一种煤田地质探测与采动岩层移动监测的一孔两用方法

1.本发明属于矿山开采中的钻孔探测与监测领域，具体涉及一种煤田地质探测与采动岩层移动监测的一孔两用方法。


背景技术：

2.煤田地质探测是进行资源储量评估、矿井建设、采掘巷道布局和煤层开采前的必要工作，通常需要在煤田范围内，按照一定的间距施工垂直钻孔，用于把控地质条件及可能发生的异常地质变化，地质探测钻孔完成相应的探测任务后，通常会立即封孔、废弃。
3.矿山开采后上覆岩层或岩体的移动破坏是引起井下剧烈矿压、突水、地表塌陷等一系列矿井灾害与环境问题的根源。为了掌握岩层移动规律和解决由采动引起的一系列采动损害问题，开展采动之后上覆岩层移动监测是一项重要的基础性工作，常用方法是通过在地面施工垂直钻孔并在孔内安装监测仪器来实现。此类钻孔需要在已有煤田地质探测基础上，重新施工垂直钻孔，即以往的做法是将煤田地质探测和采动岩层移动监测分割开，存在重复施工钻孔、综合费用高的问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，提供一种煤田地质探测与采动岩层移动监测的一孔两用方法，在满足基本煤田地质探测目标之后，通过在孔内安装监测仪器，实现后续采动岩层移动监测，避免重复施工钻孔，降低钻孔综合成本，提高效益。
5.为实现上述目的，本发明的一种煤田地质探测与采动岩层移动监测的一孔两用方法，步骤如下：
6.a.在需要进行地质探测或补充勘探的区域地面，对照井下回采工作面的布置范围，在回采工作面范围内部对应地面施工煤田地质探测钻孔或补充探测钻孔，探测钻孔位置需要兼顾地质探测需要和工作面上覆岩层移动监测需要；
7.优选的，步骤a中，探测钻孔处于井下回采工作面两回采巷道范围内对应的地面，并以一定间距沿工作面长度方向布设。
8.b.根据地质探测需要的深度和最下部主采煤层的深度，确定探测钻孔最终深度h
z
；结合煤层由浅部向深部开采的特点，根据最浅部主采煤层埋深h
m
，确定探测钻孔中岩层移动监测点的最大深度h
c
，h
c
小于等于h
m
，一般h
c
略小于h
m
；探测钻孔内的岩层移动监测点均位于最上部主采煤层上方的岩层中；最上部主采煤层上方已经布置的岩层移动监测点，可继续监测后期深部主采煤层开采引起的上覆岩层移动信息；
9.c.根据探测钻孔最终深度h
z
确定探测钻孔孔径d
t
，最终深度h
z
小于600m，采用钻孔，深度大于600m，采用钻孔；根据岩层移动监测需要下设的岩层移动监测点数量n、监测线缆外径m以及中空注浆钻杆最大外径d确定岩层移动监测需要的钻孔直径d
c
，一般d
c
大于等于封孔所用中空注浆钻杆最大外径d乘以1.5倍后，加上岩层移动监测点数量总数量n乘以单个监测线缆外径m再乘以60％，即d
c
≥d
×
1.5+n
×
m
×
60％；比较d
t
与
d
c
的大小，选择较大者作为最终的钻孔直径；
10.优选的，在探测钻进施工过程中，每钻进50m进行一次钻孔偏斜纠正，控制探测钻孔每百米偏斜不大于1
°
。
11.d.按照设计终孔深度和钻孔直径施工探测钻孔并进行地质探测；地质探测之后，进行全孔段孔壁扫孔、孔底沉渣清理，用清水替换自孔底以上1/3孔深范围的护孔泥浆，确保各岩层移动监测点处的岩层移动监测仪器下放之前孔内通畅；
12.优选的，步骤d中，进行取芯、测井地质探测。
13.e.计算探测钻孔孔深h
z
与预计安装的最深处的岩层移动监测点深度h
c
之差h
d
，利用钻机将中空注浆钻杆下放到探测钻孔内部深度h
d
后，以该状态为新的起算点，利用中空注浆钻杆携带内含n个岩层移动监测仪器的监测线缆，利用钻机将中空注浆钻杆再下放h
c
深度，至中空注浆钻杆底端到达探测钻孔孔底，此时最深处的岩层移动监测仪器达到孔深h
c
处；
14.f.从探测钻孔孔底处开始，由下向上利用中空注浆钻杆进行水泥浆全孔封孔，直至水泥浆升到钻孔孔口，针对封孔水泥浆凝固后导致的下降进行孔口补浆，使封孔后的钻孔孔口浆面与地面齐平；之后将所有岩层移动监测仪器(岩层移动监测点)对应的监测线缆与地面数据采集系统连接，通过地面数据采集系统读取地下的n个岩层移动监测仪器(岩层移动监测点)反馈的信息，进行岩层移动监测。
15.优选的，步骤f中，封孔水泥浆由松散干水泥与水混合而成，松散干水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5r，水泥浆的水灰比为0.6:1。
16.优选的，步骤f中，封孔时，随中空注浆钻杆上提逐段向上封孔，中空注浆钻杆首先上提到孔底以上5m处开始利用水泥浆注浆封孔，封孔时中空注浆钻杆底端水泥浆出口不高于探测钻孔内水泥浆面，每段一次性封孔高度不大于100m。
17.优选的，根据回采工作面的开采时间，地质探测和煤层开采进行的岩层移动监测可以在较短的间隔期内先后实施，也可以间隔一段时间实施。
18.进一步的，地质探测与煤层开采进行的岩层移动监测间隔时间大于1年，可将监测线缆留置孔口并用箱体保护，待钻孔位置即将受到开采影响前1个月，启动岩层移动监测。
19.有益效果：本发明的一孔两用方法，仅施工一个钻孔即可满足煤田地质探测目标，同时通过在钻孔内安装岩层移动的监测仪器，实现后续工作面开采时岩层内部移动的监测。即本发明在设计和施工探测钻孔的时候兼顾后期可能开展的岩层移动监测，即将上述两个功能的钻孔合二为一，避免重复施工钻孔，降低钻孔综合成本，提高效益。
附图说明
20.图1是钻孔位置平面图；
21.图2是钻孔结构及实施过程示意图；
22.图中:1
‑
工作面；2
‑
工作面回采巷道之一；3
‑
工作面回采巷道之二；4
‑
地质探测钻孔/岩层移动监测钻孔；5
‑
中空注浆钻杆；6
‑
岩层移动监测点/岩层移动监测仪器；7
‑
监测线缆；8
‑
水泥浆；9
‑
地面数据采集系统。
具体实施方式
23.下面结合具体钻孔实例作进一步的描述：
24.一种煤田地质探测与采动岩层移动监测的一孔两用方法，步骤如下：
25.a.某矿需要开展煤田地质探测补充工作，施工地质探测钻孔4，如图1所示，地质探测钻孔位置选择时，根据后期该区域工作面1布置情况，在工作面1的两条回采巷道2、3(一般为回风巷道和运输巷道)之间对应地表施工地质探测钻孔4，并作为后期工作面开采过程中的岩层移动监测钻孔4，地质探测钻孔4以一定间距沿工作面长度方向布设；
26.b.所选择的地质探测钻孔位置，地层中主采煤层有3层，由浅至深分别为c1、c2、c3煤层，煤层底板埋深分别为500m、540m、700m，地质探测需要达到最深部c3煤层；首先开采c1煤层，地质探测钻孔深度h
z
一般要求穿过最深部煤层并到达其下部20m，即720m；对首先开采的c1煤层上部岩层进行岩层移动监测，则岩层移动监测钻孔深度h
m
为500m；
27.c.地质探测钻孔4深度超过600m，钻孔的直径需要达到91mm；岩层移动监测钻孔内部需要设置岩层移动监测点6的数量n为6个，监测线缆7的外径m为10mm，中空注浆钻杆5的最大外径d为50mm，则岩层移动监测钻孔需要的孔径d
c
≥d
×
1.5+n
×
m
×
60％＝111mm，大于91mm，则地质探测钻孔4直径d
t
最终选择111mm；
28.在地质探测钻孔4钻进施工过程中，每钻进50m进行一次钻孔偏斜纠正，控制地质探测钻孔每百米偏斜不大于1
°
。
29.d.地质探测钻孔4施工过程中进行取芯，施工完成之后(图2a)，进行测井等地质探测；然后进行全孔段孔壁扫孔、孔底沉渣清理，用清水替换自孔底以上240m范围的护孔泥浆，确保各岩层移动监测点处的岩层移动监测仪器下放之前孔内通畅；
30.e.计算得出地质探测钻孔深度h
z
与预计安装的最深处的岩层移动监测点深度h
c
之差h
d
为220m，利用钻机将中空注浆孔钻杆5下放到地质探测钻孔内部220m后(图2b)，以该状态为新的起算点，利用中空注浆钻杆5依次携带内含岩层移动监测仪器的监测线缆7(图2c)，利用钻机将中空注浆钻杆5再下放500m深度，使中空注浆钻杆5的底端到达地质探测钻孔孔底720m处，此时最深处的岩层移动监测仪器6达到孔深500m处(图2d)；
31.f.从地质探测钻孔孔底720m处开始，由下向上利用中空注浆钻杆5进行水泥浆8全孔封孔，直至水泥浆升到钻孔孔口，针对封孔水泥浆凝固后导致的下降进行孔口补浆，使封孔后的钻孔孔口浆面与地面齐平；封孔水泥浆由松散干水泥与水混合而成，松散干水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5r，水泥浆的水灰比为0.6:1。封孔时，随中空注浆钻杆上提逐段向上封孔，中空注浆钻杆5底端首先上提到孔底以上5m处开始利用水泥浆8注浆封孔，封孔时中空注浆钻杆5底端水泥浆出口不高于钻孔内水泥浆面，每段一次性封孔高度不大于100m(图2e)。封孔结束并凝固72小时后，将所有岩层移动监测线缆7与地面数据采集系统9连接(图2f)。通过地面数据采集系统9读取地下的n个岩层移动监测点反馈的信息，进行岩层移动监测。
32.如果地质探测钻孔的探测工作与实际煤层开采进行的岩层移动监测间隔时间大于1年，可将监测线缆7留置在钻孔孔口并用箱体保护，待钻孔位置即将受到开采影响前1个月，启动岩层移动监测工作。