网络并行电法在覆岩破坏动态监测中的应用.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 网络并行电法在覆岩破坏动态监测中的应用 姓名董春勇 申请学位级别硕士 专业地质工程 指导教师刘盛东 20090601 摘要 摘要 煤层开采过程中上覆岩层的变形和破坏对矿井安全高效生产带来严重的影 响，岩体破坏形成的导水裂隙带高度是矿井水害防治重要的技术参数。目前，获 得覆岩破坏高度值的技术方法以地面探测和数值模拟为主，井下有效的测试技术 方法相对较少。本论文以直流电法成像技术为基础，利用自主研发的并行网络电 法采集技术，重点围绕工作面煤层开采过程中覆岩破坏问题开展研究，努力形成 井下动态监测方法，为煤矿安全生产提供有效的技术保障服务。 结合网络并行电法数据采集特点，论文针对矿井工作面采厚及地质条件不同， 在工作面顶板中设计相应的监测钻孔深度、倾角和电极数量建立动态观测系统， 监测顶板破坏情况。论文主要电法数据处理进行了研究自然电位法分析采煤过 程中自然电位变化情况；一次场激励电流法分析供电电流在采煤过程中供电电流 的变化情况；电阻率法反演技术分析采煤过程中视电阻率变化情况。利用以上三 种方法数据处理结果，综合分析煤层开采过程中上覆岩体破坏发展规律。 通过在祁南煤矿3 4 2 工作面和许疃煤矿3 4 3 2I 作面观测孔现场应用，所得成 果为随着回采工作面不断向监测点推进，自然电位值由升高一降低丹高的变 化趋势，电极电位值变化集中的拐点可以做为覆岩体破坏异常区域范围边界一 次场激励电流值由升高一降低升高的变化趋势，显示了上覆岩体破裂、有导水 通道连通和碎石压实的过程，电极电流值变化集中拐点可以判断异常区域范围边 界；视电阻率值在采空区上方升高的范围不断扩大，局部区域电阻率值甚至是背 景值的上千倍，离层、超前影响带、冒落带和裂隙带发育直观。该方法可以直观 地动态监测裂隙带的发育形态以及采动矿压的显现规律，并与井下回采实际验证 和其他探测方法资料对比所得结果基本吻合。论文同时也指出了网络并行电法数 据处理中存在问题及今后的研究方向。 图5 3表6 参4 9 关键词网络并行电法，覆岩破坏，动态监测方法，数据处理 分类号 1 ．- 2 ； 摘要 A b s t r a c t T h ed e f o r m a t i o no f o v e r b u r d e ns t r a t ao fm i n i n gf a c ec a u s e db yc o a lm i n i n gb r i n g S e r i o u si m p a c to nt h em i n ee f f i c i e n tp r o d u c t i o n ，a n dt h eh e i g h to f ap e r m e a b l ef r a c t u r e z o n ec a u s e db yr o c km a s sd e s t r u c t i o ni st h ei m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e ro fc o a l m i n e w a t e rd i s a s t e r ’Sp r o p h y l a x i sa n dt r e a t m e n t ．P r e s e n t l y , t e c h n o l o g yo b t a i n i n gt h eh e i g h t o fo v e r b u r d e nd e f o r m a t i o ni sg r o u n dl o c a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt e s t i n g t e c h n o l o g yu n d e r g r o u n di sr e l a t i v e l yl e s s ．T h i sp a p e rb a s e so nt h et h e o r yo fe l e c t r i c a l i m a g i n gt e c h n o l o g y ，t h em a i nr e a s e a r c hW a sa b o u th o wt od e t e c to v e r b u r d e nf a i l u r e d u r i n gt h ec o a lf a c eb Yu s i n gn e t w o r kp a r a l l e le l e c t r i c a lm e t h o da c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y t os u p p l ye f f e c t i v et e c h n o l o g yi n d e m n i f i c a t i o ns e r v ef o re o a l m i n es a f ep r o d u c t i o n ． P a p e rh a db e e nb u i l e ds u r v e l l i a n c es y s t e m sa c c o n d i n gt od i f f e r e n c ek i n d so f g e o l o g y c o n d i t i o na n dc o a lf a c et h i c k l y , i td e s i g n e do nt h eu p p p e rp l a t et od e p t h ，d i pa n g l ea n d e l e c t r o d eq u a n t i t yi nc o a l f a c ea n dc o n s t r u c t e dd y n a m i co b s e r v i n gs t s t e mf o r m o n i t o r i n go v e r b u r d e nf a i ／u r ec o n d i t i o n ．T h ep a p e rm a i nt e a s e a t e h e da b o u th o wt o d a t a p r o e e s s e i nn a t u r a le l e c t r i cp o t e n t i a lm e t h o da n a l y s i sc o a lm i n i n gp r o c e s s ， n a t u r a le l e c t r i cp o t e n t i a lc h a n g e sc o n d i t i o n ；o n et i m eo ff i e l de x c i t a t i o n se l e c t r i c c u r r e n tf o l l o w sa n a l y t i c a lc u r r e n t s u p p l ye l e c t r i c c u r r e n ti nt h ev o l t a i cc h a n g e c o n d i t i o n s u p p l y i n ge l e c t r i c i t y i nc o a l m i n i n gp r o c e s s ；t h er e s i s t i v i t y m e t h o d b a c k c a l c u l a t i o nt e c h n o l o g ya n a l y s e sc o a lm i n i n gp r o c e s sC e n t r a lr e s i s t i v i t yc h a n g e c o n d i t i o n ．C o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sc o a ls e a mh a de x p l o i t e dr o c km a s sd e s t r o y i n gt h e d e v e l o p m e n tl a wb yu s i n ga l la b o v et h r e ek i n d sm e t h o dd a t ah a n d l i n gr e s u l t ． T h em e t h o dh a da p p l i e dt ot h ef a c tt h a t3 4 2f a c eo fQ iN a nc o a lm i n ea n dt h e3 4 3 2 f a c eo fX ut u a nc o a lm i n e ，t h eg a i n s c o n c l u s i o n W o r k i n gf a c eh a dm o v e df o r w a r dt o m o n i t o r i n gp o i n tu n c e a s i n g l y , n a m r a le l e c t r i cp o t e n t i a lv a l u eh a dr e d u c e dc h a n g et r e n d r i s i n gf r o mt h ep o w e r - u p ，a l lt o g e t h e rp o i n to fi n f l e c t i o no fe l e c t r o d ee l e c t r i cp o t e n t i a l v a l u ec h a n g ec a nd ot h eb o r d e rd e s t r o y i n ga b n o r m a la r e ar a n g ef o rc o v e r i n gar o c k m a s s ；Af i e l de x c i t a t i o ne l e c t r i cc u r r e n tv a l u eh a dr e d u c e dt h ec h a n g et r e n dr i s i n gf r o m t h ep o w e r - u p ，i th a dd e m o n s t r a t e dt h ep r o c e s sg o i n ga h e a dc o v e r i n gar o c km a s s b r e a k i n g ，t h a ti th a db e e nl e a d i n gw a t e rp a s s a g ec o n n e c t i o na n dt h eb r e a k s t o n e c o m p a c t i o n ，a l lt o g e t h e rp o i n to fi n f l e c t i o no fe l e c t r o d ee l e c t r i cc u r r e n tv a l u ec h a n g e c a nj u d g ef o ra b n o r m a la r e ar a n g eb o r d e r ；A p p a r e n tr e s i s t i v i t yv a l u eh a de x p a n d e d ．Ⅱ． 摘要 u n c e a s i n g l yi nt h er a n g er i s i n ga b o v eg o a f , p a r ta r e ar e s i s t i v i t yv a l u ew a sw o r t h b a c k g r o u n do fr e s i s t i v i t yt h o u s a n d f o l de v e n ．B e ds e p a r a t i o n , l e a d i n gi n f e c t i o n , c a v i n g z o n ea n df r a c t u r e dz o n eh a db e e nd e v e l o p m e n t e ds i g n i f i c a n t l y ．T h em e t h o nh a dt u r nt o b ea b l et ot h ed y n a m i cm o n i t o r i n gt h es i m u l t a n e o u sg r o w t ho fc r a c kf o r m m a n i f e s t i n g l a wa sw e l li l l st h es p i r i tm o v e so r ep r e s s u r e ’Sp e n e t r a t i n g ，b a c k s t o p i n gr e a l i t yv e r i f i e s a n ds o u n d so t h e rm e t h o dd a t ac o n t r a s tw i t hi nt h ep i t ，t h eg a i n sc o n c l u s i o n b a s i c a l l y i d e n t i c a l ．T h ep a p e rh a v e dp o i n t e do u ta tt h es a m et i m ed a t a p r o c e s s i n go fn e t w o r k p a r a l l e le l e c t r i c a lm e t h o dn a t u r a l | yp r o b l e ma n dr e s e a r c h e dd i r e c t i o ni nf u t u r e ． F i g u r e 5 3 t a b l e6r e f e r e n c e4 9 K e yW o r d s N e t w o r kp a r a l l e le l e c t r i c a lm e t h o d ，O v e r b u r d e nf a i l u r e ，D y n a m i c m o n i t o rm e t h o d , D a t a p r o c e s s i n g C h i n e s eb o o k sc a t a l o 1 2 ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名主犯日期多乎年彳月P 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞擞堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位 论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名耄荔复签字日期纱哆年名月严日 导师签名 习夥孓 Iy 签字日期谚年翻／加 第1 章绪论 1 绪论 1 ．1 研究的意义 煤炭工业是我国国民经济的支柱产业，煤炭工业的高速发展，带动了其它产 业的发展，促进了人民生活水平的全面提高。据统计，从1 9 5 0 年到2 0 0 6 年，我 国已开采了1 0 0 多亿吨煤。5 0 多年的开采活动，使煤炭资源进一步开采的条件越 来越困难。通过分析，今后煤炭资源的开采存在着这样一个趋势无水体、和建筑 物、浅层低瓦斯影响的煤炭资源越来越少，开采水体下 包括含水层下 、建筑物 下、深部的高瓦斯煤炭资源势在必行川。 由于地质环境条件及岩石体结构的复杂性，地下开采引起顶板覆岩移动变形、 破坏和导水裂隙带发育规律及瓦斯突出的研究受到人们的高度重视。过去对顶板 覆岩破坏的研究，获得覆岩破坏高度值的技术方法以地面探测和数值模拟为主， 井下有效的测试技术方法相对较少。地面探测技术由于离目标层较远，分辨率相 对较低且受人为操作影响较大，探测结果解释精度及成果内容不能满足现代矿井 生产的需要；数值模拟方法一般近似模型来替代研究区的复杂的地层层位，模拟 结果在一定程度上反映裂高发育规律。 利用井下巷道及钻孔条件建立网络并行电法动态监测系统来实测顶板覆岩破 坏导水裂隙带高度技术，对于矿井水害防治、改进支护技术、合理确定开采边界、 合理确定其开采上限等具有重要意义。该方法具有实时性、连续性、多信息、低 费用等特点；不但是提高矿井安全生产的问题，更是提高开采上限、扩大矿井储 量，延长服务年限，提高经济效益的有效途型2 1 。 1 ．2 国内外研究现状 覆岩运动和破坏是一个复杂的动力学现象，其影响因素众多，对其研究存在 很大的难度。几十年来，国内外学者对其进行了大量的研究，取得了宝贵的成果 和经验，但仍然存在许多问题，目前还处在经验积累和理论探索之中。实现水体 下安全合理开采的首要关键问题就是正确预计覆岩破坏的高度和特征。因此水体 下采煤的研究对上覆水体的研究之外，最重要的就是对覆岩破坏发育过程、高度 和特征的研究。近几十年来，世界各国普遍重视水体下采煤的研究，并进行了大 量的开采实践，积累了许多成功的经验。比较起来，国外更重视海下和松散层水 体下的开采，而我国由于内陆水系分布较广，且多数矿区的冲积层和基岩含水丰 富。因此，我国水体下采煤覆岩破坏特征研究也较为深入。 安徽理工大学硕士学位论文 1 ．2 ．1 国内研究现状 我国早在2 0 世纪5 0 年代就开始了水体下采煤的研究和实践。近几十年来， 我国已在不同条件下成功的进行了大量的开采实践，理论上也有了很大的发展， 对覆岩的移动、破坏规律有了比较深入的认识。大体分为三个阶段 1 ．1 9 6 0 年以前，国内已有水体下采煤的尝试，此时对覆岩破坏规律的研究处于 认识性阶段，基本上是利用经验法和类比法对覆岩破坏规律进行初步预测，其特 点是以煤层赋存条件为主要研究内容。 2 ．1 9 6 0 年代至8 0 年代，施工了大量用于专门观测覆岩破坏特征的钻孔。在此 基础上，结合相似模拟技术的较快发展，根据煤层采出厚度、岩体的强度类型， 总结了不同覆岩类型条件下裂高、跨高与煤层采出厚度的相关关系式，以指导生 产。总体上此阶段仍处于经验积累阶段，但研究方法以从定性的捕述和分析定量 化研究迈出了较大一步。 3 ．1 9 8 0 年代至今，我国开展了许多水体下采煤的专题研究，取得了不少的突 破性进展。其特点是 1 理论上更先进开始引入现代统计数学、损伤力学、断裂力学、弹塑性力 学、流变力学等理论及计算机技术； 2 在确定覆岩破坏高度的方法上除了传统的“钻孔冲液法”外，近年来还发 展了各种探测手段，如电测深法、浅层地震法、微震监测法和彩色钻孔电视探测 法等。 3 研究内容更广泛除重点研究地质构造、地层岩性、水文地质特征、岩体结 构等地质条件外，还广泛研究了与覆岩移动变形有关的原岩应力场。在深入研究岩 体力学特征、时间效应的基础上，对裂隙带的演变过程进行动态的分析。 4 研究方法更先进广泛应用物理模拟和数值模拟方法，使研究的深度不仅局 限- 丁．覆岩移动变形、破坏现象等方面，而且从覆岩变形破坏过程影响因素等方面探 讨导水裂隙带的形成机理，在此基础上进行有效的预测。 以中国煤炭科学研究院刘天泉院士提出了覆岩破坏学说，按照长壁开采后， 覆岩变形破坏特征及其导水性能，将上覆岩层分为“三带”，即冒落带、裂隙带 和整体弯曲下沉带，并对离采场较近的裂隙带形态及力学特性进行了描述。此后， 山东科技大学高延法教授突破了传统的三带观念，提出岩移“四带”模型，认为 岩层结构力学模型应划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲击层带，分析了离 层带和松散冲击层带在岩移计算中的必要性和重要性l 卜引。 ．2 ． 第l 章绪论 2 0 世纪9 0 年代对岩层控制理论的深入研究导致“关键层”理论的产生。该理 论认为，当采场上覆岩层中存在多层坚硬岩层时，仅有一层或几层坚硬岩层对整 个采场上覆岩层的运动起决定性作用，采场上覆岩层的变形、破断、离层和地表 沉陷等一系列矿压显现规律主要受坚硬岩层中这一层或几层被称为关键层的岩层 控制，主关键层与亚关键层、亚关键层与亚关键层之间的变形不协调导致了岩层 移动中的离层与裂隙的产生。“关键层”理论将关键层在破断前处理为弹性地基 梁，破断后处理为砌体梁结构，对关键层的破断规律进行了研究并给出了关键层 判断9 1 。 随着生产力水平的提高和发展。出现了分层综采、厚煤层一次采全高、厚煤层 综放开采及快速推进高产高效的新采煤技术。建筑物、水体、铁路及主要井巷 煤柱留设与压煤开采规程中的导水裂隙带高度的预测公式不再完全适用，进而有 必要对其进行新的探讨和研究，获得在新型采煤方法条件下导水裂隙带的发育规 律及导水裂隙带高度的预测公式。 1 ．2 ．2 国外研究现状 两个世纪以前，已经有人对覆岩运动理论进行了初步探索。1 8 3 8 年，多里斯 及稍后的比利时人哥诺在研究岩层塌陷的问题时发表了一种观点，后来发展为“法 线规则”的多里斯一哥诺理论日。将项板岩层分解成二个分力，顶板的运动只在 法线力P ，影响下产生，因此得到采空区上部、下部边界旁的断裂面的方向是相 同的，断裂发生在边界正上方上下两个方向，角度为9 0 。士a a 为煤层倾角 。 这个理论显然是不成熟的，但可肯定在研究覆岩运动问题中起过巨大的作用。 哥诺的同时代人斯巴列稍有不同地描述了岩层移动，首次提出了岩层弯曲断裂的 概念。假定移动是由于岩层在危险断面内的断裂引起的，断裂断面内弯矩最大， 并认为岩层是一个两端固定的梁，并给出了岩层断裂 梁 方式。“高斯理论”描 述岩层移动时，认为在采空区上方直接形成了综合移动带一塌落和弯曲，而往上 是纯弯曲带，并确定塌落带高度为3 0 - 6 0 m 。 1 8 8 5 年，法国人法约尔利用现场观测和模型研究提出了开采沉陷的“拱形理 论”。1 9 世纪末期豪斯建立的开采沉陷模式与现代的理论就更为接近了，即在采 空区上方首先形成倒梯形的冒落带和裂隙综合带，高度为采厚的 3 0 “ - - - 5 0 倍， 其上方为纯粹弯曲带】。 2 0 世纪50 年代，苏联C T 阿威尔辛等认为【1 2 】，在没有岩层破坏的状态 中上覆岩层几近于弹性状态。回采工作的影响下，岩层变形，弹性状态发生破坏， - 3 一 安徽理工人学硕．上学位论文 岩石发生移动，岩层处于塑性移动过程，介质为塑性介质。 原联帮德国煤矿开采时采动损害进行了专门的分析。其中对水平煤层开采时 采动岩体垂直变形进行研究后认为，采空区上方存在垂直方同拉伸变形带，外侧 则为压缩带。如果有坚硬抗弯岩石覆盖于软岩之上，或者沿层面处容易分层的话， 在凸曲率过渡到凹曲率的地方，即在采区边界上方曲线拐点处可能发生的几毫米 离层．随后离层消失，在中间带的坚硬岩层中发生相互错动可达5 0 c m [ ”1 。 对岩体水平移动和变形进一步分析，考虑时间因素的影响，从开始回采到岩 移过程完全停止，在岩体变形范围内，由于矿产采出和采出空间的收缩，不断发 生静力平衡的破坏，覆岩拉伸区和压缩区的轮廓时刻在变化，各点的变形也在增 大或减小。 对岩体移动的计算时，认为岩层移动产生并开始于开采水平上，这里所发生 的直接项下沉是计算上覆岩层下沉的起始数据。下沉之前和下沉之后的直接顶板 面所包含的体积应相当于任意顶板岩层的沉陷盆地的体积，但应顾及由于顶板岩 石的碎胀性及岩层的弹性卸载扩张与弯曲压缩之差引起的体积减小。直接顶和老 顶向采空区的下沉可以简化地看作平板或梁的弹性弯曲，或把岩层看作非连续松 散介质巾颗粒位移，或者看作是开尔文流变模型所捕述的介质中物质的流变过程。 另外，由于国外水体下采煤大多数采用走向长壁法开采，全部跨落法顶板管理。 有时，为了确保井下生产安全，规定除留设一定的防水煤柱外，还采用超前探水、设 置永久水闸门等措施，并建立有效的岩移、水文观测系统，以指导矿井的安伞生产。 1 ．3 顶板覆岩破坏探测技术研究现状 煤层开采覆岩破坏规律探测技术总体上分为三类数值模拟、相似材料模拟和 原位探测技术。 1 ．3 ．1 数值模拟 在计算技术高速发展的信息时代，任何科学研究都离不开数值分析。数值分 析具有投入人力少，周期短，可对开采沉陷的各个变量进行分别研究。正由于数 值分析有它本身的优越性，因此选用数值分析的方法与相似材料模拟研究相结合， 对地质、采矿因素影响进行较为系统的研究，进一步揭示覆岩破坏发育规律。 1 9 8 6 年开发的拉格朗日元法 F L A C ，成功地将流体力学巾跟踪运动的拉格朗 日方法应用于解决岩体力学的问题。起初F L A C 主要是用于模拟结算岩土类工程材 料的力学行为，特别是岩土材料达到屈服极限后产生的塑性流动，而目前在采矿 ．4 ． 第l 章绪论 工程和地下结构工程的设计和分析方面得到广泛的应用。F L A C 程序设有多种本构 模型，可模拟地质材料的高度非线性 包括应变软化和硬化 、不可逆剪切破坏和 压密、粘弹性 蠕变 空隙介质的流固祸合、热力藕合以及动力学行为等。另外， 程序还设有边界单元，可以模拟断层、节理和摩擦边界的滑动、张开和闭合行为。 支护结构，如衬砌、锚杆、可缩性支架或板壳等与围岩的相互作用也可以通过F L A C 程序中的结构单元进行模拟蠕变模型可以研究盐矿设计通过应用热力学模型， F L A C 可以模拟在地下深部高辐射废料存储的力学响应。 F L A C 程序建立在拉格朗日算法基础上，特别适合模拟大变形和扭曲。F L A C 采 用显式算法来获得模型全部运动方程 包括内变行的时间步长解，从而可以追踪模 型的渐进破坏直至整体垮落的全过程【1 4 】。 但是，其缺点也很突出，因为地质体是复杂的，并不是理想的模型，所以纯粹的 数值模拟不能够反映具体的异常，在实际应用方面有很大的局限性。 1 ．3 ．2 相似材料模拟 相似材料模拟实验是地下工程问题研究的有效手段之一，它既可以弥补理论分 析之不足，又可以克服现场实测研究过程中的诸多困难，通过对现场问题客观、 科学的模拟分析，可以比较直观地确定解决问题的方法和途径，同时为更深层次 的理论分析和研究奠定基础。 用相似材料模拟方法研究岩层移动的实质是根据相似原理，将矿山岩层 在研 究的范围内 以一定比例缩小，用相似材料制成模型。然后对模型中的煤层进行“开 采”，观测模型上的岩层由于“开采“ 引起的移动、变形和破坏情况，分析、推 断实地岩层所发生的情况。在工程地质力学模型实验中，由于采用的几何相似比例 比较小，就要求材料的强度比较低，为满足应力相似条件，一般选择重度比较大的 材料1 5 】。 1 ．3 ．3 原位探测技术 煤层采动顶底板破坏规律原位探测技术主要分为直接和间接探测两种类型。 直接法通过直接观测煤层开采后岩层所产生的岩体破坏程度如裂隙的规模来确定 “三带“ ，代表方法有地面钻孔冲洗液法、井下仰孔注水测漏法、钻孔电视法。 间接探测方法即通过检测或探测岩体破坏区在动力学参数 应力、应变、位移 和 物性参数 导电性、弹性、声发射等 的变化来确定岩体的破坏规律，又分为力学探 测法与地球物理探测法，此类方法有弹性波测井法、孔间震波C T 法、瞬变电磁法、 - 5 ． 安徽理工大学硕上学位论文 电阻率法、声发射定位法等。 对于项板覆岩及底板破坏探测方法较多，综合国内外多年来的研究成果和煤 层采动覆岩及底导水裂隙带探测实践，目前常用的此类探测方法有以下几种 1 ．钻孔冲洗液法 钻孔冲洗液消耗量观测法 简称为钻孔冲洗液法 是通过直接测定钻进过程中 的钻孔冲洗液消耗量、钻孔水位、钻进速度、卡钻、掉钻、钻孔吸风、岩芯观察 及地质描述等资料，综合判定垮落带和导水裂隙带高度及其破坏特征的一种方法。 导水裂隙带高度主要是根据钻孔冲洗液消耗量及周围岩体特别是上覆岩体发生破 坏和钻孔水位观测等结果加以确定，垮落带高度则丰要是根据钻进异常现象加以 确定。其精度不同程度地受到施工人员经验制约，特别是在某些原岩裂隙发育的地 区往往不能取得可靠数据，对把握观测时机的要求较高。且钻孔施工难度大、费用 高，已很难满足煤矿生产的要求L 7 J 。 2 ．井下仰孔注水测漏法 井下仰孔注水测漏法是近几年山东科技大学发明的“钻孔双端封堵测漏装置“ 专利技术。井下仰孔分段注水观测系统由孔内封堵器、连接管路和孔外测量仪表 三部分长成。孔内封堵器是一个带有双端封堵胶囊的注水探管，用于对所测试孔段 两端进行密封孔外测试仪表主要包括流量表、压力表和相应的阀门，用以控制封 孔压力和注水压力及注水流量大小，孔外仪表和孔内封堵器间通过耐压管路连接。 井下仰孔分段注水观测。一般是在工作面周围巷道中，向采空区上方打仰斜钻 孔，钻孔打入并穿过导水断裂带，把双端封堵器装入钻孔，双端封堵器的胶囊平时 呈现圆管状态，可在钻孔内自由移动，当通过管路给胶囊充以一定压力的水或气时， 胶囊可刻迅速膨胀，将封堵器所在孔段两端严密封堵，然后通过注水管路从探管中 部向封堵孔段注水。如果封堵的岩层有裂隙，则注水孔段的水将从裂隙漏失，通过 孔外流量调试仪表。可以测出规定注水压力下每米孔段、每分钟时问内的漏失量。 漏失量大小尺映了封堵段裂隙的发育程度。如果封堵段没有裂隙，注水漏失量很小， 甚至为零。孔内封堵器、封堵段的长度设计为l m 长，每测定完一个l m 长度的孔段 后，将封堵器的胶囊卸压，胶囊收缩复原，便可将封堵器移到下一个测段，继续进行 封孔注水观测，直到测出整个钻孔各段的漏失量，即可根据各段注水漏失量的变化 情况来确定导水裂隙带高度，以此探测确定覆岩破坏规律I l 卜仃l 。 3 ．数字化钻孔电视系统监测 J C D - 2 型井下彩色电视系统是用于钻孔内部成像的观测系统，该系统包括井下 摄像探头、系统控制器、专用电视电缆、绞车、录像机和彩色监视器等六部分。 ．6 ． 第l 章绪论 采用J C D - 2 型井下彩色电视系统，将摄像仪放在钻孔中上下运动，将孔壁 岩层 状 况 如裂缝大小、连通情况、破碎、离层等 直观清晰地显示在屏幕上，同时将孔 中实况记录在磁带上供分析研究和永久保存。该方法通过换算还可以解释出裂缝 离层的宽度、破碎岩块的大小尺寸、精细的分层厚度等等。用J C D - 2 型井下彩色电 视系统结合钻孔冲洗液漏失量法来研究“两带”尤其是垮落带的发育高度，可大 大提高导水裂缝带尤其是垮落带的探测精度，并可以对采后覆岩破坏、移动状况 做更深入的了解，可以直接观察覆岩尤其是基岩风化带隔水、透水等情冽1 8 1 。 4 ．声波测井 声波测井所采用的仪器是国产声速测井仪T Y S C - 2 。进行声波测井的目的首先 是根据声波测井中的声波传播速度来了解岩体的物理力学性能，其次是利用声波 测井中的声波传播速度在采动前后的衰减变化及其特点来解释导水裂缝带的位 置，即利用岩体中声波的传播速度与岩体的弹性参数及密度有关的特点，根据声 波的传播速度在不同岩层中和采动前后过程中的衰减变化规律来判定导水裂缝带 顶点的位置。 声波测井主要用于划分煤层及其结构，对比地层，确定覆岩断裂高度、破碎 带位置、地层空隙度、分析和计算岩石强度参数。在煤系地层中，煤的密度最小， 其纵波速度最低，凡厚度大于测量间距的煤层和夹矸，在声速曲线上都有明显差 异。依据不同时刻固、液体界面附近的波阵面所反映的声波在液体和固体中的传 播特征及其在液、固界面上的耦合关系，可以探测采空区覆岩断裂高度1 9 1 。 5 ．电导率成像系统 E H - 4 电导率成像系统探测地层构造和覆岩破坏形态。 E H - 4 电导率成像系统是美国著名的G e o m e t r i c s 公司和E M I 公司联合研制的 双源型电磁地震系统。仪器设计精巧、坚实，特别适合地面2 D 、3 D 连续张量式电 导率测量，在技术上率先突破传统单点测量壁垒，走向电磁测量模拟地震化、联 合2 D 、3 D 连续观测和资料解释。E H - 4 是全新概念的电导率张量测量仪，该系统 依靠其先进的电磁数据自动采集和处理，而且2 种数据互相补充，能对采空区位 置、两带高度分布、断层及构造、陷落柱等的探测中发挥作用【2 0 1 。 应用E H - 4 电导率成像系统探测覆岩破坏高度，具有观测范围大，探测简单， 经济快捷的特点，适用于探测地层构造、含水层分布、和覆岩破坏特征。该系统 探测深度可达1 0 0 0 m ，由于受物理探测自身精度的限制，缺少详细及精确的描述， 须与地面“两带”钻孔进行对比分析。 - 7 ． 安徽理工人学硕士学位论文 6 ．电阻率法 煤层开采造成覆岩破坏，从而引起覆岩上稳态电场特征发生变化，其主要变 化的电性参数是电阻率。裂隙带范围岩体视电阻率是正常情况的2 3 倍，垮落带 造成的视电阻率变化是正常情况的4 - 6 倍。通过观测采矿活动前、后煤层上覆地 层视电阻率变化，可有效地探测覆岩破坏范围1 2 1 1 。 7 ．微震观测系统． 材料在外界应力作用下，其内部将产生局部弹塑性能集巾现象。当能量积聚 到某一临界值后，会引起微震裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展伴随有弹 性波或应力波的传播，其后果就是产生声发射，相对于较大尺度的岩体，这些信 号类似于天然地震波传播，不过其能量较弱，传播范围较小，人民一般感觉不到， 称为“微地震”。微地震事件是指一个震源点产生的微地震信号，微地震震源点 的位置就是岩石破坏的位置。由于采动的影响，岩层发生破裂，产生强度较弱的 地震波，利用微地震技术可以跟踪观测、记录、分析、处理这些微地震波，据此 确定破裂的实际空间位置以及所能达到煤层上方的高度[ 2 2 1 。 1 ．4 存在的问题 1 ．地面探测技术应用较多，而井下原位探测较少。地面探测时由于距离目标体 较远，受上覆地层影响，降低了探测分辨率。当采用如地面钻孔冲洗液法时，该类方 法耗时耗力且成孔率低，获得裂高参数不同程度受操作者经验影响。 2 ．注重数值模拟而轻于原位测试。如上文所述任何的建模软件无法完全模拟实 际复杂地质结构，且所赋岩体的各类初值受经验值影响较大。因此模拟结果只能一 定程度上反映裂高发育情况。 3 ．以静态方法为主，动态探测利用不足。日前裂高探测一般选择在采后老空区 内进行或在井下进行少量探测。所得结果为“一孔之见，一时之见”，原生裂隙与 采动裂隙无法区分难以从整体．卜把握裂高动态发育过程。 4 ．利用的参数单一，缺少多参数联合探测技术。岩体结构变化时导致的变化参数 较多。仅着眼于某一种参数略显不足，探测时利用多种参数降低结果的多解性提高 探测精度。 地质采矿条件及岩体特性参数大多是不完全定量的，甚至是随机模糊的，难 以用确定性的模型加以描述。包括煤层在内的顶底板岩层存在于一定的地质环境 之中，其形成和发展经历了地质历史时期中各种内外地质营力作用的改造和影响， 是一种受多种因素制约的复杂性材料。这种复杂性主要表现在，岩体的不连续性、 ．8