一种工作面底板岩层变形测量方法

1.本发明属于岩层变形测量技术领域，具体涉及一种工作面底板岩层变形测量方法。


背景技术：

2.采煤工作面的回采过程中，煤炭被采出的同时，在地下遗留大量采空区，并导致采场周围岩体的应力场、位移场发生改变。在底板岩层中的体现方式是产生一定底板岩层变形范围，一方面，底板岩层变形范围的确定对于采煤工作面灾害防治(防治水)意义重大，另一方面，随着煤炭资源开采向更深处、条件更复杂、工况更恶劣的方向发展，三高一扰动(高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动)问题日益凸显，进而引发工作面底板岩层大范围的破坏和大幅的变形，基于上述原因，亟需提出科学有效的工作面底板岩层变形测量方法。
3.目前，工作面底板岩层变形测量对于研究矿山压力与岩层移动变形特征以及指导实际矿井安全高效生产意义重大，目前在这方面的研究成果为：(1)根据地质采矿条件，选择合适参数，进行理论计算或者数值模拟，确定工作面底板岩层变形程度；(2)根据底板岩层的电阻、地震波等物理特性，通过物探方法测量底板岩层变形特征；(3)通过岩层的应变、裂隙导水性等方法来测量工作面底板岩层变形、破坏情况。上述三种方法尚存不足，理论计算或数值模拟属于预计工作面底板岩层变形程度，结果偏理论，往往与实际情况有所差别，另外这一方法还依赖于计算或模拟人员的理论水平和实际经验，操作性要求较高；物探方法的结果差异大，且分析解释物探结果难度较大，需具备较高的专业水平；利用一条应变传感测线来测量周围岩体变形，虽然可以较为精确地获得应变值，但不适用于大范围的岩层移动变形情况，利用顶板离层仪测量底板岩层某个方向长度变化或测量钻孔内底板岩层裂隙导水性来判断底板岩层破坏深度的方法，测量参数单一，测量过程较为粗糙，测量结果易受地质采矿因素的影响，因此未能全面展示工作面底板岩层变形特征以及准确测定底板岩层破坏范围。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种工作面底板岩层变形测量方法，通过测量探头在测量管中的行进获得测量管周围岩层位移的倾角、方位和长度改变特征，确定工作面底板岩层变形情况，其能适应不同变形特征的底板岩层情况以及更为复杂的测量工况，具有更广的适用范围，并且该方法操作简便，测量结果更为准确。
5.为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
6.一种工作面底板岩层变形测量方法，依次包括以下步骤：
7.a、钻孔
8.向工作面底板岩层方向施工测量孔；
9.b、布置测量管
10.当测量孔钻至预定深度后，向其中布置测量管，所述的测量管为弹性软管，在所述的测量管壁上间隔一定距离设置位置标记；
11.c、布置测量装置并获取测量数据
12.所述的测量装置包括测量探头和电缆，所述的测量探头沿着所述的测量管的轴线行进，测量自身轴线倾角及其水平投影的方位改变，并感知测量管壁的位置标记；
13.通过电缆没入测量孔内的长度，确定测量探头的行进长度；
14.记录测量探头的水平投影方位角α、测量探头轴线倾角β，以及长度l；
15.d、计算，分别包括以下子步骤：
16.d1、选定一位置原点，一般选取巷道底板钻孔处为位置原点，其坐标为(0,0,0)，其余各点的坐标根据与该点的相对位置确定；
17.自巷道底板将测量管的位置标记点进行编号，每个标记点的编号及坐标记为d
i，j
＝(x
i,j
，y
i,j
，z
i,j
)，其中i表示各点的位置编号，自巷道底板向下依次为：0,1,2,3，
……
，n；j则表示测量的次数编号，第一次测量为初始测量，记为0，以后每次测量则加一；
18.d2、测量装置布置完成后初次测量的各特征点坐标确定公式如式(1)所示：
[0019][0020]
式(1)中：x
i，0
——初次测量时，第i个特征点的x方向坐标；
[0021]yi，0
——初次测量时，第i个特征点的y方向坐标；
[0022]zi，0
——初次测量时，第i个特征点的z方向坐标；
[0023]
x
i 1，0
——初次测量时，第i 1个特征点的x方向坐标；
[0024]yi 1，0
——初次测量时，第i 1个特征点的y方向坐标；
[0025]zi 1，0
——初次测量时，第i 1个特征点的z方向坐标；
[0026]
l
i，0
——初次测量时，第i和i 1特征点连线的长度；
[0027]
α
i，0
——初次测量时，第i和i 1特征点连线在xoy面投影与x正方向夹角(自x轴逆时针旋转至投影线)；
[0028]
β
i，0
——初次测量时，第i和i 1特征点连线与z轴正方向夹角；
[0029]
d3、通过式(2)来计算所有特征点的位置坐标
[0030][0031]
式(2)中：x
i，j
——第j次测量时，第i个特征点的x方向坐标；
[0032]yi，j
——第j次测量时，第i个特征点的y方向坐标；
[0033]zi，j
——第j次测量时，第i个特征点的z方向坐标；
[0034]
x
i 1，j
——第j次测量时，第i 1个特征点的x方向坐标；
[0035]yi 1，j
——第j次测量时，第i 1个特征点的y方向坐标；
[0036]zi 1，j
——第j次测量时，第i 1个特征点的z方向坐标；
[0037]
l
i，j
——第j次测量时，第i和i 1特征点连线的长度；
[0038]
α
i，j
——第j次测量时，第i和i 1特征点连线在xoy面投影与x正方向夹角(自x轴逆时针旋转至投影线)；
[0039]
β
i，j
——第j次测量时，第i和i 1特征点连线与z轴正方向夹角；
[0040]
d4、通过式(3)和式(4)计算
△
p
i，j
、pt
i，j
；
[0041][0042][0043]
式(3)和式(4)中：
[0044]
△
p
i，j
——第j-1次和第j次测量之间，第i个特征点的位移变化；
[0045]
pt
i，j
——第j-1次和第j次测量之间，第i个特征点的位移变化速率；
[0046]
tj——第j次测量的时刻，以初始测量时刻为参考时间原点；
[0047]
t
j-1
——第j-1次测量的时刻，以初始测量时刻为参考时间原点；
[0048]
在测量过程中，当
△
p
i，j
过大时，可认为在j-1和j次之间，工作面底板i点处发生了较大变形，变形值为
△
p
i，j
；当pt
i，j
过大时，可认为在j-1和j次之间，工作面底板i点处发生了较大变形速率的变形，变形速率为pt
i，j
；当pt
i，j
经过从大到小的变化后，并且三次测量均为0时，认为工作面底板岩层变形进入稳定阶段，此时可结束该工作面底板岩层变形监测，此时最终的测量次数为m次；
[0049]
d5、根据式(5)和(6)计算底板岩层破坏深度指标
[0050][0051][0052]
式(5)和式(6)中：
[0053]
△
pi——第m次和初始测量之间，第i个特征点的位移变化；
[0054]
spi——第m次和初始测量之间，第i个特征点的加权位移变化；
[0055]
b、b——权重常数，取值范围为0～1，a》b；
[0056]
e、当
△
pi》0时，可判定该特征点所处周围岩层已发生破坏，或者当spi》0时，也可判定该特征点所处周围岩层已发生破坏；
[0057]
进一步的，测量管的外壁粗糙且内壁光滑。
[0058]
进一步的，步骤a中，在工作面前方超前支承压力影响范围之外的回采巷道内向工作面底板岩层方向施工测量孔。
[0059]
本发明方法测量原理如下：
[0060]
通过测量工作面底板岩层的位移特征来确定底板岩层变形特征，所监测的参数为测量探头轴线倾角、水平投影方位角和长度变化，基于这三项参数，对比工作面靠近和远离测量区域过程中三个参数的变化，即可确定工作面底板岩层变形特征。
[0061]
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
[0062]
本发明提出的一种工作面底板岩层变形测量方法，通过获取底板岩层特征点的真实位移特征，并计算底板岩层变形速率和加权位移值，来实现底板岩层变形范围、破坏深度的测量。
[0063]
本发明测量方法中，首先在工作面前方超前支承压力影响范围之外的回采巷道内向工作面底板岩层方向施工测量孔(俯孔)，或者利用巷道内已有的底板探放水钻孔；然后在测量孔内安装测量管，测量管为具有位置标记的弹性软管，其与周围岩体紧密接触，可以发生空间的拉伸压缩以及弯曲变形，从而实现与周围岩体的协同变形，并为测量探头提供行进通道；测量过程中，测量探头在测量管中沿其轴线行进，同时获取探头轴线(即测量管轴线)倾角、水平投影方位变化和长度变化情况；最后，根据测量管轴线倾角、方位和长度改变特征，就可以确定工作面底板岩层变形特征。
[0064]
本发明提出的测量方法与现有钻探方法相比，不需要进行注水、加长测量杆等系列繁琐工作，本发明所提出的测量方法可直接测量底板岩层的真实位移值，从而全面获取工作面开采全过程底板岩层破坏情况，结果分析更易操作，测量精度高。
[0065]
本发明测量方法能适应不同变形特征的底板岩层情况以及复杂的测量工况，具有广泛的适用范围，可以测量工作面底板岩层的空间位置变化，测量结果直接反映底板岩层变形情况。
附图说明
[0066]
下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0067]
图1为本发明测量装置布置平面图；
[0068]
图2为图1的a-a剖面图；
[0069]
图3为图1的b-b剖面图；
[0070]
图4为本发明计算步骤示意图；
[0071]
图5为本发明测量装置结构示意图；
[0072]
图6为a-a剖面测量过程示意图；
[0073]
图7为b-b剖面测量过程示意图；
[0074]
图8中(a)、(b)、(c)分别示出了随工作面推进不同深度底板岩层倾角及方位改变曲线图；
[0075]
图中：
[0076]
1、测量管，2、测量装置，3、控制装置，21、测量探头，22、电缆，23、长度标记。
具体实施方式
[0077]
本发明提出了一种工作面底板岩层变形测量方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
[0078]
首先将本发明所用的相关部件做以下说明：
[0079]
测量管1，为可弯曲弹性软管，测量管1的外壁粗糙，且内壁光滑，在测量管的管壁上间隔一定距离设置位置标记，位置标记可为磁性材料、发光材料或发热材料等便于被感知的材料。
[0080]
测量装置2如图5所示，主要包括测量探头21、电缆22和长度标记23，电缆22连接在测量探头21上，长度标记23设置在电缆上，在电缆上设置长度标记的目的在于可以将电缆兼做距离测量尺，通过电缆没入测量孔内的长度，来确定测量探头的行进长度。
[0081]
控制装置3，用于对测量装置进行控制，其结构及工作方式借鉴现有技术即可实现。
[0082]
实施例1：
[0083]
结合图1至图3、图6至图8所示，本发明一种工作面底板岩层变形测量方法，具体步骤包括：
[0084]
首先在工作面前方超前支承压力影响范围之外的回采巷道内向工作面底板岩层方向施工测量孔(俯孔)，或利用底板已有探放水钻孔；打孔位置位于工作面前方超前支承压力影响范围之外的回采巷道内，钻孔斜向工作面底板岩层方向。
[0085]
待测量孔钻至预定深度后，在观测孔中下入测量管，在测量管的管壁上设置标记。
[0086]
上述的测量探头为圆柱状测量探头，测量探头沿测量管轴线行进，测量自身轴线倾角及其水平投影的方位改变，并感知测量管壁的位置标记，电缆同时兼做距离测量尺，通过电缆没入测量孔内长度，确定测量探头的行进长度。
[0087]
不同倾角和不同深度测量孔的底板岩层破坏深度测量方法同上。
[0088]
通过所测量的方位角(探头轴线与x轴方向夹角)α，倾角(探头轴线与z轴方向夹角)β，以及长度l(位置特征点间的电缆长度)，就可确定工作面底板岩层标记点的空间位置变化。
[0089]
其计算过程如下：
[0090]
首先选定一位置原点，一般选取巷道底板钻孔处为位置原点，其坐标为(0,0,0)，其余各点的坐标根据与该点的相对位置确定，但应注意该点的实际位置在测量过程中处在变动之中。如需获得各点的真实坐标，应将测量管最深部连续多个相对位置不变点作为位置参考点。
[0091]
自巷道底板将测量管的位置标记点进行编号，每个标记点的编号及坐标记为d
i，j
＝(x
i,j
，y
i,j
，z
i,j
)，其中i表示各点的位置编号，自巷道底板向下依次为：0,1,2,3，
……
，n；j则表示测量的次数编号，第一次测量为初始测量，记为0，以后每次测量则加一；
[0092]
如图4所示，测量装置布置完成后初次测量的各特征点坐标确定公式如式(1)所示：
[0093][0094]
式(1)中：x
i，0
——初次测量时，第i个特征点的x方向坐标；
[0095]yi，0
——初次测量时，第i个特征点的y方向坐标；
[0096]zi，0
——初次测量时，第i个特征点的z方向坐标；
[0097]
x
i 1，0
——初次测量时，第i 1个特征点的x方向坐标；
[0098]yi 1，0
——初次测量时，第i 1个特征点的y方向坐标；
[0099]zi 1，0
——初次测量时，第i 1个特征点的z方向坐标；
[0100]
l
i，0
——初次测量时，第i和i 1特征点连线的长度；
[0101]
α
i，0
——初次测量时，第i和i 1特征点连线在xoy面投影与x正方向夹角(自x轴逆时针旋转至投影线)；
[0102]
β
i，0
——初次测量时，第i和i 1特征点连线与z轴正方向夹角；
[0103]
通过式(2)来计算所有特征点的位置坐标
[0104][0105]
式(2)中：x
i，j
——第j次测量时，第i个特征点的x方向坐标；
[0106]yi，j
——第j次测量时，第i个特征点的y方向坐标；
[0107]zi，j
——第j次测量时，第i个特征点的z方向坐标；
[0108]
x
i 1，j
——第j次测量时，第i 1个特征点的x方向坐标；
[0109]yi 1，j
——第j次测量时，第i 1个特征点的y方向坐标；
[0110]zi 1，j
——第j次测量时，第i 1个特征点的z方向坐标；
[0111]
l
i，j
——第j次测量时，第i和i 1特征点连线的长度；
[0112]
α
i，j
——第j次测量时，第i和i 1特征点连线在xoy面投影与x正方向夹角(自x轴逆时针旋转至投影线)；
[0113]
β
i，j
——第j次测量时，第i和i 1特征点连线与z轴正方向夹角；
[0114]
通过式(3)和式(4)计算
△
p
i，j
、pt
i，j
；
[0115][0116][0117]
式(3)和式(4)中：
[0118]
△
p
i，j
——第j-1次和第j次测量之间，第i个特征点的位移变化；
[0119]
pt
i，j
——第j-1次和第j次测量之间，第i个特征点的位移变化速率；
[0120]
tj——第j次测量的时刻，以初始测量时刻为参考时间原点；
[0121]
t
j-1
——第j-1次测量的时刻，以初始测量时刻为参考时间原点；
[0122]
在测量过程中，当
△
p
i，j
过大时，可认为在j-1和j次之间，工作面底板i点处发生了较大变形，变形值为
△
p
i，j
；当pt
i，j
过大时，可认为在j-1和j次之间，工作面底板i点处发生了较大变形速率的变形，变形速率为pt
i，j
；当pt
i，j
经过从大到小的变化后，并且三次测量均为0时，认为工作面底板岩层变形进入稳定阶段，此时可结束该工作面底板岩层变形监测，此时最终的测量次数为m次；
[0123]
根据式(5)和(6)计算底板岩层破坏深度指标
[0124]
[0125][0126]
式(5)和式(6)中：
[0127]
△
pi——第m次和初始测量之间，第i个特征点的位移变化；
[0128]
spi——第m次和初始测量之间，第i个特征点的加权位移变化；
[0129]
a、b——权重常数，取值范围为0～1，一般而言a》b；
[0130]
式(5)、式(6)为底板岩层破坏深度指标计算公式，
△
pi作为确定底板岩层破坏深度的重要参数，当
△
pi＝0时，判定该特征点所处周围岩层未破坏，当
△
pi》0时，判定该特征点所处周围岩层已发生破坏，考虑到测量装置安装及测量过程的误差，设置
△
pi》5mm范围，为巷道底板岩层破坏范围，该特征点所处底板岩层深度为巷道底板岩层破坏深度。由于工作面底板岩层的变形是空间的变形，但水平方向和垂直方向的变形反映底板岩层破坏的程度不同，因此提出用加权位移变化作为进一步评判底板岩层破坏范围和深度的参数。
[0131]
在本发明测定方法中，需要使每一条测线的底部末端多段处于不变形岩层范围内，其判断依据为自末端向上不少于3个特征点的
△
pi＝0，以不发生移动的特征点作为坐标原点，则可以获得其余各点的真实位置，从而反映巷道底板岩层真实破坏、变形特征，这是本发明监测效果的延伸。
[0132]
通过记录工作面从由远及近到由近及远经过测量位置过程中的测量管处底板岩层倾角、方位和长度的变化，来确定工作面底板岩层变形特征，当测量值显示超过限值时认为该位置的岩层已经破坏，临界限值对应的深度即为工作面底板岩层破坏深度。
[0133]
随着工作面推进不同深度底板岩层倾角、水平投影方位和长度改变曲线分别如图8中(a)、(b)、(c)所示。
[0134]
综上所述，本发明测量方法能适应不同变形特征的底板岩层情况以及复杂的测量工况，具有广阔的适用范围。例如：底板岩层破坏后裂隙不甚发育、导水性差或者底板岩层本身存在积水等情况，都会对已有的借助底板岩层裂隙导水特性的底板岩层裂隙发育深度测量结果产生影响；除此之外，本发明测量方法，可以测量工作面底板岩层一个或多个方向上岩层的空间位置变化，测量结果可以直接反映底板岩层变形情况，测量结果更为准确、可信。
[0135]
本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
[0136]
需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。