覆岩水力及岩石力学监测方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种覆岩水力及岩石力学监测方法及系统。该方法包括：通过在矿区范围内的水文监测孔内设置的自动水位计和气压计，监测水位数据和气压数据；利用井水位的固体潮效应和气压效应，在不同的情况下选择相对应的反演计算模型，计算不同的煤层上覆含水层的水文地质参数；通过得到不同层位煤层上覆含水层的水文地质参数可以直观全面地了解“三带”(弯曲带、断裂带和冒落带)的分布特征，为“三带”的划分提供新的依据；通过获取水文地质参数的空间、时间变化特征，监测煤矿开采过程中煤层上覆含水层水文地质参数的时间和空间变化规律。本发明专利技术提供的覆岩水力及岩石力学监测方法及系统能够识别采矿过程对上覆地层的实时影响。

【技术实现步骤摘要】
覆岩水力及岩石力学监测方法及系统
本专利技术涉及水文地质勘探
，特别是涉及一种覆岩水力及岩石力学监测方法及系统。
技术介绍
随着经济社会的发展和人口的不断增长以及城市工业化步伐加快，人类对能源的需求也成倍增长，因此煤炭将继续作为一种传统能源开发利用。然而煤层开采后造成的采空区，将引起其上覆岩层破裂从而不可避免地影响上覆含水层的结构及性质，引起地下水漏失，水质恶化，地面塌陷，地裂缝等一系列生态环境问题。因此，了解采煤过程中对上覆地层造成的力学破坏的动态变化无疑具有重要意义。当前监测煤矿开采对上覆地层破坏主要通过井下观测导水裂隙带高度结合数值模拟来研究动态演化，或者通过相似模拟的方法进行。然而数值模拟和相似模拟的缺陷在于其结果的主观性以及不确定性，使得上述方法的应用范围十分有限。此外，由于地质体的复杂性以及采矿过程中的不确定性，只有实时监测才是有效地准确获取采矿对其动态影响的关键。另一方面，常规的水文地质试验及岩石力学试验往往成本很高，连续进行监测几无可能，这也使得实时监测采矿引起的上覆岩层动态无法实现。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种覆岩水力及岩石力学监测方法及系统，能够识别采矿过程对上覆地层的实时影响。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种覆岩水力及岩石力学监测方法，所述方法包括：通过在矿区范围内的水文监测孔内设置的自动水位计和气压计，监测水位数据和气压数据；利用井水位的固体潮效应和气压效应，在不同的情况下选择相对应的反演计算模型，计算不同的煤层上覆含水层的水文地质参数；通过得到不同层位煤层上覆含水层的水文地质参数可以直观全面地了解“三带”的分布特征，为“三带”的划分提供新的依据；通过获取水文地质参数的空间、时间变化特征，监测煤矿开采过程中煤层上覆含水层水文地质参数的时间和空间变化规律。在一些实施方式中，水文监测孔设置在工作面中央及靠近工作面的外侧。在一些实施方式中，反演计算模型包括：固体潮水平流模型、固体潮垂直流模型、固体潮气压模型。在一些实施方式中，固体潮水平流模型由如下公式给出：在一些实施方式中，固体潮垂直流模型由如下公式给出：在一些实施方式中，固体潮气压模型由如下公式给出：在一些实施方式中，还包括：根据得到的煤层上覆含水层的水文地质参数垂向的变化规律，直观全面地了解“三带”的分布特征，建立煤层上覆地层“三带”划分的新依据。在一些实施方式中，还包括：通过监测含水层水位动态及水文地质参数变化规律,分析得出煤矿等开采的扰动范围和影响半径，对矿井涌水和顶板垮落起到预报作用。此外，本专利技术还提供了一种覆岩水力及岩石力学监测系统，所述系统包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据前文所述的覆岩水力及岩石力学监测方法。采用这样的设计后，本专利技术至少具有以下优点：(1)大气压力及固体潮汐为自然作用力，无需人为激发井中水位的波动，因此无需大量的人力物力，可以节约成本；(2)由于大气压力及固体潮汐为连续作用力，该方法可连续获取含水层水文地质参数的时间序列，最大获取频率为每5天一个值；(3)通过不同层位含水层水位的监测可以得到煤层上覆不同含水层的水文地质参数垂向的变化规律，直观全面地了解“三带”的分布特征，建立煤层上覆地层“三带”划分的新依据；(4)根据开采工作面掘进位置的不同，通过监测含水层水位动态及水文地质参数变化规律可以分析得出煤矿等开采的扰动范围和影响半径，对矿井涌水和顶板垮落起到预报作用。附图说明上述仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。图1是技术路线图；图2是水位计气压计的立体图；图3是读取数据装置的立体图；图4是水位计气压计的安置示意图；图5是工作面上方及工作面外侧井孔水位波动与工作面推进距离的关系示意图；图6是不同井孔水位及气压的频谱图；图7是三个井孔潮汐参数随时间演化图；图8是三个井孔所在含水层渗透性随时间的变化图；图9是抽水试验所得含水层水力传导系数与潮汐方法计算的结果对比图；图10是岩石试验所得含水层压缩系数与固体潮气压方法计算的结果对比图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。为了实时获取煤矿开采过程中对上覆地层产生的破坏，本方法提出利用矿区的水文地质监测孔进行水位、气压观测来实时获取含水层的水力学及岩石力学参数的动态变化，从而识别采矿过程对上覆地层的实时影响。本方案的关键点在于井孔布设方案；水位与固体潮结合反演含水层渗透系数及储水率方法；水位与固体潮和大气压力结合反演压缩系数、孔隙度等岩石力学参数方法。在矿区范围内的水文监测孔放入Solinst(加拿大公司)自动水位计进行水位动态监测；为了更好地监测采矿过程对上覆地层的影响，应根据实际情况在工作面中央及靠近工作面的外侧分别布设监测孔。矿区之前所用设备为传统遥测仪，其精度只能达到小数点后两位(厘米级)，而且设备较大，电池容量小，每3-4个月需要到现场更换电池。相比之下，Solinst水位计的监测精度可达小数点后四位(0.01厘米级)，设备小巧，电池电量可用3-4年。在矿区范围内的水文监测孔放入Solinst(加拿大公司)气压计进行气压动态监测；矿区之前仅能通过气象站获取气压数据；由于气象站成本高，一个矿区仅能安置一个气象站，但是气压的变化与地形起伏有关，对于不同海拔高度的地点，仅用一个数据代替并不合理。相比之下，Solinst气压计设备小巧，可以轻松放入水文监测孔进行气压监测，其监测精度可达小数点后四位，电池电量可用3-4年。在获取水位和气压的监测数据之后，利用井水位的固体潮效应和气压效应，在不同的情况下选择相对应的计算模型，计算不同的煤层上覆含水层的水文地质参数，包括渗透系数、储水率、压缩系数和孔隙度。通过得到不同层位煤层上覆含水层的水文地质参数可以直观全面地了解“三带”的分布特征，为“三带”的划分提供新的依据；通过获取水文地质参数的空间、时间变化特征，监测煤矿开采过程中煤层上覆含水层水文地质参数的时间和空间变化规律。参数反演模型如下：固体潮水平流模型：这里，A是井内水位波动x0与固体潮膨胀应变ε0的比值，也称其为振幅比；η是井内水位波动x0与固体潮膨胀应变ε0的相位差；这里的E和F为计算过程中的中间参数。固体潮垂向流模型：这里，A是井内水位波动x0与固体潮膨胀应变ε0的比值，也称其为振幅比；η是井内水位波动x0与固体潮膨胀应变ε0的相位差；z是距离水面的深度；δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种覆岩水力及岩石力学监测方法，其特征在于，包括：/n通过在矿区范围内的水文监测孔内设置的自动水位计和气压计，监测水位数据和气压数据；/n利用井水位的固体潮效应和气压效应，在不同的情况下选择相对应的反演计算模型，计算不同的煤层上覆含水层的水文地质参数；/n通过得到不同层位煤层上覆含水层的水文地质参数可以直观全面地了解“三带”(弯曲带、断裂带和冒落带)的分布特征，为“三带”的划分提供新的依据；/n通过获取水文地质参数的空间、时间变化特征，监测煤矿开采过程中煤层上覆含水层水文地质参数的时间和空间变化规律。/n

【技术特征摘要】
1.一种覆岩水力及岩石力学监测方法，其特征在于，包括：
通过在矿区范围内的水文监测孔内设置的自动水位计和气压计，监测水位数据和气压数据；
利用井水位的固体潮效应和气压效应，在不同的情况下选择相对应的反演计算模型，计算不同的煤层上覆含水层的水文地质参数；
通过得到不同层位煤层上覆含水层的水文地质参数可以直观全面地了解“三带”(弯曲带、断裂带和冒落带)的分布特征，为“三带”的划分提供新的依据；
通过获取水文地质参数的空间、时间变化特征，监测煤矿开采过程中煤层上覆含水层水文地质参数的时间和空间变化规律。


2.根据权利要求1所述的覆岩水力及岩石力学监测方法，其特征在于，水文监测孔设置在工作面中央及靠近工作面的外侧。


3.根据权利要求1所述的覆岩水力及岩石力学监测方法，其特征在于，反演计算模型包括：固体潮水平流模型、固体潮垂直流模型、固体潮气压模型。


4.根据权利要求3所述的覆岩水力及岩石力学监测方法，其特征在于，固体潮水平流模型由如下公式给出：




。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：史浙明，屈伸，许庆宇，王广才，韩嘉谦，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11