采动煤层底板破坏深度监测方法与流程

1.本发明涉及煤层底板破坏深度监测技术领域，特别是涉及一种采动煤层底板破坏深度监测方法。


背景技术：

2.随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤矿开采正趋于深部化发展，目前我国煤炭开采深度以10～25m/a向下发展，全国采深超过800m的生产矿井已达138座，中东部主要产煤区浅部煤炭资源几近枯竭，其中1000m以上的深煤炭资源量占比煤炭资源总量的近53％。华北型煤田下组煤多数直接位于奥陶系灰岩含水层之上，面临强富水、高水压的回采条件。鄂尔多斯石炭二叠系煤田也逐渐进入到带压开采阶段，煤炭资源的安全开采受奥陶系灰岩水威胁日趋严重。大采深条件下，采动应力对围岩稳定性影响越发显著，煤层开采导致底板局部岩体发生塑性变形，甚至丧失阻隔水能力，底板含水层高承压水对底板递进导升破坏作用突出。相关技术中，煤层底板破坏深度监测方法较多，如水文地质钻孔探测法、钻孔分段注水试验法、应变测量法、声波ct探测法和坑透电法等，但受到现场条件的限制，各种监测方法均有一定的适用范围，监测内容相对较为单一，无法全面反映底板的破坏情况。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种采动煤层底板破坏深度监测方法，通过“点-线-面”的全空间、多参量的协同监测模式，可以将煤层底板分为导水破坏带、应力应变带和物性差异带，有助于分析煤层底板在采动时的受影响范围，更好地监测煤层底板的破坏情况，有助于制定科学的危险性预测、安全性预测以及水害防治方案。
4.本发明实施例提供一种采动煤层底板破坏深度监测方法，包括：
5.根据煤层底板回采前后的裂隙发育情况和导水性确定导水破坏带，根据所述煤层底板回采前后的应变变化情况确定应力应变带，根据所述煤层底板回采前后的物性变化情况确定物性差异带；
6.根据所述导水破坏带、所述应力应变带和所述物性差异带监测所述煤层底板在采动时的破坏深度。
7.根据本发明的一个实施例，所述根据煤层底板回采前后的裂隙发育情况和导水性确定导水破坏带，包括：
8.在回采工作面运输顺槽或者相邻工作面的辅运顺槽内设置多个第一监测钻孔；
9.回采前、后分别在每个所述第一监测钻孔内进行注水试验和钻孔窥视试验，得到多个第一破坏深度；
10.根据多个所述第一破坏深度确定所述导水破坏带。
11.根据本发明的一个实施例，所述根据所述煤层底板回采前后的应变变化情况确定应力应变带，包括：
12.在回采工作面运输顺槽或者相邻工作面的辅运顺槽内设置多个第二监测钻孔；
13.在采前至采后采用光纤持续监测每个所述第二监测钻孔内不同距离处的应变量，得到多个第二破坏深度；
14.根据多个所述第二破坏深度确定所述应力应变带。
15.根据本发明的一个实施例，所述根据所述煤层底板回采前后的物性变化情况确定物性差异带，包括：
16.在相邻工作面的顺槽内布置多个物探监测点；
17.回采前、后分别获取每个所述物探监测点的背景电阻率变化情况，得到多个第三破坏深度；
18.根据多个所述第三破坏深度确定所述物性差异带。
19.根据本发明的一个实施例，所述第一监测钻孔和所述第二监测钻孔设置在初次来压处和停采线处，所述第一监测钻孔和所述第二监测钻孔在每处至少设置2个。
20.根据本发明的一个实施例，所述物探监测点覆盖所述第一监测钻孔和所述第二监测钻孔的设置位置。
21.根据本发明的一个实施例，所述物探监测点的测点方向在垂直于工作面和垂直于工作面底板之间选取。
22.根据本发明的一个实施例，所述第一监测钻孔和所述第二监测钻孔的垂直孔深深于所述煤层底板的预计破坏深度，所述第一监测钻孔和所述第二监测钻孔的垂直孔深与所述预计破坏深度之间具有安全间距。
23.根据本发明的一个实施例，所述预计破坏深度根据岩层结构特征确定。
24.根据本发明的一个实施例，所述第一监测钻孔和所述第二监测钻孔在断层位置增设至少2个。
25.本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
26.本发明实施例提供的采动煤层底板破坏深度监测方法，包括以下步骤：首先根据煤层底板回采前后的裂隙发育情况和导水性确定导水破坏带，导水破坏带反映的是煤层底板的裂隙发育情况，属于已经具备导水能力的破裂区域。根据煤层底板回采前后的应变变化情况确定应力应变带，应力应变带是煤层底板受到较大影响的区域，该区域是煤层底板在采动作用下发育了微小裂隙但不具备导水能力的区域。根据煤层底板回采前后的物性变化情况确定物性差异带，物性差异带是煤层底板在受到采动影响后导电性和导磁性发生变化的区域，属于受到采动影响的区域。通过“点-线-面”的全空间、多参量的协同监测模式，可以将煤层底板划分为导水破坏带、应力应变带和物性差异带，有助于分析煤层底板在采动时的受影响程度，有助于监测煤层底板的破坏情况，有助于制定科学的危险性预测、安全性预测以及水害防治方案。
附图说明
27.图1为本发明实施例提供的采动煤层底板破坏深度监测方法的流程图一；
28.图2为本发明实施例提供的采动煤层底板破坏深度监测方法的流程图二；
29.图3为本发明实施例提供的采动煤层底板破坏深度监测方法的流程图三；
30.图4为本发明实施例提供的采动煤层底板破坏深度监测方法的流程图四；
31.图5为本发明实施例提供的采动煤层底板破坏深度监测方法的第一监测钻孔、第二监测钻孔以及物探监测点的布置图；
32.图6为本发明实施例提供的采动煤层底板破坏深度监测方法的矿井的a-a剖面图；
33.图7为本发明实施例提供的采动煤层底板破坏深度监测方法的物探监测点的监测方向示意图；
34.图8为煤层底板受采动影响的层次分带示意图；
35.图9为图8的局部放大图。
具体实施方式
36.为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，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，都属于发明保护的范围。
37.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。
39.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
40.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
41.相关技术中，煤层底板破坏深度的监测方法较多，如水文地质钻孔探测法、钻孔分段注水试验法、应变测量法、声波ct探测法和坑透电法等，但受到现场条件的限制，各种监测方法均有一定的适用范围，监测内容相对较为单一，无法全面反映底板的破坏情况。
42.根据本发明的一个实施例，请参阅图1至图9，包括以下步骤：
43.s100、根据煤层底板回采前后的裂隙发育情况和导水性确定导水破坏带，根据所述煤层底板回采前后的应变变化情况确定应力应变带，根据所述煤层底板回采前后的物性变化情况确定物性差异带。
44.可以理解的是，根据煤层底板回采前后的裂隙发育情况和导水性确定导水破坏带，导水破坏带反映的是煤层底板的裂隙发育情况，导水破坏带已经丧失了阻水能力，存在较大的突水可能性。导水破坏带与承压水导升带以及承压含水层连通时，将会带来较大的安全隐患，风险较大，应当重点监测。
45.根据煤层底板回采前后的应变变化情况确定应力应变带，应力应变带是煤层底板受到较大影响的区域。该区域在采动作用下发育了微小裂隙但不具备导水能力，突水的可能性较低，但是随着煤层底板裂隙的进一步发育，应力应变带存在进一步恶化的风险，应当重点监测。
46.根据煤层底板回采前后的物性变化情况确定物性差异带，物性差异带是煤层底板在受到采动影响后导电性和导磁性发生变化的区域，属于扰动区域。在该区域内岩层裂隙发育较少或者破坏的风险较低，监测该区域，可以深入了解煤层底板的安全边界。
47.s200、根据所述导水破坏带、所述应力应变带和所述物性差异带监测所述煤层底板在采动时的破坏深度。
48.可以理解的是，本发明在煤层底板中划分出导水破坏带、应力应变带以及物性差异带，进而实现对煤层底板的破坏深度监测，监测覆盖的范围更广。
49.导水破坏带属于已经具备导水能力的破裂区域，而应力应变带属于属于微小裂隙发育的区域，虽然不具有导水能力，但是随着煤层底板裂隙的进一步发育，存在进一步恶化的风险。物性差异带是煤层底板在受到采动影响后的扰动区域，监测该区域可以深入了解煤层底板的安全边界。通过对导水破坏带、应力应变带以及物性差异带的监测，可以得知煤层底板的潜在风险，有助于制定科学的危险性预测、安全性预测以及水害防治方案。
50.需要说明的是，监测煤层底板裂隙发育情况是通过点式静态的方法获取，监测煤层底板应变变化情况是通过线式动态的方式获取，监测煤层底板的物性变化情况是通过面式静态的方法获取，因此本发明实施例可以实现“点-线-面”全空间多参量协同监测。
51.在一些实施例中，根据煤层底板回采前后的裂隙发育情况和导水性确定导水破坏带，包括：
52.s112、在回采工作面运输顺槽或者相邻工作面的辅运顺槽内设置多个第一监测钻孔。
53.s114、回采前、后分别在每个所述第一监测钻孔内进行注水试验和钻孔窥视试验，得到多个第一破坏深度。
54.s116、根据多个所述第一破坏深度确定所述导水破坏带。
55.可以理解的是，第一监测钻孔设置在回采工作面运输顺槽或者相邻工作面的辅运顺槽内，通过在第一监测孔内进行注水试验和钻孔窥视试验，可以得到煤层底板的裂隙发育情况。
56.在一些实施例中，为了提升监测结果的真实性，第一监测钻孔需要设置在具有代表性的位置。根据相关理论分析以及以往的监测数据，煤层的初次来压处和停采线处存在
应力集中的情况，煤层底板所承受的应力较为集中，煤层底板的破坏情况较严重。
57.在煤层的初次来压处和停采线处设置第一监测钻孔，第一监测钻孔具有良好的代表性，能够反映煤层底板的破坏深度。为了避免出现偶然误差，每个监测位置设置至少2个第一监测钻孔。
58.在一些实施例中，开展注水试验和钻孔窥视试验时包括以下内容：
59.煤层回采前在初次来压处和停采线处设置第一监测钻孔，采用双端堵水装置和钻孔窥视仪对第一监测钻孔的注水量q1和原生裂隙发育程度进行监测。待回采推过该第一监测钻孔5天后，再次采用双端堵水装置和钻孔窥视仪对第一监测钻孔的注水量q2和采动裂隙发育程度进行监测。
60.采动影响的煤层底板破坏深度以渗透系数增量
△
k*为依据进行判断。当第一监测钻孔内某标高处的岩层渗透系数增量
△
k*≥0.2m/d时，认定第一监测钻孔内该标高处的煤层底板的岩体破坏。第一监测钻孔的孔口所对应的标高为h2，第一监测钻孔内岩体破坏最深处对应的标高为h1，由此可以得到煤层底板的破坏深度为h
注
。
[0061][0062]
其中：
△
k*为某深度处岩体渗透系数增量，单位m/d；k1*为该处岩体回采前的渗透系数，单位m/d；k2*为该处岩体回采后的渗透系数，单位m/d；q1为该处岩体回采前的渗透注水量，单位m3/d；q2为该处岩体回采后的渗透注水量，单位m3/d；α*为系数，α*的取值在0.83～1.18之间，本次取0.83；p*为孔底水压，单位m(水注高)；l*为注水段长度，单位m。
[0063]
由上述可知：
[0064]h注
＝h
2-h1[0065]
与此同时，通过钻孔窥视试验监测第一监测钻孔内岩层的采动裂隙发育特征。对回采前、后第一监测钻孔内岩层裂隙数量和宽度进行统计分析，将同时满足以下三个条件时的岩层作为h
裂
：
[0066]
(a)裂隙数量达到10条/m；
[0067]
(b)倾角大于50
°
的裂隙超过总量的50％；
[0068]
(c)裂隙的平均宽度达到20mm。
[0069]
综合注水试验和钻孔窥视试验，取其最大值作为煤层底板的第一破坏深度h1，则h1＝max(h
注
，h
裂
)。
[0070]
在初次来压处和停采线处分别设置有多个第一监测钻孔，根据不同第一监测钻孔可以计算出多个位置的第一破坏深度h1，进而确定导水破坏带的轮廓。
[0071]
在一些实施例中，根据所述煤层底板回采前后的应变变化情况确定应力应变带，包括：
[0072]
s122、在回采工作面运输顺槽或者相邻工作面的辅运顺槽内设置多个第二监测钻孔。
[0073]
s124、在采前至采后采用光纤持续监测每个所述第二监测钻孔内不同距离处的应变量，得到多个第二破坏深度。
[0074]
s126、根据多个所述第二破坏深度确定所述应力应变带。
[0075]
可以理解的是，第二监测钻孔设置在回采工作面运输顺槽或者相邻工作面的辅运
顺槽内，可以对煤层底板进行线式动态监测。
[0076]
在一些实施例中，为了提升监测结果的可靠性，第二监测钻孔的设置位置需要具有代表性。根据相关理论分析以及以往的检测数据表明，煤层工作面的初次来压处和停采线处存在应力集中的情况，煤层底板所承受的应力较大，煤层底板的破坏情况较严重。因此在煤层的初次来压处和停采线处设置第二监测钻孔，能够体现煤层底板存在风险的范围。为了避免出现偶然误差，每个监测位置设置至少2个第二监测钻孔。
[0077]
在一些实施例中，在煤层底板中确定应力应变带时包括以下内容：
[0078]
煤层回采前在初次来压处和停采线处设置第二监测钻孔，即分布式光纤探测孔，将光纤注浆封堵在第二监测钻孔内。在回采前开始监测，一直持续到回采推过第二监测钻孔一定距离。监测在不同推进度下煤层底板不同深度处的光纤变形参数，即应变值ε。
[0079]
距离煤层底板较近的岩层受到采动影响较大，而其下部岩层在层间差异变化，可以解释为扰动特征。在实验室内获得不同岩性岩石发生破坏时的应变值为基准，弹性模量较小的岩层(如泥岩、煤岩、砂质泥岩等)在应变值
±
400με时发生破坏，弹性模量较大的岩层(如砂岩、灰岩等)在应变值达到
±
1000με时发生严重破坏。将监测到的煤层底板岩层的应变值ε与基准值对比分析，当应变值ε大于等于基准值时判定该深度处的岩层发生采动变形及破坏。第二监测钻孔的孔口所对应的标高为h4，第二监测钻孔内岩体破坏最深处对应的标高为h3，由此可以得到煤层底板的扰动破坏深度为h2，则h2＝h
4-h3。
[0080]
在初次来压处和停采线处设置有多个第二监测钻孔，根据不同第二监测钻孔可以计算出多个位置的第二破坏深度h2，进而确定应力应变带的轮廓。
[0081]
在一些实施例中，根据所述煤层底板回采前后的物性变化情况确定物性差异带，包括：
[0082]
s132、在相邻工作面的顺槽内布置多个物探监测点。
[0083]
s134、回采前、后分别获取每个所述物探监测点的背景电阻率变化情况，得到多个第三破坏深度。
[0084]
s136、根据多个所述第三破坏深度确定物性差异带。
[0085]
可以理解的是，在相邻工作面的顺槽内布置多个物探监测点，可以通过面式静态的方式获取煤层底板的物性差异带。物性差异带是煤层底板在受到采动影响后导电性和导磁性发生变化的区域，属于受到采动影响的区域。该区域内岩层裂隙发育较少或者破坏的风险较低，监测该区域，可以深入了解煤层底板的安全边界。
[0086]
在一些实施例中，物探监测点的位置覆盖第一监测钻孔和第二监测钻孔的位置，监测结果的代表性较好，能够体现煤层底板的破坏深度以及存在风险的范围。
[0087]
第三破坏深度反映的是采动后岩体导电性和导磁性的差异变化，获取的采动影响范围超过应力应变带的范围。在第三破坏深度h3至第二破坏深度h2之间，岩体受到了采动的影响，但是尚未发生破坏，可以作为安全边界，有助于制定科学的危险性预测、安全性预测以及水害防治方案。
[0088]
在一些实施例中，物探监测点的测点方向在垂直于工作面和垂直于工作面底板之间选取。
[0089]
需要说明的是，工作面为煤层开采的作业面，垂于工作面的方向即朝向作业面的方向，工作面底板就是煤层底板与煤层交接位置处的平面。物探监测点的测点方向涵盖煤
层下方的煤层底板，有助于了解煤层底板在采动时受到的影响。
[0090]
在一些实施例中，物探监测点的测点方向在0
°
(垂直于工作面)、15
°
、30
°
、45
°
、60
°
、75
°
以及90
°
(垂直于工作面底板)之间适当选取。
[0091]
可以理解的是，物探监测点的测点方向不限于上述集中，可以根据岩层的构造特征选取更合适的角度。
[0092]
在一些实施例中，通过背景电阻率变化情况确定物性差异带包括以下内容：
[0093]
回采前利用瞬变电磁法在工作面相邻巷道进行电磁场的采集作业，获取煤层底板在采前的物性分布特征，包括背景电阻率值(用视电阻率ρ
s原
表示)。在工作面回采结束后，再次采用瞬变电磁法获取煤层底板采后物性分析特征(用视电阻率ρ
s后
表示)。绘制岩层电阻率值的相对变化量δρ等值线图，将δρ大于背景电阻率值3～5倍及以上作为煤层底板岩层变形与破坏划分依据，即δρ≥(3-5)ρ
s原
作为煤层底板变形与破坏的划分依据。物探监测点所在位置的标高为h6，岩层符合变形与破坏标准时最深处的标高为h5，由此得到煤层底板的第三破坏深度h3，则h3＝h
6-h5。
[0094]
在相邻工作面的顺槽内布置多个物探监测点，可以得到煤层底板不同位置处的第三破坏深度h3，多个第三破坏深度h3可以勾勒出物性差异带的轮廓。
[0095]
可以理解的是，根据煤层底板的裂隙发育情况、应变变化情况以及物性变化情况划分出来的导水破坏带、应力应变带以及物性差异带依次向煤层底板的深处延伸，即存在h1＜h2＜h3。本发明提供的采动煤层破坏深度监测方法的监测范围大于传统的采动导水破坏带，涵盖了局部底板完整隔水带，有助于确定煤层底板采动影响的边界，有助于制定科学的危险性预测、安全性预测以及水害防治方案。
[0096]
为了提高煤层底板监测时的准确性，第一监测钻孔和第二监测钻孔的垂直孔深尽可能深，避免监测不到位的情况发生。但是钻孔深度较大时会增加监测成本，同时还会降低监测的效率。因此设计第一监测钻孔和第二监测钻孔的垂直孔深时，需要结合理论计算以及实践经验来确定。
[0097]
在一些实施例中，第一监测钻孔和第二监测钻孔的垂直孔深深于预计破坏深度，第一监测钻孔和第二监测钻孔的垂直孔深与预计破坏深度之间具有安全间距。
[0098]
可以理解的是，第一监测钻孔和第二监测钻孔的垂直孔深超过煤层底板可能存在的破坏深度，覆盖了煤层底板受到影响的范围。安全间距的设定根据煤层底板的岩性确定，增设了安全间距后，不仅可以避免出现监测不到位的情况，还避免了钻孔过深影响监测效率的情况。
[0099]
在一些实施例中，安全间距的长度为10m。
[0100]
可以理解的是，安全间距的设定可以根据煤层底板的岩性确定。在煤层底板岩性较好时，安全间距可以设定较小的数值，在煤层底板的岩性较差时，安全间距需要设定较大的数值。
[0101]
在一些实施例中，预计破坏深度根据矿井已有的实测数据进行估计。
[0102]
可以理解的是，矿井已有的实测数据能够很好地反映煤层底板及其附近的地质构造及岩性特征，具有代表性。
[0103]
在一些实施例中，预计破坏深度可以根据岩层的结构特征计算得到。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的规定，预计破坏深度可以通过以下
方式计算：
[0104]
h＝0.0085h 0.1665α 0.1079l-4.3579
[0105]
式中：h为埋深，单位m；α为地层倾角，单位(
°
)；l为工作面长度，单位m。
[0106]
需要说明的是，预计破坏深度还可以通过以下方式计算：
[0107]
h＝0.007 0.1079l或h＝0.294l
0.81
[0108]
式中：l为工作面倾斜长度，单位m。
[0109]
煤层底板在地质构造运动中可能存在断层等情况，断层对于煤层底板的阻水性能造成严重的影响，需要重点监测。
[0110]
在一些实施例中，第一监测钻孔和第二监测钻孔在断层处至少增设2个。
[0111]
可以理解的是，在断层处增设第一监测钻孔和第二监测钻孔，可以对断层处的裂隙发育情况和应变变化情况进行监测。煤岩底板在断层处破坏严重时，需要重点防护，降低了煤岩底板沿着断层突水的风险。
[0112]
综上所述，本发明实施例提供的采动煤层底板破坏深度监测方法，包括以下步骤：首先根据煤层底板回采前后的裂隙发育情况和导水性确定导水破坏带，导水破坏带反映的是煤层底板的裂隙发育情况，属于已经具备导水能力的破裂区域。根据煤层底板回采前后的应变变化情况确定应力应变带，应力应变带是煤层底板受到较大影响的区域，该区域是煤层底板在采动作用下发育了微小裂隙但不具备导水能力的区域。根据煤层底板回采前后的物性变化情况确定物性差异带，物性差异带是煤层底板在受到采动影响后导电性和导磁性发生变化的区域，属于受到采动影响的区域。通过“点-线-面”的全空间、多参量的协同监测模式，可以将煤层底板划分为导水破坏带、应力应变带和物性差异带，有助于分析煤层底板在采动时的受影响程度，有助于监测煤层底板的破坏情况，有助于制定科学的危险性预测、安全性预测以及水害防治方案。
[0113]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。