一種基于應力監測的采動覆巖導水裂隙帶高度探測方法與流程

本發明涉及一種覆巖導水裂隙帶高度探測方法，尤其涉及一種基于應力監測的采動覆巖導水裂隙帶高度探測方法。
背景技術：
：煤礦開采所引起的覆巖彎曲沉降、裂隙擴展及斷裂垮落是煤礦頂板透水、潰砂和地表塌陷等事故和災害發生的根本原因。采場上覆巖層導水裂隙帶的發育高度是反映覆巖破壞程度、運動狀態和應力狀態的關鍵性因素，因此獲得采場上覆巖層導水裂隙帶的發育高度對于頂板水害防治和地表塌陷控制，保護地面環境，保障煤礦安全生產具有重要意義。現有比較有效的采動覆巖導水裂隙帶高度探測手段主要有鉆孔沖洗液漏失量法、鉆孔電視法以及電法或磁法探測等。在實際探測過程中，鉆孔沖洗液漏失量法和鉆孔電視法均需布設鉆孔，鉆孔成本高、周期長，且鉆孔是在破裂巖體中施工，塌孔、卡鉆時有發生，施工難度大。鉆孔電視法只能在井內無液或井液透明且沒有套管的鉆孔中使用，應用局限性較大。電法雖然施工簡單，費用較低。但是，由于存在一定的多解性，需要進一步加強定量模型的研究，以進行篩選校驗。磁法易受其他電磁場干擾，垂直分辨效果差，不具備動態效應，適用范圍也較小。技術實現要素：本發明的目的是，提供一種操作簡便快捷、探測成本低，探測結果精度高的基于應力監測的采動覆巖導水裂隙帶高度探測方法。本發明為實現上述目的所采用的技術方案是，一種基于應力監測的采動覆巖導水裂隙帶高度探測方法，其特征在于，包括以下步驟：第一步，依據煤系地層綜合柱狀圖獲取地層信息，所述地層信息包括工作面上覆各巖層的巖性、厚度和容重基礎數據；第二步，按下式(1)計算出工作面上覆地層的自重應力σ0：上式(1)中：σ0：上覆地層的自重應力；n：地層編號，由煤層頂板向地表依次增大；γi：第i層巖層的容重；hi：第i層巖層的厚度；第三步，以采煤工作面走向和傾向中線交叉點為起點，沿工作面傾向方向，在采煤工作面頂板斷裂之前，在煤層底板上，以工作面基本頂周期來壓步距為間距，埋設一排壓力傳感器，壓力傳感器數量至少為3個，并分別用信號傳輸線將各壓力傳感器與采集系統進行通訊連接；上述各壓力傳感器的規格型號相同，各壓力傳感器的量程均按計算所得的工作面上覆地層的自重應力σ0的1.2-1.8倍，取整數之后進行匹配選擇；第四步，隨著工作面向前推進，當采空區上方的各巖層在自重應力的作用下斷裂直至垮落，垮落的各巖層的重力作用在煤層底板上，經由相應的各壓力傳感器檢測并實時傳送至數據采集系統；第五步，待采集系統采集到的各壓力傳感器所傳送來的壓力信號穩定后，找出各壓力傳感器中壓力數值讀數最大值σmax，并按下式(2)計算出覆巖導水裂隙帶的發育層位m：上式(2)中：m:覆巖導水裂隙帶的發育層位；γi：第i層巖層的容重；hi：第i層巖層的厚度；第六步，按下式(3)計算出覆巖導水裂隙帶的發育高度H：上式(3)中：hi：第i層巖層的厚度。上述技術方案直接帶來的技術效果是，采用簡單的技術手段，將采動覆巖導水裂隙帶高度探測這一費時費力復雜的操作過程，簡化成應力監測(靠傳感器檢測、獲取壓/應力數據)并依據應力檢測結果反推算出具體的采動覆巖導水裂隙帶高度位置。即，采用在采煤工作面底板鋪設壓力傳感器對斷裂巖層自重應力進行監測，反推出覆巖導水裂隙帶的發育層位，進而獲得所測礦井采動覆巖導水裂隙帶高度。上述技術方案，較好地解決了現有導水裂隙帶高度探測技術中存在的成本高、工期長和精確低的技術難題。不難看出，上述技術方案具有探測結果精度高，所需時間短、施工快捷、操作簡便、探測成本低，具有良好的實用性。需要說明的是，上述技術方案中，壓力傳感器之所以按照“以采煤工作面走向和傾向中線交叉點為起點，沿工作面傾向方向，在采煤工作面頂板斷裂之前，在煤層底板上，以工作面基本頂周期來壓步距為間距，成一排埋設至少3個壓力傳感器，并分別用信號傳輸線將各壓力傳感器與采集系統進行通訊連接”的原則進行布置，而不是僅僅埋設1個，這主要是因為考慮到邊界效應的影響，可能會引起煤層頂板的不充分垮落，進而導致應力監測失效問題的出現。實際操作中，可根據具體情況，進行具體數量的選擇。即，可以根據需要在3個以上的合理范圍內進行合理選擇。優選為，壓力傳感器的量程按計算所得的工作面上覆地層的自重應力σ0的1.5倍，取整數之后進行匹配選擇。該優選技術方案直接帶來的技術效果是，我們的經驗表明，壓力傳感器的量程等于計算所得的工作面上覆地層的自重應力σ0的1.5倍時，具有更好地技術經濟性。這是根據斷裂巖梁與傳感器接觸瞬間對其的沖擊力、傳感器精度和經濟因素(傳感器量程越大，精度越低；精度越高，價格越高)進行合理選擇的。綜上所述，本發明相對于現有技術，具有精度高、簡單實用、省時省力、監測成本低等有益效果。附圖說明圖1為本發明實施例1的3個壓力傳感器監測到的壓力示數變化規律的曲線圖；圖2為本發明實施例1的壓力傳感器布設的平面結構示意圖。附圖標記說明：1、采空區，2、待開采的煤體，3、皮帶平巷，4、軌道平巷，5、工作面控頂區，6、工作面推進方向，7、壓力傳感器，8、信號傳輸線，9、采集系統。具體實施方式下面結合附圖和實施例，對本發明進行詳細說明。實施例1以某礦某工作面為例，依據其煤系地層綜合柱狀圖，獲取到的工作面上覆各巖層的巖性、厚度和容重基礎數據，見下表1。采動覆巖導水裂隙帶高度探測方法，步驟如下：1、計算工作面上覆11個地層的自重應力其中，σ0：上覆地層的自重應力；n：地層編號，由煤層頂板向地表依次增大，共計11個；γi：第i層巖層的容重；hi：第i層巖層的厚度。2、考慮斷裂巖梁與傳感器接觸瞬間對其的沖擊力、傳感器精度和經濟因素，實際選取自重應力的1.5倍為壓力傳感器的量程，即選取的壓力傳感器量程應為7.67MPa，由于傳感器量程一般為整數，因此選用的壓力傳感器量程為8MPa，精度為0.01MPa；3、如圖2所示，工作面的布局情況如下：圖中，左側為采空區1，右側為待開采的煤體2，待開采的煤體的上方為皮帶平巷3，待開采的煤體的下方為軌道平巷4；工作面與采空區鄰接的位置處為工作面控頂區5，工作面推進方向6從左向右推進。在采煤工作面頂板斷裂之前，沿工作面傾向，以采煤工作面走向和傾向中線交叉點為起點，沿工作面傾向方向，在采煤工作面頂板斷裂之前，在煤層底板上，以工作面基本頂周期來壓步距為間距，等間距埋設3個壓力傳感器7，壓力傳感器數量的編號分別為1#、2#和3#，并分別用信號傳輸線8將各壓力傳感器與采集系統9進行通訊連接；考慮到工作面基本頂周期來壓步距為13.6m，壓力傳感器的間距選為14m；用信號傳輸線將壓力傳感器與采集系統相連，工作面推過壓力傳感器埋設位置后，此處采空區上方的巖層在自重應力的作用下會產生斷裂，斷裂巖層的重力就會作用在壓力傳感器上，并將引起壓力傳感器示數的變化，利用采集系統對其進行實時采集，直至采集到的壓力傳感器的示數基本保持不變，3個壓力傳感器監測到的示數變化規律的曲線圖如圖1所示，具體數據見下表2。從圖1中可以看出，壓力傳感器的示數隨著時間呈現出先增大后穩定的趨勢。這是由于隨著采煤工作面的向前推進，埋設壓力傳感器位置處的采空區上方覆巖裂隙逐漸向上發育，作用在壓力傳感器上的斷裂巖層的高度也隨之增大，從而引起壓力傳感器中壓力示數的增加；當向前推進的距離使工作面達到較充分采動的狀態之后，埋設壓力傳感器位置處的采空區上方覆巖裂隙不再向上發育，作用在壓力傳感器上的斷裂巖層的高度也基本保持不變，壓力傳感器中壓力示數便呈現出一較穩定的狀態。4、待采集到的壓力傳感器的示數基本保持不變，選取所采集到的壓力傳感器中壓力示數最大值σmax＝1.55MPa，使用該最大值作為導水裂隙帶高度的計算依據。具體如下：由煤層頂板向地表依次疊加各個巖層的自重應力直至計算至第9層(即風氧化帶)，第9層即為覆巖導水裂隙帶的發育層位，則第1層至第9層巖層的累計厚度即為該礦某工作面覆巖導水裂隙帶的發育高度。煤礦開采后，該礦某工作面覆巖導水裂隙帶的發育高度實際測量的數值為65.85m。結果表明：本發明的方法所獲得覆巖導水裂隙帶的發育高度結果與實測結果的誤差約為1％，具有很高的精確度。表1工作面上覆各巖層巖性、厚度和容重統計表地層編號地層巖性厚度/m容重/(kg/m3)地層序號地層巖性厚度/m容重/(kg/m3)3煤614106中粒砂巖6.8625411泥巖7.5825067鋁質泥巖3.5822682砂質泥巖9.9024378中粒砂巖10.8125713中粒砂巖6.7525689風氧化帶9.5817694泥巖6.79237110粘土9.6421805粉砂巖3.29262211第四系1502231表23個壓力傳感器監測到的示數變化統計表說明：依據上述計算出的該某礦某工作面覆巖導水裂隙帶的發育高度，可知該工作面的覆巖導水裂隙帶發育至風氧化帶內。該結論對于后續的工作面實際開采作業的指導意義在于，施工人員將有針對性地，重點注意，雨季來臨時，頂板涌水量的變化情況，以提前做好頂板透水事故的預防措施。當前第1頁1 2 3