采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置，該裝置包括設(shè)置在定向順層鉆孔內(nèi)的若干個電極、以及設(shè)置在巷道內(nèi)的兩個無窮遠(yuǎn)電極，所述定向順層鉆孔設(shè)置若干個，并且每個定向順層鉆孔從工作面頂板或底板，或者局部危險區(qū)段的頂板或底板延伸至地下至少兩層；所述若干個電極和兩個無窮遠(yuǎn)電極均通過通訊線纜與地面設(shè)置的處理器連接。本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測鉆孔周圍地電特征的變化。
【專利說明】采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于地球物理勘探【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]煤炭資源是我國主要能源之一，隨著開采設(shè)備的更新，開采量的增加，礦井的開采深度逐漸增大，來自煤層頂、底板含水層的高承壓水威脅也日益加劇，對工作面的安全回采和礦工生命安全是一種潛在的危險。
[0003]煤層頂板水包括上部煤層采空積水和含水層的水，上部采空積水可根據(jù)相關(guān)資料進(jìn)行判斷，并提前疏放，而含水地層中水的賦存和強弱與地層巖性和孔隙、裂隙等的發(fā)育，以及補給源等因素有密切關(guān)系。遠(yuǎn)距離的頂板水，因其距離較遠(yuǎn)，定位探測和疏放均非常困難，但可通過回采過程中頂板垮落增大的原生裂隙和新裂隙導(dǎo)入采煤工作面；底板水多為高承壓水，在工作面開采過程中，一旦底板巖層抵擋不了底板含水層的水壓，則下面的承壓水體會發(fā)生突出，特別是在主采石炭二疊紀(jì)煤層的華北型煤田，煤層底板下方幾十米處即為含水量巨大的奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層，突水事故一旦發(fā)生，破壞性大，往往導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失。另外，水害事故也具有搶救難度大、經(jīng)濟損失大、礦井恢復(fù)周期長、恢復(fù)期間安全隱患多等特點。
[0004]國內(nèi)外對底板突水機理的研宄較多，如相繼提出的突水系數(shù)法、“下三帶”理論、原位張裂與零位破壞理論、薄板模型關(guān)鍵層理論等。這些理論對認(rèn)識和評價突水問題有重要的指導(dǎo)意義，但是也都有相應(yīng)的缺陷，如:突水系數(shù)法所利用的參數(shù)是隔水層厚度和水壓值，參數(shù)偏少，并且只是利用局部點的信息，因而預(yù)測結(jié)果和實際情況存在著較大差別；“下三帶”理論定性分析了三帶的存在，但是對于這三帶的具體劃分和轉(zhuǎn)化關(guān)系并未定量提及，因此它只能作為一個理論存在；原位張裂與零位破壞理論從采礦學(xué)角度提出，認(rèn)為礦壓、水壓聯(lián)合作用于工作面對煤層的影響范圍可分為三段，即超前壓力壓縮段、卸壓膨脹段和采后壓力壓縮一一穩(wěn)定段；薄板模型關(guān)鍵層理論提出了底板巖層由采動導(dǎo)水裂隙帶和底板隔水帶組成的概念，采用半無限體一定長度上受均勾豎向荷載的彈性解，結(jié)合Griffith強度理論和Coulomb-Mohr強度理論分別求得了底板采動影響的最大破壞深度?？傊@些理論都有很大的局限性，在實踐中很難推廣和應(yīng)用。
[0005]在突水預(yù)警方面，董書寧，王經(jīng)明等(1998)研制了煤層底板突水監(jiān)測預(yù)報的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其主要監(jiān)測設(shè)備為應(yīng)力、應(yīng)變、水壓、溫度傳感器，基于8098單片機的監(jiān)測站與地面微機。通過監(jiān)測水壓、水溫的變化，作為預(yù)測預(yù)報的依據(jù)，其前提是水必須流經(jīng)傳感器位置；太原理工大學(xué)于2003年申請了名為“奧灰水突出的監(jiān)測預(yù)報方法”的實用新型專利，其實施方法是利用煤層底板下的一個含水層，作為監(jiān)測層，打鉆孔至該層，下套管，在孔口安裝水位傳感器、壓力表以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，監(jiān)測水位的變化，獲得水位分布圖和突水預(yù)報結(jié)果。該實用新型仍需鉆孔鉆進(jìn)至有水位置，或者突水必須流經(jīng)該鉆孔，否則監(jiān)測失效；程久龍于2006年申請了名為“基于信息融合的礦井突水預(yù)測系統(tǒng)”的實用新型專利，因未繳費終止失效；華北科技學(xué)院尹尚先于2009年申請了名為“礦井突水災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)及其控制方法”的實用新型專利，其實施方法是在煤層底板易發(fā)生水害事故處施工兩個鉆孔，分別埋設(shè)水溫傳感器、水壓傳感器、應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、位移傳感器組成原位測量子系統(tǒng)，并把數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)置的預(yù)警模式，以圖形曲線和數(shù)字的形式顯示出來，如果有險情就會以圖像、聲音、移動通信等多種方式發(fā)出警情；2009年劉盛東、王勃等做了 “基于地下水滲流中地電場響應(yīng)的礦井水害預(yù)警試驗研宄”，通過建立滲流-電測模型，在滲流過程中采集電場參數(shù)試驗，以電位、電流等時線和視電阻率等時面特征為依據(jù)，發(fā)現(xiàn)滲流過程中自然電場在時空域均表現(xiàn)為上升趨勢，自然電位等時線的極值點指示滲流位置，并具有超前感應(yīng)能力，實際應(yīng)用過程中將測量電極布置在巷道內(nèi)，回采期間工作面內(nèi)部滯后出水則無法實現(xiàn)監(jiān)測，另外，出水水壓較大時，水流速偏大，預(yù)警的時間大大縮減，甚至來不及預(yù)警。
[0006]突水災(zāi)害性事故是建設(shè)安全、高產(chǎn)、高效礦井的攔路虎，盡管許多學(xué)者在這方面進(jìn)行了不懈的努力，并針對不同的情況，提出了各種各樣的防治措施與突水預(yù)測預(yù)報理論，就其理論本身而言，相對較完善，但其應(yīng)用價值受到限制，尤其是種類繁多的參數(shù)，工程中可能無法獲取或難以反映實際情況，這給現(xiàn)場應(yīng)用帶來了困難，有的甚至根本無法使用。
[0007]對于任何一次突水災(zāi)害性事故的發(fā)生都有一個過程，在其中的不同階段均會呈現(xiàn)不同的變化信息，及時有效的監(jiān)測到這些信息，對于實現(xiàn)采煤工作面頂、底板突水的監(jiān)測預(yù)報至關(guān)重要。成功的監(jiān)測和預(yù)報，可以為排水工作和人員回撤留出時間，減小或完全避免人員傷亡及經(jīng)濟損失。因此，研發(fā)一種有效實用的對采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報的方法，具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。
實用新型內(nèi)容
[0008]為解決現(xiàn)有存在的技術(shù)問題，本實用新型實施例提供一種采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置。
[0009]為達(dá)到上述目的，本實用新型實施例的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0010]本實用新型實施例提供一種采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置，該裝置包括設(shè)置在定向順層鉆孔內(nèi)的若干個電極、以及設(shè)置在巷道內(nèi)的兩個無窮遠(yuǎn)電極，所述定向順層鉆孔設(shè)置若干個，并且每個定向順層鉆孔從工作面頂板或底板，或者局部危險區(qū)段的頂板或底板延伸至地下至少兩層；所述若干個電極和兩個無窮遠(yuǎn)電極均通過通訊線纜與地面設(shè)置的處理器連接。
[0011]上述方案中，所述兩個無窮遠(yuǎn)電極沿垂直于定向順層鉆孔方向布置，距離大于5倍的定向順層鉆孔深度。
[0012]上述方案中，所述兩個無窮遠(yuǎn)電極沿大巷布置，與最近測量電極距離大于5倍的定向順層鉆孔深度。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果:
[0014]本實用新型能夠識別是否為工作面頂或底板突水，以底板為例，在工作面回采過程中，當(dāng)監(jiān)測到下層電極電位變化早于上層，則為底板水有向上突出的危險，相反則為底板產(chǎn)生裂隙或巷道內(nèi)積水流入裂隙所致。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型的裝置示意圖；
[0016]圖2為本實用新型應(yīng)用環(huán)境示意圖。

【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0018]本實用新型實施例還提供一種采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置，如圖1所示，該裝置包括設(shè)置在定向順層鉆孔內(nèi)的若干個電極10、以及設(shè)置在巷道內(nèi)的兩個無窮遠(yuǎn)電極，所述定向順層鉆孔8設(shè)置若干個，并且每個定向順層鉆孔8從工作面頂板或底板，或者局部危險區(qū)段的頂板或底板延伸至地下至少兩層；所述若干個電極和兩個無窮遠(yuǎn)電極均通過通訊線纜與地面設(shè)置的處理器連接。
[0019]所述電極10通過線纜12連接，由孔口引出，直接與供電測量設(shè)備13相連。
[0020]在所述巷道4內(nèi)向工作面1、底板地層2中打定向順層鉆孔8。
[0021]所述兩個無窮遠(yuǎn)電極沿垂直于定向順層鉆孔方向布置，距離大于5倍的定向順層鉆孔8的深度；或沿大巷布置，與最近測量電極距離大于5倍的定向順層鉆孔8的深度。
[0022]本實用新型的工作過程:在鉆孔內(nèi)布置電極，做為其中之一的供電和測量電極，巷道內(nèi)布置兩個無窮遠(yuǎn)電極，做為輔助供電和測量電極，形成供電測量系統(tǒng)，所述供電電極向地層供入直流電建立人工電場，根據(jù)電流場分布原理，各供電電極分別供電時都是點電源，其等電位面是以供電電極為球心的球面，該球面的特點是在同一個球面上的任意一點的電位相同(稱之為等位面)，由同層鉆孔中的其余電極同時測量電位，然后更換供電電極，重復(fù)測量電位的工作，至各電極均完成供電為止，完成一次監(jiān)測測量，當(dāng)工作面未開始回采時，獲得的電位做為背景值，工作面回采過程中，地層應(yīng)力變化，產(chǎn)生裂隙，成為水的運移通道，點電源場的等位面分布將被改變，通過監(jiān)測這種變化，獲得鉆孔周圍的突水信息。
[0023]通過本實用新型克服了以往各理論和預(yù)測方法片面、局部、參數(shù)種類繁多的弊端，利用電法勘探體積效應(yīng)的特征，將電極布置在鉆孔中，形成立體監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測鉆孔周圍地電特征的變化。
[0024]通過本實用新型將電極布置在鉆孔中，避開了巷道內(nèi)復(fù)雜的工作環(huán)境，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠程度。
[0025]通過多層電極組合監(jiān)測，能夠識別是否為頂、底板含水層水源突水，定位準(zhǔn)確。
[0026]如圖2中，所述底板下部含水層3內(nèi)部存在一處低阻含水體7，為監(jiān)測含水體7在工作面采動過程中的動態(tài)變化情況，需在巷道4和5內(nèi)向工作面I底板地層2中打定向順層鉆孔8和9，鉆進(jìn)深度可根據(jù)工作面寬度確定，同一巷道內(nèi)鉆孔的間距為氏。
[0027]以上根據(jù)實施例對本實用新型作出了詳細(xì)描述，然而，所述描述是例示性的，本實用新型不僅僅限于實施例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員完全能夠根據(jù)本實用新型教導(dǎo)而對其作出各種形式的替換或者變更，在不脫離本實用新型宗旨和精神的前提下，凡是對本實用新型作出的各種變更及修飾均視為本實用新型所涵蓋的內(nèi)容，均落入所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置，其特征在于，該裝置包括設(shè)置在定向順層鉆孔內(nèi)的若干個電極、以及設(shè)置在巷道內(nèi)的兩個無窮遠(yuǎn)電極，所述定向順層鉆孔設(shè)置若干個，并且每個定向順層鉆孔從工作面頂板或底板，或者局部危險區(qū)段的頂板或底板延伸至地下至少兩層；所述若干個電極和兩個無窮遠(yuǎn)電極均通過通訊線纜與地面設(shè)置的處理器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置，其特征在于:所述兩個無窮遠(yuǎn)電極沿垂直于定向順層鉆孔方向布置，距離大于5倍的定向順層鉆孔深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采煤工作面頂、底板突水災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報裝置，其特征在于:所述兩個無窮遠(yuǎn)電極沿大巷布置，與最近測量電極距離大于5倍的定向順層鉆孔深度。
【文檔編號】G01V3/20GK204256186SQ201420786793
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】侯彥威, 寧殿艷, 王信文, 程建遠(yuǎn), 勒德武, 江浩, 范濤, 趙兆, 石顯新, 魯晶津, 王冰純, 趙春虎 申請人:中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司