一种基于岩层移动地面钻孔监测的能量主控关键层确定方法

本发明涉及一种基于岩层移动地面钻孔监测的能量主控关键层确定方法，属于煤矿岩层移动监测与矿山灾害防治。

背景技术：

1、煤层开采将引起一系列的矿山灾害，如工作面突水、采场强矿压、地表沉陷及工作面瓦斯超限等问题，而采动引起的上覆岩层运移和裂隙发育是导致这一系列灾害问题的根本原因。在岩体运动中起主要控制作用的岩层称为关键层，其具有承载能力强、弹性模量高的特点，特别是在煤层开采过程中，某几层关键层将在采场高位岩层形成大面积的悬顶，并在采动应力下积聚大量的弹性能；而随着覆岩运移垮落，这部分关键层积聚的大量弹性能，将在短时间内释放，造成上覆岩层的剧烈运动和采动裂隙的大范围扩展，从而诱发一系列矿山灾害。因此，从矿山灾害防治的角度，将这部分关键层称为能量主控关键层，如何准确判别覆岩中能量主控关键层的层位，是进行采动引起的一系列矿山灾害防治工作的关键和基础工作。

2、现有专利一种覆岩“三带”探测和岩层移动监测的一孔两用方法(cn111456723a)、覆岩移动监测和离层水疏放的地面双孔联合防突水方法(cn113685132a)、一种煤田地质探测与采动岩层移动监测的一孔两用方法(cn113482600a)、煤层开采覆岩内部移动与裂隙分布的单孔同步监测方法(cn113622907a)等，公开了采用岩层移动地面监测钻孔技术探测采动覆岩运移规律的方法，该方法主要是在地面钻孔内布置位移传感器，并通过钻孔封孔材料与岩层进行锚固，利用位移传感器与所锚固岩层的同步运动，将岩层运动信息实时反馈至孔口的位移监测装置上，从而获取各测点所锚固岩层的移动规律，但当前监测钻孔的封孔材料均以水泥浆为主，并未考虑不同层位岩层运移规律及地貌特征对岩层移动监测封孔质量的影响，从而导致现场实验时，深部测点与所锚固岩层粘结不牢固，岩层移动监测数据失真；同时，信息传输电缆在浅埋岩层大水平位移下被剪断，致使监测信息传输中断，且在浅部基岩风化破碎地带，封孔材料漏失严重；而且当前专利方案主要是对岩层移动规律的客观描述，缺少从数据分析的角度判别能量主控关键层的方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于岩层移动地面钻孔监测的能量主控关键层确定方法，采用深部测点膨胀锚固与浅部测点柔性封闭相结合的岩层移动地面监测钻孔分段封孔方法，显著提高封孔质量，精准获取岩层移动地面钻孔监测数据；同时，基于获取的钻孔监测数据，从数据分析的角度确定能量主控关键层层位，从而为采动矿山灾害防治提供科学、精准的指导，保障矿井安全生产。

2、为了实现上述目的，本发明采用的一种基于岩层移动地面钻孔监测的能量主控关键层确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、s1、编录地层柱状图，确定基岩风化破碎区域、关键层位置及垮落带发育高度；

4、s2、基于岩层移动的关键层理论，建立覆岩分区模型，估算各区运动规律；

5、s3、基于封孔材料性质，并根据覆岩位移特征，选取封孔材料配比，对钻孔深部测点进行膨胀锚固、钻孔浅部测点进行柔性封闭；

6、s4、基于获取的钻孔监测数据，绘制测点下沉量、测点运动速度与工作面至钻孔距离关系图，基于各图和关键层位置，确定能量主控关键层位置。

7、作为改进的，所述步骤s1中的地层柱状图是在地面钻孔施工过程中，通过钻孔取岩心、岩心物理力学测试并结合钻井测井结果编录而成。

8、作为改进的，所述步骤s1中，通过岩心物理力学性质判断基岩风化破碎区域：当岩心破碎，裂隙发育，钻孔取心率低于75％，则视为风化破碎区域，所述关键层位置采用kspb软件进行判别。

9、作为改进的，所述步骤s1中的垮落带发育高度通过下式计算：

10、

11、式中，hm为垮落带高度，m为煤层采高，θ为煤层倾角，kp为碎胀系数。

12、作为改进的，所述步骤s2中，覆岩分区模型是将相邻两关键层间的软岩层及下位关键层划分为一个区域，将垮落带单独划分为一个区域，将风化破碎区单独划分为一个区域。

13、作为改进的，所述步骤s2中，各区运动规律包括覆岩垂直位移和水平位移；

14、其中，覆岩垂直位移采用下式计算：

15、

16、覆岩水平位移采用下式计算：

17、

18、式中，s(x',zi)为覆岩垂直位移，u(x',zi)为覆岩水平位移，x'、zi为预测位置坐标，ri为影响半径，smax(zi)为最大下沉量，w为工作面宽度，di为覆岩拐点偏移距，x为预测位置距工作面左侧边缘距离；

19、其中，最大下沉量smax(zi)采用下式计算：smax(zi)＝m×ai；

20、式中，m为开采煤层厚度，ai为沉陷系数；

21、所述沉陷系数ai利用下式计算：ai＝163.156(zi+561.680)-0.857；

22、所述影响半径ri采用下式计算：

23、式中，hi为覆岩各层厚度，ei为覆岩各层的弹性模量，qi为覆岩载荷，根据覆岩关键层位置，覆岩载荷qi可由下式计算：

24、

25、式中，e为弹性模量，γi为体积力；

26、所述覆岩拐点偏移距di采用下式计算：

27、

28、作为改进的，所述步骤s3中，采用的封孔材料包括水泥浆、石膏和膨润土，所述水泥浆中水灰比为0.7～1.1，石膏掺量为封孔材料总质量的0～11％，膨润土掺量为封孔材料总质量的0％～11％。

29、作为改进的，所述步骤s3中，以水灰比、石膏掺量、膨润土掺量作为正交实验的三个主要因素并划分五个水平进行相互搭配实验，以流动性、凝结时间、触变性、拉伸粘结强度作为实验的考察指标，分析各因素对封孔材料物理力学性质的影响；

30、在覆岩垂向位移大的区域，选择拉伸粘结强度大的配比材料，在水平位移大及风化破碎的区域选择触变性好的配比材料。

31、作为改进的，所述步骤s4中确定能量主控关键层位置的步骤为：

32、首先，寻找相对位移最小的测点，并对应该测点所在的关键层位置，该层位与其它测点相比相对位移最小，此时其将与下伏岩层产生离层，形成大面积的悬顶，且在上覆岩层的载荷下，该关键层将积聚大量的弹性能；

33、然后，寻找相对位移最大的测点，并对应该测点所在的关键层位置；

34、随后，对该测点所对应的运动速度进行分析，找到该测点运动速度突变区，即急剧位移区；并分析该测点所对应关键层位置急剧位移时，其下部各测点所对应关键层位置是否发生同步位移，若发生同步位移，则表明该测点所对应关键层位置是控制覆岩强动载发生的位置。

35、最后，依据岩层破断距计算方法判断相对位移最大的测点所在关键层是否发生破断，若未发生破断，则表明该测点急剧位移缘于上覆相对位移最小的测点所对应关键层卸荷回弹或破裂产生的能量释放对下覆低位岩层的下压作用，由此可判定上覆相对位移最小的测点所对应关键层即为能量主控关键层。

36、与现有技术相比，本发明的一种基于岩层移动地面钻孔监测的能量主控关键层确定方法，采用深部测点膨胀锚固与浅部测点柔性封闭相结合的岩层移动地面监测钻孔分段封孔方法，可有效解决地面钻孔深部测点传感器与其孔周岩层锚固不牢固导致的岩层移动监测数据失真，及浅部岩层水平移动剪断地面钻孔内的位移传输线缆所导致的信息传输中断问题，还可避免封孔材料渗漏，提高地面监测钻孔的封孔质量，从而实现岩层移动钻孔监测数据的精准获取，而后，通过分析获取的岩层移动监测数据，确定能量主控关键层的岩层位置，从而为采动矿山灾害防治提供科学、精准的指导，保障矿井安全生产。