[发明专利]一种矿井工作面顶底板采动破坏裂隙发育动态监测方法

说明书

技术领域:

本发明属于矿井工作面顶底板采动裂隙探测技术领域，涉及一种基于电阻率探测的矿井工作面顶底板采动破坏裂隙发育动态监测方法。

背景技术：

随着煤炭资源的开采，中国煤炭开采深度由浅部向深部转移；煤炭产区由中、东部逐渐向西部、西北部转移，对于深部煤层资源开采，地质构造及水文地质日趋复杂，矿山压力、采动应力对底板的破坏深度不断加大，底板突水问题日益严重；对于宁夏、鄂尔多斯西部、陕西及新疆煤层而言，煤层顶板岩层多为岩石力学性质偏软的泥岩，与岩石力学性质偏坚硬的砂砾岩及砂岩组成，由于煤层上四带理论中的离层水、上三带理论中的砂砾岩水将成为其顶板突水关键因素，而顶底板突水问题中的关键因素—采动裂隙发育高度及深度，成为研究突水机理的重要内容。

目前，对煤层采动裂隙发育探测的主要方法有钻孔双端封堵测漏法、超声波探测法、钻孔成像法和物探方法，其中超声波探测方法仅适用于煤层底板钻孔中存在水的情况，其中的水作为超声波耦合介质，但对不存在水的底板孔或顶板导水裂隙观测孔而言，此方法无法施工；钻孔成像方法的探测原理为钻孔摄像头成像，仅能通过观测钻孔围岩岩壁的裂隙发育推测整个岩层的裂隙发育程度；在钻孔中存在浑浊水、高温蒸汽的情况下，钻孔成像同样无法观测；物探方法中使用较多的为钻孔电阻率法，通过测量钻孔围岩的电性特征，利用裂隙—电阻率之间的对应关系，反演出整个岩层的裂隙发育特征，但该方法测线均位于钻孔内，无法与采掘巷道相互测量，对采动裂隙的形态、动态演化均无法实现；双端封堵测漏法是目前探测导水裂隙最为实用、全面的手段，通过对封闭段的注水，利用注水量—裂隙发育程度之间的对应关系，探测采动裂隙的发育程度，但是该方法现场施工需要相应的水、风管路，也无法动态的呈现采动裂隙的发育形态，特别是对于顶板裂隙发育较高的钻孔，由于静水压力的存在，注水管路由于依靠钻杆实现，注水管路的封闭性阻碍对厚煤层导水裂隙带的探测；对于底板采动裂隙发育较深的观测孔，同样由于静水压力的存在，导致注水压力较高，气囊封闭性成为影响观测精度的主要难题。综上所述，现有的煤层采动裂隙发育探测方法均具有其相应的局限性。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种基于电阻率探测的工作面顶底板采动破坏裂隙发育动态监测方法，利用高密度直流电法技术，结合气囊封闭原理，使得通过利用直流电法能够有效的对工作面顶底板裂隙的发育形态、规律实时观测，同时对顶底板突水进行有效的预警。

为了实现上述目的，本发明包括矿井工作面采动围岩数值模拟、矿井工作面顶底板采动裂隙动态监测钻孔设计及施工、监测钻孔电性数据动态采集、地球物理模型建立及数据正反演和矿井工作面顶底板采动破坏裂隙分析五个步骤，其具体监测过程为：

(1)、矿井工作面采动围岩数值模拟：根据矿井已有的钻孔资料，采集相邻工作面顶底板岩层岩样，并对岩样进行三轴岩石力学试验，获取岩石力学参数，将获取的岩石力学参数用于工作面顶底板围岩破坏数值模拟计算中；根据矿井工作面的实际地质和水文地质情况进行数值模拟，并对工作面顶底板岩层受采动影响而发育的弹塑性区域进行分析；

(2)、矿井工作面顶底板采动裂隙动态监测钻孔设计及施工：根据步骤(1)得到的数值模拟计算结果，再根据工作面顶底板塑性区域分布情况，在工作面巷道中施工钻窝并布置三组裂隙发育动态探测孔，每组裂隙发育动态监测孔由四个探测孔组成，其中顶板探测孔为两个，一个顶板探测孔的倾斜角度大于另一个顶板探测孔的倾斜角度；底板探测孔同样为两个，一个底板探测孔的倾斜角度大于另一个底板探测孔的倾斜角度；，钻孔斜长及角度以数值模拟为依据；

(3)、探测孔电性数据动态采集：利用施工的围岩裂隙动态监测探测孔，对探测孔内电极、巷道电极和测线进行布置，每个探测孔内均布置一条测线，监控孔内设有数据采集传输线和电极；巷道内连续布置三条测线；测线布置完成后，通过数据采集传输线对工作面进行数据采集，工作面每推进10m均对测线进行电性数据采集；

(4)、地球物理模型建立及数据正反演：根据步骤(3)采集到的探测孔电性数据，并结合工作面顶底板岩层的地质、水文地质和地球物理性质，建立倾斜层状地球物理模型，用以增大对工作面顶底板采动裂隙响应灵敏度，提高裂隙分辨能力；并利用建立的倾斜层状地球物理模型构建基于现有ansys软件的正演模拟程序和基于高斯—拟牛顿方法的反演程序；