CN111077583B - 构造活化双参数监测***及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构造活化双参数监测***及监测方法，属于矿井安全监测技术领域。其包括钻孔探测***、数据收集***、数据转换***、数据分析***及数据储存设备，钻孔探测***包括钻孔探测装置，数据收集***用于采集通过测量电极接收到的电场变化信号，并且进行甄别筛选；数据转换***用于将电场变化信号通过主机内A/D转换为数字信号，以计算探测构造的视电阻率和视极化率双参数的形式储存；数据分析***用于将数字信号通过主机***的显示屏或者导出数字信号源绘制视电阻率‑时间曲线和视极化率‑时间曲线，通过分析电阻率和极化率的变化情况，对构造活化状态实时进行监测预报。本发明可为矿山巷道掘进及工作面回采工作提供技术支持。

Description

构造活化双参数监测***及监测方法

技术领域

本发明属于矿井安全监测技术领域，具体涉及一种适用于煤矿巷道掘进过程中的构造活化双参数监测***及方法，尤其涉及巷道掘进及工作面回采过程中对临近断层或节理等构造是否活化的实时探测与预报技术。

背景技术

断层、陷落柱、高角度裂隙带等地质构造易受采动与掘进挠动影响活化而诱发透水等地质灾害。因此，实时监测这些地质构造在采动过程中的活化情况，掌握其破坏损伤机制和活化规律，对预测预防地质灾害的发生具有重要的经济意义和现实意义。

目前，国内外学者针对构造活化引起突水等地质灾害的研究做了大量的研究，并取得了大量有意义的成果。现有技术中有关构造活化判别的方法主要有“突水系数法”、“下三带”理论、“下四带理论”、“原位张裂与零位破坏理论”和“关键层理论”，这些成果从矿山压力理论、水文地质理论和工程地质力学等角度对构造活化进行了研究，并成功应用于现场安全生产指导。但目前仍存在对于隐蔽性导水构造的精细探查技术与装备不足，造成了对矿井导水通道的位置、分布、性质等的先知性和预先防范措施不到位的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种构造活化双参数监测***及监测方法，该监测***可对巷道掘进及工作面回采过程中断层、陷落柱等构造活化程度实时监测，根据构造活化双参数监测***监测获得的视电阻率和视极化率双参数数据，综合判断构造活化程度，为矿山巷道掘进及工作面回采工作提供技术支持。

本发明的任务之一在于提供一种构造活化双参数监测***，其采用了以下技术方案：

一种构造活化双参数监测***，其包括前期地质探测***、钻孔探测***、数据收集***、数据转换***、数据分析***、数据储存设备及主机***，

所述的钻孔探测***包括钻孔探测装置和相关线路，所述的钻孔探测装置包括固定探测装置和移动探测装置两部分，所述的固定探测装置包括导向探头、测量电极和供电电极，所述的测量电极连接有信号传输装置，通过所述的信号传输装置来传输所述测量电极接收到的电场变化信号；所述的移动探测装置是在固定探测装置安装完成后沿钻孔内测点，以步距2-4米进行精确信号探测；

所述的数据收集***与所述的测量电极连接，所述的数据收集***主要用于采集通过测量电极接收到的电场变化信号，并且进行甄别筛选，消除干扰电场信号后进行收集存储；

所述的数据转换***用于将所述的数据收集***存储的电场变化信号通过所述的主机内A/D转换为数字信号，以计算探测构造的视电阻率和视极化率双参数的形式储存到所述的数据储存设备中；

所述的数据分析***是用于将所述的数据转换***转换好的数字信号通过主机***的显示屏或者导出数字信号源绘制视电阻率-时间曲线和视极化率-时间曲线，通过分析电阻率和极化率的变化情况，对构造活化状态实时进行监测预报。

作为本发明的一个优选方案，上述的相关线路包括信号传输线和供电电缆，上述的数据收集***通过上述的信号传输线与上述的测量电极连接，当需要安装固定探测装置时，将上述的导向探头、测量电极和供电电极共同固定在测距推杆上，由上述的测距推杆将其推送至钻孔内固定位置。

作为本发明的另一个优选方案，上述的固定探测装置布置在距构造区域10-15米处的钻孔前端，布置好后对该钻孔通过注浆的方式密封。

进一步的，上述的钻孔孔径大于测量电极直径，钻孔孔径与测量电极直径之比应为1.4-1.6:1。

本发明的另一任务在于提供一种构造活化双参数监测方法，其采用上述的一种构造活化双参数监测***，所述的监测方法依次包括以下步骤：

a、根据构造特性及位置，设定钻孔参数；

b、进行实地钻孔作业，在巷道掘进和工作面回采推进至邻近地质构造15-20米时，在采掘巷道及采空区内沿推进的宽度方向间隔选择3-5个钻孔观测点，通过向巷道或采空区顶板、底板及煤岩壁中先后施工一定倾角钻孔，孔深根据地质构造的位置及范围而定，一般孔深为40-80m；

c、待钻孔作业准备就绪后，安装钻孔探测***，首先清理施工钻孔，然后根据钻孔深度，选择移动探测装置监测点个数以及固定探测装置安装位置，固定探测装置安装在距离地质构造15-20米的钻孔前端，通过信号传输线与安置在顺槽内的数据收集***连接，信号传输线及供电线通过挖沟浅埋的方式连接至数据收集***，固定探测装置中的测量电极和供电电极以及传输线均固定在测距推杆上，通过测距推杆，准确放置在钻孔内，并进行注浆密封，作为长久探测封存于钻孔前端，其余钻孔布置皆与此孔相同；

d、启动监测***，使用供电电极向大地供电，通过布置好的固定探测装置测量电场变化信号，测量得到的电场变化信号将通过信号传输线进入数据收集***，同时数据收集***根据收集到的信号进行甄别过滤，排除干扰数据后进行收集存储；

e、数据收集，利用所述的数据收集***收集储存的电场信号，经过预处理和A/D转换为数字信号，同时将所述的数字信号输出至数据分析***以及储存到数据储存设备，利用该***有效建立矿山构造监测数据库，利用大数据进行分析研究，所述的数字信号主要包含探测构造内的视电阻率和视极化率双参数；

f、数据处理，对所述的数字信号的变化情况进行分析处理，构建视电阻率、视极化率与时间的关系变化图；

g、数据分析，根据绘制的视电阻率-时间曲线和视极化率-时间折线图所示的电阻率和极化率的变化情况，综合分析不同时刻各个钻孔附近构造活化程度，根据构造活化判断标准进行判断；

h、不同钻孔的视电阻率和视极化率数据综合处理：将同一时刻，不同钻孔的视电阻率和视极化率数据进行综合分析，利用surfer软件进行处理，绘制出某时刻构造附近的视电阻率和视极化率的等值线图；

i、构造异常区确定：根据钻孔的视电阻率和视极化率等值线图，并结合步骤g构造活化判断标准，划定构造异常区和稳定区范围；

j、构造活化区确定：综合分析钻孔的视电阻率和视极化率等值线图，划定构造活化区。

上述的步骤d中，该收集***可根据实际需要调节数据收集频率，一般可以每一天采集一次，遇到构造不稳定时期可以进行每半小时至每一小时收集一次，采集次数及频率可根据构造活化程度及工作需要灵活设定。

步骤g中上述的构造活化判断标准分别为：

(1)电阻率减小，极化率增高时，此时地质构造处于活化状态，一定含有水源，此时应采取相应安全防范措施；

(2)电阻率增大，极化率增高时，地质构造内可能含水，有可能处于活化状态，此时应主要防范，或结合现场工作情况，采取相应措施；

(3)电阻率减小，极化率降低时，地质构造内可能含水，有可能处于活化状态，此时应主要防范，或结合现场工作情况，采取相应措施；

(4)电阻率变大，极化率降低时，地质构造内一定不含水，不处于活化状态，此时处于安全状态。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

(1)实现了在巷道掘进探测时物探与钻探的结合，利用电阻率法和激发极化法同时进行的方式，在不同测点得到多组不同数据；并且将数据进行处理、分析和预报；

(2)实现了测点的灵活设置与掌握，根据该巷道周围的地球物理特征灵活随机选择测点，在节省成本的同时节省了探测周期；

(3)采用多频点同时发射，等频点同时接收的探测工作方式，既避开人文和自然的强干扰背景，提高微弱信号的识别和处理能力，同时又测试地层的电阻率和极化率参数，提高了数据的准确性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为***工作流程示意图；

图2为***工作原理示意图；

图3为钻孔探测***原理结构示意图；

图4为工作面钻孔布置示意图；

图5分别示出了钻孔1、钻孔2、钻孔3、钻孔4、钻孔5、钻孔6的视电阻率-时间和视极化率-时间折线图；

图6为极化率数据地质平面图；

图7为电阻率数据地质平面图；

图8为构造活化区判定平面图。

具体实施方式

本发明提出了一种构造活化双参数监测***及监测方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

图1为***工作流程示意图，图2为***工作原理示意图，图3为钻孔探测***原理结构示意图所示：本发明的一种构造活化双参数监测***，是基于前期探测过程中，对于已探明的断层、陷落柱、节理等地质构造在受采动影响条件下进行实时监测预报，在地质构造周围开设探测钻孔，通过采用固定探头置于钻孔前端的测量方法，将测量电极安装在钻孔内，测量电极通过信号传输装置与数据收集***及现场分析主机连接。

本发明构造活化双参数监测***，包括前期地质探测***、钻孔探测***、数据收集***、数据转换***、数据分析***、数据储存设备及主机***。

上述前期地质探测***主要是指通过探测装备利用高密度电法、瞬变电磁法等探测技术进行精确探测采掘巷道及工作面周围地质构造情况，对探测到的断层、陷落柱等构造区域进行记录及标记，为钻孔探测提供依据。

上述的钻孔探测***，包括钻孔探测装置、信号传输线、供电电缆和测距推杆，钻孔探测装置包括固定探测装置和移动探测装置两部分，固定探测装置和移动探测装置结构相同，固定探测装置包括导向探头、测量电极和供电电极，当需要安装固定探测装置时，将导向探头、测量电极和供电电极共同固定在测距推杆上，由测距推杆将其推送至钻孔内固定位置。

测量电极连接有信号传输装置，通过信号传输装置来传输测量电极接收到的电场变化信号；移动探测装置是在固定探测装置安装完成后沿钻孔内测点，以步距2-4米进行精确信号探测。

上述移动探测装置由布置在钻孔内的测量电极及供电电极组成，为移动测点进行探测，根据钻孔深度，以测点间距为2-4米进行探测。

上述的固定探测装置布置在距构造区域10-15米处的钻孔前端，布置好后对该钻孔通过注浆的方式密封。

上述的钻孔孔径大于测量电极直径，钻孔孔径与测量电极直径之比应为1.4-1.6:1。

本发明供电电极设置有两组，一个位于巷道掘进或工作面推进的后方，一个位于施工钻孔内，从而形成闭合回路，利用巷道掘进或工作面推进的钻孔进行构造活化探水探测。

上述的数据收集***、数据转换***、数据分析***、数据储存设备借鉴现有技术即可，其结构不做详细冗述。

下面对本发明构造活化双参数监测方法做详细说明。

构造活化双参数监测方法，具体监测和判定方法包括：

a、根据构造特性及位置，设定钻孔参数(包括钻孔倾角、钻孔深度及钻孔位置)；

b、在步骤a的基础上，进行实地钻孔作业，具体步骤包括：在巷道掘进和工作面回采推进至邻近地质构造15-20米时，在采掘巷道及采空区内沿推进的方向间隔选择3-5个钻孔观测点，通过向巷道或采空区顶板、底板及煤岩壁中先后施工一定倾角钻孔，孔深根据地质构造的位置及范围而定，一般孔深为40-80m不等；

c、待钻孔作业准备就绪后，安装钻孔探测***，具体步骤包括：将施工钻孔清理干净，避免孔中杂物影响探测***，根据钻孔深度，选择移动探测装置监测点个数以及固定探测装置安装位置，固定探测装置安装在距离地质构造15-20米的钻孔前端，通过信号传输线与安置在顺槽内的数据收集***连接，信号传输线及供电线通过挖沟浅埋的方式连接至数据收集***，固定探测装置中的测量电极和供电电极以及传输线均固定在测距推杆上，通过测距推杆，准确放置在钻孔内，并进行注浆密封，作为长久探测封存于钻孔前端，其余钻孔布置皆与此孔相同；

d、构造活化双参数监测***启动，具体步骤包括：使用供电电极向大地供电，通过布置好的固定探测装置测量电场变化信号，测量到的电场变化信号将通过信号传输线进入数据收集***，同时数据收集***会根据收集到的信号进行甄别过滤，排除干扰数据后进行收集存储，该收集***可根据实际需要调节数据收集频率，一般可以每一天采集一次，遇到构造不稳定时期可以进行每半小时至每一小时收集一次，采集次数及频率可根据构造活化程度及工作需要灵活设定；

e、数据收集，具体步骤包括：将数据收集***收集储存的电场信号经过预处理和A/D转换为数字信号，同时将数字信号输出至数据分析***以及储存到数据储存设备，利用该***有效建立矿山构造监测数据库，利用大数据进行分析研究，该数字信号主要包含探测构造内的视电阻率和视极化率双参数；

f、数据处理，对***采集转换后的视电阻率和视极化率的双参数数字信号变化情况进行分析处理，构建视电阻率，视极化率与时间的关系变化图；

g、数据分析，根据绘制的视电阻率-时间曲线和视极化率-时间折线图所示的电阻率和极化率的变化情况，综合分析不同时刻各个钻孔附近构造活化程度，构造活化判断标准如下所示：

(1)电阻率减小，极化率增高时，此时地质构造处于活化状态，一定含有水源，此时应采取相应安全防范措施；

(2)电阻率增大，极化率增高时，地质构造内可能含水，有可能处于活化状态，此时应主要防范，或结合现场工作情况，采取相应措施；

(3)电阻率减小，极化率降低时，地质构造内可能含水，有可能处于活化状态，此时应主要防范，或结合现场工作情况，采取相应措施；

(4)电阻率变大，极化率降低时，地质构造内一定不含水，不处于活化状态，此时处于安全状态；

h、不同钻孔的视电阻率和视极化率数据综合处理：将同一时刻，不同钻孔的视电阻率和视极化率数据进行综合分析，利用surf软件进行处理，可绘制出某时刻构造附近的视电阻率和视极化率的等值线图；

i、构造异常区确定：根据钻孔的视电阻率和视极化率等值线图，并结合步骤g构造活化判断标准，划定构造异常区和稳定区范围；

j、构造活化区确定：综合分析钻孔的视电阻率和视极化率等值线图，划定构造活化区。

上述固定探测装置安装密封完成后，移动探测装置仍可作为独立探测装置将钻孔按照深度平均划分为若干个探测点，探测点的步距为2-4米，然后依次按照步骤d、e、f就能够建立视电阻率-时间曲线和视极化率-距离曲线，这样就可以得到以钻孔轴线为中心、半径20-30米圆柱空间探测范围内是否存在地质构造活化现象。

下面结合图4至图8实施例进行详细说明。

以某煤矿工作面为例，在工作面开采过程中，对该煤矿工作面构造活化监测做进一步说明。

步骤一：对工作面顺槽周边不同距离内的邻近区域进行精细探测，探测工作面附近具体地质构造分布情况及具***置及范围，经探明可知，该工作面底板存在两处断层地质构造，断层上部视含水层，有较强富水性；

步骤二：根据断层构造分布情况，进行钻孔探测布设，分别在左侧断层处布置2个钻孔，右侧范围较大断层处布置4个钻孔，如附图4所示，分别以倾角45°向断层附近打钻，钻孔深度至断层边缘10-20米处，将钻孔清理干净后，把固定探测装置安装在距离地质构造15-20米的钻孔前端，通过信号传输线与安置在顺槽内的数据收集***连接，固定探测装置中的测量电极和供电电极以及传输线均固定在测距推杆上，通过测距推杆，准确放置在钻孔内，并进行注浆密封，其余钻孔布置皆与此孔相同；

步骤三：接通电源，通过布置在钻孔内的固定探测装置测量电场变化信号，同时将电场变化变化信号经信号传输线传输至数据收集***，数据收集***在巷道掘进时，每隔半天进行一次数据采集，当工作面进行回采时，则改变为每20-30分钟进行一次数据采集；

步骤四：将数据收集***收集储存的电场变化信号经过预处理和A/D转换为数字信号，该数字信号主要包含地质构造内的视电阻率和视极化率双参数，

步骤五：收集经构造活化双参数监测***处理后的视电阻率和视极化率双参数；

步骤六：对***采集转换后的视电阻率和视极化率的双参数数字信号变化情况进行分析处理，构建视电阻率，视极化率与时间的关系变化图，如附图5所示。

步骤七：根据构造活化判断标准可知：钻孔5和钻孔6附近的构造处于活化状态，钻孔1和钻孔2附近的构造处于稳定状态，钻孔3和钻孔4处于异常区状态，应结合其他措施进行更深入分析；

步骤八：用surf软件绘制同一时刻不同钻孔的视电阻率和视极化率数据的等值线，划定构造异常区和稳定区范围，如图6，7所示；

步骤九：综合分析钻孔的视电阻率和视极化率等值线图，划定构造活化区，如图8所示。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种构造活化双参数监测***，其包括前期地质探测***、钻孔探测***、数据收集***、数据转换***、数据分析***、数据储存设备及主机，其特征在于：

所述的钻孔探测***包括钻孔探测装置和相关线路，所述的钻孔探测装置包括固定探测装置和移动探测装置两部分，所述的固定探测装置包括导向探头、测量电极和供电电极，所述的测量电极连接有信号传输装置，通过所述的信号传输装置来传输所述测量电极接收到的电场变化信号；所述的移动探测装置是在固定探测装置安装完成后沿钻孔内测点，以步距2-4米进行精确信号探测；

所述的数据收集***与所述的测量电极连接，所述的数据收集***主要用于采集通过测量电极接收到的电场变化信号，并且进行甄别筛选，消除干扰电场信号后进行收集存储；

所述的数据转换***用于将所述的数据收集***存储的电场变化信号通过所述的主机内A/D转换为数字信号，以计算探测构造的视电阻率和视极化率双参数的形式储存到所述的数据储存设备中；

所述的数据分析***是用于将所述的数据转换***转换好的数字信号通过主机***的显示屏或者导出数字信号源绘制视电阻率-时间曲线和视极化率-时间曲线，通过分析电阻率和极化率的变化情况，对构造活化状态进行实时监测；所述的相关线路包括信号传输线和供电电缆，所述的数据收集***通过所述的信号传输线与所述的测量电极连接，当需要安装固定探测装置时，将所述的导向探头、测量电极和供电电极共同固定在测距推杆上，由所述的测距推杆将其推送至钻孔内固定位置；所述的固定探测装置布置在距构造区域10-15米处的钻孔前端，布置好后对该钻孔通过注浆的方式密封。

2.根据权利要求1所述的一种构造活化双参数监测***，其特征在于：所述的钻孔孔径大于测量电极直径，钻孔孔径与测量电极直径之比应为1.4-1.6:1。

3.一种构造活化双参数监测方法，其特征在于，其采用权利要求1或2所述的一种构造活化双参数监测***，所述的监测方法依次包括以下步骤：

a、根据构造特征及位置，设定钻孔参数；

b、进行实地钻孔作业，在巷道掘进和工作面回采推进至邻近地质构造15-20米时，在采掘巷道及采空区内沿推进的宽度方向间隔选择3-5个钻孔观测点，通过向巷道或采空区顶板、底板及煤岩壁中先后施工一定倾角钻孔，孔深根据地质构造的位置及范围而定，一般孔深为40-80m；

c、待钻孔作业准备就绪后，安装钻孔探测***，首先清理施工钻孔，然后根据钻孔深度，选择移动探测装置监测点个数以及固定探测装置安装位置，固定探测装置安装在距离地质构造15-20米的钻孔前端，通过信号传输线与安置在顺槽内的数据收集***连接，信号传输线及供电线通过挖沟浅埋的方式连接至数据收集***，固定探测装置中的测量电极和供电电极以及传输线均固定在测距推杆上，通过测距推杆，准确放置在钻孔内，并进行注浆密封，作为长久探测封存于钻孔前端，其余钻孔布置方式皆与此孔相同；

d、启动监测***，使用供电电极向大地供电，通过布置好的固定探测装置测量电场变化信号，测量得到的电场变化信号将通过信号传输线进入数据收集***，同时数据收集***根据收集到的信号进行甄别过滤，排除干扰数据后进行收集存储；

e、数据收集，利用所述的数据收集***收集储存的电场信号，经过预处理和A/D转换为数字信号，同时将所述的数字信号输出至数据分析***以及储存到数据储存设备，利用该***有效建立矿山构造监测数据库，利用大数据进行分析研究，所述的数字信号主要包含探测构造内的视电阻率和视极化率双参数；

f、数据处理，对所述的数字信号的变化情况进行分析处理，构建视电阻率、视极化率与时间的关系变化图；

g、数据分析，根据绘制的视电阻率-时间曲线和视极化率-时间折线图所示的电阻率和极化率的变化情况，综合分析不同时刻各个钻孔附近构造活化程度，根据构造活化判断标准进行判断；

h、不同钻孔的视电阻率和视极化率数据综合处理：将同一时刻，不同钻孔的视电阻率和视极化率数据进行综合分析，利用surf软件进行处理，绘制出某时刻构造附近的视电阻率和视极化率的等值线图；

i、构造异常区确定：根据钻孔的视电阻率和视极化率等值线图，并结合步骤g构造活化判断标准，划定构造异常区和稳定区范围；

j、构造活化区确定：综合分析钻孔的视电阻率和视极化率等值线图，划定构造活化区。

4.根据权利要求3所述的一种构造活化双参数监测方法，其特征在于：步骤g中所述的构造活化判断标准分别为：

(1)电阻率减小，极化率增高时，此时地质构造处于活化状态，一定含有水源，此时应采取相应安全防范措施；

(2)电阻率增大，极化率增高时，地质构造内可能含水，可能处于活化状态，此时应主要防范，或结合现场工作情况，采取相应措施；

(3)电阻率减小，极化率降低时，地质构造内可能含水，可能处于活化状态，此时应主要防范，或结合现场工作情况，采取相应措施；

(4)电阻率变大，极化率降低时，地质构造内一定不含水，不处于活化状态，此时处于安全状态。

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