一種采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法
【專利摘要】一種采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法，適用于采礦工程領(lǐng)域使用。利用關(guān)鍵層理論確定覆巖各關(guān)鍵層破斷范圍垂向重疊區(qū)域，進而確定工作面初采期、工作面覆巖周期破斷期原位觀測鉆孔布設(shè)位置及各鉆孔間距，即可以最少的地面鉆孔數(shù)目觀測到覆巖多層乃至全部關(guān)鍵層的破斷運動，據(jù)此提出采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方案。避免傳統(tǒng)方法中鉆孔位置確定的盲目性、隨意性，同時由于單個鉆孔即可實現(xiàn)覆巖多層關(guān)鍵層破斷運動的實時監(jiān)測，因而極大地提高了地面鉆孔觀測采動覆巖運動規(guī)律的可靠性及其利用率，以最少的地面鉆孔數(shù)目達成研究目標(biāo)，確保了經(jīng)濟利益最大化的實現(xiàn)。
【專利說明】
一種采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種觀測鉆孔布置方法，尤其適用于一種采礦工程領(lǐng)域使用的采動覆 巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著地下煤炭資源的采出，采動空間圍巖同時產(chǎn)生一定程度的變形及破壞，采 動巖體損害突出變現(xiàn)為誘發(fā)部分礦井災(zāi)害事故及對環(huán)境的影響。如:①危及井下工作人員 的安全及設(shè)備的正常運行，如頂板冒落，礦井突水;②采動裂隙引發(fā)地下水資源流失，在干 旱地區(qū)更為顯著，加劇土體沙化;③開采沉陷破壞地表建(構(gòu))筑物。上述所有的下自采場礦 壓、中至裂隙發(fā)育、上到地表沉陷的危害均與采動覆巖運動緊密相關(guān)，因此，掌握整個采動 覆巖的運動規(guī)律是解決采動巖體損害問題的關(guān)鍵所在，對于實現(xiàn)科學(xué)采礦具有重要意義。
[0003] 現(xiàn)有的關(guān)于采動覆巖運動規(guī)律的實測研究多采用在地面鉆孔內(nèi)布置巖層測點方 法，測點固定于某一巖層，當(dāng)該巖層發(fā)生運動時，固定于此的測點發(fā)生同步運動，同時地面 固定裝置感知測點相對位置的變化，借此實現(xiàn)巖層運動的實時監(jiān)測。然而傳統(tǒng)方法中地面 鉆孔的布置存在一定的盲目性和隨意性，且鉆孔施工數(shù)量多，同時周期長，費用高昂，孔內(nèi) 還會出現(xiàn)多個測點相互影響，嚴重時甚至造成鉆孔報廢的現(xiàn)象，嚴重浪費工程時間和工程 經(jīng)費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題:針對上述技術(shù)問題，提供一種步驟簡單，施工量小，鉆孔數(shù)需要少，效果 好的采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明的采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法，步驟如下：
[0006] a.收集開采區(qū)域地質(zhì)信息，獲取該區(qū)域地層全柱狀，利用巖層運動的關(guān)鍵層理論， 獲取覆巖全柱狀中覆巖關(guān)鍵層位置和相關(guān)參數(shù)，計算獲得覆巖關(guān)鍵層極限跨距h、初次破 斷距U、周期破斷距Li'；
[0007] b.在開采區(qū)工作面初采期布置初采期觀測鉆孔:沿工作面傾向的中部依次布置多 組初采期觀測鉆孔組，每組初采期觀測鉆孔組間距應(yīng)小于覆巖主關(guān)鍵層破斷距的一半;所 述初采期觀測鉆孔組包括初采期巖層運動原位觀測鉆孔I、初采期巖層運動原位觀測鉆孔 n和1個初采期鉆孔電視觀測鉆孔，根據(jù)覆巖各關(guān)鍵層初次破斷距U，布置的初采期巖層運 動原位觀測鉆孔I、初采期巖層運動原位觀測鉆孔n與工作面切眼間距分別為a、b，初采期 鉆孔電視觀測鉆孔與工作面切眼間距分別為b;初采期巖層運動原位觀測鉆孔n與初采期 鉆孔電視觀測鉆孔的傾向間距為C;
[0008] C.在開采區(qū)工作面覆巖周期破斷期布置破斷期觀測鉆孔;沿工作面傾向的中部依 次布置破斷期觀測鉆孔組，每組破斷期觀測鉆孔組間距大于覆巖主關(guān)鍵層周期破斷距;所 述破斷期鉆孔組包括破斷期巖層運動原位觀測鉆孔I、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔n和1 個破斷期鉆孔電視觀測鉆孔，通過覆巖各關(guān)鍵層周期破斷距U'，布置的破斷期巖層運動原 位觀測鉆孔I、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔n與工作面切眼距離分別為d，e，破斷期鉆孔 電視觀測鉆孔與工作面切眼間距分別為e，破斷期巖層運動原位觀測鉆孔與破斷期鉆孔電 視觀測鉆孔傾向間距為f。
[0009] 所述初采期巖層運動原位觀測鉆孔I、初采期巖層運動原位觀測鉆孔n、初采期鉆 孔電視觀測鉆孔、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔I、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔n和破斷 期鉆孔電視觀測鉆孔的鉆孔深度均以覆巖第1層亞關(guān)鍵層為準(zhǔn)，直至鉆進覆巖第1層亞關(guān)鍵 層底界面為止；
[0010] 為避免所有鉆孔受到工作面回采的超前影響而出現(xiàn)孔內(nèi)錯斷、孔壁坍塌進而造成 堵孔的現(xiàn)象，所有鉆孔施工工作應(yīng)超前工作面200m左右完成，并保證所有鉆孔在巖層移動 監(jiān)測設(shè)備安裝之前完好；
[0011] 利用公式
計算覆巖關(guān)鍵層極限跨距h;利用公式 _計
算覆巖關(guān)鍵層初次破斷距L1;利用公式 計算覆巖關(guān)鍵層周期破斷距L/ ;式中：i > 取值為i = 1、2、3、4，即分別表示亞關(guān)鍵層1、亞關(guān)鍵層2、亞關(guān)鍵層3、主關(guān)鍵層MKS，Rt為覆巖 關(guān)鍵層巖性抗拉強度，為覆巖關(guān)鍵層載荷量，lu為覆巖關(guān)鍵層厚度，2匕為覆巖關(guān)鍵層距 煤層頂板距離；
[0012]所述工作面覆巖初采期布置的初采期觀測鉆孔與工作面切眼距離a滿足U<a< L2;初采期觀測鉆孔與切眼距離為b，b滿足L3<b<L4,且初采期觀測鉆孔與初采期觀測鉆孔 的鉆孔間距為A，A =b_a<L4/2;初采期鉆孔電視觀測鉆孔與初采期觀測鉆孔間距c = 10m ~20m;
[0013] 所述工作面覆巖周期破斷期，布置的破斷期巖層運動原位觀測鉆孔與工作面切眼 距離為d滿足:L4+(n-l )L4 ' <d<L4+nL4 ' ；破斷期巖層運動原位觀測鉆孔與工作面切眼距離 為e滿足:e>d+L4'，即破斷期巖層運動原位觀測鉆孔和破斷期巖層運動原位觀測鉆孔鉆孔 間距A滿足A >L4' ；同時破斷期鉆孔電視觀測鉆孔與破斷期巖層運動原位觀測鉆孔間距 為f = 10m~20m;式中n標(biāo)示覆巖關(guān)鍵層主關(guān)鍵層已經(jīng)歷的周期破斷數(shù)目。
[0014] 有益效果:在達成研究目標(biāo)的前提下，由于采用采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔 布置方案，不需要額外添加過多的鉆孔，最大限度地利用原位鉆孔，減少鉆孔數(shù)量，使得前 期投入大幅減小，充分觀測采動覆巖各巖層在初期和破斷期的不同開采階段的運動規(guī)律， 并可以實現(xiàn)長期觀測，避免傳統(tǒng)布置方法中鉆孔位置確定的盲目性、隨意性，降低前期工程 投入。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的覆巖關(guān)鍵層極限跨距圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明的工作面覆巖初采期巖層移動觀測孔布置位置圖。
[0017]圖3是本發(fā)明的工作面覆巖周期破斷期巖層移動觀測孔布置圖。
[0018]圖中：1-初采期巖層移動觀測孔I，2-初采期巖層移動觀測孔n，3-初采期鉆孔電 視觀測孔，4-破斷期巖層移動觀測孔I，5_破斷期巖層移動觀測孔n，6_破斷期鉆孔電視觀 測孔，7-工作面切眼，8-工作面運輸巷，9-工作面回風(fēng)巷，10-切眼后方實體煤，11-工作面后 方采空區(qū)。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施案例做進一步描述：
[0020] 如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明的采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法，其步 驟如下：
[0021] a.收集開采區(qū)域地質(zhì)信息，獲取該區(qū)域地層全柱狀，利用巖層運動的關(guān)鍵層理論， 獲取覆巖全柱狀中覆巖關(guān)鍵層位置和相關(guān)參數(shù)，利用公式
計算覆巖關(guān)鍵層極 限跨距11;利用公式：
計算覆巖關(guān)鍵層初次破斷距L1;利用公式
計算覆巖關(guān)鍵層周期破斷距L/ ;式中：i取值為i = l、2、3、4,即分別表示亞關(guān)鍵層1(KS1)、 亞關(guān)鍵層2(KS2)、亞關(guān)鍵層3(KS3)、主關(guān)鍵層(MKS)，Rt為覆巖關(guān)鍵層巖性抗拉強度，qi為覆 巖關(guān)鍵層載荷量，lu為覆巖關(guān)鍵層厚度，2 lu為覆巖關(guān)鍵層距煤層頂板距離；
[0022] b.在開采區(qū)工作面初采期布置初采期觀測鉆孔:沿工作面傾向的中部依次布置多 組初采期觀測鉆孔組，每組初采期觀測鉆孔組間距應(yīng)小于覆巖主關(guān)鍵層破斷距的一半;所 述初采期觀測鉆孔組包括初采期巖層運動原位觀測鉆孔II、初采期巖層運動原位觀測鉆孔 112和1個初采期鉆孔電視觀測鉆孔3,根據(jù)覆巖各關(guān)鍵層初次破斷距U，布置的初采期巖層 運動原位觀測鉆孔II、初采期巖層運動原位觀測鉆孔112與工作面切眼7間距分別為a、b，初 采期鉆孔電視觀測鉆孔3與工作面切眼7間距分別為b;初采期巖層運動原位觀測鉆孔n 2與 初采期鉆孔電視觀測鉆孔3的傾向間距為c，所述工作面覆巖初采期布置的初采期觀測鉆孔 1與工作面切眼距離a滿足初采期觀測鉆孔2與切眼距離為b，b滿足L 3<b<L4,且 初采期觀測鉆孔1與初采期觀測鉆孔2的鉆孔間距為A，A =b_a<L4/2;初采期鉆孔電視觀 測鉆孔3與初采期觀測鉆孔2間距c = 10m~20m;
[0023] c.在開采區(qū)工作面覆巖周期破斷期布置破斷期觀測鉆孔;沿工作面傾向的中部依 次布置破斷期觀測鉆孔組，每組破斷期觀測鉆孔組間距大于覆巖主關(guān)鍵層周期破斷距;所 述破斷期鉆孔組包括破斷期巖層運動原位觀測鉆孔14、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔115 和1個破斷期鉆孔電視觀測鉆孔6,通過覆巖各關(guān)鍵層周期破斷距1^'，布置的破斷期巖層運 動原位觀測鉆孔14、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔115與工作面切眼7距離分別為d，e，破斷 期鉆孔電視觀測鉆孔6與工作面切眼7間距分別為e，破斷期巖層運動原位觀測鉆孔5與破斷 期鉆孔電視觀測鉆孔6傾向間距為f，所述工作面覆巖周期破斷期，布置的破斷期巖層運動 原位觀測鉆孔4與工作面切眼距離為d滿足:L 4+(n-l)L4'<d<L4+nL4'；破斷期巖層運動原 位觀測鉆孔5與工作面切眼距離為e滿足:e>d+L 4'，即破斷期巖層運動原位觀測鉆孔4和破 斷期巖層運動原位觀測鉆孔5鉆孔間距A滿足A >L4' ；同時破斷期鉆孔電視觀測鉆孔6與 破斷期巖層運動原位觀測鉆孔5間距為f = 10m~20m;式中n標(biāo)示覆巖關(guān)鍵層主關(guān)鍵層已經(jīng) 歷的周期破斷數(shù)目。
[0024]所述初采期巖層運動原位觀測鉆孔II、初采期巖層運動原位觀測鉆孔112、初采期 鉆孔電視觀測鉆孔3、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔14、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔n 5 和破斷期鉆孔電視觀測鉆孔6的鉆孔深度均以覆巖第1層亞關(guān)鍵層為準(zhǔn)，直至鉆進覆巖第1 層亞關(guān)鍵層底界面為止;為避免所有鉆孔受到工作面回采的超前影響而出現(xiàn)孔內(nèi)錯斷、孔 壁坍塌進而造成堵孔的現(xiàn)象，所有鉆孔施工工作應(yīng)超前工作面200m左右完成，并保證所有 鉆孔在巖層移動監(jiān)測設(shè)備安裝之前完好。
[0025]以某礦8203工作面為實施例：
[0026]如圖1所示：圖中U為關(guān)鍵層初次破斷距；h為關(guān)鍵層極限跨距；2 In為關(guān)鍵層與煤 層頂板距離;9為采動覆巖巖層破斷角；
[0027] a.根據(jù)開采區(qū)域地質(zhì)信息，獲取該區(qū)域地層全柱狀，基于"巖層控制的關(guān)鍵層"理 論，對覆巖全柱狀加以判別，確定關(guān)鍵層位置；
[0028]判別結(jié)果如下表1所示：
[0029]表 1
[0031] b.覆巖關(guān)鍵層距煤層頂板距離、巖層破斷角0、關(guān)鍵層載荷量&、關(guān)鍵層厚度 lu、關(guān)鍵層巖性物理力學(xué)力學(xué)參數(shù)(抗拉強度Rt)如表2所示，覆巖關(guān)鍵層極限跨距h、初次破 斷距U、周期破斷距U'；
[0032]計算結(jié)果如表2所示：
[0033]表2 8203工作面覆巖關(guān)鍵層參數(shù)
[0035] c.確定覆巖各層關(guān)鍵層極限跨距垂向重合區(qū)域，借此確定開采區(qū)域初采期、周期 破短期原位鉆孔布置位置。
[0036] (1)工作面初采期：沿工作面推進方向布置2個巖層移動觀測鉆孔，記為1#、2#鉆 孔，1#鉆孔與切眼距離為a，a滿足如下關(guān)系：Li<a<L2,取a = 60m;2#鉆孔與切眼距離為b，b 滿足如下關(guān)系:L3<b<L4,且1#、2#鉆孔間距為A，A =b-a<L4/2,取b = 60m，同時鉆孔電視 觀測孔3#與2#鉆孔間距為c = 15m，輔助觀測巖層運動、裂隙發(fā)育等，工作面初采期采動覆巖 運動原位觀測鉆孔如圖3所示。
[0037] (2)工作面覆巖周期破斷期:沿工作面推進方向布置2個巖層移動觀測鉆孔，記為 4#、5#鉆孔，4#鉆孔與工作面切眼距離為(1且14+(11-1)14'<(1<14+1^4'，取(1=119〇111 ;5#鉆孔 與切眼距離為e且e>d+L4'，取e = 1230m，同時鉆孔電視觀測孔6#與5#鉆孔間距為f，取f = 15m，輔助觀測巖層運動、裂隙發(fā)育等。
[0038] d.原位觀測鉆孔深度要求至覆巖第1層亞關(guān)鍵層底界面，鉆孔深度為460m。
[0039] e .初采期覆巖運動原位觀測鉆孔應(yīng)于工作面回采之前施工完畢;周期破斷期覆巖 運動原位觀測鉆孔應(yīng)于工作面推進至900m前施工完畢，同時留下一定的孔內(nèi)設(shè)備布置時 間。
[0040] 采用上述采動覆巖運動規(guī)律原位觀測的鉆孔布置方法，即可觀測采動覆巖關(guān)鍵層 初次破斷、周期破斷運動特征，同時結(jié)合鉆孔電視觀測鉆孔，掌握覆巖關(guān)鍵層初次破斷、周 期破斷運動規(guī)律及其對采場礦壓的影響特征、工作面回采過程中采動覆巖兩帶(垮落帶、裂 隙帶)動態(tài)發(fā)育規(guī)律等。
【主權(quán)項】
1. 一種采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法，其特征在于步驟如下： a. 收集開采區(qū)域地質(zhì)信息，獲取該區(qū)域地層全柱狀，利用巖層運動的關(guān)鍵層理論，獲取 覆巖全柱狀中覆巖關(guān)鍵層位置和相關(guān)參數(shù)，計算獲得覆巖關(guān)鍵層極限跨距l(xiāng)i、初次破斷距 11、周期破斷距以'； b. 在開采區(qū)工作面初采期布置初采期觀測鉆孔:沿工作面傾向的中部依次布置多組初 采期觀測鉆孔組，每組初采期觀測鉆孔組間距應(yīng)小于覆巖主關(guān)鍵層破斷距的一半;所述初 采期觀測鉆孔組包括初采期巖層運動原位觀測鉆孔I (1 )、初采期巖層運動原位觀測鉆孔n (2)和1個初采期鉆孔電視觀測鉆孔(3)，根據(jù)覆巖各關(guān)鍵層初次破斷距以，布置的初采期巖 層運動原位觀測鉆孔1(1)、初采期巖層運動原位觀測鉆孔n (2)與工作面切眼（7)間距分別 為a、b，初采期鉆孔電視觀測鉆孔(3)與工作面切眼（7)間距分別為b;初采期巖層運動原位 觀測鉆孔n (2)與初采期鉆孔電視觀測鉆孔(3)的傾向間距為C; C.在開采區(qū)工作面覆巖周期破斷期布置破斷期觀測鉆孔;沿工作面傾向的中部依次布 置破斷期觀測鉆孔組，每組破斷期觀測鉆孔組間距大于覆巖主關(guān)鍵層周期破斷距;所述破 斷期鉆孔組包括破斷期巖層運動原位觀測鉆孔I(4)、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔n (5) 和1個破斷期鉆孔電視觀測鉆孔(6)，通過覆巖各關(guān)鍵層周期破斷距以'，布置的破斷期巖層 運動原位觀測鉆孔1(4)、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔n (5)與工作面切眼（7)距離分別為 d，e，破斷期鉆孔電視觀測鉆孔(6)與工作面切眼（7)間距分別為e，破斷期巖層運動原位觀 測鉆孔(5)與破斷期鉆孔電視觀測鉆孔(6)傾向間距為f。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法，其特征在于:所述 初采期巖層運動原位觀測鉆孔1(1)、初采期巖層運動原位觀測鉆孔n (2)、初采期鉆孔電視 觀測鉆孔(3)、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔1(4)、破斷期巖層運動原位觀測鉆孔n (5)和 破斷期鉆孔電視觀測鉆孔(6)的鉆孔深度均W覆巖第1層亞關(guān)鍵層為準(zhǔn)，直至鉆進覆巖第1 層亞關(guān)鍵層底界面為止。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法，其特征在于： 為避免所有鉆孔受到工作面回采的超前影響而出現(xiàn)孔內(nèi)錯斷、孔壁巧塌進而造成堵孔的現(xiàn) 象，所有鉆孔施工工作應(yīng)超前工作面200m左右完成，并保證所有鉆孔在巖層移動監(jiān)測設(shè)備 安裝之前完好。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法，其特征在于:利用 公式：計算覆巖關(guān)鍵層極限跨距Ii;利用公式計算覆巖關(guān)鍵層 初次破斷距以；利用公式計算覆巖關(guān)鍵層周期破斷距以/ ;式中：i取值為i = l、 2、3、4,即分別表示亞關(guān)鍵層l(KSl)、亞關(guān)鍵層2(KS2)、亞關(guān)鍵層3(KS3)、主關(guān)鍵層(MKS)，Rt 為覆巖關(guān)鍵層巖性抗拉強度，qi為覆巖關(guān)鍵層載荷量，hi為覆巖關(guān)鍵層厚度，S hi為覆巖關(guān) 鍵層距煤層頂板距離。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法，其特征在于： 所述工作面覆巖初采期布置的初采期觀測鉆孔(1)與工作面切眼距離a滿足b<a<L2;初采 期觀測鉆孔(2)與切眼距離為b，b滿足L3<b<L4,且初采期觀測鉆孔（1)與初采期觀測鉆孔 (2)的鉆孔間距為A，A =b-a<L4/2;初采期鉆孔電視觀測鉆孔(3)與初采期觀測鉆孔(2) 間距C = IOm~20m。6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的采動覆巖運動規(guī)律原位觀測鉆孔布置方法，其特征在于： 所述工作面覆巖周期破斷期，布置的破斷期巖層運動原位觀測鉆孔(4)與工作面切眼距離 為d滿足:L4+U-1化4'<d<L4+nL4'；破斷期巖層運動原位觀測鉆孔(5)與工作面切眼距離 為e滿足:e>d+L4'，即破斷期巖層運動原位觀測鉆孔(4)和破斷期巖層運動原位觀測鉆孔 (5)鉆孔間距A滿足A >L4' ；同時破斷期鉆孔電視觀測鉆孔(6)與破斷期巖層運動原位觀 鉆孔(5)間距為f = IOm~20m;式中n標(biāo)示覆巖關(guān)鍵層主關(guān)鍵層已經(jīng)歷的周期破斷數(shù)目。
【文檔編號】G01V8/02GK105911606SQ201610322601
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】朱衛(wèi)兵, 李竹, 鞠金峰, 許家林, 徐敬民
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)