基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法

本发明涉及矿山安全防治，具体涉及一种基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法。

背景技术：

1、随着煤层工作面开采的不断推进，上覆岩层破坏在时空上发生转移，其影响范围将从直接顶逐渐向上不断发展直至地表，从而引发一系列的环境与安全问题。煤炭开采引起的采动损害问题都与覆岩运动有关，研究采动过程中覆岩变形规律是解决此类问题的关键。由于开采工作面的覆岩内部结构条件变化复杂，无法在研究过程中将上覆所有岩层完整体现，因此主要研究对煤层开采后起主要影响的一些坚硬岩层，即所谓的关键层。

2、煤层工作面开采不同阶段，会造成覆岩内部不同层位的岩层出现不同程度的变形。煤层开采上覆岩层变形角的常规测试方法主要是通过井下仰斜钻孔进行观测分析，该类方法所监测的岩层高度范围有限。本方法通过在开采煤层上方的地面布置垂直监测钻孔，钻孔深度直至煤层底板包含全地层覆岩，在监测钻孔内部布设用以监测覆岩变形的分布式光缆。通过地面监测钻孔的覆岩内部变形原位监测，以期掌握覆岩内部主要坚硬岩层(关键层)的变形规律。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法，包括如下步骤：

4、s1在未开采的煤层上方选择适当位置，通常选择预计开采工作面的中部施工垂直监测钻孔，钻孔除了在表土层(深度为tm)内加保护套管，进入基岩段后为裸孔不加套管；

5、s2当监测钻孔钻进到预计开采的煤层底板后停止施工(深度为hm)，施工结束时钻孔应该超前工作面一定距离l0 m，以免钻孔内部受到采动超前影响；

6、s3监测钻孔施工结束后进行测井，根据测井资料得到全地层覆岩内部各个岩层的分布情况；

7、s4监测钻孔测井结束后，在钻孔内部布置分布式光缆测线，测线深度与钻孔深度一致，测线布置后采用水泥浆对整个钻孔进行封孔，以保证光缆测线与钻孔围岩耦合；

8、s5当煤层开采后，随着监测钻孔与工作面的相对距离变化，监测钻孔内部的光缆会受到不同程度的采动影响而产生压缩或拉伸变形，当受到的压缩或拉伸变形逐渐增大，分布式光缆测线会在不同层位出现变形破断；

9、s6、通过监测得到不同层位岩层的变形破断高度hi m、破断时工作面与钻孔的相对距离lim，按照公式βi＝arctanhi/li进行计算便可得到全地层覆岩内部各个岩层的变形角。

10、进一步地，本发明中的步骤s2的具体过程如下：

11、s2.1参考监测钻孔附近的地质勘查钻孔信息，得到勘查钻孔所在位置的煤层底板深度＝地面标高-底板标高及其煤层厚度，假设地表不存在大的地表形态变化，监测钻孔深度hm和煤层厚度h0m与地质勘查钻孔的煤层底板深度与煤层厚度会比较接近，这对于覆岩中存在多个煤层时，有助于判断监测钻孔施工时是否钻进到所需监测的煤层层位；

12、s2.2施工结束时钻孔应该超前工作面距离不小于l0m，结合地表沉陷可得到岩层移动边界角δ°，而表土层(深度为tm)的移动角通常取固定值45°，按照边界角计算公式则可得到距离l0＝[t+(h-h0)/tanδ°]m。

13、进一步地，本发明中的步骤s4的具体过程如下：

14、s4.1监测钻孔钻进至煤层底板(深度为hm)后结束，经过测井得到全部覆岩柱状信息后，考虑到煤层开采的安全因素，钻孔底部会先进行封孔至煤层顶板上方；

15、s4.2在钻孔内部布置分布式光缆测线，测线深度与最终的监测钻孔深度一般不超过(h-h0)m；

16、s4.3分布式光缆测线利用注浆钻杆从监测钻孔孔口逐步下放至孔底，然后开始注浆，钻杆逐渐往孔口提升，直至全部钻杆提出并且孔口返浆，封孔结束。

17、进一步地，本发明中的步骤s6的具体过程如下：

18、s6.1工作面推过监测钻孔后发生光缆变形破断，变形破断曲线中的第一个破断台阶高度h1 m还可判断为该工作面的垮落带高度；

19、s6.2通过监测可以得到不同岩层的变形破断高度hi m、破断时工作面与监测钻孔的相对距离lim，其中li对应的位置是该破断高度hi所处台阶的结束位置，按照公式βi＝arctanhi/li进行计算便可得到全地层覆岩内部各个岩层的变形角。

20、需要说明的是，本发明中的监测钻孔在工作面前方时发生的光缆变形破断则认为采动超前变形影响导致的，不在本发明的方法的计算范围之内。

21、需要进一步说明的是，随着本发明的工作面推过监测钻孔的距离逐渐增大，覆岩内部变形受到的采动影响也逐渐减弱，对应的光缆变形也逐渐稳定，直至变形破断高度hnm不再增大，可认为岩层运动达到了稳定状态，并且此高度也可认为是工作面开采对上覆岩层会产生影响的最大临界高度hmaxm，此高度及其以上的岩层变形角不再计算。

22、需要进一步说明的是，本发明中的光缆变形破断曲线中各个台阶高度对应的岩层可认为是覆岩中的关键层。

23、本发明的有益效果在于：

24、1、本发明方法监测的是全地层覆岩范围而非局部覆岩，较仰斜孔监测的范围更全面。

25、2、本发明方法能够得到上覆岩层的垮落带高度以及各岩层的变形角，同时还能够原位判断得出覆岩中的坚硬岩层(关键层)层位以及确定采动对上覆岩层会产生影响的最大临界高度。

26、3、本发明判别方法简单，能够很好解释煤层开采不同阶段的覆岩内部变形规律，从而为现场的灾害治理提供重要数据支撑。

技术特征：

1.基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法，其特征在于，所述步骤s2包括：

3.根据权利要求1所述的基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法，其特征在于，所述步骤s4包括：

4.根据权利要求1所述的基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法，其特征在于，所述步骤s6包括：

5.根据权利要求4所述的基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法，其特征在于，当监测钻孔在工作面前方时发生的光缆变形破断则认为采动超前变形影响导致的，不在计算范围之内。

6.根据权利要求4所述的基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法，其特征在于，当随着工作面推过监测钻孔的距离逐渐增大，覆岩内部变形受到的采动影响也逐渐减弱，对应的光缆变形也逐渐稳定，直至变形破断高度hn m不再增大，可认为岩层运动达到了稳定状态，并且此高度也可认为是工作面开采对上覆岩层会产生影响的最大临界高度hmax m，此高度及其以上的岩层变形角不再计算。

7.根据权利要求4所述的基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法，其特征在于，光缆变形破断曲线中各个台阶高度对应的岩层可认为是覆岩中的关键层。

技术总结本发明公开了一种基于全地层覆岩内部变形的岩层变形角原位测试方法。煤层开采后上覆岩层变形角的常规测试方法主要是通过井下仰斜钻孔进行观测分析，该类方法所监测的岩层高度范围有限。本方法通过在开采煤层上方的地面布置垂直监测钻孔，钻孔深度直至煤层底板包含全地层覆岩，在钻孔内部布设用以监测覆岩变形的分布式光缆。当煤层开采后，监测钻孔内部的光缆会因受到采动影响而发生变形直至破断。通过监测可以得到不同层位岩层(关键层)的变形破断高度h<subgt;i</subgt;、破断时工作面与钻孔的相对距离L<subgt;i</subgt;，按照公式β<subgt;i</subgt;＝arctanh<subgt;i</subgt;/L<subgt;i</subgt;进行计算便可得到全地层覆岩内部各个岩层(关键层)的变形角。技术研发人员：谢建林,王晓振,朱卫兵,许家林受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9