顶板水压致裂多参量综合监测系统及致裂效果判别方法技术方案

本发明专利技术提供了顶板水压致裂多参量综合监测系统及致裂效果判别方法，涉及采矿工程技术领域，解决了观测顶板水压致裂效果并确定压裂范围的技术问题，监测设备包括钻孔应力计、锚杆锚索测力计、钻孔窥视仪、顶板监测仪、支架阻力测站、微震测站和围岩变形测站，钻孔应力计设置在回采巷道内，锚杆锚索测力计设置在水压致裂位置周围10m的范围内，钻孔窥视仪包括窥视探头、数据采集仪、位移感应器、盘线圈和延长杆，监测水压致裂范围内的水压致裂前后钻孔裂隙发育状态、巷道变形位移量、微震事件、支架阻力和巷道围岩应力变化判断水压致裂效果和致裂范围，多参量综合监测的可靠性高，水压致裂效果判断准确，还能避免顶板动力灾害保证开采安全。

【技术实现步骤摘要】
顶板水压致裂多参量综合监测系统及致裂效果判别方法
本专利技术涉及采矿工程
，尤其是一种顶板水压致裂的多参量综合监测系统以及水压致裂效果判别的方法。
技术介绍
随着我国煤矿开采矿井逐渐向深部发展，由于深部力学环境复杂和煤岩力学性质发生改变，使得煤矿顶板动力灾害发生的强度和频次明显增加。据统计，在煤矿发生的各类事故中，顶板事故数量及死亡人数所占比例较大，是煤矿事故中的重点防治对象。随着井下采场范围的增大，煤层上方的坚硬顶板如不能随工作面推进而及时垮落，其在工作面后方悬露顶板岩层或侧向采空区侧的坚硬顶板，在上覆岩层自重应力及采动应力作用下发生弯曲变形并积聚能量。当这些弹性能参与到煤层破坏失稳过程中，会导致破碎的煤层具有更多的动能，进而致使煤层冲击危险加大。在这种条件下，如果能够及时改变顶板积聚能量的条件或破坏其连续传递能量的能力，即可降低顶板动压灾害的危险。针对煤层上覆坚硬顶板的弱化治理技术，主要有深孔爆破技术和顶板水力压裂技术两种。其中，顶板深孔卸压爆破技术只能在低瓦斯区域使用，并且存在深孔装药、封孔等工艺难度较大、瞎炮难以处理等制约因素；而顶板水力压裂技术其现场施工设计参数可通过数值模拟和理论计算获得，但压裂的裂纹扩展情况、应力转移规律等压力参数难以获得，进而顶板水力压裂卸压效果评价无法开展。因此为了更好的对评估顶板水压致裂的效果，优化水压致裂技术参数，需要对现有的监测方法做进一步的改进。
技术实现思路
为解决可靠的顶板水压致裂效果监测的技术问题，本专利技术提供了一种顶板水压致裂多参量综合监测系统及致裂效果判别方法，具体技术方案如下。一种顶板水压致裂多参量综合监测系统，监测设备包括钻孔应力计、锚杆锚索测力计、钻孔窥视仪、顶板监测仪、支架阻力测站、微震测站和围岩变形测站；所述水压致裂孔的中间的位置设置观测孔；所述钻孔应力计设置在回采巷道内，在水压致裂孔两侧的巷道内分别设置钻孔应力计；所述锚杆锚索测力计设置在水压致裂孔两侧的回采巷道内；所述钻孔窥视仪包括窥视探头、数据采集仪、位移感应器、盘线圈和延长杆；所述顶板监测仪设置在回采巷道内，顶板监测仪监测顶板的顶板离层量和顶板下沉量；所述支架阻力测站包括在工作面内的支架上间隔设置测点；所述微震测站包括全矿井微震监测系统和区域微震监测系统；所述围岩变形测站设置在回采巷道内，监测回采巷道的围岩变形量。优选的是，钻孔窥视仪的窥视探头设置在延长杆的端部，多个延长杆通过螺纹连接组合加长；所述窥视探头和位移传感器通过数据线和数据采集仪相连；所述盘线圈设置在数据线上，用于收纳数据线；所述数据采集仪记录沿水压致裂孔长度方向上的裂隙。还优选的是，水压致裂孔两侧20～30m范围内分别设置钻孔应力计；所述锚杆锚索测力计设置在水压致裂孔两侧10m的回采巷道内；顶板监测仪监测顶板至少6m范围内的顶板离层量；所述支架阻力测站包括在工作面内每隔5～8个支架设置一个测点。还优选的是，锚杆锚索测力计至少4个组成一个监测点，每个监测点的锚杆锚索测力计在巷道顶板上呈“十”字形安装。优选的是，回采巷道包括回风顺槽和运输顺槽；所述顶板监测仪包括在回采巷道顶板上设置的两个顶板离层监测仪，所述顶板监测仪还包括在分别设置在回采巷道上的顶板下沉量监测仪。一种顶板水压致裂效果的多参量综合判别方法，利用上述一种顶板水压致裂多参量综合监测系统，步骤包括：步骤一.使用钻孔窥视仪观测顶板水压致裂孔内的沿水压致裂孔长度方向上的裂纹形态和尺寸；步骤二.在水压致裂孔两侧的回采巷道内安装钻孔应力计和锚杆锚索测力计；在回采巷道内安装顶板监测仪；在工作面支架上间隔布置支架阻力监测点形成支架阻力测站；在回采巷道内设置区域微震测站；在回采巷道内布置围岩变形测站；同时记录初始监测数据；步骤三.顶板水压致裂施工，记录水压致裂的泵送压力和流量；步骤四.施工后获取钻孔应力计监测的应力值，锚杆锚索测力计监测的锚杆锚索受力大小，钻孔窥视仪观测的水压致裂孔长度方向上的裂纹形态和尺寸，顶板监测仪监测的顶板离层量和顶板下沉量，支架阻力测站监测的支架工作阻力，微震测站监测的微震事件，围岩变形测站监测的巷道顶底板及两帮的变形量；步骤五.根据步骤四的监测结果判别水压致裂的卸压效果，确定顶板水压致裂半径。进一步优选的是，步骤一中对水压致裂孔长度方向上的裂隙发育程度进行观测，包括观测压裂段是否有裂缝，避免造成封孔器的损伤；标定水压致裂前水压致裂孔内裂隙的形态和尺寸，与水压致裂压裂施工后钻孔窥视仪观测的结果进行对比。进一步优选的是，步骤三中水压致裂施工使用乳化液作为压裂液；在相邻的水压致裂孔的中点位置设置观测孔，当观测孔内流出乳化液时说明顶板内两个水压致裂孔之间的裂隙已经贯通，确定顶板水压致裂半径为观测孔至水压致裂孔之间的距离。进一步优选的是，步骤五中钻孔应力计监测的应力值越大表明巷道应力集中，顶板水压致裂的效果越差；锚杆锚索测力计监测的锚杆锚索应力增量越小，则顶板水压致裂的效果越好；钻孔窥视仪水压致裂前后的观测结果进行对比，裂隙发育越好、槽口越明显，则顶板水压致裂的效果越好；顶板监测仪监测的顶板离层量越小，顶板下沉越缓慢，则顶板水压致裂的效果越好；工作面来压时非压裂段的支架工作阻力大于压裂段的工作阻力，非压裂段的动载系数大于压裂段的动载系数；微震测站监测的微震事件数量越少，则顶板水压致裂的效果越好；围岩变形测站监测的巷道顶底板及两帮的变形量越小，则反应顶板水压致裂的效果越好。本专利技术的有益效果包括：(1)顶板水压致裂多参量综合监测系统以顶板水压孔内裂隙扩展直观监测水压致裂效果，巷道围岩应力状态监测数据作为间接观测手段，通过对比压裂前后巷道围岩的应力、能量以及位移变化综合评价水压致裂的卸压效果。通过对比压裂前后钻孔内裂隙扩展情况、钻孔应力、微震事件、顶板离层量、巷道锚杆锚索应力以及巷道围岩变形量的多参量参数，综合判断水压致裂施工效果，从而能够优化水压致裂的施工参数，并有效防治冲击地压顶板动力灾害。(2)该方法具有直观性、多样性和可靠性的特点，采用钻孔应力计、锚杆锚索测力计、钻孔窥视仪、顶板监测仪、支架阻力测站、微震测站和围岩变形测站综合监测的方法，有效解决了煤矿井下顶板深孔监测困难的问题，当其中一种或两种监测不能实施时，采用其他的监测手段进行替代，突破了水压裂卸压效果难以评估的技术瓶颈，为我国煤矿顶板动力灾害的有效防治提供了有效的技术支撑。(3)顶板水压致裂多参量综合监测系统结合水压致裂效果判断方法，实现了对水压致裂过程的综合监测和判断，根据监测数据还可以分析水压致裂的机理，从而优化水压致裂的施工流程，保证施工安全，根据水压致裂效果的判断指导水压致裂的施工。附图说明图1是顶板水压致裂多参量综合监测系统布置示意图；图2是煤层柱状图；图3是水压致裂钻孔结构示意图；图4是钻孔窥视仪观测结构示意图；图5是钻孔应力计监测结果示意图；图6是锚杆锚索测力计安装结构示意图；图7是锚索压裂区段和非压裂区段监测数据曲线图；图8是锚杆压裂区段和非压裂区段监测数据曲线图；图9是顶板监测仪安装位置结构示意图；图10是浅部离层监测结果示意图；图11是深部离层监测结果示意图；图中：1-钻孔应力计；21-锚杆测力计；22-锚索测力计；3-钻孔窥视仪；4-顶板监测仪；5-支架阻力测站；6-微震测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种顶板水压致裂多参量综合监测系统，其特征在于，监测设备包括钻孔应力计、锚杆锚索测力计、钻孔窥视仪、顶板监测仪、支架阻力测站、微震测站和围岩变形测站；所述水压致裂孔的中间的位置设置观测孔；所述钻孔应力计设置在回采巷道内，在水压致裂孔两侧的巷道内分别设置钻孔应力计；所述锚杆锚索测力计设置在水压致裂孔两侧的回采巷道内；所述钻孔窥视仪包括窥视探头、数据采集仪、位移感应器、盘线圈和延长杆；所述顶板监测仪设置在回采巷道内，顶板监测仪监测顶板的顶板离层量和顶板下沉量；所述支架阻力测站包括在工作面内的支架上间隔设置的测点；所述微震测站包括全矿井微震监测系统和区域微震监测系统；所述围岩变形测站设置在回采巷道内，监测回采巷道的围岩变形量。

【技术特征摘要】
1.一种顶板水压致裂多参量综合监测系统，其特征在于，监测设备包括钻孔应力计、锚杆锚索测力计、钻孔窥视仪、顶板监测仪、支架阻力测站、微震测站和围岩变形测站；所述水压致裂孔的中间的位置设置观测孔；所述钻孔应力计设置在回采巷道内，在水压致裂孔两侧的巷道内分别设置钻孔应力计；所述锚杆锚索测力计设置在水压致裂孔两侧的回采巷道内；所述钻孔窥视仪包括窥视探头、数据采集仪、位移感应器、盘线圈和延长杆；所述顶板监测仪设置在回采巷道内，顶板监测仪监测顶板的顶板离层量和顶板下沉量；所述支架阻力测站包括在工作面内的支架上间隔设置的测点；所述微震测站包括全矿井微震监测系统和区域微震监测系统；所述围岩变形测站设置在回采巷道内，监测回采巷道的围岩变形量。2.根据权利要求1所述的一种顶板水压致裂多参量综合监测系统，其特征在于，所述钻孔窥视仪的窥视探头设置在延长杆的端部，多个延长杆通过螺纹连接组合加长；所述窥视探头和位移传感器通过数据线和数据采集仪相连；所述盘线圈设置在数据线上，用于收纳数据线；所述数据采集仪记录沿水压致裂孔长度方向上的裂隙。3.根据权利要求1所述的一种顶板水压致裂多参量综合监测系统，其特征在于，所述水压致裂孔两侧20～30m范围内分别设置钻孔应力计；所述锚杆锚索测力计设置在水压致裂孔两侧10m的回采巷道内；顶板监测仪监测顶板至少6m范围内的顶板离层量；所述支架阻力测站包括在工作面内每隔5～8个支架设置一个测点。4.根据权利要求3所述的一种顶板水压致裂多参量综合监测系统，其特征在于，所述锚杆锚索测力计至少4个组成一个监测点，每个监测点的锚杆锚索测力计在巷道顶板上呈“十”字形安装。5.根据权利要求1所述的一种顶板水压致裂多参量综合监测系统，其特征在于，所述回采巷道包括回风顺槽和运输顺槽；所述顶板监测仪包括在回采巷道顶板上设置的两个顶板离层监测仪，所述顶板监测仪还包括在分别设置在回采巷道上的顶板下沉量监测仪。6.一种顶板水压致裂效果的多参量综合判别方法，利用权利要求1～5任一项所述的一种顶板水压致裂多参量综合监测系统，步骤包括：步骤一.使用钻孔窥视仪观测顶板水压致裂孔内的沿水压致裂孔长度方向上的裂纹形态和尺寸；...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵善坤，柴海涛，张广辉，苏振国，李少刚，郑伟钰，李一哲，刘香兰，
申请(专利权)人：煤炭科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11