一种煤矿开采诱发岩移的监测与模拟分析方法及装置与流程

1.本发明涉及诱发岩移的监测与模拟技术领域，尤其是涉及一种煤矿开采诱发岩移的监测与模拟分析方法及装置。


背景技术：

2.煤层开采形成采空区，引起顶板围岩变形、破坏。顶板岩层在重力及周边岩层牵引作用下，沿软弱岩层向采空区发生整体漂移滑动。这种岩层的整体的漂移滑动对巷道的变形破坏有着巨大的影响，在这种影响下的巷道变形破坏形式具有明显的特殊性，其最典型的特征就是巷道变形破坏的方向性和非对称性。一般的对称性支护方案对这种非对称变形巷道的支护效果往往较差，致使巷道变形破坏难以控制，支护难度大幅提高。就地下工程而言，地下软岩巷道的变形、失稳和破坏的原因是多方面的，但最根本原因是其具有复杂的变形力学机制。巷道所处的应力环境、围岩性质与结构类型以及巷道支护构成了决定巷道稳定性的3大因素。当围岩含有强度较低、变形较大或受力状况恶化的岩体柱时，称为围岩弱结构巷道，其中的软弱岩层或岩(煤)柱称为弱结构体。一般而言，巷道围岩破坏首先从弱结构体开始，在弱结构体岩层中形成破裂区，随变形与破坏的发展，将导致弱结构巷道其它部位变形破坏加剧，最终导致巷道整体稳定性的恶化。针对巷道围岩变形与破坏的非均衡现象，部分巷道虽采用了非传统的不均称支护，但是巷道支护失效与围岩状况恶化仍然不能得到改善，需要对顶板围岩沿软弱岩层漂移进行位移监测，找到巷道不均称破坏的真正根源。


技术实现要素：

3.本发明的第一目的在于提供一种煤矿开采诱发岩移的监测与模拟分析方法，该方法能够解决现有技术中巷道支护失效与围岩状况恶化仍然不能得到改善的问题；
4.本发明的第二目的在于提供一种煤矿开采诱发岩移的监测与模拟装置，该装置采用上述方法。
5.本发明提供一种煤矿开采诱发岩移的监测与模拟分析方法，其包括以下步骤：采用钻孔测斜仪进行岩体水平位移的原位监测；
6.通过传感器测头内的摆锤受重力作用影响来逐段测量钻孔轴线与铅垂线之间的夹角；
7.利用几何关系分段计算得到钻孔轴线相对于铅垂线的水平偏移量，再将各段水平偏移量累加得到总偏移量及沿管轴线整个孔深位移的变化情况；
8.每隔一定时间逐段测量钻孔轴线与铅垂线夹角，通过计算钻孔轴线相对于铅垂线偏移量的变化量精确地确定钻孔所在区域岩体变形的大小、方向、深度和速率参数。
9.优选的，采用钻孔测斜仪进行岩体水平位移的原位监测包括以下步骤：
10.将钻孔测斜仪的探管置于钻孔内壁且与孔壁紧密贴合，探管能随周围岩体的变形而产生协调变形；
11.钻孔测斜仪的传感器测头在测斜管中往返滑动，由预先确定了方向的导向槽控制传感器的方向。
12.优选的，水平偏移量的计算步骤为：
13.每隔标距l测一次倾斜读数，设某深度测得某方向的倾斜角为θ
h
，由于标距l是固定不变并且已知的，根据正弦关系将即可将倾斜角转变为该深度测斜管轴线相对于铅垂线的水平偏移量，即：
14.i
h
＝l
·
sinθ
h
15.总偏移量的计算步骤为：
16.自测孔孔底至某深度h逐段累加每个标距内的水平偏移量即可得到该深度的总偏移量，即：
[0017][0018]
式中：h0为测孔初始深度，亦即该孔的最大观测深度。
[0019]
优选的，所述钻孔的布置方法为：根据设计位置，选择岩层的稳定部位进行钻孔；在钻进过程中边钻边下放护壁套管。
[0020]
优选的，当钻孔的长度过长时，先在孔口位置先打大直径的钻孔，然后放入与大直径钻孔相应直径的套管进行护壁，接着在大直径的孔底打小直径的钻孔，再下放与小直径钻孔相应直径的套管护壁，直至设计深度。
[0021]
优选的，所述护壁与钻孔孔壁之间的空隙为1～3mm。
[0022]
一种煤矿开采诱发岩移的监测与模拟装置，其包括钻孔测斜仪，所述钻孔测斜仪包括传感器测头、探管和钻孔；
[0023]
所述探管设置在钻孔内，所述传感器测头内设置有摆锤；
[0024]
所述传感器测头包括滑轮，所述探管内设置有导向槽，所述传感器测头的滑轮沿导向槽滑动。
[0025]
优选的，所述钻孔为阶梯孔，该阶梯孔包括大直径钻孔和小直径钻孔；
[0026]
所述大直径钻孔和小直径钻孔由外到内依次设置。
[0027]
优选的，所述钻孔内设置有多段护壁套管，护壁导管之间通过法兰连接。
[0028]
优选的，所述大直径钻孔的直径为110～130mm；所述小直径钻孔的直径为75～89mm。
[0029]
有益效果：本申请通过钻孔测斜仪能够精确地确定钻孔所在区域岩体变形的大小、方向、深度和速率等参数，故此，实现了对围岩沿软弱岩层漂移进行位移监测，为控制采区顶板牵引式滑动漂移和巷道围岩非均称变形破坏，提供分析依据。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为本发明具体实施方式提供的测斜仪监测原理图；
[0032]
图2(a)为本发明具体实施方式提供的水平偏移量位移计算示意图；
[0033]
图2(b)为本发明具体实施方式提供的总偏移量位移计算示意图；
[0034]
图3(a)为本发明具体实施方式提供的顶板钻孔施工示意图；
[0035]
图3(b)为本发明具体实施方式提供的底板钻孔施工示意图；
[0036]
图4为本发明具体实施方式提供的钻孔的结构示意图；
[0037]
图5为本发明具体实施方式提供的钻孔角度示意图。
[0038]
附图标记说明：
[0039]
1：传感器测头；2：探管；3：钻孔。
具体实施方式
[0040]
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0042]
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
在本实施方式中提供了一种煤矿开采诱发岩移的监测与模拟分析方法，其包括以下步骤：采用钻孔3测斜仪进行岩体水平位移的原位监测。
[0044]
通过传感器测头1内的摆锤受重力作用影响来逐段测量钻孔3轴线与铅垂线之间的夹角。
[0045]
利用几何关系分段计算得到钻孔3轴线相对于铅垂线的水平偏移量，再将各段水平偏移量累加得到总偏移量及沿管轴线整个孔深位移的变化情况。
[0046]
每隔一定时间逐段测量钻孔3轴线与铅垂线夹角，通过计算钻孔3轴线相对于铅垂线偏移量的变化量精确地确定钻孔3所在区域岩体变形的大小、方向、深度和速率等参数。
[0047]
如图1所示，采用钻孔3测斜仪进行岩体水平位移的原位监测包括以下步骤：
[0048]
将钻孔3测斜仪的探管2置于钻孔3内壁且与孔壁紧密贴合，探管2能随周围岩体的变形而产生协调变形。
[0049]
钻孔3测斜仪的传感器测头1在测斜管中往返滑动，由预先确定了方向的导向槽控制传感器的方向。
[0050]
水平偏移量的计算步骤为：
[0051]
每隔标距l测一次倾斜读数，设某深度测得某方向的倾斜角为θ
h
，由于标距l是固定不变并且已知的，根据正弦关系将即可将倾斜角转变为该深度测斜管轴线相对于铅垂线的水平偏移量(参照图2a)，即：
[0052]
i
h
＝l
·
sinθ
h
[0053]
总偏移量的计算步骤为：
[0054]
自测孔孔底至某深度h逐段累加每个标距内的水平偏移量即可得到该深度的总偏移量(参照图2b)，即：
[0055][0056]
式中：h0为测孔初始深度，亦即该孔的最大观测深度。
[0057]
根据全孔的计算结果可得到出沿钻孔3轴线各点的确切位置，多次观测便可确定岩土体内部发生变位的部位、大小和方向。
[0058]
参照图3至图5，钻孔3的布置方法为：指为监测在采空区和采动影响下的岩层不同深度、不同层位的漂移位移而进行的钻孔3设计，钻孔3为运用测斜仪进行井下钻孔3测斜提供了通道。根据设计位置，选择稳定部位使用矿用钻机进行钻孔3。采用跟管钻进技术，即在钻进过程中边钻边下放护壁套管。考虑到防止时间过长孔口内出现坍塌及方便设备施工，可采用变径成孔，即先在孔口位置先打大直径110～130mm的钻孔3，然后放入相应直径套管进行护壁，套管直径要求套管外侧和孔壁之间的空隙为1～3mm。接着在大直径的孔底打75～89mm的钻孔3，再下放相应直径的套管护壁，直径要求同样为套管外侧和孔壁之间的空隙为1～3mm，直至设计深度。为避免金属材料对测斜仪精度的影响，护壁套管拟采用pvc等非金属材质，护壁套管为2m/节(可根据钻杆长度进行选取)，各节之间通过管套法兰连接。下管之前应检查护壁套管有无损坏，在下套管过程中，套管与套管之间螺丝应拧紧连好。孔底一节的头部设置一个锥形档帽，起到导向和防止碎石堵塞套管的作用。安装过程中应及时旋转护壁套管，确保管体保持设计的角度，避免发生较大的偏移。安装完成后注浆充填套管孔壁后空隙。
[0059]
本实施方式还提供了具体的监测方法，指利用钻孔3测斜仪进行岩体水平位移的原位监测方法。先将测斜仪平放在巷道底板上120s，然后将钻孔3测斜仪探管2放入钻孔3内，一人记录时间，一人往上续探管2，每上续2m，停留20s，手机时间计次。到达套管底部后，停留60s，然后将测斜仪取出，用手机连接，关闭测斜仪，取出数据。当顶底板变形，套管不够长时，及时连接短截套管。每孔测量2次，消除测量误差。一般而言，每隔3～5d现场测斜1次，如巷道已出现裂缝且有逐步增加的趋势，应适当加大监测频率，每天现场测斜1次。
[0060]
本实施方式还提供了具体的误差分析及数值模拟过程，指对经过一段时间监测取得的数据进行误差处理及数值模拟，利用flac3d和abaqus商业软件，建立包含现存采空区和新布置采区的三维数值模型，以监测数据为支撑，对特征参量进行反演、优化。在已完成采空区和现有采动影响下，模拟开采诱发岩层不同深度、不同层位的漂移的关键层位、运移路线、突变数值等，为控制采区顶板牵引式滑动漂移和巷道围岩非均称变形破坏，提供分析依据。
[0061]
在本实施方式中，还提供了一种采用上述方法的煤矿开采诱发岩移的监测与模拟
装置，其包括钻孔3测斜仪，钻孔3测斜仪包括传感器测头1、探管2和钻孔3。
[0062]
探管2设置在钻孔3内，传感器测头1内设置有摆锤。
[0063]
传感器测头1包括滑轮，所述探管2内设置有导向槽，所述传感器测头1的滑轮沿导向槽滑动。
[0064]
钻孔3为阶梯孔，该阶梯孔包括大直径钻孔和小直径钻孔，大直径钻孔和小直径钻孔由外到内依次设置。
[0065]
钻孔3内设置有多段护壁套管，护壁导管之间通过法兰连接。
[0066]
大直径钻孔的直径为110～130mm；所述小直径钻孔的直径为75～89mm。
[0067]
护壁套筒由非金属材质制成。
[0068]
位于钻孔3末端的护壁套筒上设置有锥形档帽。
[0069]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。