一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法及监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法及监测系统，在含断层煤层开采过程中，采动引起采场围岩应力变化，使采场围岩产生位移，进而产生破坏裂隙，形成渗流突水通道，导致采场围岩渗流、温度变化。通过光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、光纤微震传感器和网络并行电路铜片电极，采集开采过程中断层围岩应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些断层活化突水前兆信息。依据应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些前兆信息的初值及变化幅值，确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则。利用承压断层活化突水多场信息协同监测系统，实现承压断层采动活化突水的实时、动态监测预警。

A method of outburst prediction and monitoring system based on multi field information synergistic monitoring for water bursting of confined fault

The invention discloses a multi-field information synergistic monitoring method and monitoring system for water inrush caused by pressure fault activation. During the mining process of coal seam containing fault, mining causes stress change of surrounding rock of stope, causes displacement of surrounding rock of stope, and then produces fracture, forms water inrush passage of seepage, and causes seepage and temperature of surrounding rock of stope. Degree change. Through optical fiber stress sensor, optical fiber displacement sensor, optical fiber osmotic pressure sensor, optical fiber temperature sensor, optical fiber microseismic sensor and network parallel circuit copper sheet electrode, the precursory information of water inrush induced by fault activation during mining process is collected. According to the initial value and variation amplitude of the precursory information, such as stress, displacement, osmotic pressure, temperature, microseismic and apparent resistivity, the corresponding warning threshold and criterion are determined. The real-time and dynamic monitoring and early warning of water inrush caused by mining activation of confined fault is realized by using the multi-field information monitoring system of water inrush activated by confined fault.

【技术实现步骤摘要】
一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法及监测系统
本专利技术涉及一种矿井水害监测系统与突水预报方法，尤其涉及一种地下煤层开采过程中断层等构造活化突水多场信息协同监测系统与临突预报方法。
技术介绍
我国煤炭资源丰富，但赋存地质条件复杂，使得煤矿开采中地质灾害时有发生。随着煤矿开采深度、开采强度的进一步增大，回采工作面受承压水的威胁日益严重，特别是含断层构造的回采工作面，其突水预测及防治问题更为突出。矿井突水在造成经济损失和人员伤亡的同时，也对矿区水资源与环境造成了严重的污染和破坏。因此，有效监测、预报及防治矿井水害的发生，已成为众多矿井所共同面对的热点问题和技术难题。断层活化突水是矿井突水的一种重要形式，其具有较强的隐敝性和难确定性，易造成重大灾害，严重威胁着煤矿的安全生产。据统计，全国80％的煤矿突水事故是由断层活化引起的，而绝大多数是原始地质条件下的非导水断层在采动影响下活化而诱发的突水。回采工作面内特别是小断层、隐伏构造等诱发的突水问题对工作面安全快速推进的影响日益严重，其防治难度更大。由于采场断层活化突水机理的复杂性及监测预警手段的局限性，断层活化突水的研究还主要集中在理论分析、数值模拟及相似试验方面，在断层活化突水实时现场监测及临突预报方面的研究还有待于进一步完善。工作面回采期间，引起采场围岩应力变化，使得承压水在合适的应力环境下通过劈裂、扩张、贯通、破坏隔水层内断层等构造裂隙的同时进一步递进侵入，从而诱导矿井水害的发生。此过程伴生断层围岩应力、位移、裂隙、渗透性变化，温度变化、水压升高、涌水量增大等一系列前兆信息，这些前兆信息是断层活化突水监测、预报的前提和依据。目前，对于煤系地层内承压断层采动活化突水的监测预报研究，仅定性监测分析断层活化突水过程中应力、位移等采动信息的演化规律，对于断层活化突水过程中伴生的裂隙、渗流、温度等信息的演化规律还不明确，缺乏现场断层活化突水水源、水量、水压、水温等伴生信息的定量判识与系统分析，没有形成断层活化突水过程多项伴生信息协同监测系统及定量性的临突预报方法，使得许多矿井为防止断层活化突水不得不放弃大量煤炭资源的开采而留作防水煤柱，更多的则因水害威胁而暂时无法开采。为解放大量受水害威胁的煤炭资源，实现含断层构造回采工作面的安全带压开采，必须对工作面内采动断层应力场、位移场、裂隙场、渗流场、温度场等多场信息演化规律及渗流突水通道形成过程进行实时、动态现场监测研究，定量判识断层活化突水伴生信号，结合放水孔水源、水量、水压、水温等信息，监测预报及防治采场断层活化突水。因此，有必要开展承压断层采动活化突水多场信息协同监测系统及突水前兆信息定量判识与临突预报方法的研究。
技术实现思路
为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种地下煤层开采过程中承压断层采动活化突水多场信息协同临突预报方法与监测系统。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，包括承压断层多场信息监测系统测点布置与安装，承压断层多场信息临突预警阈值与判识准则，承压断层多场信息监测结果与临突预报三部分。(1)承压断层多场信息监测系统测点布置与安装，在断层围岩内按需打设一定数量、深度的钻孔，通过钻孔注浆的方法，将用于采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、光纤微震传感器和采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号的网络并行电路铜片电极埋设固定在断层围岩内，并将上述传感器及网络并行电路铜片电极通过相应的导线与监测仪器连接，它们能采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩的应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些断层活化突水前兆信息；(2)承压断层多场信息临突阈值与判识准则，依据应力、位移、渗压、温度、微震和视电阻率这些前兆信息的初值及变化幅值，确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，并在监测仪器中设置应力、位移、渗压、温度和微震的临突阈值，根据临突阈值设定三个预警等级，第一等级为安全，继续带压开采；第二等级为前兆，允许钻孔勘探后决定是否继续带压开采，做好突水防治措施；第三等级为预警，暂停开采，并注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；(3)承压断层多场信息监测结果与临突预报，当测得的应力、位移中一个或两个达到第三等级，同时微震也达到第三等级，并且渗压、温度中一个或两个达到第三等级时，发出预警，暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；与此同时，若网络并行电路铜片电极采集的承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号经安装有视电阻率信号反演成像程序的PC机得到承压断层围岩视电阻率响应云图也发生变化，进一步表明发出预警的可靠性和必要性，必须暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；若承压断层围岩视电阻率响应云图不发生变化或几乎不变，也必须注浆加固断层围岩，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，并做好突水防治措施。工程实践表明，含断层煤层开采过程中，采动引起采场围岩应力变化，使采场围岩产生位移，进而产生破坏裂隙(微震事件)，形成渗流突水通道，导致采场围岩渗流、温度变化。此过程中，应力、位移的变化是承压断层活化突水临突预报的前提，渗流、温度的变化是承压断层活化突水临突预报的关键，而裂隙(微震事件)，即渗流突水通道的形成是承压断层活化突水临突预报的根本，起到保障的作用。因此，应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息在承压断层采动活化突水监测、预报中的先后、作用及其权重有所不同。承压断层采动活化突水现场监测过程中，依据应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的初值及变化幅值，就可以确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，实时、动态监测、预报承压断层采动活化突水。与此同时，利用承压断层围岩视电阻率信号采集与反演成像系统，采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号，实现承压断层围岩视电阻率信号的实时反演成像，通过承压断层围岩视电阻率响应云图及其变化，定性分析断层围岩渗透性演化规律及渗流突水通道的形成过程，可以进一步实时、动态验证承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的正确性、可靠性。作为本专利技术一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法的一种的优选，依据应力的初值及其变化幅值，确定出应力的预警阈值与判识准则：将含断层采场围岩第i测点开采前的垂直应力设为σi，采动过程中断层围岩第i测点的垂直应力为σ'i，用第i测点垂直应力的比值kRi＝σ'i/σi判断该测点的垂直应力是升高(kRi＞1)还是降低(kRi＜1)，当承压断层围岩第i测点的垂直应力先升高后降低时，承压断层围岩第i测点可能发生破坏，形成渗流突水通道，诱发断层活化突水。因此，将第i测点的垂直应力比值ki＝1.5作为承压断层活化突水应力升高的预警阈值，在垂直应力升高后，将第i测点的垂直应力比值ki＝0.8作为承压断层活化突水应力降低的预警阈值；当kRi>1，且kRi≤80％ki时，即kRi只出现增大(应力只升高)，并且不超过kRi≤80％ki时，达到第一等级；当kRi>1，且80％ki<kRi<90％ki时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：包括，(1)承压断层多场信息监测系统测点布置与安装，在断层围岩内按需打设一定数量、深度的钻孔，通过钻孔注浆的方法，将用于采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、光纤微震传感器和采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号的网络并行电路铜片电极埋设固定在断层围岩内，并将上述传感器及网络并行电路铜片电极通过相应的导线与监测仪器连接；(2)承压断层多场信息临突阈值与判识准则，依据应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的初值及变化幅值，确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，并在监测仪器中设置应力、位移、渗压、温度和微震的临突阈值，根据临突阈值设定三个预警等级，第一等级为安全，允许继续带压开采，第二等级为前兆，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，第三等级为预警，暂停开采，并注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；(3)承压断层多场信息监测结果与临突预报，当测得的应力、位移中一个或两个达到第三等级，同时微震也达到第三等级，并且渗压、温度中一个或两个达到第三等级时，发出预警，暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；与此同时，若网络并行电路铜片电极采集的承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号经安装有视电阻率信号反演成像程序的PC机得到承压断层围岩视电阻率响应云图也发生变化，进一步表明发出预警的可靠性和必要性，必须暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；若承压断层围岩视电阻率响应云图不发生变化或几乎不变，也必须注浆加固断层围岩，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，并做好突水防治措施。...

【技术特征摘要】
1.一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：包括，(1)承压断层多场信息监测系统测点布置与安装，在断层围岩内按需打设一定数量、深度的钻孔，通过钻孔注浆的方法，将用于采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的光纤应力传感器、光纤位移传感器、光纤渗压传感器、光纤温度传感器、光纤微震传感器和采集承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号的网络并行电路铜片电极埋设固定在断层围岩内，并将上述传感器及网络并行电路铜片电极通过相应的导线与监测仪器连接；(2)承压断层多场信息临突阈值与判识准则，依据应力、位移、渗压、温度和微震这些前兆信息的初值及变化幅值，确定这些前兆信息相应的预警阈值与判识准则，并在监测仪器中设置应力、位移、渗压、温度和微震的临突阈值，根据临突阈值设定三个预警等级，第一等级为安全，允许继续带压开采，第二等级为前兆，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，第三等级为预警，暂停开采，并注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；(3)承压断层多场信息监测结果与临突预报，当测得的应力、位移中一个或两个达到第三等级，同时微震也达到第三等级，并且渗压、温度中一个或两个达到第三等级时，发出预警，暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；与此同时，若网络并行电路铜片电极采集的承压断层采动活化突水过程中断层围岩视电阻率信号经安装有视电阻率信号反演成像程序的PC机得到承压断层围岩视电阻率响应云图也发生变化，进一步表明发出预警的可靠性和必要性，必须暂停开采，注浆加固断层围岩，封阻渗流突水通道；若承压断层围岩视电阻率响应云图不发生变化或几乎不变，也必须注浆加固断层围岩，钻孔勘探后决定是否继续带压开采，并做好突水防治措施。2.根据权利要求1所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：应力预警阈值与判识准则，将含断层采场围岩第i测点开采前的垂直应力设为σi，采动过程中断层围岩第i测点的垂直应力为σi'，用第i测点垂直应力的比值kRi＝σi'/σi判断该测点的垂直应力是升高还是降低，当承压断层围岩第i测点的垂直应力先升高后降低时，承压断层围岩第i测点可能发生破坏，形成渗流突水通道，诱发断层活化突水；将第i测点的垂直应力比值ki＝1.5作为承压断层活化突水应力升高的预警阈值，在垂直应力升高后，将第i测点的垂直应力比值ki＝0.8作为承压断层活化突水应力降低的预警阈值；当kRi>1，且kRi≤80％ki时，达到第一等级；当kRi>1，且80％ki<kRi<90％ki时，之后，当kRi<1，且kRi≤70％ki时，达到第二等级；当kRi>1，且90％ki≤kRi时，之后，当kRi<1，且kRi≤70％ki时，达到第三等级。3.根据权利要求2所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：当承压含水层位于采场顶板时，垂直应力监测点布置在采场顶板断层围岩附近；当承压含水层位于采场底板时，垂直应力监测点布置在采场底板断层围岩附近。4.根据权利要求1所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：位移预警阈值与判识准则，uRi为断层围岩第i测点产生的位移，将第i测点产生的位移ui＝5mm作为承压断层活化突水的位移预警阈值，当第i测点产生的位移uRi≤50％ui时，达到第一等级；当第i测点产生的位移50％ui<uRi<80％ui时，达到第二等级；当第i测点产生的位移80％ui≤uRi时，达到第三等级。5.根据权利要求1所述的一种承压断层活化突水多场信息协同监测临突预报方法，其特征在于：渗压预警阈值与判识准则，含断层采场底/顶板承压含水层水压为Po，断层围岩第i测点的初始渗压为Pi，采动过程中断层围岩第i测点的渗压为Pi'，则当第i测点的渗压变化量PRi＝Pi'-Pi为正值时，表明该测点的渗流水压增大，有承压水侵入；将ΔPi＝Po-Pi±h/100作为承压断...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建，赵光明，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34