[發明專利]一種礦井工作面頂底板采動破壞裂隙發育動態監測方法

有效

• 申請號: 201410428556.0
• 申請日: 2014-08-28
• 公開（公告）號: CN104181611A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 魏久傳;肖樂樂;牛超;尹會永;郭建斌;謝道雷
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01V11/00
• 分類號: G01V11/00
• 代理公司: 青島高曉專利事務所 37104
• 代理人: 黃曉敏

技術領域:

本發明屬于礦井工作面頂底板采動裂隙探測技術領域，涉及一種基于電阻率探測的礦井工作面頂底板采動破壞裂隙發育動態監測方法。

背景技術：

隨著煤炭資源的開采，中國煤炭開采深度由淺部向深部轉移；煤炭產區由中、東部逐漸向西部、西北部轉移，對于深部煤層資源開采，地質構造及水文地質日趨復雜，礦山壓力、采動應力對底板的破壞深度不斷加大，底板突水問題日益嚴重；對于寧夏、鄂爾多斯西部、陜西及新疆煤層而言，煤層頂板巖層多為巖石力學性質偏軟的泥巖，與巖石力學性質偏堅硬的砂礫巖及砂巖組成，由于煤層上四帶理論中的離層水、上三帶理論中的砂礫巖水將成為其頂板突水關鍵因素，而頂底板突水問題中的關鍵因素—采動裂隙發育高度及深度，成為研究突水機理的重要內容。

目前，對煤層采動裂隙發育探測的主要方法有鉆孔雙端封堵測漏法、超聲波探測法、鉆孔成像法和物探方法，其中超聲波探測方法僅適用于煤層底板鉆孔中存在水的情況，其中的水作為超聲波耦合介質，但對不存在水的底板孔或頂板導水裂隙觀測孔而言，此方法無法施工；鉆孔成像方法的探測原理為鉆孔攝像頭成像，僅能通過觀測鉆孔圍巖巖壁的裂隙發育推測整個巖層的裂隙發育程度；在鉆孔中存在渾濁水、高溫蒸汽的情況下，鉆孔成像同樣無法觀測；物探方法中使用較多的為鉆孔電阻率法，通過測量鉆孔圍巖的電性特征，利用裂隙—電阻率之間的對應關系，反演出整個巖層的裂隙發育特征，但該方法測線均位于鉆孔內，無法與采掘巷道相互測量，對采動裂隙的形態、動態演化均無法實現；雙端封堵測漏法是目前探測導水裂隙最為實用、全面的手段，通過對封閉段的注水，利用注水量—裂隙發育程度之間的對應關系，探測采動裂隙的發育程度，但是該方法現場施工需要相應的水、風管路，也無法動態的呈現采動裂隙的發育形態，特別是對于頂板裂隙發育較高的鉆孔，由于靜水壓力的存在，注水管路由于依靠鉆桿實現，注水管路的封閉性阻礙對厚煤層導水裂隙帶的探測；對于底板采動裂隙發育較深的觀測孔，同樣由于靜水壓力的存在，導致注水壓力較高，氣囊封閉性成為影響觀測精度的主要難題。綜上所述，現有的煤層采動裂隙發育探測方法均具有其相應的局限性。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，提供一種基于電阻率探測的工作面頂底板采動破壞裂隙發育動態監測方法，利用高密度直流電法技術，結合氣囊封閉原理，使得通過利用直流電法能夠有效的對工作面頂底板裂隙的發育形態、規律實時觀測，同時對頂底板突水進行有效的預警。

為了實現上述目的，本發明包括礦井工作面采動圍巖數值模擬、礦井工作面頂底板采動裂隙動態監測鉆孔設計及施工、監測鉆孔電性數據動態采集、地球物理模型建立及數據正反演和礦井工作面頂底板采動破壞裂隙分析五個步驟，其具體監測過程為：

(1)、礦井工作面采動圍巖數值模擬：根據礦井已有的鉆孔資料，采集相鄰工作面頂底板巖層巖樣，并對巖樣進行三軸巖石力學試驗，獲取巖石力學參數，將獲取的巖石力學參數用于工作面頂底板圍巖破壞數值模擬計算中；根據礦井工作面的實際地質和水文地質情況進行數值模擬，并對工作面頂底板巖層受采動影響而發育的彈塑性區域進行分析；

(2)、礦井工作面頂底板采動裂隙動態監測鉆孔設計及施工：根據步驟(1)得到的數值模擬計算結果，再根據工作面頂底板塑性區域分布情況，在工作面巷道中施工鉆窩并布置三組裂隙發育動態探測孔，每組裂隙發育動態監測孔由四個探測孔組成，其中頂板探測孔為兩個，一個頂板探測孔的傾斜角度大于另一個頂板探測孔的傾斜角度；底板探測孔同樣為兩個，一個底板探測孔的傾斜角度大于另一個底板探測孔的傾斜角度；，鉆孔斜長及角度以數值模擬為依據；

(3)、探測孔電性數據動態采集：利用施工的圍巖裂隙動態監測探測孔，對探測孔內電極、巷道電極和測線進行布置，每個探測孔內均布置一條測線，監控孔內設有數據采集傳輸線和電極；巷道內連續布置三條測線；測線布置完成后，通過數據采集傳輸線對工作面進行數據采集，工作面每推進10m均對測線進行電性數據采集；

(4)、地球物理模型建立及數據正反演：根據步驟(3)采集到的探測孔電性數據，并結合工作面頂底板巖層的地質、水文地質和地球物理性質，建立傾斜層狀地球物理模型，用以增大對工作面頂底板采動裂隙響應靈敏度，提高裂隙分辨能力；并利用建立的傾斜層狀地球物理模型構建基于現有ansys軟件的正演模擬程序和基于高斯—擬牛頓方法的反演程序；