煤層採動頂底板巖層變形與破壞井下綜合測試方法
2023-12-05 08:38:31 1
專利名稱：煤層採動頂底板巖層變形與破壞井下綜合測試方法
技術領域：
本發明涉及一種礦井地球物理勘探技術，利用工作面頂底板巖體中地球物理 場監測技術，建立煤層開採頂底板巖層變形與破壞綜合測試系統，解決頂底板變 形破壞問題，獲得頂板破壞"兩帶"高度和底板破壞深度值。
背景技術：
礦井工作面採場在採動過程中頂底板巖層變形與破壞問題對礦井安全高效 生產帶來嚴重的影響，巖體破壞形成的導水裂隙帶高度是礦井水害防治重要的技 術參數。頂板裂隙的發育高度和底板破壞深度等技術參數對於指導工作面合理布 局及水害防治具有重要的實際意義。
長期以來，探測採後煤層頂底板巖層破壞高度與深度的方法，主要採用鑽孔 衝洗液簡易水文觀測分析法和鑽孔壓、注水實驗法。它們依據衝洗液消耗量和水 壓降的變化來判定導水裂隙帶高度等參數。由於施工探測鑽孔難度大、成本高， 所獲取數據、資料在精度上不同程度地受到施工人員技術、經驗水平等方面的制 約。因此，特別需要釆用更加先進科學的探測技術與方法為生產服務。利用地震
波波速檢層、地震CT成像和電法CT成像技術與鑽孔結合進行煤層覆巖破壞觀測 是申請人的一項科研成果，目前在工程技術探測方面有著廣泛的應用前景，幾年 來先後已在淮南、國投新集、皖北、淮北及河南義馬等礦業集團完成近20個裂 高鑽孔的測試任務。該方法同傳統的鑽探方法相比，它可查明探測切面內巖層的 地質形態，通過在時空域中的多次對比，來獲取煤巖層在採前的賦存形態和採後 的破壞形態，以及相關的其他地質信息資料。
發明內容
本發明是解決在工作面回採過程中，對一定控制區域範圍內工作面頂底板巖 層變形與破壞進行測試。通過在工作面頂底板巖層中布置並形成不同方位鑽孔， 形成孔——巷、孔——孔等觀測系統，並在孔巷中布置地震波檢波器、電極、角 位移探頭等傳感器形成一套單一或綜合測試監測系統，利用通訊線路發送命令、 採集與傳輸人工地震波場、直流電場及巖層位移量等數據，通過分析實時得到的 工作面頂底板監測區域中巖體的地球物理場參數的變化情況，來評價該探測區域中不同時期的巖體變形、破壞規律及其破壞高(深)度值。 針對要解決的技術問題，本發明採用如下技術方法
煤層採動頂底板巖層變形與破壞井下綜合測試方法，其特徵在於，包括以下 步驟
(1) 搭建綜合測試系統，在煤礦開採工作面風巷或機巷中構造簡單區段確 定鑽機窩，在鑽機窩中分別朝向頂板或/和底板巖層中布設一定角度的鑽孔，孔
深要求穿過巖層變形破壞帶一定距離；在鑽孔中布置探測電極、地震傳感器或角 位移探頭，保證電極、地震或角位移傳感器與周圍巖體耦合良好，探測電極按照 網絡並行電法布置，以測量電場；利用地震傳感器接收地震波記錄；通過角位移 傳感器測量巖層變形過程中的位移量；從而實現對控制區域中巖體的電場、地震 波場及位移量的變化情況進行綜合測試；
(2) 利用網絡並行電法同步採集頂板、底板鑽孔中測試電極電流和電位信 號，得到控制區域中工作面頂板、底板之間的電場分布情況；在巷道中布置激發 點鑽孔，引爆激發點鑽孔中的炸藥產生地震波，利用頂板、底板鑽孔中地震傳感 器監測地震波信號，得到控制區域中工作面頂板、底板巖體中的地震波速度場分 布情況；或利用鑽孔中布置的角位移傳感器測取不同時期巖層的位置變化數據；
(3) 根據所採集的各種地球物理場數據特點，分別提取控制區域中巖體的 電場參數分布情況、地震波速分布情況和鑽孔中不同位置巖層的位移變化量，通 過對巖體中地球物理場變化情況的掌握、根據工作面推進程度加以對比，從而分 析工作面開採過程中其頂底板巖體變形與破壞特徵；具體來說巖層變形與破壞 過程中其結構發生變化，因此會改變巖層導電條件，使得電阻率值增大；改變巖 層地震波傳播條件，使得破壞區地震波速度減小；巖層發生變形與位移，產生不 同程度的位移量；
(4) 隨著工作面的推進狀態，動態獲得不同時間探測區域內上述地球物理 場參數變化，即巖層電阻率值變化、地震波速度值變化或巖層位移量的大小，通 過與背景場參數的對比，可綜合分析頂底板巖層變形與破壞的動態發育規律，並 根據地球物理場參數大小界定頂板覆巖破壞的"兩帶"高度值，以及底板巖層破 壞的深度值；
(5) 通常在採煤工作面回採前完成測試鑽孔內設施的安裝與封閉；在工作面推進至鑽孔前方200m左右完成巖層背景地球物理場測試；在工作面推進至鑽 孔正下方時進行密集觀測，保證每天一組測試數據；做好孔口電纜的保護工作， 在工作面推進通過鑽孔孔口 5-10m完成現場數據採集工作。 本發明的優點
本發明是從兩到三種不同性質的地球物理方法探測煤層開採過程中頂底板 巖層變形與破壞情況，有利於對巖體破壞情況進行精細掌握，不但可以圈定控制 區域中巖體的變形破壞分布情況，也可以精確確定頂板覆巖體的導水裂隙帶高度 和底板的破壞深度值。這不但避免了常規鑽孔控制中的"一孔之見"的弊端，也 避免了在數值模擬計算的部分片面問題。與現代通訊技術相結合，可對井下所採 集的數據進行遠程控制，實現遠程監控。動態實時監測是該系統一大重要的特點。
圖1為綜合測試系統布置示意圖2為鑽孔安裝及封閉布置示意圖中標號1、排氣孔，2、電纜孔，3、注漿孔，4、鎖口盤，5、水泥漿，6、 套管，7、鑽孔。
圖3為井下遠程數據採集控制系統布置示意圖4為綜合測試系統電阻率測試巖層背景圖5為綜合測試系統電阻率測試巖層變化圖6為綜合測試系統電阻率測試巖層破壞圖7為綜合測試系統電阻率測試綜合效果圖。
具體實施例方式
結合本發明的技術特色，這個頂底板變形破壞的綜合測試系統具體實施方式
如下
(1) 在工作面回採之前，在巷道中布置一監測鑽場，在監測鑽場中分別朝 向頂板布置一仰孔，朝向底板布置一俯孔，仰孔和俯孔的角度及深度根據工作面 地質情況而定，該兩孔設定原則為頂板仰孔必須穿過預計導水裂隙帶，即超過裂 隙帶最大發育高度的經驗值；而底板俯孔必須穿過底板破壞帶，即超過最大破壞 深度的經驗值；
(2) 在鑽孔中布置探測電極、地震傳感器或角位移傳感器，採用水泥注漿封孔，保證電極、地震或角位移傳感器與周圍巖體耦合良好，確保數據的正常採 集；
(3) 在工作面回採之前採集多組背景地球物理場參數，使用網絡並行電法 儀器採集頂底板中的電法數據，使用地震儀器採集頂底板鑽孔中地震傳感器的信 號；或利用鑽孔中布置的角位移傳感器測取不同時期巖層的位移變化數據；通過 採集這些背景場參數作為後期分析頂底板巖體變形破壞的依據。
(4) 隨著工作面回採推進，根據工作面生產進度適時採集綜合測試系統的 數據，並及時對採集數據進行分析，根據煤巖體變形與破壞過程中電阻率、自然 電位、地震波速度場、位移變化量等參數特徵，確定破壞參數區間，可進一步分 析判斷煤層開採其頂底板巖體的變形與破壞情況，總結變形破壞發育規律及具體 破壞導水裂隙帶高(深)度值，有效指導現場實際工作。
實施例子
為了獲得11煤層開採覆巖破壞特徵，在淮南礦業集團某礦1115 (1)工作 面進行煤層開採頂底板巖體變形破壞研究，在工作面中部布置了該綜合測試系統 對控制區域巖體的變形破壞情況進行觀測。在1115 (1)工作面中搭建了如附圖 1的綜合測試系統，其中鑽孔安裝布置如附圖2所示，附圖3為可採用的井下遠 程數據採集與控制系統布置示意圖；在工作面回採至這一區域時觀測巖體中不同 時期的地球物理場變化情況，以地電場為例得到如附圖4——附圖7的測試結果。 從測試區域的巖層背景到變形、破壞地球物理場參數，一直到最後破壞帶的形成， 其變化結果極為明顯。從附圖7中可以看到此煤層在開採中頂板巖體的破壞導水 裂隙帶高度可達到45m左右，而底板的破壞深度基本保持在10m左右，這個數據 為指導煤礦安全開採提供了寶貴依據，並通過地面鑽孔驗證了該數據結果，得到 現場技術人員的肯定。
權利要求
1、煤層採動頂底板巖層變形與破壞井下綜合測試方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)搭建綜合測試系統，在煤礦開採工作面風巷或機巷中構造簡單區段確定鑽機窩，在鑽機窩中分別朝向頂板或/和底板巖層中布設一定角度的鑽孔，孔深要求穿過巖層變形破壞帶一定距離；在鑽孔中布置探測電極、地震傳感器或角位移傳感器等探頭，保證電極、地震或角位移傳感器與周圍巖體耦合良好，探測電極按照網絡並行電法布置，以測量電場；利用地震傳感器接收地震波記錄；通過角位移傳感器測量巖層變形過程中的位移量；從而實現對控制區域中巖體的電場、地震波場及位移量的變化情況進行綜合測試；(2)利用網絡並行電法同步採集頂板、底板鑽孔中測試電極供電電流和電位信號，得到控制區域中工作面頂板、底板之間的電場分布情況；在巷道中布置激發點鑽孔，引爆激發點鑽孔中的炸藥產生地震波，利用頂板、底板鑽孔中地震傳感器監測地震波信號，得到控制區域中工作面頂板、底板巖體中的地震波速度場分布情況；或利用鑽孔中布置的角位移傳感器測取不同時期巖層的位置變化數據；(3)根據所採集的各種地球物理場數據特點，分別提取控制區域中巖體的電場參數分布情況、地震波速分布情況和鑽孔中不同位置巖層的位移變化量，通過對巖體中地球物理場變化情況的掌握、根據工作面推進程度加以對比，從而分析工作面開採過程中其頂底板巖體變形與破壞特徵；具體來說巖層變形與破壞過程中其結構發生變化，因此會改變巖層導電條件，使得電阻率值增大；改變巖層地震波傳播條件，使得破壞區地震波速度減小；巖層發生變形與位移，產生不同程度的位移量；(4)隨著工作面的推進狀態，動態獲得不同時間探測區域內上述地球物理場參數變化，即巖層電阻率值變化、地震波速度值變化或巖層位移量的大小，通過與背景場參數的對比，可綜合分析頂底板巖層變形與破壞的動態發育規律，並根據地球物理場參數大小界定頂板覆巖破壞的「兩帶」高度值，以及底板巖層破壞的深度值；(5)通常在採煤工作面回採前完成測試鑽孔內設施的安裝與封閉；在工作面推進至鑽孔前方200m左右完成巖層背景地球物理場測試；在工作面推進至鑽孔正下方時進行密集觀測，保證每天一組測試數據；做好孔口電纜的保護工作，在工作面推進通過鑽孔孔口5-10m完成現場數據採集工作。
全文摘要
本發明公開了一種煤層採動頂底板巖層變形與破壞井下綜合測試方法，包括以下步驟(1)搭建綜合測試系統；(2)利用網絡並行電法同步採集頂板、底板鑽孔中測試電極供電電流和電位信號，得到控制區域中工作面頂板、底板之間的電場分布情況；(3)根據所採集的各種地球物理場數據特點，分別提取控制區域中巖體的電場參數分布情況、地震波速分布情況和鑽孔中不同位置巖層的位移變化量；(4)隨著工作面的推進狀態，動態獲得不同時間探測區域內上述地球物理場參數變化；(5)通常在採煤工作面回採前完成測試鑽孔內設施的安裝與封閉；本發明對巖體破壞情況進行精細掌握，不但可以圈定控制區域中巖體的變形破壞分布情況，也可以精確確定頂板覆巖體的導水裂隙帶高度和底板的破壞深度值。
文檔編號G01V1/40GK101581234SQ200910117178
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月29日 優先權日2009年6月29日
發明者劉盛東, 吳榮新, 張平松 申請人:張平松;安徽理工大學