一种富含水地层采动岩层内部移动的地面双裸孔联合监测方法与流程

1.本发明涉及一种采动岩层内部移动的监测方法，尤其适用于富含水地层矿山开采后上覆岩层运动的监测。


背景技术：

2.矿山开采后上覆岩层或岩体的移动破坏是引起井下剧烈矿压、突水、地表塌陷等一系列矿井灾害与环境问题的根源。开展采动之后上覆岩层移动监测，是掌握岩层移动规律和解决由采动引起的一系列采动损害问题的基础。开展岩层移动的工程实际监测是验证理论正确性、提高灾害防范效果的重要手段。
3.岩层运动的工程实际监测通常采用地面施工钻孔，在钻孔内部不同岩层层位安装锚爪测点，锚爪测点固定在钻孔孔壁之后，通过钢丝绳连接到孔口，并与采集仪器连接，实现内部运动的监测。目前的监测方法均需要施工裸孔，即内部不封孔的中空钻孔。裸孔主要可提供传输钢丝绳的自由活动空间。因此，采用地面裸孔开展岩层移动监测是一种重要方式。然而，煤层开采之后，上覆岩层会发生移动和破坏，在岩层内形成裂隙和不同程度的断裂。根据地层破裂程度的差异，在采矿工程领域，将上覆岩层由下往上划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。其中冒落带和裂隙带合起来又称作导水裂隙带，是煤层开采后顶板水、气运移和流动的主要区域。如果地层中含有富水性较强的含水层，且含水层与导水裂隙带沟通，则会引起工作面明显出水现象。因此，岩层运动监测中，需要考虑富含水层条件的特殊性，防范监测钻孔成为导水裂隙带与含水层沟通的通道是富含水层条件下岩层运动监测的关键。
4.常规的岩层移动监测钻孔在施工完成之后，通常是在裸孔孔壁上安装监测仪器，不进行封孔处理。对于浅埋煤层来讲，导水裂隙带可能会直接发育至地面，裂隙带必然会与含水层联通，这种情况下进行监测具有较大的顶板水害风险，通常情况下不建议开展此类监测。但是对于地层中存在富含水性含水层且处于导水裂隙带高度以上的情况来讲，采用一个钻孔且不封孔的裸孔监测方式，必然会存在富含水性含水层与导水裂隙带通过中空钻孔连通进而引起井下突水的重大安全隐患。所以，在富水性较强的含水层条件下开展岩层内部移动监测，既要考虑如何满足监测目的，又要保障工作面不发生因监测钻孔导通含水层而引发的安全问题。


技术实现要素：

5.针对上述问题和现有方法的不足之处，提供一种针对地层中存在富水性较强的含水层时采动岩层移动的地面钻孔监测方法，在满足监测目标的基础上，通过尽可能小的孔径和孔深，实现裸孔中的安全监测，避免引起次生的水患问题，从而扩展钻孔内部岩层移动监测的适用范围。
6.为实现上述技术目的，本发明的一种富含水地层采动岩层内部移动的地面双裸孔
联合监测方法，其步骤如下：
7.a.在即将回采的工作面的上方地表，选择岩层移动监测位置，布置2个紧邻的垂直监测钻孔，监测钻孔均为裸孔，编号为裸孔a和裸孔b；
8.优选的，步骤a中，两个紧邻的垂直监测钻孔孔口的直线间隔距离s大于5m，但小于等于10m；监测钻孔孔口高程差别小于0.3m。
9.优选的，步骤a中，监测钻孔在钻进施工过程中，每钻进50m进行一次钻孔偏斜纠正，控制监测钻孔每百米偏斜不大于0.3
°
。
10.b.根据监测钻孔位置的煤层厚度m、煤层埋深hc、需要防控的富含水层的底界深度hs和岩性，确定导水裂隙带的发育高度hd；裸孔a为导水裂隙带以上弯曲下沉带岩层运动的监测钻孔，据此确定裸孔a的施工深度ha为煤层埋深hc减去导水裂隙的发育高度hd，再减去将导水裂隙带与富含水层的底界相隔离的保护段厚度h，h通常可取20m，即ha＝hc
‑
hd
‑
h；确定裸孔b为导水裂隙带范围内岩层运动的监测钻孔，最大深度可达到需要监测的最深部岩层埋深hz，一般是导水裂隙带底界面埋深，导水裂隙带以上岩层放置套管阻隔富含水层，不设置监测点；
11.c.监测钻孔的裸孔段直径根据放置的孔内监测仪器外径d确定，d一般为30
‑
40mm，确定裸孔段直径d大于等于孔内监测仪器外径d的2.5倍，但监测钻孔的裸孔段直径d一般不大于120mm；
12.d.裸孔a为全段裸孔；导水裂隙带范围内岩层运动监测钻孔，即裸孔b，分为i、ii两段，从孔口钻进开始，至需要防控的富含水层的底界深度hs以深10m的范围段为i段，在i段钻孔内放入套管隔绝含水层，以下至孔底为ii段；
13.优选的，步骤d中，i段钻孔直径为d
l
，选用套管内径dt0等于ii段裸孔直径d，套管外径dt1为套管内径dt0加上壁厚b，d
l
大于dt1至少50mm；采用水泥浆凝固套管外壁与钻孔之间的环形空间，待凝固72小时之后，再向下施工直径为d的裸孔ii段至深度hz。
14.优选的，步骤d中，封固套管所用水泥浆由松散干水泥与水混合而成，松散干水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5r，水泥浆的水灰比为0.55:1。
15.e.分别在裸孔a和裸孔b中的裸孔段安装若干个孔内监测仪器，将连接孔内监测仪器的钢丝绳引至各监测钻孔孔口，通过孔口带支架的导向滑轮、引导槽，将钢丝绳引至孔口联合采集箱内，连接孔口联合采集箱内的采集编码器，采集编码器通过数据线与数据存贮、显示屏连接；
16.f.工作面回采过程中，进行岩层移动监测。
17.通过上述方式完成钻孔内数据的采集，实现岩层运动信息的双裸孔联合监测。
18.本发明的有益技术效果为：本方法可以实现富含水地层采动岩层内部移动监测的目的，通过双裸孔分别监测不同段的岩层运动方式，实现对整个地层不同层位的监测目标。同时对于目前常出现的地层富含水条件，同样可以实现不同深度岩层运动的监测，避免了单一裸孔监测中需要孔径大、施工时间长、钻孔费用高的问题，更重要的是可以避免由于岩移监测而增加井下工作面突水安全风险的问题，实现了经济性、安全性的统一。
附图说明
19.图1是垂直双裸孔布置图(剖视图)；
20.图2是图1中垂直双裸孔部分放大图；
21.图3是双裸孔岩层内部移动数据联合监测装置；
22.图中，(a)俯视图；(b)剖面图；
23.图中:1
‑
裸孔a；2
‑
裸孔b；3
‑
导水裂隙带；4
‑
断裂带；5
‑
弯曲下沉带；6
‑
富含水层；7
‑
孔内监测仪器(即孔内监测点)；8
‑
水泥浆凝固体；9
‑
钢丝绳；10
‑
孔口联合采集箱；11
‑
带支架的导向滑轮；12
‑
引导槽；13
‑
采集编码器；14
‑
数据线；15
‑
数据存贮、显示屏。
具体实施方式
24.下面结合附图对具体钻孔实例作进一步的描述：
25.一种富含水地层采动岩层内部移动的地面双裸孔联合监测方法，步骤如下：
26.如图1
‑
2所示，a.在即将回采的工作面上方选择监测钻孔位置，监测钻孔包括紧邻的垂直裸孔a1、裸孔b 2；两个紧邻的垂直监测钻孔孔口的直线间隔距离s大于5m，但小于等于10m；监测钻孔孔口高程差别小于0.3m；监测钻孔在钻进施工过程中，每钻进50m进行一次钻孔偏斜纠正，控制监测钻孔每百米偏斜不大于0.3
°
。
27.b.假设监测钻孔位置处的煤层厚度m为4m、煤层埋深hc为500m、需要防控的富含水层6的底界深度hs为300m，岩性为中硬岩层，确定导水裂隙带3的发育高度hd为45.6m。裸孔a为导水裂隙带3以上弯曲下沉带5岩层运动的监测钻孔，裸孔a的施工深度ha为煤层埋深hc减去导水裂隙的发育高度hd，再减去将导水裂隙带3与富含水层6的底界相隔离的保护段厚度，此处取20m，则ha＝500
‑
45.6
‑
20＝434.4m。裸孔b为导水裂隙带3范围内岩层运动的监测钻孔，最大深度可达到需要监测的最深部岩层埋深hz为480m，一般是断裂带4的底界面埋深，导水裂隙带3以上富含水层6受套管保护影响，不设置监测点。
28.c.监测钻孔内放置的孔内监测仪器7外径约40mm，裸孔段直径d大于等于孔内监测仪器7外径d的2.5倍，即至少为100mm，但裸孔段直径d一般不大于120mm；
29.d.监测钻孔施工时，裸孔a为全段裸孔；导水裂隙带3范围内岩层运动的监测钻孔，即裸孔b需要分为i、ii两段，从孔口钻进开始，富含水层6的底界深度300m以深10m的范围段为i段，即i段孔深310m，以下至孔底为ii段。i段钻孔直径为d
l
，并在i段钻孔内放入套管隔绝含水层，选用套管内径dt0与ii段裸孔直径一致，为100mm。套管外径dt1为套管内径dt0加上壁厚b，一般套管壁厚8mm，则dt1为116mm，d
l
大于dt1至少50mm，则至少为166mm。采用水泥浆凝固套管外壁与钻孔之间的环形空间，待孔内水泥浆凝固72小时之后，形成水泥浆凝固体8，使套管稳定，再向下施工直径为100mm的裸孔ii段，即孔深434.4m到孔深480m段；封固套管所用水泥浆由松散干水泥与水混合而成，松散干水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5r，水泥浆的水灰比为0.55:1；
30.如图1
‑
3所示，e.分别在裸孔a和裸孔b中的裸孔段安装若干个孔内监测仪器7，将连接孔内监测仪器7的钢丝绳9引至各监测钻孔孔口，通过孔口带支架的导向滑轮11、引导槽12，将钢丝绳9引至孔口联合采集箱10内，连接孔口联合采集箱10内的采集编码器13，采集编码器13通过数据线14与数据存贮、显示屏15连接；
31.f.工作面回采过程中，进行岩层移动监测。
32.通过上述方式完成钻孔内数据的采集，实现岩层运动信息的双裸孔联合监测。