一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统及方法技术方案

一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统及方法，在无煤柱沿空留巷一侧开凿底板钻场，对底板岩层施工不同角度的钻孔，采用对接密封系统将透明中空管逐段对接送入钻孔内；对钻孔与透明中空管间的缝隙进行注浆锚固后，利用探测定位组件记录测量尺上不同刻度位置钻孔围岩裂隙，在开采不同阶段多次开展底板采动破坏规律演化监测任务直至数据趋于稳定方可结束观测。本发明专利技术从钻孔钻场向待采煤层底板方向延伸并排设置的底板小角度钻孔、底板中角度钻孔和底板大角度钻孔立体排布，可以通过观测同一时间相邻的钻孔和同一钻孔在不同采煤阶段的裂隙情况圈定出底板塑性破坏区发育形态和煤层开采后底板破坏区发育形态，为安全施工提供可靠的数据参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统及方法，属于矿山支护领域。
技术介绍
我国煤炭资源分布具有很强的区域性，目前约90％的煤炭资源产自华北煤田，严峻的矿山水害形式一直严重影响着我国煤矿安全生产，制约了国民经济稳步健康发展，煤田开发对国家经济发展具有重要意义。同时我国许多煤田水文地质条件十分复杂，煤层开采过程中受到多种水体的威胁,仅北方主要矿区受岩溶水威胁的煤炭储量就约有150多亿吨，占探明储量的27％，而在所有水害事故的突水形式中，特别突出的煤层底板水害就占到了88.1％，严重威胁着煤矿生产安全。因此，深入开展带压开采采煤工作面底板破坏突水成灾机理及预警系统研究、有效遏制矿井突水事故的发生、保障煤矿安全生产，是目前我国煤炭工业迫切需要解决的问题，对进一步提高大水矿区生产效果和资源回收率具有重要意义，也为以后同类型的煤层安全高效开采提供科学可靠的参考依据。经过多年的底板采动现场实践观测，普遍认为开采煤层底板也像上覆岩层一样从煤层底面到含水层顶面可分为“下三带”，即底板导水破坏带、完整岩层带、承压水导升带。“下三带”理论比较符合煤层底板破坏、突水规律，在生产实践中得到了较为广泛的应用，由此可见，底板导水破坏带的现场实地观测具有重要意义。为了查明底板变形破坏规律，现今采用的研究方法可采用理论研究、数值模拟研究及实验研究等，虽然这些方法在认识底板岩层移动变形规律方面起到了很重要的作用，但在工程实践中，利用实测数据信息来推断底板岩层移动变形破坏规律无疑是最直接、最可靠的方法。目前现场实地观测的方法有：钻孔声波测试法、底板钻孔位移计法、钻孔窥视测试法、钻孔应力计、钻孔放注水法等。其中①钻孔声波测试法，是观测采动前后岩体的采动裂隙发育规律及采动裂隙深度；②底板钻孔位移计法，是在钻孔中设置位移观测基点以观测采动前后底板的位移变化规律；③钻孔窥视测试法，用于观测工作面回采期间的底板岩体裂隙宏观改变；④钻孔应力计，是通过采集底板岩层力学性质变化，获得底板岩层应力应变数据，分析底板破坏情况；⑤用钻孔放注水法，在采前向煤层底板打一定深度的斜孔，每天观测单位时间向外的流水量，不向外流水时，每天观测单位时间向里的注水量，通过采动过程中不同深度钻孔单位时间放注水量的变化和水文地质条件的综合分析，就可以知道采动影响引起的煤层底板破坏深度。以上几种方法中，唯有钻孔窥视测试法属于直接观测围岩演变规律的方法，具有更高的可信度和真实性，但在钻孔窥视测试法的实际操作和监测过程中时常存在诸如以下难题：(1)我国煤矿开采煤层时，采用沿空留巷可将上一区段的顺槽重新支护留给下一个区段使用，沿空留巷可以最大限度回收资源，避免煤体损失，沿空留巷分成预留区段煤柱沿空留巷和无煤柱沿空留巷。这两种情况下的沿空留巷都将造成浅部底板钻孔发生塌孔，即便是下入一定深度的护壁套管，仍存在监测段(无护壁套管)发生垮塌孔现象，而一旦发生塌孔，很难再次修补，唯一的办法就是重新补打钻孔，不仅费时费力，更有可能错过最佳观测时间；(2)煤层底板岩层一般分为硬岩层、软岩层、软硬相间岩层，如果施工底板钻孔期间遇到软岩层或软硬相间岩层，特别是在底板钻孔监测段，由于软岩具有遇水软化作用，如不及时观测数据，可能会在短时间内钻孔软岩段自动闭合或垮塌，使得钻孔失效而不得不补打钻孔，甚至多次补打钻孔，大大增加了监测成本；同时钻孔的频繁更换造成后果是不仅无法有效采集可用数据，同一位置不同时间裂隙宏观改变也没有参考对比，检测结果的可靠性很低。(3)即便在煤层开采前可以顺利观测初始钻孔窥视数据，但随着采煤工作面不断推进，底板由于受到煤柱支承压力作用而发生力学上的改变造成底板岩层破碎，致使常规的裸孔使用钻孔窥视仪造成卡住、卡死摄像头等情况，甚至会破坏摄像观测设备，带来一定的经济损失。(4)在观测期间，时常遇到钻孔内存在大量的泥水、污水、油水混合物和水中的悬浮物和气泡，即便配合钻孔注水不断冲刷钻孔，往往仍无法采集有效的数据，大大影响观测的清晰度和真实性，且得出数据后需要经过大量的计算和评估才能得出一个大概的结论，且无法保证结论是否可靠，即无法快速精确得出岩层变化的位置和发育状况，对后续的正常施工带来很大的安全隐患。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种可以提高钻孔失效率、减少经济损失；能够保障钻孔窥视设备安全使用、保证探测过程正常进行；能够快速精确得出岩层裂隙变化情况和发育状况，始终保持钻孔处于无水观测的最佳效果，且可以满足多次重复使用、保证数据可靠的监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统及方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，包括回采巷道，所述回采巷道一侧为待回采煤层，另一侧为相邻煤层，相邻煤层上设有底板钻孔钻场，从底板钻孔钻场向待回采煤层底板下方延伸设有底板小角度钻孔、底板中角度钻孔和底板大角度钻孔，底板小角度钻孔、底板中角度钻孔和底板大角度钻孔依次并排设置，且相互间隔1-2m，所述底板小角度钻孔、底板中角度钻孔和底板大角度钻孔中均设有密封观测筒，密封观测筒露出钻孔口0.5～1.0m，所述密封观测筒内设有探测定位组件；所述密封观测筒包括多根相互连接的透明中空管，相邻透明中空管由对接密封组件连接在一起，所述对接密封组件包括对接套筒和设在对接套筒两端的“U”形卡簧，所述对接套筒两端分别套在相邻的透明中空管端部，两个“U”形卡簧分别垂直于对接套筒从对接套筒筒壁上的对穿孔和透明中空管的通槽穿过，将对接套筒和相邻的透明中空管连在一起；所述密封观测筒筒底设有封底密封组件，所述封底密封组件包括封底套筒，封底套筒固定在密封观测筒的筒底一端，且封底套筒底部设有封底面，所述封底套筒的封底面与密封观测筒筒底之间及相邻透明中空管的对接处均设有防水“O”型垫片；所述对接套筒和封底套筒外壁上均设有防跑偏部件，所述防跑偏部件包括沿套筒周向分布设在套筒外壁上的三个防跑偏定位销，所述三个防跑偏定位销分别沿套筒径向旋入定位销螺纹孔并紧固在套筒筒壁上，且防跑偏定位销外端与钻孔的孔壁相距2～5mm；所述密封观测筒与钻孔孔壁之间有大流动性无收缩灌浆材料凝固形成的钻孔注浆体，密封观测筒内侧筒壁上设有测量部件，所述测量部件包括多段刻度相连的测量尺，所述每段测量尺的长度与透明中空管的长度一致，一面标有刻度，另一面通过锚固胶固定粘结在透明中空管内壁上；所述探测定位组件包括本质安全型钻孔窥视仪，本质安全型钻孔窥视仪通过电缆线连接钻孔窥视器，所述本质安全型钻孔窥视仪外设有定位套筒，环绕定位套筒的三根螺钉分别从定位套筒外壁沿定位套筒径向旋入，将定位套筒固定在本质安全型钻孔窥视仪上；所述定位套筒筒壁上分布设有多根弹簧，所述弹簧沿定位套筒径向延伸，且一端焊接在定位套筒上，另一端固定有防刮球。优选的，所述“U”形卡簧的材质为弹簧钢，且“U”形卡簧的两个固定支腿端部向外张开。优选的，对接套筒筒壁上的对穿孔和透明中空管的通槽位置对应，且对穿孔孔径与“U”形卡簧的固定支腿直径相同。优选的，对接套筒和透明中空管的材质为树脂纤维或亚克力有机玻璃。优选的，防跑偏定位销材质为不锈钢，且外端为半球形。优选的，所述防水“O”型垫片的内、外径与透明中空管的内、外径一致。优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，包括回采巷道(42)，所述回采巷道(42)一侧为待回采煤层(43)，另一侧为相邻煤层(40)，其特征在于，相邻煤层(40)上设有底板钻孔钻场(41)，从底板钻孔钻场(41)向待回采煤层(43)底板下方延伸设有底板小角度钻孔(45)、底板中角度钻孔(46)和底板大角度钻孔(47)，底板小角度钻孔(45)、底板中角度钻孔(46)和底板大角度钻孔(47)依次并排设置，且相互间隔1‑2m，所述底板小角度钻孔(45)、底板中角度钻孔(46)和底板大角度钻孔(47)中均设有密封观测筒，密封观测筒露出钻孔口0.5～1.0m，所述密封观测筒内设有探测定位组件；所述密封观测筒包括多根相互连接的透明中空管(8)，相邻透明中空管(8)由对接密封组件连接在一起，所述对接密封组件包括对接套筒(7)和设在对接套筒(7)两端的“U”形卡簧(5)，所述对接套筒(7)两端分别套在相邻的透明中空管(8)端部，两个“U”形卡簧(5)分别垂直于对接套筒(7)从对接套筒(7)筒壁上的对穿孔(6)和透明中空管(8)的通槽(24)穿过，将对接套筒(7)和相邻的透明中空管(8)连在一起；所述密封观测筒筒底设有封底密封组件，所述封底密封组件包括封底套筒(19)，封底套筒(19)固定在密封观测筒的筒底一端，且封底套筒(19)底部设有封底面(22)，所述封底套筒(19)的封底面(22)与密封观测筒筒底之间及相邻透明中空管(8)的对接处均设有防水“O”型垫片(11)；所述对接套筒(7)和封底套筒(19)外壁上均设有防跑偏部件，所述防跑偏部件包括沿套筒周向分布设在套筒外壁上的三个防跑偏定位销(9)，所述三个防跑偏定位销(9)分别沿套筒径向旋入定位销螺纹孔(10)并紧固在套筒筒壁上，且防跑偏定位销(9)外端与钻孔的孔壁相距2～5mm；所述密封观测筒与钻孔孔壁之间有大流动性无收缩灌浆材料凝固形成的钻孔注浆体(3)，密封观测筒内侧筒壁上设有测量部件，所述测量部件包括多段刻度相连的测量尺(4)，所述每段测量尺(4)的长度与透明中空管(8)的长度一致，一面标有刻度，另一面通过锚固胶(23)固定粘结在透明中空管(8)内壁上；所述探测定位组件包括本质安全型钻孔窥视仪(18)，本质安全型钻孔窥视仪(18)通过电缆线(12)连接钻孔窥视器(53)，所述本质安全型钻孔窥视仪(18)外设有定位套筒(13)，环绕定位套筒(13)的三根螺钉(15)分别从定位套筒(13)外壁沿定位套筒(13)径向旋入，将定位套筒(13)固定在本质安全型钻孔窥视仪(18)上；所述定位套筒(13)筒壁上分布设有多根弹簧(17)，所述弹簧(17)沿定位套筒(13)径向延伸，且一端焊接在定位套筒(13)上，另一端固定有防刮球(14)。...

【技术特征摘要】
1.一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，包括回采巷道(42)，所述回采巷道(42)一侧为待回采煤层(43)，另一侧为相邻煤层(40)，其特征在于，相邻煤层(40)上设有底板钻孔钻场(41)，从底板钻孔钻场(41)向待回采煤层(43)底板下方延伸设有底板小角度钻孔(45)、底板中角度钻孔(46)和底板大角度钻孔(47)，底板小角度钻孔(45)、底板中角度钻孔(46)和底板大角度钻孔(47)依次并排设置，且相互间隔1-2m，所述底板小角度钻孔(45)、底板中角度钻孔(46)和底板大角度钻孔(47)中均设有密封观测筒，密封观测筒露出钻孔口0.5～1.0m，所述密封观测筒内设有探测定位组件；所述密封观测筒包括多根相互连接的透明中空管(8)，相邻透明中空管(8)由对接密封组件连接在一起，所述对接密封组件包括对接套筒(7)和设在对接套筒(7)两端的“U”形卡簧(5)，所述对接套筒(7)两端分别套在相邻的透明中空管(8)端部，两个“U”形卡簧(5)分别垂直于对接套筒(7)从对接套筒(7)筒壁上的对穿孔(6)和透明中空管(8)的通槽(24)穿过，将对接套筒(7)和相邻的透明中空管(8)连在一起；所述密封观测筒筒底设有封底密封组件，所述封底密封组件包括封底套筒(19)，封底套筒(19)固定在密封观测筒的筒底一端，且封底套筒(19)底部设有封底面(22)，所述封底套筒(19)的封底面(22)与密封观测筒筒底之间及相邻透明中空管(8)的对接处均设有防水“O”型垫片(11)；所述对接套筒(7)和封底套筒(19)外壁上均设有防跑偏部件，所述防跑偏部件包括沿套筒周向分布设在套筒外壁上的三个防跑偏定位销(9)，所述三个防跑偏定位销(9)分别沿套筒径向旋入定位销螺纹孔(10)并紧固在套筒筒壁上，且防跑偏定位销(9)外端与钻孔的孔壁相距2～5mm；所述密封观测筒与钻孔孔壁之间有大流动性无收缩灌浆材料凝固形成的钻孔注浆体(3)，密封观测筒内侧筒壁上设有测量部件，所述测量部件包括多段刻度相连的测量尺(4)，所述每段测量尺(4)的长度与透明中空管(8)的长度一致，一面标有刻度，另一面通过锚固胶(23)固定粘结在透明中空管(8)内壁上；所述探测定位组件包括本质安全型钻孔窥视仪(18)，本质安全型钻孔窥视仪(18)通过电缆线(12)连接钻孔窥视器(53)，所述本质安全型钻孔窥视仪(18)外设有定位套筒(13)，环绕定位套筒(13)的三根螺钉(15)分别从定位套筒(13)外壁沿定位套筒(13)径向旋入，将定位套筒(13)固定在本质安全型钻孔窥视仪(18)上；所述定位套筒(13)筒壁上分布设有多根弹簧(17)，所述弹簧(17)沿定位套筒(13)径向延伸，且一端焊接在定位套筒(13)上，另一端固定有防刮球(14)。2.根据权利要求1所述的一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，其特征在于，所述“U”形卡簧(5)的材质为弹簧钢，且“U”形卡簧(5)的两个固定支腿端部向外张开。3.根据权利要求1所述的一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，其特征在于，对接套筒(7)筒壁上的对穿孔(6)和透明中空管(8)的通槽(24)位置对应，且对穿孔(6)孔径与“U”形卡簧(5)的固定支腿直径相同。4.根据权利要求1所述的一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，其特征在于，对接套筒(7)和透明中空管(8)的材质为树脂纤维或亚克力有机玻璃。5.根据权利要求1所述的一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，其特征在于，防跑偏定位销(9)材质为不锈钢，且外端为半球形。6.根据权利要求1所述的一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，其特征在于，所述防水“O”型垫片(11)的内、外径与透明中空管(8)的内、外径一致。7.根据权利要求1所述的一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，其特征在于，所述大流动性无收缩灌浆材料包括早强高强型硅酸盐水泥、增强剂、骨料、高效减水剂、膨胀剂、降失水剂、防收缩剂、消泡剂和缓凝剂，其重量比为40-55％、4-13％、35-50％、0.3-1.6％、2-8％、0.01-0.6％、0.01-0.2％、0.1-0.8％、0.5-1.5％，水灰比为0.12～0.20；所述的早强高强型硅酸盐水泥为42.5R硅酸盐水泥或52.5R硅酸盐水泥或重量比8:1的硅酸盐水泥与铝酸盐水泥的混合物；所述的增强剂为超细粉煤灰或高钙粉煤灰，规格为200～300目；所述的骨料为石英砂，粒径分布为0～1.25mm；所述的高效减水剂为聚羧酸聚合物高效减水剂；所述的膨胀剂为UEA高效低碱混凝土膨胀剂或WZ-MPC聚合物纤维膨胀剂；所述的降失水剂为羟乙基纤维素；所述的防收缩剂为聚丙烯类纤维；所述的消泡剂为胺基聚醚类消泡剂或有机硅类消泡剂；所述的缓凝剂为洒石酸、柠檬酸、硼酸、磷酸盐中的一种。8.根据权利要求1所述的一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，其特征在于，所述测量尺的量程为1m或2m。9.根据权利要求1所述的一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的探测系统，其特征在于，所述定位套筒(13)材质为不锈钢或铝材。10.一种监测无煤柱沿空留巷底板裂隙发育的方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昂，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61