本發(fā)明涉及煤層開采前后的巖層運動監(jiān)測技術，特別涉及煤層開采前后覆巖大空間范圍的1:1原位監(jiān)測方法，具體為煤礦開采巖層運動大空間原位監(jiān)測方法。

背景技術：

煤礦開采后巖層的運動特征和規(guī)律一直是煤礦開采的核心問題，巖層運動與采場礦壓、瓦斯突出、透水、采空區(qū)發(fā)火等災害都息息相關。然而，因為巖層運動與其所處地質環(huán)境、巖層屬性、開采條件等因素都密切相關，造就了巖層運動的復雜性和多樣性，使得對于本身就處于“暗箱”狀態(tài)的巖層運動的研究更為復雜。近年來，國內外學者對于巖層運動的研究都做了大量的工作，但是大部分都是采用實驗室物理模擬、數值模擬等相似模擬的方法進行研究，其研究結果往往不能真實反映巖層的運動狀態(tài)，無法較好指導現場的生產實踐；部分學者也采用了微震監(jiān)測、鉆孔電視、支架工作阻力監(jiān)測、巷道應力應變監(jiān)測等現場實測手段對巖層運動進行了定量的描述。微震監(jiān)測雖能獲得巖層運動和破斷的空間范圍和尺度，但其精度較低，誤差大；鉆孔電視雖能精細描述巖層破斷特征，但局限性大，可觀測范圍有限；支架工作阻力和巷道應力應變的監(jiān)測雖能準確描述圍巖應力狀態(tài)，但是都是通過被動的處理數據來反演得到巖層可能發(fā)生的破斷形態(tài)。上述單一監(jiān)測手段大都只是針對于工作面采場巷道或是巖層運動的某一點或宏觀空間范圍進行觀測，具有一定的局限性，且目前國內外對于采場巖層的研究大都也是局限于基本頂范圍之內，而我國厚及特厚煤層儲量豐富，以我國大同礦區(qū)20m特厚煤層開采為例，其開采實踐表明，基本頂范圍之外的高位巖層的破斷對于工作面的礦壓顯現影響亦較為劇烈，因此很有必要對大空間范圍內巖層的破斷特征進行精準描述，這不僅能夠得到覆巖破斷運移規(guī)律，更對于揭示厚及特厚煤層開采的強礦壓顯現機理具有重要意義。

所以，精準探測巖層在時間、空間上的連續(xù)性運動特征，發(fā)明一種煤礦開采巖層運動大空間原位連續(xù)監(jiān)測方法，實現對巖層運動在時間、空間尺度上的連續(xù)監(jiān)測勢在必行。但是目前國內外對于大空間范圍內巖層的運動尚無監(jiān)測手段。

技術實現要素：

本發(fā)明解決目前國內外對于大空間范圍內巖層的運動尚無監(jiān)測手段的問題，提供一種煤礦開采巖層運動大空間原位監(jiān)測方法，不僅可精細描述巖層的運動特征，同時為工作面礦壓的發(fā)生和控制提供依據，有利于保證煤礦的安全開采。

本發(fā)明是采用如下技術方案實現的：煤礦開采巖層運動大空間原位監(jiān)測方法，是由如下步驟實現的：

a.在工作面開采前，沿工作面推進方向自地表垂直向下每隔一定距離打鉆孔電視觀測孔，通過鉆孔電視對覆巖結構及巖性進行觀測，并取部分鉆孔電視觀測孔巖芯進行巖層的力學性能測試，依據測試結果判斷工作面上覆關鍵層位置，同樣也利用工作面地表瓦斯抽放鉆孔、探放水孔及其他工程鉆孔進行鉆孔電視觀測；

b. 在工作面開采前，沿工作面推進方向自地表垂直向下每隔一定距離打一組“三位一體”巖移監(jiān)測孔，每組有三個間隔一定距離的“三位一體”巖移監(jiān)測孔，在“三位一體”巖移監(jiān)測孔進行巖移監(jiān)測儀器的安裝，巖移監(jiān)測儀器安裝在工作面上覆主要關鍵巖層位置處，并在其安裝位置對應地表處沿工作面走向和傾向布置地表沉降觀測點進行初次觀測；

c.在工作面開采前，在鉆孔電視觀測孔、地表瓦斯抽放鉆孔、探放水孔中，任意選取多個鉆孔進行孔間CT探測儀器的安裝，其中一個鉆孔作為發(fā)射孔，其他任意多個鉆孔為接收孔，并進行初次探測，掌握工作面開采前巖層裂隙發(fā)育特征；

d. 隨工作面開采，在采空區(qū)內對應每一“三位一體”巖移監(jiān)測孔位置處埋設采空區(qū)壓力監(jiān)測裝置，采空區(qū)壓力監(jiān)測裝置安裝有無線發(fā)射器，壓力數據通過無線傳輸，同時采用支架工作阻力監(jiān)測裝置對間隔十架支架工作阻力進行實時監(jiān)測；

e.隨工作面開采，在巷道中每隔一定距離布置應力監(jiān)測裝置、應變監(jiān)測裝置對工作面采場圍巖進行實時監(jiān)測，同時采用激光掃描裝置對巷道輪廓進行初次掃描，并在工作面巷道范圍內布置微震監(jiān)測系統對覆巖破斷范圍及其釋放能量強度進行實時記錄；

f.隨工作面開采，實時對各監(jiān)測數據進行記錄，并設立預警預報軟件系統，當支架工作阻力數據或采空區(qū)壓力數據超過設定最大值時軟件系統發(fā)生報警，此時，查看其它監(jiān)測數據，若微震監(jiān)測系統監(jiān)測得到巖層釋放能量小于10⁵J，鉆孔電視、孔間CT探測儀器、“三位一體”巖移監(jiān)測儀器同時監(jiān)測得到巖層垮落范圍不明顯，且激光掃描發(fā)現巷道變形速率小于0.1m/d，則解除警報，否則則在工作面及巷道范圍內采取加強支護措施；

g.隨工作面開采，實時對各監(jiān)測數據進行記錄，若雖預警預報軟件系統未發(fā)生報警，但監(jiān)測得到以下現象任意兩者出現，則人工啟動警報，在工作面及巷道范圍內加強支護措施：①微震監(jiān)測系統得到巖層釋放能量超過10⁶J，且根據鉆孔電視數據發(fā)現是關鍵層破斷；②激光掃描發(fā)現巷道變形速率超過0.3m/d-0.5m/d；③采空區(qū)壓力數據短時間出現急速增加，且根據鉆孔電視數據發(fā)現是關鍵層破斷；④鉆孔電視、孔間CT探測儀器、“三位一體”巖移監(jiān)測儀器監(jiān)測得到巖層垮落范圍大；⑤工作面支架工作阻力短時間出現急速增加；⑥工作面瓦斯抽采孔瓦斯短時間出現急劇增加，氣流極不穩(wěn)定；

h.采用上述方法對監(jiān)測數據進行綜合分析，直至工作面開采結束，臨近下一工作面開采時，采用同樣的方法進行監(jiān)測，并同時對上一已開采結束工作面的地表沉降數據、巖移數據、孔間CT數據進行繼續(xù)監(jiān)測，分析臨近下一工作面開采時大空間范圍內覆巖運移特征。

本發(fā)明創(chuàng)新性地融各種觀測手段為一體，并通過在大空間范圍內對各監(jiān)測手段進行合理的布置、設計、觀測和分析，使得各觀測手段之間實現相互補充、對比和驗證，同時對各單獨監(jiān)測技術進行創(chuàng)新提升，從而實現煤礦開采巖層運動大空間原位精準實測。

本發(fā)明所述方法有以下優(yōu)點：1）實現巖層運動從“地表-覆巖-工作面”的井上下垂直方向連續(xù)監(jiān)測，工作面推進方向鉆孔的布置和觀測實現了巖層運動在垂直方向、工作面推進方向（水平方向）的連續(xù)監(jiān)測，通過巖移監(jiān)測、孔間CT觀測、微震監(jiān)測、巷道應力應變監(jiān)測以及采空區(qū)應力監(jiān)測的布置實現了基于地表-覆巖-工作面-時間的四維尺度的連續(xù)監(jiān)測；2）監(jiān)測方法多，各監(jiān)測手段之間可相互彌補和對應，有利于巖層運動的精細化描述；3）觀測鉆孔工程量大，工作面鉆孔密度可達120孔/km²以上；4）工作面其他工程鉆孔（瓦斯抽采鉆孔、探放水孔等）的瓦斯抽采量、鉆孔水位在一定程度也可反應巖層破斷特征，尤其是瓦斯抽采量的突然變化都對應著巖層垮斷的發(fā)生，同時該類鉆孔可做巖移觀測孔用，實現一孔多用。所述的監(jiān)測方法不僅可對煤礦開采大空間范圍內巖層的運動進行精細探測，同時對于工作面的礦壓顯現和控制具有指導作用，具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述方法的原理示意圖；

圖2為圖1的局部A剖視圖；

圖3為圖1的局部C剖視圖；

圖4為圖1的局部B剖視圖。

圖中：1-工作面，2-鉆孔電視觀測孔，3-鉆孔電視，4-“三位一體”巖移監(jiān)測孔，5-巖移監(jiān)測儀器，6-地表沉降觀測點，7-孔間CT探測儀器，8-采空區(qū)壓力監(jiān)測裝置，9-支架工作阻力監(jiān)測裝置，10-巷道，11-應力監(jiān)測裝置，12-應變監(jiān)測儀，13-微震監(jiān)測系統，14-臨近下一工作面。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述：

如圖1所示是本發(fā)明煤礦開采巖層運動大空間原位監(jiān)測方法原理圖，綜合采用基于地表沉陷-覆巖運移-井下礦壓的“三位一體”井上下聯動觀測、鉆孔電視觀測、孔間CT觀測和微震監(jiān)測等物探手段、工作面圍巖應力應變監(jiān)測等一體化監(jiān)測方法，其步驟為：

a.在工作面1開采前，沿工作面1推進方向自地表垂直向下每隔50m打鉆孔電視觀測孔2，通過鉆孔電視3對覆巖結構及巖性進行觀測，并取部分鉆孔電視觀測孔2巖芯進行巖層的力學性能測試，依據測試結果判斷工作面上覆關鍵層位置，同樣也利用工作面地表瓦斯抽放鉆孔、探放水孔等其他工程鉆孔進行鉆孔電視3觀測；

b. 在工作面1開采前，沿工作面推進方向自地表垂直向下每隔150m打一組“三位一體”巖移監(jiān)測孔4，每組有3個巖移監(jiān)測鉆孔4，間距50m，在“三位一體”巖移監(jiān)測孔4進行巖移監(jiān)測儀器5的安裝，巖移監(jiān)測儀器5安裝在工作面上覆主要關鍵巖層位置處，并在其安裝位置對應地表處沿工作面走向和傾向布置地表沉降觀測點6進行初次觀測，走向、傾向觀測線全長均為200m，各布設11個地表沉降觀測點6，各地表沉降觀測點6間距為20m；

c.在工作面1開采前，在鉆孔電視觀測孔2、地表瓦斯抽放鉆孔、探放水孔中，任意選取多個鉆孔進行孔間CT探測儀器7的安裝，其中一個鉆孔作為發(fā)射孔，其他任意多個鉆孔為接收孔，并進行初次探測，掌握工作面1開采前巖層裂隙發(fā)育特征；

d.隨工作面1開采，在采空區(qū)內對應每一“三位一體”巖移監(jiān)測孔4位置處埋設采空區(qū)壓力監(jiān)測裝置8，采空區(qū)壓力監(jiān)測裝置8安裝有無線發(fā)射器，壓力數據通過無線傳輸，同時采用支架工作阻力監(jiān)測裝置9對間隔十架支架工作阻力進行實時監(jiān)測；

e.隨工作面1開采，在巷道10中每隔150m布置應力監(jiān)測裝置11、應變監(jiān)測裝置12對工作面采場圍巖進行實時監(jiān)測，具體包括5個應力監(jiān)測儀、5個位移監(jiān)測儀，同時采用激光掃描裝置對巷道10輪廓進行初次掃描，并在工作面巷道10范圍內布置微震監(jiān)測系統13對覆巖破斷范圍及其釋放能量強度進行實時記錄；

f.隨工作面1開采，實時對各監(jiān)測數據進行記錄，并設立預警預報軟件系統，開采過程中監(jiān)測到支架工作阻力數據或采空區(qū)壓力數據超過設定最大值，軟件系統發(fā)生報警，此時，查看其它監(jiān)測數據，若微震監(jiān)測系統13監(jiān)測得到巖層釋放能量小于10⁵J，鉆孔電視3、孔間CT探測儀器7、“三位一體”巖移監(jiān)測儀器5同時監(jiān)測得到巖層垮落范圍不明顯，且激光掃描發(fā)現巷道10變形速率小于0.1m/d，此時解除警報，否則則在工作面及巷道范圍內采取加強支護措施；

g. 隨工作面1開采，實時對各監(jiān)測數據進行記錄，若雖預警預報軟件系統未發(fā)生報警，但監(jiān)測得到以下現象任意兩者出現，則人工啟動警報，在工作面及巷道范圍內加強支護措施：①微震監(jiān)測系統7得到巖層釋放能量超過10⁶J，且根據鉆孔電視數據發(fā)現是關鍵層破斷；②激光掃描發(fā)現巷道10變形速率超過0.3m/d-0.5m/d；③采空區(qū)壓力數據短時間出現急速增加，且根據鉆孔電視數據發(fā)現是關鍵層破斷；④鉆孔電視3、孔間CT探測儀器7、“三位一體”巖移監(jiān)測儀器5監(jiān)測得到巖層垮落范圍大；⑤工作面支架工作阻力短時間出現急速增加；⑥工作面瓦斯抽采孔瓦斯短時間出現急劇增加，氣流極不穩(wěn)定；

h.采用上述方法對監(jiān)測數據進行綜合分析，直至工作面1開采結束，臨近下一工作面14開采時，采用同樣的方法進行監(jiān)測，并同時對上一已開采結束工作面1的地表沉降數據、巖移數據、孔間CT數據進行繼續(xù)監(jiān)測，分析臨近下一工作面14開采時大空間范圍內覆巖運移特征，并根據監(jiān)測結果相應對工作面的礦壓顯現進行有效控制。

同時，通過現場大空間原位實測發(fā)現，上覆關鍵巖層破斷與工作面來壓、采空區(qū)壓力呈一一對應關系，上覆關鍵巖層的破斷導致工作面礦壓顯現程度增加，當上覆主關鍵層破斷后，一般都伴隨著地表下沉的發(fā)生，地表沉降數據的突增一般與主關鍵層破斷也一一對應；鉆孔電視監(jiān)測得到工作面裂隙超前發(fā)育范圍約30m，當20m特厚煤層開采后，覆巖裂隙發(fā)育高度可達300m，孔間CT亦探測得到當工作面開采后覆巖裂隙發(fā)育程度大大增加，但不同埋深處發(fā)育程度不同，與鉆孔電視數據一一對應；微震監(jiān)測、工作面圍巖應力應變監(jiān)測得到的在空間、時間尺度上的監(jiān)測結果也與上述監(jiān)測結果具有很好的對應性；通過對瓦斯抽放孔、探放水孔的觀測表明，瓦斯抽采量、鉆孔水位的變化也可反映巖層的破斷特征。同時，多工作面在水平方向上大尺度的連續(xù)監(jiān)測表明了工作面臨近采空區(qū)和實體煤不同結構對于本開采工作面覆巖破斷特征影響亦不同。通過采用上述大空間原位實測方法，對于分析煤層開采后大空間范圍內巖移在空間、時間尺度的破斷特征、礦壓作用機制具有重要的意義。