專利名稱：一種井工開采工作面動(dòng)態(tài)裂縫的監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及風(fēng)沙區(qū)井工開采工作面前端動(dòng)態(tài)裂縫的監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)沙區(qū)的主體礦區(qū)具有獨(dú)特的土壤理化性質(zhì)，比如中國(guó)神東地區(qū)，由于沙漠化及潛在的沙漠化，使得風(fēng)沙區(qū)土壤顆粒組成較粗、疏松無結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)水保肥能力差，一遇水流，沙層上賦存的薄表土層，迅速崩解，土粒容易分散。另外，土壤的理化性質(zhì)與暴雨、大風(fēng)等惡劣的氣候因素相互作為，引發(fā)嚴(yán)重的土壤侵蝕。這些條件和因素最終導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱。相關(guān)研究表明，煤炭開采導(dǎo)致該類型的部分區(qū)域內(nèi)景觀破碎度加大，水井干涸，地下水位下降，中心水位下降程度可達(dá)2-3m，土壤含水量下降，植被覆蓋度減小，水土流失加 重。而該區(qū)域高強(qiáng)度開采對(duì)土地的影響規(guī)律和機(jī)理、土地?fù)p傷(如地裂縫)的時(shí)空變化規(guī)律以及隨之而導(dǎo)致的地表水的變化、土地?fù)p傷哪些是暫時(shí)的哪些是永久的、土地的自修復(fù)能力如何等關(guān)鍵問題沒有進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而最終導(dǎo)致無法對(duì)該區(qū)域擾動(dòng)后生態(tài)環(huán)境的修復(fù)措施的選擇提供科學(xué)的決策依據(jù)。地表裂縫的生命周期是指其在地表存在的從產(chǎn)生到完全閉合的全過程。對(duì)于該過程的監(jiān)測(cè)，是研究該區(qū)域采煤擾動(dòng)前后土壤孔隙度、土壤養(yǎng)分、土壤含水量的時(shí)空演變規(guī)律的前提和基礎(chǔ)，是研究該區(qū)域土地?fù)p傷機(jī)理重要組成部分。目前，相關(guān)研究主要是針對(duì)地裂縫產(chǎn)生的機(jī)理、地裂縫分布規(guī)律，地裂縫幾何信息的理論研究，部分文獻(xiàn)涉及到地裂縫監(jiān)測(cè)的內(nèi)容王金莊利用土體壓縮理論，定性分析了裂縫寬度的函數(shù)模型，指出在相同條件下，裂縫d與間距L之比與地表水平變形存在線性關(guān)系(請(qǐng)給出對(duì)應(yīng)王金莊的參考文獻(xiàn)，謝謝)；吳侃通過提出了開采引起的地表任意點(diǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)變分量的計(jì)算方法.將地表點(diǎn)的變形同地表土的力學(xué)性質(zhì)結(jié)合起來，提出了地表裂縫分布規(guī)律動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，并指出裂縫在地表上顯示時(shí)間大致等于T = 2B/V，其中B為回采工作面上方裂縫區(qū)寬度，V為工作面平均推進(jìn)速度(吳侃，胡振琪，常江，葛家新.開采引起的地表裂縫分布規(guī)律中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，26 (2) 56 59);李曉等采用自主研發(fā)的IGG-I機(jī)械式裂縫觀測(cè)計(jì)，對(duì)金川二礦區(qū)10余條地裂縫的幾何信息進(jìn)行了不同時(shí)段的監(jiān)測(cè)并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，得到了裂縫具有明顯的三維特征，并對(duì)其成因進(jìn)行了相應(yīng)的剖析(李曉，路世豹，廖秋林，杜國(guó)棟.充填法開采引起的地裂縫分布特征與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25 (7) :1361 1369)；姚娟根據(jù)任意兩點(diǎn)之間的空間信息的變化情況，建立了裂縫寬度和變形計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，指出裂縫寬度和變形是反映裂縫變化的一個(gè)重要指標(biāo)(姚娟，徐工，開采引起的地表裂縫規(guī)律研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，23 (6) :105 108);李亮、吳侃等利用三維激光掃描的方法，獲取塌陷地裂縫區(qū)地表特征的云數(shù)據(jù)，各點(diǎn)距起點(diǎn)的距離和下沉值以(x，y)的形式輸入MATLAB中，對(duì)這些離散點(diǎn)進(jìn)行插值，形成平滑的待分析曲線L，利用四種小波進(jìn)行小波分析，與其實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)符合，可用于提取裂縫分布規(guī)律(李亮，吳侃，陳冉麗，張舒.小波分析在開采沉陷區(qū)地表裂縫信息提取的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)，2010，35(1) :165 167)。然而，上述研究多以整體裂縫作為研究對(duì)象，著重體現(xiàn)在裂縫的分布規(guī)律，部分對(duì)裂縫的監(jiān)測(cè)研究，裂縫最初監(jiān)測(cè)時(shí)間較嚴(yán)重滯后于裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，獲取的數(shù)據(jù)也不能完全包含裂縫最初狀態(tài)的信息，監(jiān)測(cè)頻率不規(guī)范，不適合神東礦區(qū)現(xiàn)代化開采造成裂縫在地表顯示特征的快速變化?？傮w來說，對(duì)于裂縫從產(chǎn)生時(shí)的最初狀態(tài)到表征在地表上完全或者基本消失所經(jīng)歷的階段、過程，特別是對(duì)于薄基巖風(fēng)沙區(qū)工作面前端裂縫的生命周期的監(jiān)測(cè)還沒有開展沒有進(jìn)行相應(yīng)研究，該過程中裂縫對(duì)土地生態(tài)環(huán)境的研究也就無從談起。風(fēng)沙區(qū)工作面前端裂縫生命周期的監(jiān)測(cè)方法的難題在于I)觀測(cè)對(duì)象的辨別與選取難度很大薄基巖風(fēng)沙區(qū)地表被松散層覆蓋，沖刷層以 上的土壤構(gòu)成主要是黃沙，且流動(dòng)性較大，加之大風(fēng)、雨水天氣對(duì)于小區(qū)域內(nèi)地貌重塑的影響較大，地表裂縫最初產(chǎn)生階段在地表上的表征相對(duì)較弱，其特征辨別和選取相對(duì)于其他類型區(qū)域非常困難，從而對(duì)地裂縫產(chǎn)生時(shí)最初狀態(tài)的數(shù)據(jù)以及最終裂縫生命周期的獲取造成了很大的影響；2)裂縫幾何信息的獲取難度較大風(fēng)沙區(qū)地表流動(dòng)沙層的存在，裂縫兩側(cè)的土壤過砂、質(zhì)地松散，裂縫在開裂、閉合等發(fā)育過程中，裂縫壁的部分土壤容易出現(xiàn)塌落現(xiàn)象，給裂縫寬度數(shù)據(jù)的獲取帶來了很大的困難，不確定的偶然誤差引入粗差，無法取得預(yù)期的效果，最終也無法獲得前端裂縫的生命周期。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提出一種井工開采工作面動(dòng)態(tài)裂縫的監(jiān)測(cè)方法，以準(zhǔn)確和完整的獲取動(dòng)態(tài)裂縫及其發(fā)育過程中的幾何信息，為研究由區(qū)域地表裂縫導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)的時(shí)空演變規(guī)律提供基礎(chǔ)，最終為該區(qū)域生態(tài)修復(fù)方案和措施提供科學(xué)的依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種井工開采工作面動(dòng)態(tài)裂縫的監(jiān)測(cè)方法，所述方法包括以下步驟(I)布設(shè)裂縫監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)線在采煤工作前，布設(shè)裂縫監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)線，所述基準(zhǔn)線由若干個(gè)地表移動(dòng)觀測(cè)站組成，所述觀測(cè)站從開切眼處的后方沿工作面走向的中心線布設(shè)，基準(zhǔn)線的兩端應(yīng)保證超出采動(dòng)影響范圍，并在布設(shè)后測(cè)定各觀測(cè)站的空間坐標(biāo)位置；(2)找出最前端裂縫當(dāng)工作面推進(jìn)到第一位置為A時(shí)，對(duì)其前方新出現(xiàn)的疑似裂縫進(jìn)行標(biāo)記觀測(cè)，找出這些疑似裂縫中隨工作面的后續(xù)推進(jìn)而發(fā)育的裂縫，這些發(fā)育的裂縫中與第一位置距離最大的裂縫即為最前端裂縫，測(cè)定最前端裂縫的第二位置為B，得到第二位置與第一位置之間的距離C ；(3)建立數(shù)學(xué)模型重復(fù)步驟2得到多個(gè)工作面的第一位置Ai，以及與其相應(yīng)的最前端裂縫的第二位置Bi和第一位置與第二位置的距離Ci，建立三者的數(shù)學(xué)模型，Bi =Ai+C’，其中C，為多個(gè)Ci的數(shù)學(xué)期望，i = 1,2. .n ；(4)根據(jù)步驟3建立的數(shù)學(xué)模型，在距離工作面C’的位置，選定該位置兩側(cè)最相鄰的多條裂縫作為觀測(cè)裂縫，測(cè)定該多條裂縫隨工作面推進(jìn)的多個(gè)寬度變化，測(cè)定頻率大于I天/次，直至裂縫不再發(fā)育，在地表上完全閉合為止，從中選出發(fā)育最為明顯的一條裂縫作為最佳觀測(cè)裂縫；(5)在不同的工作面位置，重復(fù)步驟4，得到多個(gè)最佳觀測(cè)裂縫的寬度變化數(shù)據(jù)；(6)根據(jù)步驟4和5得到的最佳觀測(cè)裂縫隨工作面推進(jìn)的多個(gè)寬度變化數(shù)據(jù)，繪制裂縫寬度關(guān)于工作面位置的變化趨勢(shì)圖。優(yōu)選地，根據(jù)開采沉陷學(xué)相關(guān)理論，所述基準(zhǔn)線的布設(shè)遵循如下原則在地表能達(dá)到充分采動(dòng)的條件下，基準(zhǔn)線通過移動(dòng)盆地的平底部分即可；在地表不能達(dá)到充分采動(dòng)的條件下，基準(zhǔn)線需設(shè)在移動(dòng)盆地的主斷面上。優(yōu)選地，在步驟I中，所述觀測(cè)站間隔10-40米布設(shè)。
優(yōu)選地，在觀測(cè)裂縫寬度的同時(shí)，還觀測(cè)裂縫的長(zhǎng)度、深度和落差的變化。優(yōu)選地，步驟4中觀測(cè)裂縫寬度時(shí)，在裂縫兩側(cè)距離裂縫5-lOcm處垂直于裂縫布設(shè)觀測(cè)棒，測(cè)量裂縫初始寬度Lo，以及兩端觀測(cè)棒的距離Do，后期測(cè)量觀測(cè)棒的距離Di，通過公式Li = Lo+(Di-Do)計(jì)算裂縫寬度Li,其中i = 1,2. n。優(yōu)選地，在每條裂縫上布設(shè)多個(gè)寬度測(cè)量點(diǎn)，寬度測(cè)量點(diǎn)之間的間距為3-5米。優(yōu)選地，每條裂縫的觀測(cè)周期T >2B/V，其中B為工作面走向方向連續(xù)裂縫帶的帶寬，V為工作面日推進(jìn)速度，觀測(cè)工作直至地裂縫的地面表征消失、且持續(xù)無變化為止，其中T的單位為天，B的單位為米，V的單位為米/天。優(yōu)選地，步驟4和5中，根據(jù)公式L=Ho*tan以計(jì)算出最大下沉速度滯后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深，以為最大下沉速度滯后角，在工作面與觀測(cè)裂縫之間的距離D < 2L時(shí)，加大觀測(cè)頻率，當(dāng)D > 2L時(shí)，減小觀測(cè)頻率。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的動(dòng)態(tài)裂縫的監(jiān)測(cè)方法構(gòu)建了工作面和裂縫的空間參考體系；通過建立工作面最前端裂縫與工作面位置之間的數(shù)學(xué)模型，提供了裂縫特征的測(cè)量方法(觀測(cè)方法、觀測(cè)周期與頻率)，為任意工作面位置處最佳觀測(cè)裂縫(觀測(cè)對(duì)象)的準(zhǔn)確選取提供了科學(xué)依據(jù)，并且通過測(cè)定包括地裂縫產(chǎn)生發(fā)育的最初階段在內(nèi)的裂縫幾何信息，繪制了裂縫寬度關(guān)于工作面位置的變化趨勢(shì)圖，以便分析前端裂縫從產(chǎn)生到完全閉合此全過程中所經(jīng)歷的所有典型階段的特征和時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息，為裂縫生命周期的獲取提供完整可靠的數(shù)據(jù)；進(jìn)而為研究該區(qū)域煤炭開采對(duì)土地生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)理及其自修復(fù)周期的研究提供時(shí)間基準(zhǔn)和技術(shù)支撐。


圖I為本發(fā)明中基準(zhǔn)線和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)示意圖；圖2為本發(fā)明中裂縫寬度的觀測(cè)示意圖；圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中裂縫寬度隨工作面推進(jìn)的變化趨勢(shì)圖。
具體實(shí)施例方式下面以本發(fā)明所述方法在薄基巖風(fēng)沙區(qū)工作面前端裂縫生命周期監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明并不因此而受到任何限制。
本發(fā)明所述方法包括以下步驟第一步布設(shè)裂縫監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)線。所述基準(zhǔn)線由若干個(gè)地表移動(dòng)觀測(cè)站組成，所述觀測(cè)站從開切眼處的后方沿工作面走向的中心線布設(shè)，基準(zhǔn)線的兩端應(yīng)保證超出采動(dòng)影響范圍，其布設(shè)工作應(yīng)超前于采煤工作。優(yōu)選地，所述基準(zhǔn)線根據(jù)開采沉陷學(xué)相關(guān)理論，所述基準(zhǔn)線的布設(shè)遵循如下原則在地表能達(dá)到充分采動(dòng)的條件下，基準(zhǔn)線通過移動(dòng)盆地的平底部分即可；在地表不能達(dá)到充分采動(dòng)的條件下，基準(zhǔn)線需設(shè)在移動(dòng)盆地的主斷面上。如圖I所示，其中I為開切眼位置，2為基準(zhǔn)線，3為布設(shè)在基準(zhǔn)線上的觀測(cè)站。所述觀測(cè)站間隔10-40米布設(shè)，并在布設(shè)后使用比如經(jīng)緯儀導(dǎo)線和水準(zhǔn)測(cè)量的方法測(cè)定觀測(cè)站的空間坐標(biāo)。第二步找出最前端裂縫。
工作面最前端裂縫是裂縫發(fā)育全過程最好的監(jiān)測(cè)對(duì)象，而在風(fēng)沙區(qū)，地表可能被松散層所覆蓋，導(dǎo)致工作面最前端裂縫的產(chǎn)生初期在地表的表征很微弱。此外，一些沙生植物的根系生長(zhǎng)也可能導(dǎo)致地表的開裂，從而最前端裂縫的辨別帶來很多干擾信息。故此，需要結(jié)合工作面開采的位置，采取措施找出最前端裂縫。具體地，當(dāng)工作面推進(jìn)到第一位置為A時(shí)(工作面與開切眼之間的距離)，對(duì)其前方新出現(xiàn)的疑似裂縫進(jìn)行標(biāo)記觀測(cè)，利用其周邊的地表移動(dòng)觀測(cè)站作為控制點(diǎn)，架設(shè)全站儀或者其它測(cè)量設(shè)備，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在一段合適的時(shí)間內(nèi)(比如4-10天)觀察這些疑似裂縫的發(fā)育情況，找出這些疑似裂縫中隨工作面的后續(xù)推進(jìn)而發(fā)育的裂縫(即長(zhǎng)度或?qū)挾葧?huì)變化的裂縫)，這些發(fā)育的裂縫中與第一位置A距離最大的裂縫即為最前端裂縫，測(cè)定最前端裂縫的第二位置位B，得到第二位置B與第一位置A之間的距離C。第三步建立數(shù)學(xué)模型。重復(fù)第二步的方法，得到多個(gè)工作面第一位置Ai，以及與其相應(yīng)的最前端裂縫的第二位置Bi和第一位置Ai與第二位置Bi之間的距離Ci (i = 1，
2..n)，利用最小二乘法建立三者的數(shù)學(xué)模型，Bi = Ai+C’，其中C’為多個(gè)Ci的數(shù)學(xué)期望， 從而為下一步觀測(cè)對(duì)象的選取及其最初狀態(tài)的幾何信息的獲取奠定基礎(chǔ)。第四步根據(jù)第三步建立的數(shù)學(xué)模型，在與當(dāng)前工作面距離為C’的位置，選定該位置兩側(cè)最相鄰的多條裂縫(比如4條裂縫)作為觀測(cè)裂縫，可以利用全站儀以及鄰近地表移動(dòng)觀測(cè)站標(biāo)定其初始狀態(tài)時(shí)的空間位置，并同時(shí)測(cè)定該多條裂縫隨工作面推進(jìn)的多個(gè)寬度變化，測(cè)定頻率大于I天/次，直至裂縫不再發(fā)育，在地表上完全閉合為止，并從中選出發(fā)育最為明顯的一條裂縫作為最佳觀測(cè)裂縫。如圖2所示，其中4為體表裂縫，5為觀測(cè)棒，6為鋼尺。裂縫寬度的變化情況可采用如下方法測(cè)量在裂縫兩側(cè)距離裂縫5-lOcm處垂直于裂縫布設(shè)觀測(cè)棒，測(cè)出該處裂縫初始寬度Lo(可直接使用鋼尺測(cè)量)，以及兩端觀測(cè)棒的距離Do，后期只需測(cè)量觀測(cè)棒的距離Di (i =1，2..11，為測(cè)量次數(shù))，通過公式1^ = 1^+(01-00)計(jì)算出每次測(cè)量時(shí)的裂縫寬度Li。另夕卜，由于裂縫較長(zhǎng)，因此每條裂縫上可以設(shè)置多組觀測(cè)棒，間隔3-5米設(shè)置，實(shí)際操作中，還可根據(jù)裂縫的發(fā)育情況及時(shí)加設(shè)觀測(cè)棒。此外，觀測(cè)棒應(yīng)盡量垂直于地面，嵌入土中，埋深不少于20cm。其中，為盡量減少野外工作量，可以進(jìn)一步利用經(jīng)驗(yàn)公式確定觀測(cè)的周期及頻率。
隨著工作面的推進(jìn)，對(duì)裂縫進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，根據(jù)盆地內(nèi)走向方向連續(xù)裂縫帶的寬度B，和工作面日推進(jìn)速度V，優(yōu)選地，每條裂縫的觀測(cè)周期T > 2B/V,觀測(cè)工作直至地裂縫的地面表征消失、且持續(xù)無變化為止，其中T的單位為天，B的單位為米，V的單位為米/天。裂縫寬度的變化與地表活動(dòng)劇烈程度有關(guān)，可以用地表下沉速度以及地表達(dá)到最大下沉速度時(shí)與工作面距離L (通常表述為最大下沉速度滯后距)反映，因此，優(yōu)選地，應(yīng)該與根據(jù)被觀測(cè)的裂縫的位置與工作面位置之間的距離d與L的貼近程度調(diào)整觀測(cè)頻率，當(dāng)裂縫寬度變化較大時(shí)，需要加大觀測(cè)頻率；當(dāng)裂縫寬度變化較小時(shí)，減小觀測(cè)頻率。通常情況下，可以利用最大下沉速度滯后角以，根據(jù)公式L=Ho* tan以計(jì)算出最大下沉速度滯后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深。根據(jù)先前布設(shè)的裂縫觀測(cè)基準(zhǔn)線上地表移動(dòng)觀測(cè)站在采動(dòng)過程中高程的變化數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出最大下沉速度以及0，進(jìn)而得到L的大小。在工作面與觀測(cè)對(duì)象二者之間的距離D < 2L時(shí)，觀測(cè)頻率相對(duì)較大，尤其是在0. 5L < D< 1.5L時(shí)，應(yīng)進(jìn)行加密觀測(cè)，當(dāng)D > 2L時(shí)，觀測(cè)頻率應(yīng)相應(yīng)減小。為更好地獲取裂縫的變化情況，優(yōu)選地，在測(cè)定裂縫寬度變化的同時(shí)，還可以同時(shí)測(cè)量裂縫的長(zhǎng)度和落差變化情況。例如，通過最近的觀測(cè)站，用全站儀在裂縫的兩端用導(dǎo)線 測(cè)量的方法確定裂縫兩端的坐標(biāo)位置，并繪制到工作面的井上下對(duì)照?qǐng)D，利用兩點(diǎn)坐標(biāo)求的裂縫長(zhǎng)度。第五步為了更加全面地觀測(cè)裂縫隨工作面的推進(jìn)的生長(zhǎng)發(fā)育情況，重復(fù)第四步的方法，以便在不同的工作面位置，得到多個(gè)最佳觀測(cè)裂縫的發(fā)育情況。第六步利用獲取的裂縫的寬度信息繪制單條裂縫寬度信息的變化趨勢(shì)圖，分析各主要典型性階段的持續(xù)時(shí)間和工作面推進(jìn)量，通過多條裂縫的統(tǒng)計(jì)信息，總結(jié)該區(qū)域地表裂縫的完整的生命周期。實(shí)施例針對(duì)某礦區(qū)的采動(dòng)裂縫監(jiān)測(cè)，使用上述方法獲取的裂縫寬度信息繪制了裂縫寬度隨工作面推進(jìn)的趨勢(shì)圖，如圖3所示，該裂縫上設(shè)有5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其中■代表1#、 代表2#、▲代表3#、▼代表4#和4代表5#。當(dāng)前工作面距離開切眼的位置為454m時(shí)，該裂縫最早出現(xiàn)，超前工作面7m ;工作面向前推進(jìn)19m時(shí)，裂縫呈現(xiàn)出最大表征，其中5#信息采集點(diǎn)由3. 3mm遞增到25mm左右，變化速度約為I. 158mm/m。該區(qū)域?qū)?yīng)的為Al階段，在此階段內(nèi)，#1、#2、#3、#4四個(gè)信息采集點(diǎn)的裂縫寬度均遞增，屬于裂縫發(fā)育階段。工作面繼續(xù)向前推進(jìn)42m時(shí)，5個(gè)信息采集點(diǎn)的寬度整體處于下降狀態(tài)，在515m處信息采集點(diǎn)的寬度值趨于0，從地面表征上來看，裂縫整體也處于愈合狀態(tài)。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至565m時(shí)，裂縫基本無發(fā)育，對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)閳D上的A2階段；在裂縫發(fā)育的第一個(gè)半周期，從出現(xiàn)-發(fā)育-閉合及其穩(wěn)定，工作面總計(jì)推進(jìn)了約111m，此時(shí)工作面超前裂縫的位置為 I04mo當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)至577m時(shí)，裂縫在先前位置重新裂開，5個(gè)信息采集點(diǎn)處裂縫的寬度均小于第一個(gè)階段發(fā)育為最大值的情況，該階段對(duì)應(yīng)的A3區(qū)域，屬于地表松動(dòng)階段，此時(shí)工作面超前裂縫116m。從577m處直至613m處，裂縫寬度的變化很微弱，該階段對(duì)應(yīng)的為A4區(qū)域，定義為漸穩(wěn)定階段，此時(shí)工作面超前裂縫152m ;后期裂縫逐漸趨于閉合狀態(tài)，該階段對(duì)應(yīng)的A5區(qū)域，定義為完全愈合階段，后續(xù)的觀測(cè)結(jié)果顯示，裂縫沒有繼續(xù)裂開的現(xiàn)象，此時(shí)工作面超前裂縫219m.各階段，裂縫與工作面位置分別為:Al(-7m 12m) ;A2(12m 104m)；A3 (104m 116m) ;A4(116m 152m) ;A5 (152m 219m)，其中代表工作面滯后于裂縫出現(xiàn)的位置。從出現(xiàn)至完全閉合這個(gè)全過程，這個(gè)具有周期性變化情形的，稱之為裂縫的生命周期。其它觀測(cè)對(duì)象亦具有相似規(guī)律，因此可以將風(fēng)沙區(qū)該工作面上方動(dòng)態(tài)裂縫的生命周期劃分為5個(gè)階段A1發(fā)育階段(最初出現(xiàn)，由小到大)；A2愈合階段(由大變小，初次愈合)；A3地表松動(dòng)階段(裂縫重新裂開，但較之發(fā)育階段程 度要小)；A4漸穩(wěn)定階段(裂縫幾乎不變化，處于穩(wěn)定階段)；A5完全閉合階段(裂縫再次愈合，不再?gòu)堥_)。
權(quán)利要求
1.一種井工開采工作面動(dòng)態(tài)裂縫的監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)布設(shè)裂縫監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)線在采煤工作前，布設(shè)裂縫監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)線，所述基準(zhǔn)線由若干個(gè)地表移動(dòng)觀測(cè)站組成，所述觀測(cè)站從開切眼處的后方沿工作面走向的中心線布設(shè)，基準(zhǔn)線的兩端應(yīng)保證超出采動(dòng)影響范圍，并在布設(shè)后測(cè)定各觀測(cè)站的空間坐標(biāo)位置； (2)找出最前端裂縫當(dāng)工作面推進(jìn)到第一位置為A時(shí)，對(duì)其前方新出現(xiàn)的疑似裂縫進(jìn)行標(biāo)記觀測(cè)，找出這些疑似裂縫中隨工作面的后續(xù)推進(jìn)而發(fā)育的裂縫，這些發(fā)育的裂縫中與第一位置距離最大的裂縫即為最前端裂縫，測(cè)定最前端裂縫的第二位置為B，得到第二位置與第一位置之間的距離C ; (3)建立數(shù)學(xué)模型重復(fù)步驟2得到多個(gè)工作面的第一位置Ai，以及與其相應(yīng)的最前端裂縫的第二位置Bi和第一位置與第二位置的距離Ci，建立三者的數(shù)學(xué)模型，Bi = Ai+C’，其中C’為多個(gè)Ci的數(shù)學(xué)期望，i = l,2..n ； (4)根據(jù)步驟3建立的數(shù)學(xué)模型，在距離工作面C’的期望位置，選定該位置兩側(cè)最相鄰的多條裂縫作為觀測(cè)裂縫，測(cè)定該多條裂縫隨工作面推進(jìn)的多個(gè)寬度變化，測(cè)定頻率大于I天/次，直至裂縫不再發(fā)育，在地表上完全閉合為止，從中選出發(fā)育最為明顯的一條裂縫作為最佳觀測(cè)裂縫； (5)在不同的工作面位置，重復(fù)步驟4，得到多個(gè)最佳觀測(cè)裂縫的寬度變化數(shù)據(jù)； (6)根據(jù)步驟4和5得到的最佳觀測(cè)裂縫隨工作面推進(jìn)的多個(gè)寬度變化數(shù)據(jù)，繪制裂縫寬度關(guān)于工作面位置的變化趨勢(shì)圖。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，根據(jù)開采沉陷學(xué)相關(guān)理論，所述基準(zhǔn)線的布設(shè)遵循如下原則在地表能達(dá)到充分采動(dòng)的條件下，基準(zhǔn)線通過移動(dòng)盆地的平底部分即可；在地表不能達(dá)到充分采動(dòng)的條件下，基準(zhǔn)線需設(shè)在移動(dòng)盆地的主斷面上。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述觀測(cè)站間隔10-40米布設(shè)。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在觀測(cè)裂縫寬度的同時(shí)，進(jìn)一步觀測(cè)裂縫的長(zhǎng)度和落差的變化。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟4中測(cè)量裂縫寬度時(shí)，在裂縫兩側(cè)距離裂縫5-lOcm處垂直于裂縫布設(shè)觀測(cè)棒，測(cè)量裂縫初始寬度Lo，以及兩端觀測(cè)棒的距離Do，后期測(cè)量觀測(cè)棒的距離D i，通過公式Li =Lo+(Di-Do)計(jì)算裂縫寬度Li，其中i = 1，2. . n。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在每條裂縫上布設(shè)多個(gè)寬度測(cè)量點(diǎn)，寬度測(cè)量點(diǎn)之間的間距為3-5米。
7.如權(quán)利要求I或5所述的方法，其特征在于，每條裂縫的觀測(cè)周期T> 2B/V，其中B為工作面走向方向連續(xù)裂縫帶的帶寬，V為工作面日推進(jìn)速度，觀測(cè)工作直至地裂縫的地面表征消失、且持續(xù)無變化為止，其中T的單位為天，B的單位為米，V的單位為米/天。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟4和5中，根據(jù)公式L=Ho*tanp計(jì)算出最大下沉速度滯后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深，jgr為最大下沉速度滯后角，在工作面與觀測(cè)裂縫之間的距離D < 2L時(shí)，加大觀測(cè)頻率，當(dāng)D > 2L時(shí)，減小觀測(cè)頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種井工開采工作面動(dòng)態(tài)裂縫的監(jiān)測(cè)方法，以準(zhǔn)確和完整的獲取采動(dòng)裂縫及其發(fā)育過程中的幾何信息。該方法包括布設(shè)裂縫監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)線，建立工作面最前端裂縫位置與工作面位置之間的數(shù)學(xué)模型，通過該數(shù)學(xué)模型找到相應(yīng)的最佳觀測(cè)裂縫，進(jìn)行持續(xù)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)，獲取裂縫寬度的變化數(shù)據(jù)，繪制裂縫寬度關(guān)于工作面位置的變化趨勢(shì)圖，以便分析前端裂縫從產(chǎn)生到完全閉合此全過程中所經(jīng)歷的所有典型階段的特征和時(shí)間節(jié)點(diǎn)信息，總結(jié)和提煉工作面前端動(dòng)態(tài)裂縫完整的生命周期，進(jìn)而為研究該區(qū)域煤炭開采對(duì)土地生態(tài)環(huán)境的影響機(jī)理及其自修復(fù)周期的研究提供時(shí)間基準(zhǔn)和技術(shù)支撐。
文檔編號(hào)G01B21/04GK102759337SQ20121013498
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者張建民, 王新靜, 胡振琪, 郭雨明, 顧大釗 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京), 中國(guó)神華能源股份有限公司