一种煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置及方法与流程

1.本发明涉及煤炭开采领域，具体的，涉及一种煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置及方法。


背景技术：

2.煤炭开采后，在不同开采水平形成了大量的开采空区，随着开采对上覆岩层扰动的结束，采空区趋于稳定，形成了较大的空隙空间，为矿井水储存提供了空间条件。煤矿地下水库是对开采形成的采空区加以改造(通过浇筑的人工坝体将采空区周边的不连续的煤柱连着成一完整连续的坝体)形成地下储水空间。由此可见煤矿地下水库技术的核心就是保证矿井水在煤矿采空区中能够存得住，所以煤矿采空区底板裂隙发育程度就成为煤矿地下水库选址的重要指标之一。
3.关于采空区围岩裂隙的探测，相关学者开展了大量研究，目前形成了多种探测方法，大致可以分为直接法和间接法，其中：直接法是通过在现场打钻，在钻孔中采用钻孔窥视或声波探测法，可以直观形象的了解围岩裂隙发育情况；间接法是利用矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、无线电波透视法、矿井高分辨率地震勘探等探测技术对围岩裂隙发育程度进行探测。但是上述两种方法都存在一些不足：如直接法所探测的区域必须尚未封闭，人员能够直接到达，且无法做到实时动态跟踪探测；而间接法虽然不需要亲临探测区域，但是探测精度误差较大，尤其是对采空区底板裂隙的探测，由于采空区冒落岩体的干扰，间接法更加不合适底板裂隙，且该方法同样不便于实时动态跟踪探测。
4.煤矿地下水库技术所利用的煤矿采空区，在煤炭开采后即进入封闭状态，人员和设备很难进入，而采空区底板的裂隙发育状态又后续煤矿地下水库建设过程中的一个重要参数，针对现有技术中的问题，本发明提供了一种能够在煤炭回采结束后对采空区底板的裂隙发育情况进行实时动态跟踪探测的煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置及方法。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的问题，本发明提出了一种煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置及方法，能够在煤炭回采结束后对采空区底板的裂隙发育情况进行实时动态跟踪探测。
6.第一方面，本发明提供了一种煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置，包括供水装置、若干个输水管路、若干个注水管，若干个所述输水管路分别与所述供水装置连通，若干个所述注水管与若干个所述输水管路一一对应连通，其中，回采巷道的底板上挖设有埋管沟槽，所述输水管路埋设在所述埋管沟槽内，所述回采巷道一侧的回采工作面上设置有若干个钻场，每个所述钻场内设置有若干个注水钻孔，每个所述注水钻孔内对应设置一个所述注水管。
7.在一个实施方式中，每个所述注水钻孔内均设置有封孔器，所述封孔器用于防止所述注水管注入所述注水钻孔内的水从孔口溢出。
8.采用上述实施方式的有益效果是：封孔器的设置，用于防止所述注水管注入所述注水钻孔内的水从孔口溢出。
9.在一个实施方式中，所述供水装置包括水箱、进水管和若干个出水管，所述进水管与所述水箱连通，若干个所述出水管均与所述水箱的底部连通，若干个所述出水管与若干个所述输水管路一一对应连通，每个所述出水管上均设置有出水阀门和流量计。
10.采用上述实施方式的有益效果是：流量计的设置，能够准确测量相应出水管的流量数据。
11.在一个实施方式中，所述水箱上设置有溢流口，所述溢流口用于保证水箱里的水面高度不超出预设水头。
12.采用上述实施方式的有益效果是：溢流口的设置，用于保证水箱里的水面高度不超出预设水头。
13.在一个实施方式中，所述注水钻孔与所述底板的上表面之间夹角设置，所述注水钻孔孔口的位置低于所述底板的上表面。
14.采用上述实施方式的有益效果是：避免影响回采工作面的回采。
15.在一个实施方式中，若干个所述注水钻孔之间等间距设置且相互平行。
16.采用上述实施方式的有益效果是：使测试数据更加准确、可靠。
17.在一个实施方式中，还包括外套管，其套设在所述输水管路外，所述外套管用于所述输水管路的保护。
18.采用上述实施方式的有益效果是：外套管的设置，用于输水管路的保护。
19.在一个实施方式中，还包括若干个标记套管，其分别对应套设在每个所述注水管上，用于对各个所述注水管进行标记。
20.采用上述实施方式的有益效果是：标记套管的设置，用于对各个注水管进行标记、区分。
21.第二方面，本发明还提供了一种煤矿地下水库底板裂隙连续监测方法，包括以下步骤：
22.在回采工作面回采前，开启各个出水管上的出水阀门，观测各个所述出水管上的流量计的读数，待流量稳定后记录每个所述出水管的初始流量数据；
23.根据回采工作面的推进进度，定时开启各个所述出水管上的所述出水阀门，观测各个所述出水管上的所述流量计的读数，待流量稳定后记录每次观测的所述出水管的流量数据；
24.对采集的所述流量数据进行分析，根据所述流量计记录的每个注水钻孔的注水量的变化，判断每个所述注水钻孔所在区域围岩的裂隙发育情况。
25.在一个实施方式中，在每次观测各个出水管上的流量计的读数之前，还包括步骤：
26.向水箱注水，直至溢流口有水流流出为止；
27.开启各个所述出水管上的所述出水阀门；
28.检查管路是否漏水。
29.采用上述实施方式的有益效果是：保证测试结果的准确性。
30.与现有技术相比，本发明的优点在于：
31.(1)能够在煤炭回采结束后对采空区底板的裂隙发育情况进行实时动态跟踪探
测。
32.(2)结构简单，探测方法工序简单，使用成本低。
33.上述技术特征可以以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
34.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
35.图1显示了煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置结构示意图；
36.图2显示了供水装置结构示意图；
37.图3显示了输水管路铺设示意图；
38.图4显示了注水钻孔侧面剖视图；
39.图5显示了注水钻孔俯视状态的剖视图；
40.图6显示了煤矿地下水库底板裂隙连续监测方法流程图；
41.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
42.10-煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置；11-供水装置；111-水箱；113-进水管；115-出水管；117-溢流口；119-出水阀门；121-流量计；123-柱腿；125-进水阀门；13-输水管路；15-注水管；17-回采巷道；19-底板；21-埋管沟槽；23-回采工作面；25-钻场；27-注水钻孔；29-封孔器；31-观测洞室；33-煤柱；35-外套管；37-停采线。
具体实施方式
43.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。
44.如图1-5所示，一种煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置10，包括供水装置11、若干个输水管路13和若干个注水管15，若干个输水管路13分别与供水装置11连通，若干个注水管15与若干个输水管路13一一对应连通，其中，回采巷道17的底板19上挖设有埋管沟槽21，输水管路13埋设在埋管沟槽21内，回采巷道17一侧的回采工作面23上设置有若干个钻场25，每个钻场25内设置有若干个注水钻孔27，每个注水钻孔27内对应设置一个注水管15和封孔器29，封孔器29用于防止注水管15注入注水钻孔27内的水从孔口溢出。
45.具体的，本实施例中，在停采线37以外设置有观测洞室31，供水装置11设置在观测洞室31内，观测洞室31用于存放供水装置11，以及在观测洞室31内完成相关测试数据的采集，其中，观测洞室31的尺寸规格不小于长
×
宽
×
高＝3m
×
2.5m
×
3m。
46.回采巷道17的两侧分别为煤柱33和回采工作面23，回采巷道17的底部为底板19。
47.根据现场条件，按预定方案，在回采工作面23的预设距离(由工作面的推进速度和测试管线的布置速度决定)的煤体内设置若干个钻场25，钻场25为硐室结构，硐室规格不小于长
×
宽
×
高＝6m
×
3m
×
2.4m。
48.每个硐室结构内均通过钻机打设有若干注水钻孔27，注水钻孔27朝向远离底板19上表面的方向延伸，并与底板19的上表面之间夹角设置，注水钻孔27孔口的位置低于底板19的上表面，若干个注水钻孔27之间等间距设置且相互平行，注水钻孔27孔底之间的距离
尽可能大，且孔底的垂直深度有所区别，每个注水钻孔27内对应设置一个注水管15，注水管15深入距注水钻孔27孔底200mm的位置。
49.每个注水钻孔27内对应设置一个封孔器29，封孔器29设置在距注水钻孔27孔底500mm的位置，保证通过注水管15向注水钻孔27孔底注水时不会有水从封孔器29溢出。
50.底板19上沿煤柱33一侧底角挖设有埋管沟槽21的主路沟槽，若干个输水管路13的主体部分均埋设在主路沟槽内，底板19上沿垂直回采巷道17轴线方向挖设有若干个埋管沟槽21的分支沟槽，若干个分支沟槽分别与若干个钻场25一一对应连通，若干个输水管路13的终端分别通过分支沟槽引入与其相对应的注水钻孔27内并与注水钻孔27内的注水管15连通。上述设置使得停采线37以内的所有输水管路13均埋设在底板19内，避免对回采工作面23的正常回采造成影响。
51.其中，供水装置11包括水箱111、进水管113、若干个出水管115和溢流口117，进水管113与水箱111连通，若干个出水管115均与水箱111的底部连通，若干个出水管115与若干个输水管路13一一对应连通，每个出水管115上均设置有出水阀门119和流量计121，水箱111上设置有溢流口117，溢流口117用于保证水箱111里的水面高度不超出预设水头。
52.具体的，如图2所示，本实施例中，水箱111的规格为长
×
宽
×
高＝2m
×
1m
×
0.6m，水箱111采用透明钢化玻璃材质制成，便于观测水箱111中的水量。
53.水箱111侧面距顶部0.1m处设置有溢流口117，溢流口117的作用是保证水箱111里的水面高度不超出观测方案预先设计的水头。
54.水箱111由四根柱腿123支撑离地，柱腿123的高度为1.5m(可根据监测方案选取不同高度的)，柱腿123采用高强度角钢制成，以保证柱腿123具有足够的支撑力。
55.水箱111的底部边缘处开设有一个进水口，用于连接进水管113，进水管113上设置有进水阀门125，进水管113与水源连接，往水箱111内加水时打开进水阀门125，当水箱111内的水从溢流口117溢出时，关闭进水阀门125，停止加水。
56.水箱111的底部均匀设置有若干个出水口，每个出水口都与一个出水管115连通，若干个出水管115与若干个输水管路13一一对应连通，每个注水钻孔27内的注水管15单独配置一个输水管路13与供水装置11中的出水管115连通，输水管路13用于连接出水管115和注水管15，将水引入注水钻孔27。其中，输水管路13采用内径不小于10mm的高强钢管组成。
57.每个出水管115上均设置有出水阀门119和流量计121，现场监测正式开始前，出水阀门119和流量计121均处于关闭状态，正式监测开始时，打开出水阀门119和流量计121，其中，流量计121采用电子流量计，以保证数据可以实时记录并保存。
58.其中，还包括外套管35，其套设在输水管路13外，外套管35用于输水管路13的保护。
59.具体的，本实施例中，在停采线37以内的输水管路13均采用外套管35保护，埋管沟槽21的深度不小于外套管35的外径，以保证回采工作面23回采后顶板垮落不会破坏输水管路13。
60.其中，还包括若干个标记套管，其分别套设在每个注水管15上，用于对各个注水管15进行标记。
61.具体的，本实施例中，出水管115、输水管路13和注水管15上均套设有标记套管，且每个注水管15上标记套管的标记号和与其相对应的出水管115和输水管路13上标记套管的
标记号一致，保证观测洞室31内观测的注水管15的标记号与注水钻孔27内注水管15上的标记号一一对应。
62.在其中一个实施例中，标记号还可以通过记号笔直接标注在管体上。
63.在其中一个实施例中，每个钻场25也分别做好标记。
64.请结合参阅图6，本发明还公开了一种煤矿地下水库底板裂隙连续监测方法，适用于上述煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置10，该方法包括步骤s110至步骤s130。
65.步骤s110，在回采工作面回采前，开启各个出水管115上的出水阀门119，观测各个出水管115上的流量计121的读数，待流量稳定后记录每个出水管115的初始流量数据。
66.步骤s120，根据回采工作面的推进进度，定时开启各个出水管115上的出水阀门119，观测各个出水管115上的流量计121的读数，待流量稳定后记录每次观测的出水管115的流量数据。
67.步骤s130，对采集的流量数据进行分析，根据流量计121记录的每个注水钻孔27的注水量的变化，判断每个注水钻孔27所在区域围岩的裂隙发育情况。
68.其中，在每次观测各个出水管115上的流量计121的读数之前，还包括步骤：
69.步骤s140，向水箱111注水，直至溢流口117有水流流出为止；
70.步骤s150，开启各个出水管115上的出水阀门119；
71.步骤s160，检查各管路是否漏水。
72.具体的，本实施例中，在进行煤矿地下水库底板裂隙连续监测前完成各管路的铺设和连接。
73.正式监测时，先在回采工作面23回采前进行一次测试，开启进水阀门125，向水箱111注水，直至溢流口117有水流流出，关闭进水阀门125，逐个开启各个出水管115上的出水阀门119，并开展管路检查工作，包括但不限于检查各管路是否漏水(若管路存在问题，及时处理后，在继续监测)，观测各个出水管115上的流量计121的读数，待流量稳定后记录每个出水管115的初始流量数据，
74.根据回采工作面23的推进进度，在回采过程中进行多次检测，直至回采工作面23回采结束，定时进行检测(例如：一天一次)，在每次监测过程中，开启进水阀门125，逐个向水箱111注水，直至溢流口117有水流流出，关闭进水阀门125，逐个开启各个出水管115上的出水阀门119，并开展管路检查工作，包括但不限于检查各管路是否漏水(若管路存在问题，及时处理后，在继续监测)，观测各个出水管115上的流量计121的读数，待流量稳定后记录下每次检测时每个出水管115的流量数据。
75.对采集的多次监测的流量数据进行分析，根据流量计121记录的每个注水钻孔27的注水量的变化，判断每个注水钻孔27所在区域围岩的裂隙发育情况。
76.上述煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置10和监测方法包括以下特点：
77.(1)可以在回采工作面23回采过程中，提前在回采巷道17内向采空区打设底板钻孔(即注水钻孔27)以及铺设管路，以达到回采工作面23回采结束采空区封闭后，仍然可以对采空区底板的裂隙发育情况进行连续监测的目的；
78.(2)本方法是通过在采空区底板钻孔中进行注水的方式监测底板裂隙情况，故其精度要比现有技术中的间接探测方法更加准确。
79.(3)装置结构简单，价格低廉，在一定程度上解决了采空区围岩裂隙探测成本过高
的问题。
80.上述煤矿地下水库底板裂隙连续监测装置10和监测方法可解决现有技术中围岩裂隙探测方法的不足，具体如下：
81.(1)解决了现有技术中围岩裂隙监测方法中的直接监测法(在监测区域布置钻孔，进而采用钻孔窥视或声波探测法)不能在采空区密闭后，仍对采空区底板裂隙发育状况进行连续监测的问题。
82.(2)解决了现有技术中围岩裂隙监测方法中的间接监测法(利用矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、无线电波透视法、矿井高分辨率地震勘探等探测技术对围岩裂隙发育程度进行探测)不能满足采空区底板裂隙高精度探测的问题。
83.(3)解决了现有技术中探测方法工序复杂，设备贵重，不宜在井下实施的问题。
84.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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。
85.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。