采动区域覆岩裂隙自修复程度的探测方法及其应用与流程

1.本发明涉及一种采动区域覆岩裂隙自修复程度的探测方法及其应用，属于煤炭开采领域。


背景技术：

2.煤炭开采引起上覆岩层发生移动破坏，覆岩自下而上依次形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，地表形成下沉盆地。在垮落带和裂隙带的岩层中存在上下贯通裂隙，形成导水裂隙带。煤层埋藏较浅的地区，煤炭开采后导水裂隙带将沟通含水层甚至地表，导致地下水漏失，降低地表植被生长所需的合理水位，造成地下水和地表生态系统破坏，岩层裂隙是这一系列问题的地质根源。岩层裂隙闭合或被充填(岩层自修复)将减小过水面积，增强岩层的隔水性，精准掌握煤炭的采后裂隙自修复程度对煤层开采区地下水恢复和地表生态修复有重要意义。
3.目前，关于岩层自修复的研究方法主要是：通过观测地表水文观测钻孔中地下水位的变化来间接判断岩层裂隙自修复情况；通过采用“大井法”预测工作面涌水量大小来间接判断岩层裂隙自修复情况；通过判断关键层结构存在形式来定性判断深部岩层裂隙的自修复程度。然而上述研究方法都存在一定的局限性，都是通过研究间接或定性的分析深部岩层裂隙的自修复程度。因此，本发明提出一种基于钻孔探测的覆岩裂隙自修复程度的研究方法，相比以往的研究方法具有直接、定量及易实现的优点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种采动区域覆岩裂隙自修复程度的探测方法，该方法采用高清摄像头成像，根据不同时间拍摄的岩层裂隙张开度的变化或裂隙被充填情况，用裂隙面积指标来定量表征岩层中裂隙的自修复程度，为西部生态脆弱区生态修复治理提供依据，该方法具有直接、定量、易实现的特点。
5.根据本发明的一个方面，本发明提供了一种采动区域覆岩裂隙自修复程度的探测方法，包括如下步骤：
6.s1确定采动区域的地表和覆岩结构情况；
7.s2在采动区域打用于探测覆岩裂隙的钻孔1；
8.s3在钻孔中安装套筒，并在套筒中下放摄像头；
9.s4通过摄像头拍摄获取岩体图像，进而获得第1次测定时该钻孔处测定深度范围内各覆岩裂隙的总张开面积s11总；
10.s5重复步骤s3-s4，获得第i次测定时该钻孔处测定深度范围内各覆岩裂隙的总张开面积s1i总；
11.s6计算获得第i次测定时该钻孔处覆岩裂隙的自修复程度r1i的数据：r1i＝(s11总-s1i总)/s11总。
12.根据本发明的一些实施方式，所述步骤s1包括：收集采动区域的地表和覆岩结构
数据，确定采动区域的地表和覆岩结构情况，进而确定待探测的区域及打孔区域。
13.根据本发明的一些实施方式，为了能在最大程度上探测到采动区域覆岩裂隙的自修复程度，至少需要在以下位置分别打孔探测：采动区域开切眼位置对应的地表区域，采动区域停采线位置对应的地表区域，采动区域两侧边位置对应的地表区域，采动区域中心位置对应的地表区域。
14.根据本发明的一些实施方式，所述步骤s2中钻孔的打孔深度根据所要探测的裂隙位置确定。
15.根据本发明的一些实施方式，所述步骤s3中的套筒的材质为高强度透明陶瓷材料。
16.根据本发明的优选实施方式，所述摄像头为可360
°
旋转的摄像头，例如为可360
°
旋转的高清摄像头。
17.根据本发明的优选实施方式，所述摄像头通过地面主机控制。
18.在一些具体的实施方式中，所述步骤s3包括：
19.(1)布置三脚架和存储数据的主机于钻孔处，信号传输线连接存储数据的主机和可360
°
旋转的高清摄像头；
20.(2)由三脚架上的滑轮将高清摄像头下放至钻孔导水裂隙带中的预定深度区域；
21.其中，高清摄像头防水、防撞击，避免钻孔中渗水及滑落岩块对其造成损伤。
22.根据本发明的优选实施方式，步骤s4包括：
23.4a控制摄像头旋转，摄取钻孔360
°
范围内的岩体图像；
24.优选地，在一些实施方式中，地面主机控制高清摄像头旋转，摄取钻孔360
°
范围内岩层中裂隙的岩体图像并由主机上的显示器查看探测孔中岩层裂隙的分布情况；
25.4b将岩体图像导出，通过岩体图像获得该钻孔测定深度范围内各覆岩裂隙的总张开面积s11总；
26.4c取出摄像头，对钻孔进行密封处理，以防止地表降水及异物进入。
27.根据本发明的优选实施方式，所述步骤4b包括：
28.b1根据岩体图像分别计算测定深度范围内各裂隙c1、c2、c3
……
cn-k
……
cn-1、cn的张开面积s1、s2、s3
……
sn-k
……
sn-1、sn；
29.b2根据各裂隙的张开面积获取测定深度范围内各覆岩裂隙的总张开面积s1总＝s1 s2 s3
……
sn-k
……
sn-1 sn。
30.根据本发明的优选实施方式，所述步骤b1包括：
31.(1)将摄像头所拍摄的圆柱形岩体图像展开为平面裂隙图像；
32.(2)用photoshop软件将平面裂隙图像转化为二维灰度图像，然后再用matlab软件将二维灰度图转化为二值图；
33.(3)将二值图中的每个裂隙放入二维坐标系中，用图像数字化软件getdata graph digitizer获取每个裂隙两个边界上足够数量点的坐标值；
34.(4)利用获得的裂隙边界上的点坐标求出裂隙两边界的函数表达式，边界曲线复杂用分段函数表示，上边界曲线分段函数f1(x)、f2(x)、
…fn
(x)，下边界曲线分段函数g1(x)、g2(x)、
…gn
(x)，则单个裂隙的面积s根据下式获得：
[0035][0036]
其中，x0、xn是裂隙两边界的端点坐标，x1到x
n-1
为函数f(x)的端点对应的x轴坐标，x
′1到x
′
n-1
为函数g(x)的端点对应的x轴坐标。
[0037]
根据本发明的优选实施方式，所述方法还包括：
[0038]
重复步骤s2-s6，在采动区域的其他位置打用于探测覆岩裂隙的钻孔2、钻孔3、钻孔4
……
钻孔a-2、钻孔a-1和钻孔a，并获得第i次测定时各钻孔处覆岩的自修复程度r2i、r3i、r4i、
……ra-2
i、r
a-1
i和rai的数据。
[0039]
在一些具体的实施方式中，在采动区域的其他位置打用于探测覆岩裂隙的钻孔2、钻孔3、钻孔4
……
钻孔a-2、钻孔a-1和钻孔a，在钻孔中安装套筒，并在套筒中下放摄像头，通过摄像头拍摄获取岩体图像，进而获得钻孔2、钻孔3、钻孔4
……
钻孔a-2、钻孔a-1和钻孔a处各覆岩裂隙的总张开面积s21总、s31总、s41总、
……sa-2
1总、s
a-1
1总、sa1总，以及获得第i次测定时钻孔2、钻孔3、钻孔4
……
钻孔a-2、钻孔a-1和钻孔a处各覆岩裂隙的总张开面积s2i总、s3i总、s4i总、
……sa-2
i总、s
a-1
i总、sai总，进而获得第i次测定时各钻孔处覆岩的自修复程度r2i、r3i、r4i、
……ra-2
i、r
a-1
i和rai数据。
[0040]
根据本发明的优选实施方式，每个区域打3个孔，最后的数据取各孔的平均值，优选3个钻孔之间间距为50m～80m，成三角形分布。以钻孔1对应的采动区域1处为例，例如在步骤s2中，当工作面推过采动区域1处后，在该采动区域1处打用于探测覆岩裂隙的钻孔11、钻孔12、钻孔13。在步骤s3中，在各钻孔中安装套筒，并在套筒中下放摄像头。在步骤s4中，通过摄像头拍摄获取岩体图像，进而分别获得第1次测定时钻孔11、钻孔12和钻孔13中预定深度范围内覆岩裂隙的总张开面积s
11
1、s
12
1、s
13
1。在步骤s5中，分别获得第i次测定时钻孔11、钻孔12和钻孔13中预定深度范围内覆岩裂隙的总张开面积s
11
i、s
12
i、s
13
i。在步骤s6中，分别计算获得第i次测定时钻孔11、钻孔12和钻孔13覆岩裂隙的自修复程度r
11
i、r
12
i和r
13
i的数据。则该采动区域处覆岩裂隙的自修复程度r1i＝(r
11
i r
12
i r
13
i)/3。
[0041]
同理可按照上述方法获得各钻孔处覆岩的自修复程度的平均值。
[0042]
例如，在采动区域的其他位置打用于探测覆岩裂隙的钻孔21、钻孔22、钻孔23、钻孔31、钻孔32、钻孔33、钻孔41、钻孔42、钻孔43
……
和钻孔a1、钻孔a2、钻孔a3，在各钻孔中安装套筒，并在套筒中下放摄像头，通过摄像头拍摄获取岩体图像，进而获得钻孔21、钻孔22、钻孔23、钻孔31、钻孔32、钻孔33、钻孔41、钻孔42、钻孔43
……
和钻孔a1、钻孔a2、钻孔a3处各覆岩裂隙的总张开面积s
21
1总、s
22
1总、s
23
1总、s
31
1总、s
32
1总、s
33
1总、s
41
1总、s
42
1总、s
43
1总
……sa1
1总、s
a2
1总、s
a3
1总，以及获得第i次测定时钻孔21、钻孔22、钻孔23、钻孔31、钻孔32、钻孔33、钻孔41、钻孔42、钻孔43
……
和钻孔a1、钻孔a2、钻孔a3处各覆岩裂隙的总张开面积s
21
i总、s
22
i总、s
23
i总、s
31
i总、s
32
i总、s
33
i总、s
41
i总、s
42
i总、s
43
i总
……sa1
i总、s
a2
i总、s
a3
i总，进而获得第i次测定时各钻孔处覆岩的自修复程度r2i、r3i、r4i、
……ra-2
i、r
a-1
i和rai数据。
[0043]
在一些具体的实施方式中，可以先统一打孔或随着工作面的推进先后逐次打孔，再获得各孔的面积及修复程度数据。例如先打用于探测覆岩裂隙的钻孔1、钻孔2、钻孔3、钻孔4
……
钻孔a-2、钻孔a-1和钻孔a，然后再分别获得自修复程度r1i、r2i、r3i、r4i、
……ra-2
i、r
a-1
i和rai数据。
[0044]
根据本发明的优选实施方式，所述钻孔的数量根据该区域的地表和地质数据确定。
[0045]
根据本发明的优选实施方式，根据各处钻孔覆岩的自修复程度r1i、r2i、r3i、r4i、
……ra-2
i、r
a-1
i和rai的值评价该采动区域一定深度处覆岩裂隙经过一定时间后的自我修复程度。
[0046]
根据本发明的优选实施方式，所述方法还包括：
[0047]
最终确定开采区域上覆岩层中裂隙自修复程度后，对探测钻孔使用水泥砂浆进行封堵。
[0048]
根据本发明的另一个方面，还提供了上述方法在煤炭开采中的应用。
[0049]
本发明的优点和有益效果如下：
[0050]
(1)该方法可实现对各种赋存状态岩层裂隙的观测，包括水平裂隙、垂直裂隙及倾斜裂隙。
[0051]
(2)该方法综合考虑了岩层裂隙张开度变化及岩层裂隙被充填两种岩层自修复的情况，可准确掌握岩层裂隙自修复程度。
[0052]
(3)该方法使得对采动覆岩自修复的精准研究从地表延伸到岩层深部。
[0053]
(4)该方法创新性使用了面积法定量描述深部采动覆岩的自修复程度，所获得结果准确、直接。
[0054]
(5)该方法研究采动覆岩自修复程度操作简单、直观且有较强的可实施性。
附图说明
[0055]
图1示出了根据本发明实施例1的探测方法的打孔布置图；
[0056]
图2示出了根据图1的a-a方向的剖面图；
[0057]
图3示出了覆岩裂隙的自修复示意图；
[0058]
图4示出了根据本发明方法的裂隙面积计算示意图；
[0059]
附图标记说明：1、钻孔1；2、钻孔2；3、钻孔3；4、钻孔4；5、钻孔5；6、地表；7、三脚架；8、滑轮；9、信号传输线；10、主机；11、摄像头；12、垮落带边界；13、导水裂隙带边界。
具体实施方式
[0060]
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
[0061]
如无特殊说明，本发明中所涉及的操作和处理方法属于本领域常规方法。
[0062]
如无特殊说明，本发明中所采用的仪器为本领域常规仪器。
[0063]
实施例1
[0064]
对某矿区采动覆岩裂隙自修复程度进行探测，所述方法步骤如下：
[0065]
a.确定采动区域的地表和覆岩结构情况，其中应在地表相对较平整的地方布置探测钻孔，避开居住区和沟壑；根据前期的地质资料确定含水层、隔水层等岩层岩性、层位、厚度等。
[0066]
b.在图1所示井下开采区域相对应的地表打直径为100mm岩层裂隙探测钻孔1-5，每号钻孔包括3个呈三角形的钻孔。钻孔1-5的打钻深度为80m，达到所需测定岩层裂隙位
置。
[0067]
c.钻孔中下放套筒，防止地应力作用下钻孔发生塌孔。为了便于拍摄岩层裂隙，套筒使用高强度透明陶瓷材料制作。
[0068]
d.布置三脚架(7)和存储数据的主机(10)于钻孔1处，信号传输线(9)连接存储数据的主机(10)和可360
°
旋转的高清摄像头(11)。
[0069]
e.由三脚架(7)上的滑轮(8)将高清摄像头(11)下放至钻孔1的其中一个钻孔中80m深处的隔水层裂隙带中的预定区域。
[0070]
f.地面主机(10)控制高清摄像头旋转，摄取钻孔360
°
范围内岩层中裂隙并由主机(10)上的显示器查看探测孔中岩层裂隙的分布情况。
[0071]
g.将高清摄像机摄取的钻孔中岩体图像进行保存并导出，做进一步处理。
[0072]
h.拍摄钻孔裂隙后，取出高清摄像机，并用水泥砂浆将钻孔口进行密闭处理，防治地表降水及异物进入，堵塞钻孔。
[0073]
i.根据高清摄像头拍摄的图像计算该钻孔测定位置高度1m范围内各裂隙c
11
1、c
11
2、c
113……c11
10的张开面积s
11
1、s
11
2、s
113……s11
10，则该钻孔中导水裂隙带预定区域裂隙张开总面积为s
11
1总＝s
11
1 s
11
2 s
11
3
……
s
11
10＝0.03m2。
[0074]
其中，获取单个裂隙面积的步骤包括：
[0075]
(1)将高清摄像头所拍摄的圆柱形图像展开为平面裂隙图像。
[0076]
(2)用photoshop软件将平面裂隙图像转化为二维灰度图像，然后再用matlab软件将二维灰度图转化为二值图。
[0077]
(3)将二值图中的每个裂隙放入二维坐标系中，用图像数字化软件getdata graph digitizer获取每个裂隙两个边界上足够数量点的坐标值。
[0078]
(4)利用获得的裂隙边界上的点坐标求出裂隙两边界的函数表达式，边界曲线复杂用分段函数表示，上边界曲线分段函数f1(x)、f2(x)、
…
fn(x)，下边界曲线分段函数g1(x)、g2(x)、
…
gn(x)，则单个裂隙的面积(如图4示例所示)：
[0079]
x0、xn是裂隙两边界的端点坐标，x1到xn-1为函数f(x)的端点对应的x轴坐标，x
′
1到x
′
n-1为函数g(x)的端点对应的x轴坐标。
[0080]
j.重复步骤e-i，获取探测并计算钻孔1的另外两个钻孔中80m深处的隔水层裂隙带中的预定区域裂隙张开总面积s
12
1总和s
13
1总分别为0.025m2、0.027m2。
[0081]
k.重复步骤d～j，探测并计算钻孔2-5的各钻孔中裂隙探测孔中导水裂隙带预定区域裂隙张开总面积s
21
1总(0.028m2)、s
22
1总(0.026m2)、s
23
1总(0.03m2)、s
31
1总(0.022m2)、s
32
1总(0.02m2)、s
33
1总(0.02m2)、s
41
1总(0.03m2)、s
42
1总(0.024m2)、s
43
1总(0.028m2)、s
51
1总(0.031m2)、s
52
1总(0.023m2)、s
53
1总(0.026m2)。
[0082]
l.每间隔一个月对岩层裂隙进行测定，重复步骤d～j计算此时各裂隙探测孔中导水裂隙带相同预定区域各裂隙经过9个月时间闭合或被充填后的张开总面积s
11
9总(0.0066m2)、s
12
9总(0.005m2)、s
13
9总(0.0046m2)；s
21
9总(0.0057m2)、s
22
9总(0.0065m2)、s
23
9总(0.007m2)；s
31
9总(0.0022m2)、s
32
9总(0.002m2)、s
33
9总(0.0023m2)；s
41
9总(0.007m2)、s
42
9总(0.0062m2)、s
43
9总(0.0054m2)；s
51
9总(0.0061m2)、s
52
9总(0.0046m2)、s
53
9总(0.0058m2)。
[0083]
计算钻孔1-5裂隙探测孔预定深度处岩层裂隙自修复程度，r19＝(r
11
9 r
12
9 r
13
9)/3＝80％、r29＝(r
21
9 r
22
9 r
23
9)/3＝77％、r39＝(r
31
9 r
32
9 r
33
9)/3＝90％、r49＝
(r
41
9 r
42
9 r
43
9)/3＝77％、r59＝(r
51
9 r
52
9 r
53
9)/3＝79％，说明1处至5处80m深度处岩层裂隙经过9个月分别自修复了80％、77％、90％、77％、79％。选择最终稳定后的张开面积进行最后岩层裂隙自修复程度计算。反映岩层裂隙自修复程度r值越大，说明岩层裂隙闭合程度或是被充填程度越大，则岩层隔水性越强，表明岩层裂隙自修复效果越好。
[0084]
m.最终确定开采区域上覆岩层中裂隙自修复程度后，对钻孔1-5使用水泥砂浆进行封堵。
[0085]
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。