的理论模型和方法；物理模拟方法往往是在现场条件的基础上，对现场条件做大量简化，从而造成物理模拟方法的结果与现场监测结果差别较大；数值分析方法往往会受限于所采用的分析方法、本构方程，另外数值分析方法中岩体参数的选择也是十分困难的，所以造成数值模拟方法的结果很难与现场相对应。

近年来，作为一种岩体微破裂三维空间监测技术——微震监测技术得到了迅速发展，微震主要监测岩体脆性材料在外力作用下，发生微破裂的时、空、强(时间、空间、强度)以及相关震源参数。微震监测技术在国内外矿山中得到广泛应用，成为深部矿山地压研究和管理的一个重要手段。大量学者在国内煤矿中安装微震监测系统用于开展岩爆冲击地压、滑坡、煤与瓦斯突出以及突水等煤岩体动力灾害方面的防治工作。在微震监测成为深部矿山地压研究和管理的一个重要手段的基础上建立一种基于微震监测的煤矿岩层移动角的确定方法，对于拓宽微震监测的应用范围，减少煤矿灾害，节约资金投入，保障矿山安全生产具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是合理地确定煤矿岩层移动角，该方法提供一种基于微震监测的煤矿岩层移动角的确定方法，对于拓宽微震监测的应用范围，减少煤矿资金投入，保障矿山安全生产具有极大的经济价值和社会意义。

本发明采用以下技术方案：一种煤矿岩层移动角的确定方法，包括交错设置在采煤工作面的多个微震检波器，每个所述微震检波器与数据采集监测站连接，多个所述数据采集监测站通过光纤连接组成一个完整的监测网，连接至地表数据存储和处理服务器，所述地表数据存储和处理服务器根据监测的煤矿工作面顶板微震事件数和微震释放能量沿工作面走向的分布规律，通过确定工作面的超前影响距离l和顶板岩层厚度h得到岩层活动的移动角θ。

进一步的，所述超前影响距离l以能量阀值为基准确定，当微震释放的能量低于能量阀值时，该区域微震事件释放的能量忽略不计；当微震释放的能量高于能量阀值时，该区域微震事件的能量较大，确定工作面的超前影响距离l。

进一步的，所述工作面的超前影响距离l取绝对值，具体为：

l＝L-L′

其中，L为工作面位置，L′为超前影响位置。

进一步的，所述顶板岩层厚度h为土层底板与煤层顶板之间的垂直距离。

进一步的，所述移动角θ为：

θ＝arctan(l/h)

其中，l为超前影响距离，h为顶板岩层厚度。

进一步的，所述微震检波器的布置规则为：分别布置在煤矿工作面的轨道巷和回风巷的待监测煤矿底板，以及非开采帮，沿煤矿走向方向和深度方向呈交错布置，重点关注区域密集布设。

进一步的，所述微震检波器在轨道巷或回风巷内按80-120m间距布设，重点关注区域内，所述微震检波器按30-80m间距布设。

进一步的，所述微震检波器布置于硬岩内，紧贴岩壁，每个所述微震检波器的安装孔朝向不同。

进一步的，所述数据采集监测站包括防爆箱，所述防爆箱内设置有光电转换器和井下工作站，所述数据采集监测站之间采用串联方式经过光电转换器连接至地表数据存储和处理服务器进行数据存储和处理。

进一步的，所述井下工作站的一端通过通信电缆与多个微震检波器连接，所述井下工作站的另一端通过网线与光电转换器连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供了一种新的煤矿岩层移动角测定手段，通过交错设置的微震检波器将采煤工作面现场的顶板微震实际情况传送至地面服务器进行实时监测，测量精度高，测量方式安全简便，通过确定工作面的超前影响距离和顶板岩层厚度就可计算得到岩层活动的移动角，有效节约生产成本。

进一步的，微震检波器的钻孔朝向不同，避免微震检波器设置在同一平面上影响测量精度，并在重点关注区域密集布设采集信息，测量信号通过光电转换器进行电信号和光信号的相互转换后，传送至地面服务器，以能量阀值为基准，通过反三角函数快速得出岩层的移动角。

本发明一种煤矿岩层移动角的确定方法，根据移动角和矿体计划开采区域，可以在地表上对应划出一个有效移动区域，避免移动区域内有人员活动，将工业活动转移到移动区域之外，对于矿山征地、搬迁范围的确定具有重要意义，既可以避免因为征地、搬迁范围过小而造成人民财产和安全受到威胁，又可以避免征地、搬迁范围过大而造成开支过大，同时移动角的确定对于矿山工业广场的选址具有一定指导意见，通过对煤矿岩层移动的监测能够有效减少煤矿开采对地表建筑物的损失，保证矿山的安全生产，促进矿区经济发展和社会稳定。

综上所述，本方法一种煤矿岩层移动角的确定方法，监测准确，移动角确定简便，能够适应远距离传输需要，具有极大的经济价值和社会意义。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明数据传输线路构建及数据流向示意图；

图2为本发明微震区微震事件在工作面的能量分布图；

图3为本发明煤矿岩层移动角的确定方法流程图。

其中：1.光纤；2.光电转换器；3.井下工作站；4.防爆箱；5.网线；6.地表数据存储和处理服务器；7.数据流向；8.微震检波器；9.通信电缆。

【具体实施方式】

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对边界角、移动角及裂缝角进行了详细的定义。边界角即为边界点至采空区边界的连接线所谓边界为采矿引起地表变形的边界点；移动角即为满足一定倾斜率、曲率和水平变形率的最外侧的点至采空区边界的连接线与水平线在煤柱一侧的夹角称移动角；裂缝角为在地表移动盆地的主断面上，盆地最边缘宏观裂缝至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。边界角主要用于考虑采动影响范围；移动角主要用于考虑地表变形对地表构筑物的影响；裂缝角主要考虑地表产生宏观裂缝的范围。前人的研究结果表明：岩体并非一开始变形就产生声发射，而是在变形到达一定程度，即岩体开始产生损伤，岩体宏观裂纹产生前开始产生声发射。岩体开始产生损伤意味着岩体非弹性变形的产生，往往岩体非弹性变形对地表岩体和建筑物构成较大影响，即通过微震监测可以有效确定工作面超前影响距离和岩层移动角，因此，基于微震监测结果是可以确定煤矿岩层移动角的。

请参阅图1至图3所示，本发明公开了一种煤矿岩层移动角的确定方法，包括交错设置在采煤工作面的多个微震检波器8，每个所述微震检波器8与数据采集监测站连接，多个所述数据采集监测站通过光纤1连接组成一个完整的监测网，连接至地表数据存储和处理服务器6，所述地表数据存储和处理服务器6根据监测的煤矿工作面顶板微震事件数和微震释放能量沿工作面走向的分布规律，通过确定工作面的超前影响距离l和顶板岩层厚度h得到岩层活动的移动角θ。数据采集监测站包括防爆箱4，所述防爆箱4内设置有光电转换器2和井下工作站3，数据采集监测站之间通过光电转换器2采用串联方式连接进行数据传输。井下工作站3的一端通过通信电缆9与多个微震检波器8连接，所述井下工作站3的另一端通过网线5与光电转换器2连接。

所述方法包含如下步骤：

1)于目标煤矿建立微震监测系统，根据工作面的具体情况进行微震检波器及线路布设。

微震检波器8布设基本原则：

①在主运输巷和辅助运输巷在沿煤矿走向方向和深度方向呈交错布置；

②布置在非开采帮；

③在主运输巷和辅助运输巷内根据实际地质和采矿情况选择80-120m的间距布设微震检波器，局部需重点关注的位置选择30-80m的间距加密布设微震检波器；

④微震检波器布置于硬岩内，紧贴岩壁；

⑤微震检波器在水平上和垂直方向上交错，环绕待监测的目标区域布置。

数据传输线路构建：

①井下工作站3与微震检波器8之间的对应关系：根据微震检波器布设基本原则、监测目的和待监测煤矿工作面实际地质情况，确定微震检波器布置方位，安装微震检波器8后，将微震检波器通过通信电缆连接至井下工作站；通过敲击试验确定微震检波器与井下工作站的对应关系；

②井下工作站3与地表数据存储和处理终端之间的数据通讯关系：井下工作站3采用串联方式来传输数据，微震监测实时数据通过微震检波器8获得，然后通过通信电缆9传送至井下工作站3，井下工作站3通过交换机、光电转换器2以及光纤1传送至地表数据存储和处理终端服务器6。

2)依次确定滤波、微震事件定位以及震源参数：串联后的井下工作站3通过光纤1与设置在地面上的地表数据存储和处理服务器6连接，实时将监测到的波形数据传到地面的存储服务器进行滤波、微震事件判定、微震事件定位以及震源参数的确定。

3)统计和分析待监测煤矿工作面顶板微震事件数和微震释放能量沿工作面推进方向的分布规律，确定能量阀值，从而确定微震监测沿工作面推进方向的超前影响距离l，能量阀值具有低于能量阀值区域的微震事件释放的能量基本可以忽略不计的特点，工作面的超前影响距离l取绝对值，具体为：

l＝L-L′

其中，L为工作面位置，L′为超前影响位置。

4)根据工作面的地质柱状图情况，确定顶板岩层厚度h(不包含覆盖土层的厚度)，具体为土层底板与煤层顶板之间的垂直距离。

5)根据超前影响距离l和顶板岩层厚度h，计算出采矿引起岩层活动的移动角θ为：

θ＝arctan(l/h)

其中，l为超前影响距离，h为顶板岩层厚度，为土层底板与煤层顶板之间的垂直距离。

实施例

(1)于目标煤矿建立微震监测系统，根据工作面的具体情况进行微震检波器及线路布设。将两组微震检波器8分别布置在煤矿工作面的轨道巷和回风巷的待监测煤矿底板，轨道巷和回风巷在沿煤矿走向方向和深度方向呈交错布置，布置在非开采帮，在轨道巷或回风巷内微震检波器间距在100m，局部位置加密至间距60m，微震检波器布置于硬岩内，紧贴岩壁。将待检测煤矿底板的每组微震检波器8分别用通信电缆9连接，再与设置在煤矿中的微震数据采集监测分站连接，形成一个完整的监测网。

微震检波器布置情况有两种：

第一种，在井下巷道空间具备条件时，采用沿巷道两侧各布置一定数量的微震检波器8，每个微震检波器8按照实时监测数据流向7的箭头方向进行数据传输，微震检波器8间距根据现场实际情况控制；

第二种，在井下巷道空间不具备条件时，采用一定数量的检波器布置在一个巷道内，安装微震检波器的钻孔应分布在同一巷道的两侧，以避免微震检波器在同一条直线上，安装微震检波器的钻孔应朝不同的方向，以避免微震检波器在同一平面上。

(2)依次确定滤波、微震事件定位以及震源参数：微震数据采集监测分站通过光纤与设置在地面上的存储服务器连接，实时将监测到的波形数据传到地面的存储服务器进行滤波、微震事件的判定、微震事件的定位以及震源参数的确定。在采煤工作开始进行后，24小时不间断采集工作面的微震监测数据，采集过程中，应对工作面进度以及工作面地质情况做好详细记录。

(3)根据顶板微震监测结果，统计及分析微震释放能量沿工作面推进方向的分布规律，从而确定微震监测沿工作面推进方向的超前影响距离，要确定超前影响距离，必须先确定能量阈值(请参阅图2中沿横坐标方向粗实线所示)。

能量阈值确定的依据：

当微震释放的能量低于能量阈值时，该区域微震事件释放的能量基本可以忽略不计；

当微震释放的能量高于能量阈值时，该区域微震事件的能量较大，不能忽略不计。

(4)根据工作面钻孔地质情况，综合确定顶板岩层厚度(不包含覆盖土层的厚度)。

工作面地质钻孔及顶板分带情况如下表所示：

顶板岩层厚度h＝618.43m-232.47m＝385.96m。

(5)根据超前影响距离和顶板岩层厚度，计算出采矿引起岩层活动的移动角。煤矿工作面超前影响距离及移动角对应关系如下表所示

所述方法提供了一种新的煤矿岩层移动角测定手段，通过对煤矿岩层移动的研究可有效的减少煤矿开采对地表建筑物的损失，保证矿山的安全生产，促进矿区经济发展和社会稳定，具有极大的经济价值和社会意义。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。