一种无损采矿采空区充填效果监测方法和装置与流程

本发明属于采矿监测，具体涉及一种无损采矿采空区充填效果监测方法和装置。

背景技术：

1、随着我国浅部煤炭资源持续的高强度开采，浅部煤炭资源储量告急，为了维持生产的正常进行，煤炭的开采深度逐渐加大，甚至有些矿井的采深已达千米。然而，随着开采深度的增加，开采活动中的四高一扰动(高地应力、高地温、高岩溶水压、高瓦斯以及高强扰动)现象愈加明显，潜在的灾变过程集中表现为冲击地压频率和强度显著增加、采场矿压显现尤为剧烈、地表沉陷难以预计等。

2、井下充填开采属于绿色减灾减损开采技术，是将充填材料充填至采煤工作面采空区位置处，对工作面顶板进行支撑加固，从而达到控制岩层、减小地表沉陷目的的开采方法。充填体作为承载上覆岩层载荷的支撑主体，由于在材料配比、粒径级配、密实程度等方面有所差别，导致其在上覆岩层载荷作用下也表现出不同的承载压缩特性，对顶板的控制程度也不同，因此充填体与采场围岩整体的稳定性存在较大差异，采场围岩和充填体稳定性分析是进行采煤方法选取和采煤方案设计的基础，其分析结果的可靠性决定了生产活动是否能够顺利进行，为了保证充填体及顶板的长期稳定性，需要对充填后的充填效果进行监测研究。

3、当前煤矿企业对采空区充填效果检验多采取钻孔窥视或在液压支架后方架设视频监测系统等手段进行。使用钻孔窥视进行探测时，需要在巷道内开展大量的钻探工作，不仅费时费力，而且检验效果在空间上不连续，检验结果准确性不高。使用架设视频监测系统进行检验评价时，需采用人工观测方式进行主观判断，效率较低，且由于采空区环境限制，在黑暗且较大粉尘的条件下，现场视频往往不能很好地判断料浆填充效果，监测效果较差。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种无损采矿采空区充填效果监测方法，以解决现有技术中井下采空区充填效果监测困难，且效率低的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

3、一种无损采矿采空区充填效果监测方法，包括：

4、获取采煤工作面采空区的岩层分布信息，并确定所述采空区内充填带、顶板岩层以及底板岩层的位置；

5、根据采煤作业对应所述顶板岩层的运动区域，在每个所述运动区域的倾向中部行线上确定所述充填带内充填体的位移测点，并在每个所述运动区域倾向中部行线的两端确定所述充填带内充填体的侧向应力测点；

6、根据确定的所述位移测点位置，在所述顶板岩层上相邻所述位移测点的位置确定所述顶板岩层的离层测点，并在所述底板岩层相邻所述位移测点的位置确定所述充填带内充填体的垂直应力测点；

7、根据确定的所述位移测点、侧向应力测点、离层测点以及垂直应力测点，分别匹配布置对应监测功能的传感设备，并获取各测点的监测数据；

8、根据获取各测点的监测数据，对所述充填带内充填体的稳定性进行研究分析，并确定无损采矿采空区内的充填效果。

9、可选地，所述根据采煤作业对应所述顶板岩层的运动区域，在每个所述运动区域的倾向中部行线上确定所述充填带内充填体的位移测点的方法包括：

10、获取采煤作业时所述顶板岩层面临的来压状态；

11、根据所述顶板岩层的来压状态在所述顶板岩层上分别确定运动相对稳定区域和运动显著区域；

12、根据确定的所述运动相对稳定区域和所述运动显著区域，在两种所述运动区域的倾向中部行线上确定不同数量的所述位移测点。

13、可选地，所述根据确定的所述运动相对稳定区域和所述运动显著区域，在两种所述运动区域的倾向中部行线上确定不同数量的所述位移测点的方法包括：

14、当采煤作业位于所述顶板岩层初次来压或周期来压相对稳定的区域时，计算所述顶板岩层初次来压或周期来压的相对稳定步距，并在所述相对稳定步距的倾向中部行线上确定所述位移测点的数量；

15、当采煤作业位于所述顶板岩层初次来压或周期来压显著的区域时，计算所述顶板岩层初次来或周期来压的显著步距，并在所述显著步距的倾向中部行线上确定所述位移测点的数量；

16、其中，所述运动相对稳定区域内确定的所述位移测点数量小于所述运动显著区域内确定的所述位移测点数量，且所述运动相对稳定区域内相邻两所述位移测点的间距大于所述运动显著区域内相邻两所述位移测点的间距。

17、可选地，还包括在每个所述运动区域的倾向中部行线上确定所述充填带内充填体的位移测点后，为所述位移测点匹配布置对应监测功能传感设备的方法：

18、根据所述充填带内确定的所述位移测点，匹配对应监测功能的位移传感器；

19、根据匹配的所述位移传感器，将所述位移传感器的一端固定在所述顶板岩层内，并将所述位移传感器的另一端固定在底板岩层内，以实时获取所述充填带内充填体上下两端的相对移近量。

20、可选地，还包括在每个所述运动区域倾向中部行线的两端确定所述充填带内充填体的侧向应力测点后，为所述侧向应力测点匹配布置对应监测功能传感设备的方法：

21、根据所述充填带内确定的所述侧向应力测点，匹配对应监测功能的侧向应力传感器；

22、根据匹配的所述侧向应力传感器，在确定的每个所述侧向应力测点处设置一组不同深度的水平钻孔，并在每个所述水平钻孔内布置一一对应的所述侧向应力传感器，以实时获取所述充填带内充填体不同位置的侧向应力变化量。

23、可选地，还包括在所述顶板岩层上相邻所述位移测点的位置确定所述顶板岩层的离层测点后，为所述离层测点匹配布置对应监测功能检测仪器的方法：

24、根据所述顶板岩层上确定的所述侧向应力测点，匹配对应监测功能的离层仪；

25、根据匹配的所述离层仪，在每个所述运动区域倾向中部位置处的所述顶板岩层上进行预打孔，并在每个所述运动区域的预打孔内布置一一对应的所述离层仪，以实时获取所述顶板岩层来压分离时的位移量。

26、可选地，还包括在所述底板岩层相邻所述位移测点的位置确定所述充填带内充填体的垂直应力测点后，为所述垂直应力测点匹配布置对应监测功能传感设备的方法：

27、根据所述底板岩层上确定的所述垂直应力测点，匹配对应监测功能的垂直应力传感器；

28、根据匹配的所述垂直应力传感器，随采煤作业埋设在所述底板岩层上确定的所述垂直应力测点处，以实时获取所述充填带内充填体的垂直应力变化量。

29、可选地，所述根据获取各测点的监测数据，对所述充填带内充填体的稳定性进行研究分析，并确定无损采矿采空区内的充填效果的方法包括：

30、获取同一倾向中部行线上所述位移测点和所述离层测点处的监测数据，并模拟生成该倾向中部行线上位于不同时间的应变演化曲线；

31、当所述应变演化曲线随时间变化量逐渐变小且趋于稳定，则确定当前所述充填带内充填体的充填效果稳定；

32、和/或；

33、获取同一倾向中部行线上所述侧向应力测点和所述垂直应力测点的监测数据，并模拟生成该倾向中部行线上位于不同时间的应力变化曲线；

34、当所述应力变化曲线随时间变化趋于稳定，并与该倾向中部行线上所述充填带内充填体的原始应力基本相等，则确定当前所述充填带内充填体的充填效果稳定。

35、本发明还公开一种监测装置，采用上述的无损采矿采空区充填效果监测方法，包括传感监测模块和监测分析模块；

36、所述传感监测模块用于分别获取所述充填带内充填体的位移和应力变化量，以及所述顶板岩层的位移变化量；

37、所述监测分析模块和所述传感监测模块对接，用于获取所述传感监测模块的监测数据并分析无损采矿采空区内的充填效果。

38、可选地，所述传感监测模块包括位移传感器、侧向应力传感器、离层仪、垂直应力传感器；

39、所述位移传感器沿采煤工作面的倾向中部行线布置有多个，用于获取所述充填带内充填体上下两端的相对移近量；

40、所述侧向应力传感器分别布置在采煤工作面倾向中部行线的两端，用于获取所述充填带内充填体不同位置的侧向应力变化量；

41、所述离层仪布置在所述顶板岩层上相邻所述位移传感器的位置，用于获取所述顶板岩层来压分离时的位移量；

42、所述垂直应力传感器布置在所述底板岩层上相邻所述位移传感器的位置，用于获取所述充填带内充填体的垂直应力变化量。

43、本发明通过分别确定充填带内充填体的位移测点、侧向应力测点和垂直应力测点，并匹配布置对应监测功能的传感器，以实现采煤作业中对充填体进行应力和位移的实时监测。同时通过确定顶板岩层的离层测点，并匹配布置对应监测功能的检测仪器，通过监测顶板岩层分离时所产生的位移量，来判断顶板岩层离层发生的程度，从而结合各个测点的监测数据对采场范围内充填体及围岩耦合体系的稳定性进行综合研究分析，以确定当前采煤作业下无损采矿采空区内的充填效果是否稳定，进而保证了监测结果的准确性和可信度。