CN115788579A - 一种煤层开采覆岩三带时空演化监测方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,沿煤层推的垂向对监测区域地下进行分层持续监测获取地下层位变形数据;沿煤层推采方向对监测区域地表定期进行区域测量获取地表变形数据;通过地下层位变形数据和地表变形数据,构建煤层开采覆岩三带发育动态模型,获取煤层开采覆岩三带发育规律数据;利用煤层开采覆岩三带发育规律数据,获得井下煤层工作面推采进度与覆岩三带发育高度之间的时空关系数据,将时空关系数据作为井下安全开采的监测依据。本公开融合无人机航摄测绘、地表移动观测、导水裂隙带探测与光纤监测技术,为覆岩三带发育高度的最佳探查时机提供帮助,有利于井下安全开采。
Description
技术领域
本发明属于矿井开采技术领域,具体涉及一种煤层开采覆岩三带时空演化监测方法。
背景技术
随着我国煤炭资源开发布局的转移,侏罗系煤层成为西北型煤田的主采煤层,而顶板水害是制约侏罗系煤层开采的重要影响因素。
顶板水害不仅严重影响矿井生产安全,同时会加剧相关区域的生态环境问题。覆岩破坏裂隙发育特征是引起顶板水害的关键因素之一,因此,采动煤层顶板上覆岩体空间动态发育的过程,对煤矿安全、高效开采、矿区环境保护具有非常重要的意义。传统技术中,仅局限于探测某一特定时间特定点位的覆岩垂向发育情况,无法揭示开采扰动下覆岩破坏的时空演变规律。
发明内容
有鉴于此,本公开的目的在于提出一种煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,能够实现煤层开采全周期内的覆岩三带时空发育特征分析。
基于上述目的,本公开提供了一种煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,包括以下步骤:
(1)获取模型数据:所述模型数据包括地下层位变形数据和地表变形数据:其中,所述地下层位变形数据是沿煤层推采的垂向对监测区域地下进行分层持续监测得到的;所述地表变形数据时沿煤层的推采方向对监测区域地表定期进行区域测量得到的;
(2)动态模型构建:通过所述地下层位变形数据和所述地表变形数据,构建煤层开采覆岩三带发育动态模型,根据煤层开采覆岩三带发育动态模型获取煤层开采覆岩三带发育规律数据;
(3)时空关系获取:利用煤层开采覆岩三带发育规律数据,获得井下煤层工作面推采进度与覆岩三带发育高度之间的时空关系数据,将时空关系数据作为井下安全开采的监测依据。
作为煤层开采覆岩三带时空演化监测方法的优选方案,步骤a)中,通过分布式光纤监测及导水裂隙带探查孔,采集地表移动监测站和探查孔的所述地下层位变形数据,所述地下层位变形数据包括监测区域内导水裂隙带发育高度及每个预设地下层位的形变数据。
作为煤层开采覆岩三带时空演化监测方法的优选方案,分布式光纤监测过程,在监测区域的地表钻取竖向钻孔,在竖向钻孔中布置分布式感测光缆作为分布式光纤监测站;
利用分布式感测光缆中的应变数据,提取煤层开采覆岩层中的预设地下层位的位移信息。
作为煤层开采覆岩三带时空演化监测方法的优选方案,所述分布式光纤监测站还包括监测站砖体、配电箱、受力钢丝绳、钢绞线和配重导头;
所述监测站砖体布置在所述竖向钻孔的上部,所述配电箱设置在所述测站砖体测站砖体的内部;所述受力钢丝绳上端连接所述配电箱,所述受力钢丝绳上端连接所述配电箱,所述受力钢丝绳下端连接位于所述竖向钻孔内部的所述配重导头;
所述分布式感测光缆一端与所述配电箱电连接,所述分布式感测光缆的另外一端穿过所述配重导头并熔接组成回路;
所述钢绞线上端连接所述配电箱,所述钢绞线下端连接所述配重导头,所述钢绞线和所述分布式感测光缆之间通过扎带扎紧;
所述分布式感测光缆还电连接有光纤光栅无线解调仪,所述光纤光栅无线解调仪用于对所述分布式感测光缆进行传感信号解调。
作为煤层开采覆岩三带时空演化监测方法的优选方案,导水裂隙带探查过程,采用地面钻孔的方式,通过岩心鉴定、钻井冲洗液消耗量或三维钻孔电视,探查导水裂隙带发育高度。
作为煤层开采覆岩三带时空演化监测方法的优选方案,步骤b)中,通过无人机航摄测绘和地表移动监测站,定期采集监测区域的所述地表变形数据,所述地表变形数据包括地表沉降量、沉降范围和地裂缝发育情况;
根据若干预设时期监测的所述地表变形数据,对比得出煤层开采全周期的覆岩三带动态区域变化过程。
作为煤层开采覆岩三带时空演化监测方法的优选方案,无人机航摄测绘过程,在监测区域内,布置测量地面像控点、设计无人机航摄作业、无人机采集航测信息、后期处理航测影像和校正航测误差,计算监测区域的地表沉降量、沉降范围和地裂缝发育情况。
作为煤层开采覆岩三带时空演化监测方法的优选方案,地表移动监测过程,在监测区域布设控制点、观测点,采用卫星定位技术进行测量,将卫星接收机记录的数据传输到电脑进行处理,由观测数据绘制出监测区域内观测线的下沉曲线图获得预设精准度的所述地表形变数据;
结合无人机航摄测绘的监测结果,进行监测区域的平面沉陷范围及沉陷速率的监测。
作为煤层开采覆岩三带时空演化监测方法的优选方案,步骤(2),动态模型构建过程,利用从监测区域获取的所述地表变形数据和所述地下层位变形数据,将无人机航摄测量获取的地表沉陷图作为“面”数据;
将地表移动监测站获取的监测区域高程变化曲线作为“线”数据;
将分布式光纤监测站获取的监测区域内煤层开采覆岩层中的预设地下层位的变化曲线,及水裂隙带探查孔获取的监测区域内导水裂隙带发育高度作为“点”数据。
作为煤层开采覆岩三带时空演化监测方法的优选方案,通过分析“点”数据、“线”数据和“面”数据之间的时空变化规律,构造所述煤层开采覆岩三带发育动态模型;
利用所述煤层开采覆岩三带发育动态模型,查明井下煤层工作面推采进度与煤层开采覆岩三带发育的时空演化规律。
从上面所述可以看出,本公开提供的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,沿煤层推采的垂向,对监测区域地下进行分层持续监测获取所述地下层位变形数据;沿煤层的推采方向,对监测区域地表定期进行区域测量获取所述地表变形数据;通过所述地下层位变形数据和所述地表变形数据,构建煤层开采覆岩三带发育动态模型,根据煤层开采覆岩三带发育动态模型获取煤层开采覆岩三带发育规律数据;利用煤层开采覆岩三带发育规律数据,获得井下煤层工作面推采进度与覆岩三带发育高度之间的时空关系数据,将时空关系数据作为井下安全开采的监测依据。本公开融合了无人机航摄测绘、地表移动观测、导水裂隙带探测与光纤监测技术,利用无人机航摄测绘克服大范围监测密度较高时,工程造价高,实施复杂的技术缺陷,结合地表移动观测,可以完成精度更高的区域平面沉陷范围及沉陷速率的监测;同时利用导水裂隙带探测以及分布式光纤监测技术克服了无人机航摄测绘技术监测深度有限的技术缺陷,形成了点线面结合的三维覆岩三带发育监测,不仅解决传统单一监测方法的局限问题,更探明了煤层开采覆岩三带发育的时空演化规律,为覆岩三带发育高度的最佳探查时机提供帮助,有利于井下安全开采。
附图说明
为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案,下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法技术路线图;
图2为本公开实施例的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法示意图;
图3为本公开实施例的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法中分布式光纤监测站示意图;
图4为本公开实施例的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法中导水裂隙带探查示意图。
图中,1、分布式光纤监测站;2、地表移动监测站;3、导水裂隙带探查孔;4、弯曲下沉带;5、裂隙带;6、垮落带;7、监测站砖体;8、配电箱;9、受力钢丝绳;10、钢绞线;11、分布式感测光缆;12、配重导头;13、套管;14、松散层;15、基岩层。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开进一步详细说明。
需要说明的是,除非另外定义,本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
煤层开采覆岩三带指的是煤层上的弯曲下沉带4、导水裂隙带5和垮落带6。
煤层开采覆岩破坏发育高度的传统探测方案中,主要通过地面或地下钻孔的方式,用钻液漏失量观测、钻孔彩色电视窥视、双栓塞封堵测漏试验等方法进行探测。以上方法普遍应用于覆岩垮落带和裂隙带的探查当中,而无法完整揭露弯曲下沉带的发育特性。此外导水裂隙带5的发育是一种逐渐增大再趋向弥合的过程,传统方法需要在采动破坏一段时间后,待导水裂隙带5发育程度最高时进行探测,探测时机具有高度的主观性,不同地层岩性组合的发育规律均不相同,仅通过经验判断导水裂隙带5发育最高的时间存在较大误差。传统方法仅局限于探测某一特定时间特定点位的覆岩垂向发育情况,无法揭示开采扰动下覆岩破坏的时空演变规律。
有鉴于此,本公开通过持续监测、精准探查的方式综合分析煤层开采全周期内的覆岩三带时空发育特征,为研究覆岩结构破坏和孕灾机制提供新的技术手段。
以下,通过具体的实施例进一步详细说明本公开的技术方案。
参见图1和图2,本实施例提供一种煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,包括以下步骤:
(1)获取模型数据:所述模型数据包括地下层位变形数据和地表变形数据:
a)沿煤层推采的垂向,对监测区域地下进行分层持续监测获取所述地下层位变形数据;
b)沿煤层的推采方向,对监测区域地表定期进行区域测量获取所述地表变形数据;
(2)动态模型构建:通过所述地下层位变形数据和所述地表变形数据,构建煤层开采覆岩三带发育动态模型,根据煤层开采覆岩三带发育动态模型获取煤层开采覆岩三带发育规律数据;
(3)时空关系获取:利用煤层开采覆岩三带发育规律数据,获得井下煤层工作面推采进度与覆岩三带发育高度之间的时空关系数据,将时空关系数据作为井下安全开采的监测依据。
本实施例中,步骤a)中,通过分布式光纤监测及导水裂隙带探查孔3,采集地表移动监测站2和导水裂隙带探查孔3的所述地下层位变形数据,所述地下层位变形数据包括监测区域内导水裂隙带5发育高度及每个预设地下层位的形变数据。
参见图3,分布式光纤监测过程,在监测区域的地表钻取竖向钻孔,在竖向钻孔中布置分布式感测光缆11作为分布式光纤监测站1;利用分布式感测光缆11中的应变数据,提取煤层开采覆岩层中的预设地下层位的位移信息。分布式光纤监测站1还包括监测站砖体7、配电箱8、受力钢丝绳9、钢绞线10和配重导头12;监测站砖体7布置在竖向钻孔的上部,配电箱8设置在测站砖体测站砖体的内部;受力钢丝绳9上端连接配电箱8,受力钢丝绳9上端连接配电箱8,受力钢丝绳9下端连接位于竖向钻孔内部的配重导头12;分布式感测光缆11一端与配电箱8电连接,分布式感测光缆11的另外一端穿过配重导头12并熔接组成回路;钢绞线10上端连接配电箱8,钢绞线10下端连接配重导头12,钢绞线10和分布式感测光缆11之间通过扎带扎紧;分布式感测光缆11还电连接有光纤光栅无线解调仪,光纤光栅无线解调仪用于对分布式感测光缆11进行传感信号解调。
具体的,分布式光纤监测需要在井下工作面推采到监测区域前将分布式光纤监测站1以及地表移动监测站2设置好,并对分布式光纤监测站1和地表移动监测站2数据进行实时监测。同时利用无人机航摄测绘技术持续监测区域的地表高程,通过地表移动监测站2的高程矫正提高无人机航测精度,通过计算高程差值对监测区域内煤层开采下的地表沉陷范围进行动态监测。
根据现场实际情况在监测区域内地表进行钻孔作业,钻孔位置、工艺及深度需要根据监测区域煤层埋藏深度、采掘方式、煤层上覆岩层岩性等因素决定。布设分布式光纤监测站1的具体步骤为:
a11)根据钻孔作业情况,选定光纤传感器及解调设备的型号。光纤传感器主要有金属基索状光缆、普通定点光缆、矿用定点光缆等,根据实际情况可以组合选择合适的分布式感测光缆11。光纤光栅无线解调仪可实现对分布式感测光缆11的应变解调,通过对应变数据进行分析处理实现边坡体位移信息提取。
a12)配重导头12安装:在配重导头12尾部焊接钢筋,便于导头下放;施工前,将分布式感测光缆11穿过配重导头12,并熔接组成回路,连接好并检查分布式感测光缆11是否通路。熔接成通路后,用抱箍将分布式感测光缆11固定在配重导头12上。
a13)分布式感测光缆11下放:将固定好的分布式感测光缆11、钢绞线10、受力钢丝绳9和配重导头12放入竖向钻孔内部,通过下放钻杆将分布式感测光缆11带入到竖向钻孔深部;下放时,只能让受力钢丝绳9和钢绞线10扎紧。待分布式感测光缆11下放到竖向钻孔底部后,固定受力钢丝绳9,拉紧分布式感测光缆11并固定,固定后使用仪器对分布式感测光缆11进行检测。
a14)监测站砖体7封孔:分布式感测光缆11固定并初步检测后,立刻注水泥浆封孔,需要缓慢注浆,减少对分布式感测光缆11的影响。注浆封孔稳定后,在钻孔口砌监测站砖体7形成分布式光纤监测站1。将孔口余留的分布式感测光缆11和光纤光栅传感器引线等接入到配电箱8内,将配电箱8砌筑到监测站砖体7内进行保护。配电箱8为常用的普通配电箱8,尺寸标准为600*800*200mm为佳。
当分布式光纤监测站1布设完毕后,对上覆岩层进行初始化测量,测量完毕后开始正式监测,当工作面未开采到分布式光纤监测站1位置时,检测频率为2~3次/周,工作面接近分布式光纤监测站1位置时,数据采集频率加密为1次/天,直至分布式光纤监测站1内分布式感测光缆11形变数据稳定没有变化,并对获取的形变数据结合分布式光纤监测站1内地层分布特征进行整理分析,得出分布式光纤监测站1内分布式感测光缆11随煤层开采的应变变化曲线以及覆岩三带发育高度随煤层开采的变化曲线。
本实施例中,在煤层开采前布设分布式光纤监测站1的同时,根据监测区域的实际情况,布设地表移动监测站2,布设地表移动监测站2的步骤为:
a21)布设控制点:根据监测区域地表地形分析,在监测区域之外根据地表已有永久控制点确定若干个观测线的控制点并与观测线相连接。
a22)布设观测线:在监测区域内地表移动监测站2布设呈直线型,且一般由两条观测线组成,一条沿煤层推采方向,一条垂直于煤层推采方向。地表移动监测站2一般以等间距埋设,如有特殊区域可在测线布局上增加地表移动监测站2密度。
a23)埋设地表移动监测站2:地表移动监测站2和控制点可采用混凝土就地浇筑,也可埋设预制混凝土的监测站,地表移动监测站2中间用长度30cm,直径2cm的铁杆做标志,标志的顶部加工成球形,并钻一个深5mm,直径为1~2mm的孔作为地表移动监测站2的标志中心,为了保证观测点的可靠性,对观测点采取保护措施,使之免遭破坏。
采动过程中全面观测的平面位置测量采用GPS RTK技术进行,高程采用四等几何水准的方法进行。每次观测结束,对观测成果进行检查,然后进行改正数的计算和平差计算,确保观测成果的正确性,并根据观测数据绘制观测线的下沉曲线图。
具体的,GPS RTK技术是实时载波相位查分的简称,原理是通过将一台GPS接收器作为基准站,其他的GPS接收机放置于载体之上,GPS的基准站与流动站同时接受来自卫星的信号,其中基准站通过将所得到的定位数据与已知的位置信息进行对比,从而可以得到GPS定位信息的差分改正值,并将这一差分值传输到流动站中对流动站的测数据进行修正以其得到较为精确的测量数据。
具体的,水准测量基本原理是利用水准仪提供的水平视线,读取垂直竖立于两点的水准标尺的度数,以测定两点之间的高差,从而由已知点高程推算出未知点的高程。四等几何水准测量目的是直接提供地形测图和各项工程建设所必需的高程控制点。其技术要求视距不能超过100米,前后视距差不能超过3米,累计视距差不能超过10米,红黑面读数之不能超过3毫米,红黑面高差之差不能超过5毫米。四等几何水准测量的步骤本身是现有的,详见GB T 12898-2009《国家三、四等水准测量规范》。
本实施例中,步骤b)中,通过无人机航摄测绘和地表移动监测站2,定期采集监测区域的所述地表变形数据,所述地表变形数据包括地表沉降量、沉降范围和地裂缝发育情况;根据若干预设时期监测的所述地表变形数据,对比得出煤层开采全周期的覆岩三带动态区域变化过程。
其中,无人机航摄测绘过程,在监测区域内,布置测量地面像控点、设计无人机航摄作业、无人机采集航测信息、后期处理航测影像和校正航测误差,计算监测区域的地表沉降量、沉降范围和地裂缝发育情况。地表移动监测过程,在监测区域布设控制点、观测点,采用卫星定位技术进行测量,将卫星接收机记录的数据传输到电脑进行处理,由观测数据绘制出监测区域内观测线的下沉曲线图获得预设精准度的所述地表形变数据;结合无人机航摄测绘的监测结果,进行监测区域的平面沉陷范围及沉陷速率的监测。
具体的,煤层开始推采后,根据煤层的推采效率,使用无人机航摄测量技术定期对监测区域进行地表变形及地裂缝观测。航摄飞行平台选择大疆精灵4RTK无人机,自带高精度差分GPS,在作业过程中可实现相机曝光时间自动存储,飞行速度最佳为14m/s。
利用大疆精灵4RTK无人机进行航摄测量工作的步骤如下:
b1)布置测量地面像控点,根据监测区域的范围和地理特征,利用无人机搭配的D-RTK2移动站进行点测量,采集像控点的准确坐标;
b2)无人机航摄作业设计,根据监测区域地形地貌、煤层工作面上下对照坐标及地面分辨率的要求,规划符合实际情况的无人机飞行路线、飞行高度及摄影姿态;
b3)无人机航摄测量,将设计好的航摄作业计划导入无人机,操控无人机按照设定好的航线完成对监测区域地表的遥感影像采集,航摄作业完成后,导出采集到的遥感图像和坐标数据;
b4)航摄测量数据后期处理,将遥感图像、坐标数据及像控点坐标导入Pix4Mapper等专业遥感图像处理软件,经过图像拼接、点云加密等工作后生成监测区域DOM(数字正射影像图)、DSM(数字地表模型)、DTM(数字地面模型)。根据地面像控点测量数据,对无人机航摄测量得到的坐标及高程数据进行校正;
b5)沉降量计算,利用DTM与校正后得到的地表高程值,结合监测区域采前地形高程值进行比较,计算得出监测区域煤层开采前后地表沉陷量的变化值,生成监测区域高程变化曲线及地表沉陷图。
参见图4,当煤层工作面推采过后,为了精准得到导水裂隙带5的发育高度,在监测区域内根据地形条件、施工条件、钻孔保护要求以及不影响煤矿安全生产等因素,综合确定导水裂隙带探查孔3的位置,导水裂隙带探查孔3的施工工序为:
c1)从地表松散层14钻进至基岩层15内10m,下入套管13,全段利用水泥封闭止水固管。
c2)继续清水钻进出,当钻液漏失及水位突降时,做好钻液消耗量观测,洗井后开展三维钻孔电视窥视工作。钻孔在钻进过程中结合钻进实际情况提取岩心,并做好岩心鉴定维护工作。
c3)钻孔钻进过程中以不能钻进为止,结合含水层水位观测情况及钻孔位置确定是否封孔或留作长观。
进而通过导水裂隙带探查孔3,综合岩心鉴定、冲洗液消耗量、三维钻孔电视等方法精准探查导水裂隙带5发育高度。
本实施例中,步骤(2),动态模型构建过程,利用从监测区域获取的所述地表变形数据和所述地下层位变形数据,将无人机航摄测量获取的地表沉陷图作为“面”数据;将地表移动监测站2获取的监测区域高程变化曲线作为“线”数据;将分布式光纤监测站1获取的监测区域内煤层开采覆岩层中的预设地下层位的变化曲线,及水裂隙带5探查孔获取的监测区域内导水裂隙带5发育高度作为“点”数据。通过分析“点”数据、“线”数据和“面”数据之间的时空变化规律,构造所述煤层开采覆岩三带发育动态模型;利用所述煤层开采覆岩三带发育动态模型,查明井下煤层工作面推采进度与煤层开采覆岩三带发育的时空演化规律。
具体的,分析“点”数据、“线”数据和“面”数据的软件本身在测绘领域是现有的,如常见的地理信息系统MapGIS、ArcGIS等,地理信息系统可以提供存储、显示、分析地理数据功能,可以进行数据输入与编辑、数据管理、数据操作以及数据显示和输出等,是获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具。
综上所述,本公开通过分布式光纤监测及导水裂隙带探查孔3,采集地表移动监测站2和探查孔的地下层位变形数据,地下层位变形数据包括监测区域内导水裂隙带5发育高度及每个预设地下层位的形变数据。分布式光纤监测过程,在监测区域的地表钻取竖向钻孔,在竖向钻孔中布置分布式感测光缆11作为分布式光纤监测站1;利用分布式感测光缆11中的应变数据,提取煤层开采覆岩层中的预设地下层位的位移信息。导水裂隙带5探查过程,采用地面钻孔的方式,通过岩心鉴定、钻井冲洗液消耗量或三维钻孔电视,探查导水裂隙带5发育高度。通过无人机航摄测绘和地表移动监测站2,定期采集监测区域的地表变形数据,地表变形数据包括地表沉降量、沉降范围和地裂缝发育情况;根据若干预设时期监测的地表变形数据,对比得出煤层开采全周期的覆岩三带动态区域变化过程。无人机航摄测绘过程,在监测区域内,布置测量地面像控点、设计无人机航摄作业、无人机采集航测信息、后期处理航测影像和校正航测误差,计算监测区域的地表沉降量、沉降范围和地裂缝发育情况。地表移动监测过程,在监测区域布设控制点、观测点,采用卫星定位技术进行测量,将卫星接收机记录的数据传输到电脑进行处理,由观测数据绘制出监测区域内观测线的下沉曲线图获得预设精准度的地表形变数据;结合无人机航摄测绘的监测结果,进行监测区域的平面沉陷范围及沉陷速率的监测。利用从监测区域获取的地表变形数据和地下层位变形数据,将无人机航摄测量获取的地表沉陷图作为“面”数据;将地表移动监测站2获取的监测区域高程变化曲线作为“线”数据;将分布式光纤监测站1获取的监测区域内煤层开采覆岩层中的预设地下层位的变化曲线,及水裂隙带5探查孔获取的监测区域内导水裂隙带5发育高度作为“点”数据。通过分析“点”数据、“线”数据和“面”数据之间的时空变化规律,构造煤层开采覆岩三带发育动态模型;利用煤层开采覆岩三带发育动态模型,查明井下煤层工作面推采进度与煤层开采覆岩三带发育的时空演化规律。本公开融合了无人机航摄测绘、地表移动观测、导水裂隙带5探测与光纤监测技术,利用无人机航摄测绘克服大范围监测密度较高时,工程造价高,实施复杂的技术缺陷,结合地表移动观测,可以完成精度更高的区域平面沉陷范围及沉陷速率的监测;同时利用导水裂隙带5探测以及分布式光纤监测技术克服了无人机航摄测绘技术监测深度有限的技术缺陷,形成了点线面结合的三维覆岩三带发育监测,不仅解决传统单一监测方法的局限问题,更探明了煤层开采覆岩三带发育的时空演化规律,为覆岩三带发育高度的最佳探查时机提供帮助,有利于井下安全开采。
本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本公开实施例的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取模型数据,所述模型数据包括地下层位变形数据和地表变形数据:其中,所述地下层位变形数据是沿煤层推采的垂向对监测区域地下进行分层持续监测得到的;所述地表变形数据时沿煤层的推采方向对监测区域地表定期进行区域测量得到的;
通过所述地下层位变形数据和所述地表变形数据,构建煤层开采覆岩三带发育动态模型,根据煤层开采覆岩三带发育动态模型获取煤层开采覆岩三带发育规律数据;
利用煤层开采覆岩三带发育规律数据,获得井下煤层工作面推采进度与覆岩三带发育高度之间的时空关系数据,将时空关系数据作为井下安全开采的监测依据。
2.根据权利要求1所述的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,通过分布式光纤监测及导水裂隙带探查孔,采集地表移动监测站和探查孔的所述地下层位变形数据,所述地下层位变形数据包括监测区域内导水裂隙带发育高度及每个预设地下层位的形变数据。
3.根据权利要求2所述的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,分布式光纤监测过程,在监测区域的地表钻取竖向钻孔,在竖向钻孔中布置分布式感测光缆作为分布式光纤监测站;
利用分布式感测光缆中的应变数据,提取煤层开采覆岩层中的预设地下层位的位移信息。
4.根据权利要求3所述的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,所述分布式光纤监测站还包括监测站砖体、配电箱、受力钢丝绳、钢绞线和配重导头;
所述监测站砖体布置在所述竖向钻孔的上部,所述配电箱设置在所述测站砖体测站砖体的内部;所述受力钢丝绳上端连接所述配电箱,所述受力钢丝绳上端连接所述配电箱,所述受力钢丝绳下端连接位于所述竖向钻孔内部的所述配重导头;
所述分布式感测光缆一端与所述配电箱电连接,所述分布式感测光缆的另外一端穿过所述配重导头并熔接组成回路;
所述钢绞线上端连接所述配电箱,所述钢绞线下端连接所述配重导头,所述钢绞线和所述分布式感测光缆之间通过扎带扎紧;
所述分布式感测光缆还电连接有光纤光栅无线解调仪,所述光纤光栅无线解调仪用于对所述分布式感测光缆进行传感信号解调。
5.根据权利要求2所述的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,导水裂隙带探查过程,采用地面钻孔的方式,通过岩心鉴定、钻井冲洗液消耗量或三维钻孔电视,探查导水裂隙带发育高度。
6.根据权利要求1所述的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,通过无人机航摄测绘和地表移动监测站,定期采集监测区域的所述地表变形数据,所述地表变形数据包括地表沉降量、沉降范围和地裂缝发育情况;
根据若干预设时期监测的所述地表变形数据,对比得出煤层开采全周期的覆岩三带动态区域变化过程。
7.根据权利要求6所述的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,无人机航摄测绘过程,在监测区域内,布置测量地面像控点、设计无人机航摄作业、无人机采集航测信息、后期处理航测影像和校正航测误差,计算监测区域的地表沉降量、沉降范围和地裂缝发育情况。
8.根据权利要求7所述的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,地表移动监测过程,在监测区域布设控制点、观测点,采用卫星定位技术进行测量,将卫星接收机记录的数据传输到电脑进行处理,由观测数据绘制出监测区域内观测线的下沉曲线图获得预设精准度的所述地表形变数据;
结合无人机航摄测绘的监测结果,进行监测区域的平面沉陷范围及沉陷速率的监测。
9.根据权利要求8所述的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,动态模型构建过程,利用从监测区域获取的所述地表变形数据和所述地下层位变形数据,将无人机航摄测量获取的地表沉陷图作为“面”数据;
将地表移动监测站获取的监测区域高程变化曲线作为“线”数据;
将分布式光纤监测站获取的监测区域内煤层开采覆岩层中的预设地下层位的变化曲线,及水裂隙带探查孔获取的监测区域内导水裂隙带发育高度作为“点”数据。
10.根据权利要求9所述的煤层开采覆岩三带时空演化监测方法,其特征在于,通过分析“点”数据、“线”数据和“面”数据之间的时空变化规律,构造所述煤层开采覆岩三带发育动态模型;
利用所述煤层开采覆岩三带发育动态模型,查明井下煤层工作面推采进度与煤层开采覆岩三带发育的时空演化规律。
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