一种回采工作面坚硬基本顶断裂参数现场探测方法技术

本发明专利技术公开了一种回采工作面坚硬基本顶断裂参数现场探测方法，它是在在巷道距开切眼两个不同布置分别布置基本顶侧向断裂和基本顶走向断裂监测站，在监测站分别布置钻孔，在基本顶侧向断裂监测站利用深孔岩层位移计与钻孔摄像窥视仪探测两个设备结合，探测工作面基本顶侧向破断情况；在基本顶走向断裂监测站利用岩层位移计监测基本顶走向断裂情况；本发明专利技术可以直接获得现场数据，更加真实、有效的分析出基本顶断裂参数，为沿空巷道位置的确定提供数据参考。

A Field Detection Method for Fracture Parameters of Hard Basic Roof in Mining Face

【技术实现步骤摘要】
一种回采工作面坚硬基本顶断裂参数现场探测方法
本专利技术涉及回采工作面基本顶运动监测
，尤其涉及一种可以现场探测回采工作面坚硬基本顶走向和基本顶侧向(合称基本顶水平方向)的断裂参数的方法。
技术介绍
生产实践表明，长壁工作面开采后，坚硬基本顶岩层悬顶距大,悬顶时间长,基本顶一旦破断垮落，工作面支架、区段煤柱或巷旁充填体将承受较大的压力，易导致支架压死、巷旁充填体破坏等。只有认清基本顶运动规律，才能有效确定采场的来压强度、沿空巷道的留设位置及实现采场支护设计的科学化和定量化，因此，有必要掌握坚硬基本顶的破断规律。为了研究坚硬基本顶水平方向的破断规律，相关学者利用理论计算、数值模拟等方法，研究了坚硬基本顶的破断特征。在理论计算方面，多利用材料力学、损伤力学、弹性力学等理论建立公式或模型进行基本顶的破断规律的研究，但岩层介质属性的复杂性，许多问题按照采用解析力学方法往往难以得到精确的解答。在数值模拟方面，主要采用两种手段，一种是基于连续介质力学，采用有限元方法(ANSYS等)或有限差分法(FLAC等)对岩层破裂进行模拟分析；另一种是从不连续介质力学出发，通过不连续块体之间的接触关系(UDEC、3DEC等)，对基本顶岩层破断进行模拟。但数值模型结果完全取决于建模方法、输入参数、模型结果验证等诸多方面,模拟结果主观性较大，很难反映真实情况，导致对基本顶运动参数预判不准确，从而不能准确掌握基本顶的运动规律，无法对现场起到指导性作用。为了实现现场探测，目前多利用数字式全景钻孔记录仪、声波探测。其中数字式全景钻孔记录仪只能对基本顶的断裂线位置进行确定，不能确定基本顶的断裂跨度；声波探测获取的声学信号较为复杂，工作人员不易操作识别。申请人曾申请了一种回采工作面基本顶超前断裂距离的确定方法的专利技术专利，专利申请号2014103004447，它是以工作面前方一定距离的回采巷道作为测站，在测站内安装锚索应力监测系统，根据各锚索的工作阻力和监测到的应力监测距离，获得每个推进距离时的各锚索工作阻力曲线图，从中选出突变曲线；根据该突变曲线，获得突变点对应的的应力监测距离，以该应力监测距离减去此时工作面推进距离，即为基本顶超前断裂距离。该技术的探测方法和本专利技术不同，且它探测到的只是基本顶走向的超前断裂距离，无法获取基本顶侧向的断裂参数，不能全面反映基本顶的破断规律。
技术实现思路
为了真实反映和准确掌握基本顶的运动规律，对现场起到指导性作用，本专利技术提供一种准确预判基本顶运动参数的回采工作面坚硬基本顶断裂参数现场探测方法。注释：本专利技术所述的基本顶走向和基本顶侧向即为工作面走向和工作面侧向。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种回采工作面坚硬基本顶断裂参数现场探测方法，其特征在于，其包括基本顶侧向断裂探测和基本顶走向断裂探测两大部分：第一大部分：基本顶侧向断裂探测基本顶侧向断裂探测包括以下步骤：步骤1.1：结合工作面现场条件，在巷道距开切眼300±10m处布置Ⅰ#监测站；步骤1.2：在Ⅰ#监测站按照工作面推进方向依次建立A1、B1、A2、B2四个监测子分站，四个监测子分站相邻间隔1m，其中A1和A2监测子分站为侧向位移监测子分站，B1和B2为侧向窥视监测子分站，这样实际上就组成两对监测分站A1B1和A2B2；步骤1.3：在监测分站A1B1和A2B2均开设6个侧向位移监测钻孔和6个侧向窥视钻孔，具体方法如下：在A1、B1、A2、B2四个监测子分站中分别开设6个直径50mm的钻孔，6个钻孔与巷道顶板的夹角分别为30°、40°、50°、60°、70°、80°，要求监测分站A1B1和A2B2中的一个监测分站的钻孔布置在距实体帮为1.0m的采空区侧，另一监测分站的钻孔布置在距开采帮为1.0m的实体煤侧，每个子分站中相邻钻孔间距为(b-2)/5m，b为巷道宽度；上述四个监测子分站中钻孔起始端间距相等；上述开设在A1和A2监测子分站的12个钻孔称为侧向位移监测钻孔，其中从采空区到巷道的6个侧向位移监测钻孔依次为A1#、A2#、A3#、A4#、A5#、A6#；从巷道到实体煤的6个侧向位移监测钻孔依次编号为A7#、A8#、A9#、A10#、A11#、A12#；上述开设在B1和B2监测子分站的钻孔称为侧向窥视钻孔，12个侧向窥视钻孔依次为B1#、B2#、B3#……B12#表示；步骤1.4：待Ⅰ#监测站钻孔钻取完成后，在所有侧向位移监测钻孔中安装深孔岩层位移计，同时将数据存储与记录装置固定在巷道表面，以方便后期数据的读取；步骤1.5：待深孔岩层位移计安装完成之后，当工作面推采至距A1监测子分站50m时，每天读取深孔岩层位移计数据，直至工作面推过B2监测子分站50m之后，停止数据采集；期间，利用钻孔摄像窥视仪对侧向窥视子分站的各侧向窥视钻孔孔壁进行窥视；步骤1.6：根据位于采空区的六个侧向位移监测钻孔监测数据的变化趋势初步判定基本顶侧向采空区上方断裂线，也就是说确定基本顶侧向采空区上方断裂线处于哪两个采空区上方侧向位移监测钻孔之间，这两个采空区上方侧向位移监测钻孔用Ai#和Ai+1#表示，i为处于采空区的侧向位移监测钻孔编号，1≤i≤5；步骤1.7：根据位于实体煤的六个侧向位移监测钻孔监测数据的变化趋势初步判定基本顶侧向断裂线，也就是说确定基本顶侧向断裂线处于哪两个实体煤侧向位移监测钻孔之间，这两个实体煤侧向位移监测钻孔用Au#和Au+1#表示，u为处于实体煤的侧向位移监测钻孔编号，7≤u≤11；步骤1.8：结合侧向位移监测钻孔监测数据和侧向窥视钻孔窥视结果确定基本顶侧向断裂线，判断基本顶侧向断裂线是位于巷道横截面铅垂中心轴、偏采空区或偏实体煤侧；步骤1.9：根据基本顶侧向断裂线利用公式计算基本顶侧向断裂参数，断裂参数包括基本顶侧向破断跨距La、基本顶侧向断裂线距开采帮的距离Lc和侧向回转角α；具体如下：(1)当基本顶侧向断裂线位于巷道横截面铅垂中心时，也就是基本顶侧向断裂线处于A6#和A7#侧向位移监测钻孔之间；①基本顶侧向断裂跨距La当基本顶侧向断裂线位于A6#和A7#侧向位移监测钻孔之间时，由于基本顶侧向采空区上方断裂线位于Ai#与A(i+1)#侧向位移监测钻孔之间，所以基本顶侧向最大断裂跨距Lamax为Ai#钻孔与巷道横截面铅垂中心轴之间距离，基本顶侧向最小断裂跨距Lamin为A(i+1)#钻孔与巷道横截面铅垂中心轴之间距离；即：Lamin≤La≤Lamax式中：MZ—直接顶厚度，m；ME—基本顶厚度，m；βi—Ai#侧向位移监测钻孔布置角度；βi+1—Ai+1#侧向位移监测钻孔布置角度；b—巷道宽度，m；Lm—同一个子分站中相邻侧向位移监测钻孔间距，m。②基本顶侧向断裂线距开采帮的距离Lc＝b/2,b为巷道宽度；③基本顶侧向回转角α式中：AB—A6#侧向位移监测钻孔起始端至基本顶断裂位置的距离,m；ΔLA6—布置在A6#侧向位移监测钻孔中的位移计钢绞线长度变化量，m；βA6—A6#侧向位移监测钻孔布置角度。(2)当基本顶侧向断裂线位于偏采空区侧时此时，基本顶侧向断裂线和基本顶侧向采空区上方断裂线都处在采空区，也就是说，基本顶侧向断裂线和基本顶侧向采空区上方断裂线分别处于A1#～A6#某两个钻孔之间，为了便于区分，将基本顶侧向断裂线位于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种回采工作面坚硬基本顶断裂参数现场探测方法，其特征在于，其包括基本顶侧向断裂探测步骤，具体如下：步骤1.1：结合工作面现场条件，在巷道距开切眼300±10m处布置Ⅰ#监测站；步骤1.2：在Ⅰ#监测站按照工作面推进方向依次建立A1、B1、A2、B2四个监测子分站，四个监测子分站相邻间隔1m，其中A1和A2监测子分站为侧向位移监测子分站，B1和B2为侧向窥视监测子分站，这样实际上就组成两对监测分站A1B1和A2B2；步骤1.3：在监测分站A1B1和A2B2均开设6个侧向位移监测钻孔和6个侧向窥视钻孔，具体方法如下：在A1、B1、A2、B2四个监测子分站中分别开设6个直径50mm的钻孔，6个钻孔与巷道顶板的夹角分别为30°、40°、50°、60°、70°、80°，要求监测分站A1B1和A2B2中的一个监测分站的钻孔布置在距实体帮为1.0m的采空区侧，另一监测分站的钻孔布置在距开采帮为1.0m的实体煤侧，每个子分站中相邻钻孔间距为(b‑2)/5m，b为巷道宽度；上述四个监测子分站中钻孔起始端间距相等；上述开设在A1和A2监测子分站的12侧向位移监测钻孔，其中从采空区到巷道的6个侧向位移监测钻孔依次为A1#、A2#、A3#、A4#、A5#、A6#；从巷道到实体煤的6个侧向位移监测钻孔依次编号为A7#、A8#、A9#、A10#、A11#、A12#；上述开设在B1和B2监测子分站的12个侧向窥视钻孔依次为B1#、B2#、B3#……B12#表示；步骤1.4：待Ⅰ#监测站钻孔钻取完成后，在所有侧向位移监测钻孔中安装深孔岩层位移计，同时将数据存储与记录装置固定在巷道表面，以方便后期数据的读取；步骤1.5：待深孔岩层位移计安装完成之后，当工作面推采至距A1监测子分站50m时，每天读取深孔岩层位移计数据，直至工作面推过B2监测子分站50m之后，停止数据采集；期间，利用钻孔摄像窥视仪对侧向窥视子分站的各侧向窥视钻孔孔壁进行窥视；步骤1.6：根据位于采空区的六个侧向位移监测钻孔监测数据的变化趋势初步判定基本顶侧向采空区上方断裂线，也就是说确定基本顶侧向采空区上方断裂线处于哪两个采空区上方侧向位移监测钻孔之间，这两个采空区上方侧向位移监测钻孔用Ai#和Ai+1#表示，i为处于采空区的侧向位移监测钻孔编号，1≤i≤5；步骤1.7：根据位于实体煤的六个侧向位移监测钻孔监测数据的变化趋势初步判定基本顶侧向断裂线，也就是说确定基本顶侧向断裂线处于哪两个实体煤侧向位移监测钻孔之间，这两个实体煤侧向位移监测钻孔用Au#和Au+1#表示，u为处于实体煤的侧向位移监测钻孔编号，7≤u≤11；步骤1.8：结合侧向位移监测钻孔监测数据和侧向窥视钻孔窥视结果确定基本顶侧向断裂线，判断基本顶侧向断裂线是位于巷道横截面铅垂中心轴、偏采空区或偏实体煤侧；步骤1.9：根据基本顶侧向断裂线利用公式计算基本顶侧向断裂参数，断裂参数包括基本顶侧向破断跨距La、基本顶侧向断裂线距开采帮的距离Lc和侧向回转角α；具体如下：(1)当基本顶侧向断裂线位于巷道横截面铅垂中心时，也就是基本顶侧向断裂线处于A6#和A7#侧向位移监测钻孔之间；①基本顶侧向断裂跨距La当基本顶侧向断裂线位于巷道横截面铅垂中心轴，即A6#和A7#侧向位移监测钻孔之间时，由于基本顶侧向采空区上方断裂线位于Ai#与A(i+1)#侧向位移监测钻孔之间，所以基本顶侧向最大断裂跨距Lamax为Ai#钻孔与巷道横截面铅垂中心轴之间距离，基本顶侧向最小断裂跨距Lamin为A(i+1)#钻孔与巷道横截面铅垂中心轴之间距离；即：Lamin≤La≤Lamax...

【技术特征摘要】
1.一种回采工作面坚硬基本顶断裂参数现场探测方法，其特征在于，其包括基本顶侧向断裂探测步骤，具体如下：步骤1.1：结合工作面现场条件，在巷道距开切眼300±10m处布置Ⅰ#监测站；步骤1.2：在Ⅰ#监测站按照工作面推进方向依次建立A1、B1、A2、B2四个监测子分站，四个监测子分站相邻间隔1m，其中A1和A2监测子分站为侧向位移监测子分站，B1和B2为侧向窥视监测子分站，这样实际上就组成两对监测分站A1B1和A2B2；步骤1.3：在监测分站A1B1和A2B2均开设6个侧向位移监测钻孔和6个侧向窥视钻孔，具体方法如下：在A1、B1、A2、B2四个监测子分站中分别开设6个直径50mm的钻孔，6个钻孔与巷道顶板的夹角分别为30°、40°、50°、60°、70°、80°，要求监测分站A1B1和A2B2中的一个监测分站的钻孔布置在距实体帮为1.0m的采空区侧，另一监测分站的钻孔布置在距开采帮为1.0m的实体煤侧，每个子分站中相邻钻孔间距为(b-2)/5m，b为巷道宽度；上述四个监测子分站中钻孔起始端间距相等；上述开设在A1和A2监测子分站的12侧向位移监测钻孔，其中从采空区到巷道的6个侧向位移监测钻孔依次为A1#、A2#、A3#、A4#、A5#、A6#；从巷道到实体煤的6个侧向位移监测钻孔依次编号为A7#、A8#、A9#、A10#、A11#、A12#；上述开设在B1和B2监测子分站的12个侧向窥视钻孔依次为B1#、B2#、B3#……B12#表示；步骤1.4：待Ⅰ#监测站钻孔钻取完成后，在所有侧向位移监测钻孔中安装深孔岩层位移计，同时将数据存储与记录装置固定在巷道表面，以方便后期数据的读取；步骤1.5：待深孔岩层位移计安装完成之后，当工作面推采至距A1监测子分站50m时，每天读取深孔岩层位移计数据，直至工作面推过B2监测子分站50m之后，停止数据采集；期间，利用钻孔摄像窥视仪对侧向窥视子分站的各侧向窥视钻孔孔壁进行窥视；步骤1.6：根据位于采空区的六个侧向位移监测钻孔监测数据的变化趋势初步判定基本顶侧向采空区上方断裂线，也就是说确定基本顶侧向采空区上方断裂线处于哪两个采空区上方侧向位移监测钻孔之间，这两个采空区上方侧向位移监测钻孔用Ai#和Ai+1#表示，i为处于采空区的侧向位移监测钻孔编号，1≤i≤5；步骤1.7：根据位于实体煤的六个侧向位移监测钻孔监测数据的变化趋势初步判定基本顶侧向断裂线，也就是说确定基本顶侧向断裂线处于哪两个实体煤侧向位移监测钻孔之间，这两个实体煤侧向位移监测钻孔用Au#和Au+1#表示，u为处于实体煤的侧向位移监测钻孔编号，7≤u≤11；步骤1.8：结合侧向位移监测钻孔监测数据和侧向窥视钻孔窥视结果确定基本顶侧向断裂线，判断基本顶侧向断裂线是位于巷道横截面铅垂中心轴、偏采空区或偏实体煤侧；步骤1.9：根据基本顶侧向断裂线利用公式计算基本顶侧向断裂参数，断裂参数包括基本顶侧向破断跨距La、基本顶侧向断裂线距开采帮的距离Lc和侧向回转角α；具体如下：(1)当基本顶侧向断裂线位于巷道横截面铅垂中心时，也就是基本顶侧向断裂线处于A6#和A7#侧向位移监测钻孔之间；①基本顶侧向断裂跨距La当基本顶侧向断裂线位于巷道横截面铅垂中心轴，即A6#和A7#侧向位移监测钻孔之间时，由于基本顶侧向采空区上方断裂线位于Ai#与A(i+1)#侧向位移监测钻孔之间，所以基本顶侧向最大断裂跨距Lamax为Ai#钻孔与巷道横截面铅垂中心轴之间距离，基本顶侧向最小断裂跨距Lamin为A(i+1)#钻孔与巷道横截面铅垂中心轴之间距离；即：Lamin≤La≤Lamax式中：MZ—直接顶厚度，m；ME—基本顶厚度，m；βi—Ai#侧向位移监测钻孔布置角度；βi+1—Ai+1#侧向位移监测钻孔布置角度；b—巷道宽度，m；Lm—同一个子分站中相邻侧向位移监测钻孔间距，m；②基本顶侧向断裂线距开采帮的距离Lc＝b/2,b为巷道宽度；③基本顶侧向回转角α式中：α—基本顶侧向回转角；AB—A6#侧向位移监测钻孔起始端至基本顶断裂位置的距离,m；ΔLA6—布置在A6#侧向位移监测钻孔中的位移计钢绞线长度变化量，m；βA6—A6#侧向位移监测钻孔布置角度；(2)当基本顶侧向断裂线位于偏采空区侧时此时，基本顶侧向断裂线和基本顶侧向采空区上方断裂线都处在采空区，也就是说，基本顶侧向断裂线和基本顶侧向采空区上方断裂线分别处于A1#～A6#某两个钻孔之间，为了便于区分，将基本顶侧向断裂线位于偏采空区侧某两个钻孔定义为Ai’#和A(i+1)’#，0≤i’≤5；①基本顶侧向断裂跨距La当基本顶侧向断裂线位于偏采空区侧Ai’#与A(i+1)’#侧向位移监测钻孔之间时，由于基本顶侧向采空区上方断裂线位于Ai#与Ai+1#侧向位移监测钻孔之间，所以基本顶侧向最大断裂跨距Lamax为Ai#与A(i+1)’#钻孔之间距离，基本顶侧向最小断裂跨距Lamin为Ai+1#与Ai’#钻孔之间距离,即：式中：MZ—直接顶厚度，m；ME—基本顶厚度，m；βi—Ai#侧向位移监测钻孔布置角度；βi+1—Ai+1#侧向位移监测钻孔布置角度；βi’—Ai’#侧向位移监测钻孔布置角度；β(i+1)’—A(i+1)’#侧向位移监测钻孔布置角度；b—巷道宽度，m；i—Ai#侧向位移监测钻孔编号；(i+1)—Ai+1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，杨尚，李学慧，邱鹏奇，郝嘉伟，胡善超，黄万朋，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37