一种地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法技术

本发明专利技术公开一种地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法，具体包括以下步骤：S1、选择和定制采动覆岩变形监测感测光纤，对感测光纤的性能指标进行标定；S2、分析光纤与岩土体的耦合效果与变形协调性，同时对钻孔回填材料与感测光纤的安装工艺进行相应的优化；S3、建立煤层采动覆岩变形破坏分布式光纤监测系统，对地下煤层开采覆岩破坏动态高度进行监测。本发明专利技术建立一套基于分布式光纤感测技术的煤层开采覆岩变形破坏动态监测方法，为煤炭开发地质灾害防治提供新方法、新技术，通过分析感测光纤

【技术实现步骤摘要】
一种地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法


[0001]本专利技术涉及采动覆岩变形检测领域，具体的是一种地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法。

技术介绍

[0002]煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占70％左右，煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。我国绝大多数煤炭资源深埋于地下，在开采过程中常常会诱发多种顶板重大灾害，例如地表沉降和塌陷、井下突水、水土流失等，而这些灾害往往是矿山压力作用驱动下上覆岩层变形、破坏的结果，它与岩层结构、地质构造、岩体应力场、地下水渗流场等工程环境，以及它们之间的相互作用密切相关，容易造成巨大的人员伤亡和经济损失，严重威胁着矿井的绿色安全生产。
[0003]目前，关于采动覆岩变形破坏的研究仍存在以下两点问题：(1)当前的测试手段无法精细化全面捕捉采动覆岩的应力变化状态，覆岩变形破坏的过程还未被完全掌握，这一问题是制约采动作用下上覆岩体变形破坏规律研究取得突破性进展的主要瓶颈；(2)对采动过程中上覆岩土层应力分布特征和采动裂隙演化过程的认识还不够清晰，不利于对采动覆岩变形破坏灾变演化过程的掌握和防治措施的精准制定与实施。

技术实现思路

[0004]为解决上述
技术介绍
中提到的不足，本专利技术的目的在于提供，一种地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法，基于分布式光纤感测技术，建立一套基于分布式光纤感测技术的煤层开采覆岩变形破坏动态监测方法，为煤炭开发地质灾害防治提供新方法、新技术，通过分析感测光纤-围岩变形一致性，构建光纤-岩土体界面力学传递模型，提出监测误差范围与矫正方法，攻克岩土体大变形、不连续性的精准监测难题。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]一种地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法，具体包括以下步骤：
[0007]S1、选择和定制采动覆岩变形监测感测技术与感测光缆，利用定点拉伸装置对感测光缆的力学与传感性能指标进行标定,将其作为采动覆岩变形破坏监测应变感测光缆的选型参考依据，并最终确定适用光缆；
[0008]S2、根据感测光缆与岩土体之间分段式的相互作用关系，分析不同应力-应变条件下光缆监测结果误差范围与规律，并提出矫正方法，建立感测光缆-岩土体界面应变传递力学模型，分析光缆与岩土体的耦合效果与变形协调性，同时对钻孔回填材料与感测光缆的安装工艺进行相应的优化；
[0009]S3、建立煤层采动覆岩变形破坏分布式光缆监测系统，以感测光缆为整个监测系统中主要媒介，将光缆通过钻孔植入到岩土体内部，进行远程自动化数据采集，结合GIS相关理论和数据库管理技术，实现对数据结果的可视化分析和利用，从而对地下煤层开采覆岩破坏动态高度进行监测。
[0010]优选地，感测光缆为纤维加强筋分布式应变感测光缆(GFRS)、金属基索状分布式应变感测光缆(MKS)和定点式分布式应变感测光缆(IFS)和大变形特制感测光缆(LDSS)中的一种或几种。
[0011]优选地，步骤S2中光缆与岩土体的耦合效果与变形协调性检测方法为：首先将光缆沿一定长度的PVC管中轴线预拉固定，并向管中注入充填材料，然后将PVC管水平放置，并固定其两端，在PVC管正上方安置激光测距仪，最后对PVC管中部逐级施加推力，使其产生变形，待每一级变形稳定后，记录激光测距仪的读数，并采集光缆应变数据，将各级位移下光缆的实测变形量和理论计算的充填物变形量进行对比分析，得到不同加载等级下的感测光缆与围岩的变形协调性。
[0012]优选地，步骤S2中钻孔回填材料与围岩保持变形一致性且根据不同岩层位置进行分层填充，通过温度感测光缆、温度测试仪测量充填物和水中的温度差异及位置变化，从而确定灌浆材料的位置，按岩性及力学参数对钻孔进行分层注浆回填，保证光缆和围岩变形之间的一致性。
[0013]优选地，步骤S2中光缆的安装工艺包括以下步骤：
[0014](1)导头与光缆传感器连接：将分布式感测光缆和光缆光栅传感器光缆引线，固定在安装导头上，随导头一起下放安装到钻孔内；
[0015](2)放线盘架设：使用长杆将所有放线盘穿入、串起，将穿有放线盘的长杆水平放置在竖直支架上，架起放线盘，注意放线盘的先后穿入顺序和各自方向，避免光缆过多，相互缠绕在一起；
[0016](3)波纹管穿套光缆：利用钢丝，将定点光缆穿套入尼龙波纹管内，同时一同把注浆管穿入，在注浆管底部50cm范围内开6-10个花孔，作为返浆孔，注浆管底部与波纹管底部间隔大于80cm，穿套完成后，采用封孔剂将底部封堵密实，待封孔剂凝固后，向波纹管内注入清水，等待下放；
[0017](4)钻孔清洗：对钻孔进行快速扫孔，当钻头到达底部后，停止钻进，然后开动水泵，向钻孔内注入清水，稀释粘稠泥浆，进行洗孔；
[0018](5)光缆下放：光缆下放根据钻孔成孔情况和钻孔深度情况分两种工艺进行下放：当钻孔深度为0-250m之间，且钻孔内不存在缩径时，采用直接下放配重导头的工艺进行光缆传感器下放安装；当钻孔深度超过250m，或者钻孔存在缩径现象，采用钻杆顶进导头的工艺进行光缆传感器下放安装；
[0019](6)光缆临时固定：当配重导头下放到底部时，余留足够长度的光缆引线，剪掉部分长度的光缆，将钻孔外光缆引线，临时缠绕固定在钻机上，选定的缠绕固定点应为圆杆，其直径应大于6cm，待光缆临时固定好之后，提拉钻杆，将所有钻杆退出到钻孔外面；
[0020](7)光缆现场测试：待所有钻杆拔出完毕后，采用测试仪器，对所有光缆传感器进行检测，并记录下现场测试情况。根据现场的测试结果，通过提拉感测光缆，来调整其松紧状况，待调节至测试曲线不再发生明显变化时，光缆状态调节完成；
[0021](8)钻孔封孔：光缆状态调节完成后将所有光缆进行再一次固定，采用封孔材料进行回填封孔，采用少量多次的方法回填封孔；
[0022](9)光缆再次固定：在钻孔回填完毕后，在孔口位置打入固定桩或者建立支撑横杆，用于固定孔口位置的光缆，取下缠绕在钻机上的光缆，将之缠绕固定在固定桩或者支撑
横杆上，拉紧感测光缆；
[0023](10)监测站砌筑：在回填材料固结2个月以上之后，在钻孔位置上方砌筑监测站，将孔口余留的分布式感测光缆和光缆光栅传感器引线等接入到电箱内，将电箱砌筑到砖体内进行保护；
[0024](11)波纹管注浆：波纹管内预先安装固定好光缆和注浆管，然后下放至指定钻孔深度后，注水，待后期再另行通过注浆管进行注浆封孔。
[0025]优选地，步骤(5)中，在光缆下放时，安装人员用力提拉光缆，保证光缆和引线拉直，此外，还需尽量避免光缆和引线受力过大，每当一根下放完毕后，向上提拉光缆和引线，保证导头套管与钻杆不脱离。在下放过程中，由钻孔旁的光缆布设安装人员控制下放速度；
[0026]在下放分布式应变感测光缆和引线时，每间隔2-3m，采用小扎带将串联由光缆光栅传感器光缆引线，绑扎固定在各自对应的光缆上，当绑扎到光缆引线上光缆熔接点和串联有光缆光栅传感器位置处，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、选择和定制采动覆岩变形监测感测技术与感测光缆，利用定点拉伸装置对感测光缆的力学与传感性能指标进行标定,将其作为采动覆岩变形破坏监测应变感测光缆的选型参考依据，并最终确定适用光缆；S2、根据感测光缆与岩土体之间分段式的相互作用关系，分析不同应力-应变条件下光缆监测结果误差范围与规律，并提出矫正方法，建立感测光缆-岩土体界面应变传递力学模型，分析光缆与岩土体的耦合效果与变形协调性，同时对钻孔回填材料与感测光缆的安装工艺进行相应的优化；S3、建立煤层采动覆岩变形破坏分布式光缆监测系统，以感测光缆为整个监测系统中主要媒介，将光缆通过钻孔植入到岩土体内部，进行远程自动化数据采集，结合GIS相关理论和数据库管理技术，实现对数据结果的可视化分析和利用，从而对地下煤层开采覆岩破坏动态高度进行监测。2.根据权利要求1所述的地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法，其特征在于，所述感测光缆为纤维加强筋分布式应变感测光缆、金属基索状分布式应变感测光缆和定点式分布式应变感测光缆和大变形特制感测光缆中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法，其特征在于，所述步骤S2中光缆与岩土体的耦合效果与变形协调性检测方法为：首先将光缆沿一定长度的PVC管中轴线预拉固定，并向管中注入充填材料，然后将PVC管水平放置，并固定其两端，在PVC管正上方安置激光测距仪，最后对PVC管中部逐级施加推力，使其产生变形，待每一级变形稳定后，记录激光测距仪的读数，并采集光缆应变数据，将各级位移下光缆的实测变形量和理论计算的充填物变形量进行对比分析，得到不同加载等级下的感测光缆与围岩的变形协调性。4.根据权利要求1所述的地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法，其特征在于，所述步骤S2中钻孔回填材料与围岩保持变形一致性且根据不同岩层位置进行分层填充，通过温度感测光缆、温度测试仪测量充填物和水中的温度差异及位置变化，从而确定灌浆材料的位置，按岩性及力学参数对钻孔进行分层注浆回填，保证光缆和围岩变形之间的一致性。5.根据权利要求1所述的地下煤层开采覆岩破坏动态高度的监测方法，其特征在于，所述步骤S2中光缆的安装工艺包括以下步骤：(1)导头与光缆传感器连接：将分布式感测光缆和光缆光栅传感器光缆引线，固定在安装导头上，随导头一起下放安装到钻孔内；(2)放线盘架设：使用长杆将所有放线盘穿入、串起，将穿有放线盘的长杆水平放置在竖直支架上，架起放线盘，注意放线盘的先后穿入顺序和各自方向，避免光缆过多，相互缠绕在一起；(3)波纹管穿套光缆：利用钢丝，将定点光缆穿套入尼龙波纹管内，同时一同把注浆管穿入，在注浆管底部50cm范围内开6-10个花孔，作为返浆孔，注浆管底部与波纹管底部间隔大于80cm，穿套完成后，采用封孔剂将底部封堵密实，待封孔剂凝固后，向波纹管内注入清水，等待下放；(4)钻孔清洗：对钻孔进行快速扫孔，当钻头到达底部后...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑜，刘启蒙，胡友彪，琚棋定，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：