本發(fā)明涉及一種巖層控制的監(jiān)測方法，尤其適用于采礦工程領(lǐng)域中使用的巖層控制的三位一體監(jiān)測分析方法。

背景技術(shù)：

隨著配套設(shè)備及開采工藝水平的不斷提升，大采高綜采、特厚煤層綜放開采技術(shù)得到了快速發(fā)展，目前已在我國神東、大同、晉城、潞安等數(shù)個礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用，并且取代分層綜采，成為我國厚及特厚煤層的兩大主流采煤技術(shù)。然而，隨著煤層開采厚度的增加，采場礦壓問題愈發(fā)嚴峻，工作面壓架、冒頂事故頻發(fā)、頂板支護對策缺乏，嚴重威脅了礦井的安全高效生產(chǎn)，如何采動覆巖關(guān)鍵層破斷運動的有效監(jiān)測并建立其與采場礦壓的對應(yīng)關(guān)系、實現(xiàn)頂板的有效控制是煤礦領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)及工程難題之一。

目前，基于關(guān)鍵層破斷運動的巖層控制技術(shù)，在目標關(guān)鍵層的確定上多是基于理論估算的方法，或是單一的打鉆孔電視孔觀測的方法，存在較大的盲目性。特別是對大采高綜采、特厚煤層綜放開采一次采出空間大，覆巖垮裂范圍廣，缺乏將井下礦壓、覆巖運移、地表沉陷的一體化監(jiān)測和分析研究思路，難以揭示大空間采場(大采高、特大采高、特厚煤層綜放開采)覆巖運動對采場礦壓的作用機制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：針對上述技術(shù)目的，提供一種步驟簡單，掌握下至井下礦壓、中至覆巖運移、上至地表沉陷的整個覆巖運移規(guī)律，揭示覆巖運動對采場礦壓的作用機制，實現(xiàn)大空間采場礦壓的科學(xué)控制的巖層控制的三位一體監(jiān)測方法。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的巖層控制的三位一體監(jiān)測分析方法，利用設(shè)置在地面的位移編碼器，設(shè)置在回采巷道中的壓力接受分站，根據(jù)獲取的區(qū)域地層覆巖全柱狀確定回采工作面覆巖各關(guān)鍵層位置，在工作面所對應(yīng)的地面區(qū)域連續(xù)布置3個巖層移動監(jiān)測孔，利用在巖層移動監(jiān)測孔內(nèi)設(shè)有多個錨固點監(jiān)測各關(guān)鍵層隨工作面開采的相對下沉量，在中間位置的巖層移動監(jiān)測孔一側(cè)布置電視觀測孔，并觀察孔內(nèi)部孔壁的裂隙、錯動情況，檢測工作面的壓力，檢測工作面液壓支架的壓力，檢測各地表沉陷的下沉量，從而獲得巖層移動監(jiān)測孔內(nèi)各錨固點的實際下沉量，利用實際下沉量從而判斷出發(fā)生破斷的關(guān)鍵層。

具體步驟如下：

a、根據(jù)開采區(qū)域地質(zhì)信息，獲取該區(qū)域地層覆巖全柱狀，基于“巖層控制的關(guān)鍵層”理論對覆巖全柱狀進行判別，確定回采工作面覆巖各關(guān)鍵層位置；

b、工作面推過切眼距離超過兩倍工作面寬度后，通過gps測量系統(tǒng)確定井下工作面所對應(yīng)的地面區(qū)域，進而在工作面中部所對應(yīng)的地表區(qū)域，沿工作面推進方向間隔30-40m連續(xù)布置3個地面鉆孔作為巖層移動監(jiān)測孔，巖層移動監(jiān)測孔均垂直下鉆至開采煤層；

在每個巖層移動監(jiān)測孔中設(shè)置多個錨固點作為覆巖各關(guān)鍵層移動的測點，其中錨固點分別設(shè)置在巖層移動地面鉆孔內(nèi)的覆巖各關(guān)鍵層厚度中部，利用細鋼絲將錨固點與設(shè)置在地面的位移編碼器相連接，利用錨固點監(jiān)測各關(guān)鍵層隨工作面開采的相對下沉量s1；

c、沿工作面傾向，在3個巖層移動監(jiān)測孔中間位置的巖層移動監(jiān)測孔任一側(cè)距離20-30m的位置布置一個電視觀測孔，電視觀測孔垂直下鉆至開采煤層；在工作面開采至距離電視觀測孔50m時，使用深井探測儀間隔1-2天觀測一次電視觀測孔內(nèi)部孔壁的裂隙、錯動情況，直至工作面推過電視觀測孔100-200m或檢測到電視觀測孔孔內(nèi)裂隙不再發(fā)育；

d、每當(dāng)工作面推進至各個巖層移動監(jiān)測孔下方時，在工作面液壓支架與刮板輸送機之間沿工作面全長均勻埋設(shè)三組壓力餅，壓力餅通過鎧裝電纜與設(shè)置在回采巷道內(nèi)的壓力接受分站連接，通過光纖、電纜等傳輸介質(zhì)，將壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測中心，以便數(shù)據(jù)的實時提取；將工作面液壓支架每5個作為一組，在每組首個液壓支架的支架活柱上安裝壓力傳感器，利用壓力傳感器實時監(jiān)測液壓支架承受的壓力；

e、以中間位置的巖層移動監(jiān)測孔為中心，分別沿工作面走向和傾向布置兩條地表沉陷觀測線，利用gps等量測設(shè)備記錄各地表沉陷觀測點隨工作面開采的下沉量s2；

f、利用公式：s＝s1+s2，即可得到巖層移動監(jiān)測孔內(nèi)各錨固點的實際下沉量s，便于研究煤層開采各覆巖運動程度；

當(dāng)壓力傳感器采集到液壓支架上的壓力數(shù)據(jù)大幅升高時，對比覆巖各關(guān)鍵層錨固點下沉量數(shù)據(jù)變化情況，初步判斷下沉量數(shù)據(jù)變化大幅增大的測點所對應(yīng)的關(guān)鍵層即為該階段發(fā)生破斷的關(guān)鍵層，同時，結(jié)合電視觀測孔內(nèi)裂隙、錯動情況和采空區(qū)壓力數(shù)據(jù)反推的垮落厚度進一步確定產(chǎn)生破斷運動的覆巖關(guān)鍵層層位，為有針對性的弱化關(guān)鍵層提供依據(jù)。

井下工作面的支架阻力數(shù)據(jù)及采空區(qū)壓力數(shù)據(jù)，多點位移計及鉆孔電視采集的采動覆巖巖層運動規(guī)律實測數(shù)據(jù)，以及地表沉陷觀測數(shù)據(jù)，都是從工作面距鉆孔50m-100m開始，至推過鉆孔100m-200m后結(jié)束。

所述地表沉陷觀測線長500m-600m，地表沉陷觀測線從中心出發(fā)每隔20m-30m的間距布置有地表沉陷觀測點，

所述位移編碼器由編碼器和鋼絲組成。

所述巖層破斷運動時帶動固定于巖層的錨固點運動，錨固點帶動鋼絲繩發(fā)生下沉運動，鋼絲繩一端與錨固點相連，鋼絲繩另一端與編碼器相連，因此位移編碼器主要用于記錄可記錄各個時間段的固定于巖層的錨固點下沉量，以此代表巖層的下沉量，位移數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率為10s.

所述深井探測儀型號為sykj-6型，各液壓支架設(shè)置的壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)采集頻率為5min；gps等量測設(shè)備的監(jiān)測頻率為每周2-3次。

有益效果：

本申請基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，即下至井下礦壓、中至覆巖運移、上至地表沉陷三個層位監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法，對理論研究具有補充驗證作用

利用井下礦壓、覆巖運移、地表沉陷三個空間位置的數(shù)據(jù)同步監(jiān)測和統(tǒng)一分析方法，即在監(jiān)測期間，以時間為節(jié)點，建立同一時刻由下至上三個空間位置的數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系，同步分析三個監(jiān)測位置數(shù)據(jù)

本申請通過對比同一時刻采場礦壓和內(nèi)部巖移測點的絕對下沉量，能夠明確覆巖各關(guān)鍵層破斷運動對井下礦壓的作用機制，即采場每一次來壓是由哪一層或哪幾層關(guān)鍵層引起的，為采場支架合理阻力確定、目標關(guān)鍵層改性弱化等相應(yīng)的礦壓控制對策提供了科學(xué)依據(jù)，避免了目標層選擇存在的盲目性、隨意性。再采用地面鉆孔實施高壓注水壓裂、深孔爆破等成熟技術(shù)，降低該關(guān)鍵層能量集聚，從而減小該關(guān)鍵層破斷時的能量釋放，實現(xiàn)大空間采場礦壓的有效控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的施工地面鉆孔示意圖；

圖2是本發(fā)明的巖層移動監(jiān)測孔地面鉆孔多點位移計測點布置位置示意圖；

圖3是本發(fā)明的地表沉陷觀測點布置示意圖；

圖4是本發(fā)明三位一體監(jiān)測數(shù)據(jù)耦合分析方法示意。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本申請做進一步說明：

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明的巖層控制的三位一體監(jiān)測分析方法利用設(shè)置在地面的位移編碼器，設(shè)置在回采巷道中的壓力接受分站，其特征在于：根據(jù)獲取的區(qū)域地層覆巖全柱狀確定回采工作面覆巖各關(guān)鍵層位置，在工作面所對應(yīng)的地面區(qū)域連續(xù)布置3個巖層移動監(jiān)測孔，利用在巖層移動監(jiān)測孔內(nèi)設(shè)有多個錨固點監(jiān)測各關(guān)鍵層隨工作面開采的相對下沉量，在中間位置的巖層移動監(jiān)測孔一側(cè)布置電視觀測孔，并觀察孔內(nèi)部孔壁的裂隙、錯動情況，檢測工作面的壓力，檢測工作面液壓支架的壓力，檢測各地表沉陷的下沉量，從而獲得巖層移動監(jiān)測孔內(nèi)各錨固點的實際下沉量，利用實際下沉量從而判斷出發(fā)生破斷的關(guān)鍵層。

其具體步驟如下：

a、根據(jù)開采區(qū)域地質(zhì)信息，獲取該區(qū)域地層覆巖全柱狀，基于“巖層控制的關(guān)鍵層”理論對覆巖全柱狀進行判別，確定回采工作面覆巖各關(guān)鍵層位置；

b、工作面推過切眼距離超過兩倍工作面寬度后，通過gps測量系統(tǒng)確定井下工作面所對應(yīng)的地面區(qū)域，進而在工作面中部所對應(yīng)的地表區(qū)域，沿工作面推進方向間隔30-40m連續(xù)布置3個地面鉆孔作為巖層移動監(jiān)測孔，巖層移動監(jiān)測孔均垂直下鉆至開采煤層；如圖3中的鉆孔1#、2#和3#，圖中的q1、q5…q25分別為工作面傾向地表沉陷觀測點，z1、z5…z25分別為工作面走向地表沉陷觀測點；

如圖2所示，在每個巖層移動監(jiān)測孔中設(shè)置多個錨固點作為覆巖各關(guān)鍵層移動的測點，其中錨固點分別設(shè)置在巖層移動地面鉆孔內(nèi)的覆巖各關(guān)鍵層厚度中部，其中ks1表示第1層亞關(guān)鍵層，ks2表示第2層關(guān)鍵層，ks3表示第3層關(guān)鍵層，pks表示主關(guān)鍵層。利用細鋼絲將錨固點與設(shè)置在地面的位移編碼器相連接，利用錨固點監(jiān)測各關(guān)鍵層隨工作面開采的相對下沉量s1，多個錨固點與相應(yīng)的位移計連接即組成了多點位移計。

c、沿工作面傾向，在3個巖層移動監(jiān)測孔中間位置的巖層移動監(jiān)測孔任一側(cè)距離20-30m的位置布置一個電視觀測孔，電視觀測孔垂直下鉆至開采煤層；在工作面開采至距離電視觀測孔50m時，使用深井探測儀間隔1-2天觀測一次電視觀測孔內(nèi)部孔壁的裂隙、錯動情況,直至工作面推過鉆孔100-200m或檢測到孔內(nèi)裂隙不再發(fā)育；

d、如圖4所示，每當(dāng)工作面推進至各個巖層移動監(jiān)測孔下方時，在工作面液壓支架與刮板輸送機之間沿工作面全長均勻埋設(shè)三組壓力餅，壓力餅通過鎧裝電纜與設(shè)置在回采巷道內(nèi)的壓力接受分站連接，通過光纖、電纜等傳輸介質(zhì)，將壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測中心，以便數(shù)據(jù)的實時提??；將工作面液壓支架每5個作為一組，在每組首個液壓支架的支架活柱上安裝壓力傳感器，利用壓力傳感器實時監(jiān)測液壓支架承受的壓力；各液壓支架設(shè)置的壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)采集頻率為5min；

e、以中間位置的巖層移動監(jiān)測孔為中心，分別沿工作面走向和傾向布置兩條長500-600m的地表沉陷觀測線，并從中心出發(fā)，沿著觀測線以20-30m的間距布置多個地表沉陷觀測點，利用gps等量測設(shè)備記錄各地表沉陷觀測點隨工作面開采的下沉量s2；gps等量測設(shè)備的監(jiān)測頻率為每周2-3次；

f、利用公式：s＝s1+s2，即可得到巖層移動監(jiān)測孔內(nèi)各錨固點的實際下沉量s，便于研究煤層開采各覆巖運動程度；

當(dāng)壓力傳感器采集到液壓支架上的壓力數(shù)據(jù)大幅升高時，對比覆巖各關(guān)鍵層錨固點下沉量數(shù)據(jù)變化情況，初步判斷下沉量數(shù)據(jù)變化大幅增大的測點所對應(yīng)的關(guān)鍵層即為該階段發(fā)生破斷的關(guān)鍵層，同時，結(jié)合電視觀測孔內(nèi)裂隙、錯動情況和采空區(qū)壓力數(shù)據(jù)反推的垮落厚度進一步確定產(chǎn)生破斷運動的覆巖關(guān)鍵層層位，為有針對性的弱化關(guān)鍵層提供依據(jù)；本方法能夠研究覆巖各關(guān)鍵層破斷運動對于井下礦壓的作用規(guī)律及影響程度，可用于確定引發(fā)強礦壓顯現(xiàn)、致災(zāi)的關(guān)鍵層層位，并基于此，人為干預(yù)關(guān)鍵層的破斷，實現(xiàn)井下礦壓的科學(xué)控制。

其中井下工作面的支架阻力數(shù)據(jù)及采空區(qū)壓力數(shù)據(jù)，多點位移計及鉆孔電視采集的采動覆巖巖層運動規(guī)律實測數(shù)據(jù)，以及地表沉陷觀測數(shù)據(jù)，都是從工作面距鉆孔50-100m開始，至推過鉆孔100-200m后結(jié)束；

所述巖層破斷運動時帶動固定于巖層的錨固點運動，錨固點帶動鋼絲繩發(fā)生下沉運動，鋼絲繩一端與錨固點相連，鋼絲繩另一端與編碼器相連，因此位移編碼器主要用于記錄可記錄各個時間段的固定于巖層的錨固點下沉量，以此代表巖層的下沉量，位移數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率為10s。