回采工作面异常区探查方法与流程

1.本发明涉及探测技术领域，尤其涉及一种回采工作面异常区探查方法。


背景技术：

2.煤矿开采前，需要根据三维地震资料分析，确定工作面切眼附近是否存在发育异常区。当存在发育异常区时，现有方法是在工作面回采前，采用地面+井下相结合、常规短钻孔+定向钻孔相结合的方式对其进行探查治理。公布号为cn102645674a的专利文献公开了一种工作面煤层采前立体探测方法，在煤层采前利用无线电波坑道透视技术、幅频电透视技术、直流电测深技术、瞬变电磁探测技术，对工作面内部、底板、顶板及外围等进行全面探测。现有方法在工作面回采期间，无法精确收集发育异常区的异常数据及水文动态变化情况，存在安全隐患。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够在工作面回采期间精确收集发育异常区的异常数据及水文动态变化情况的回采工作面异常区探查方法。
4.本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：回采工作面异常区探查方法，包括以下步骤：
5.步骤a，回采工作面贯通后，采用物探方法对回采工作面进行探查，确定待监测异常区，施工一组用于对待监测异常区进行注浆治理的定向钻孔；
6.步骤b，在注浆前选取定向钻孔进行瞬变电磁法探测；
7.步骤c，选取两个定向钻孔作为监测孔，先对两个监测孔进行注浆，两个监测孔注浆完成后，对其余定向钻孔进行注浆，利用两个监测孔对位于它们之间的定向钻孔的注浆过程进行孔间电阻率监测。
8.瞬变电磁法能够精细探测定向钻孔径向一定范围内的裂隙带，得到探测区域的水文地质特征，实现了井下隐蔽赋水区域的实时成像；孔间电阻率监测能够监测浆液的扩散和分布情况，从而推测定向钻孔附近的裂隙发育情况；该方法能够在工作面回采期间精确收集发育异常区的异常数据及水文动态变化情况，反馈及时，为工作面安全回采提供了依据。
9.作为优化的技术方案，所述回采工作面异常区探查方法还包括以下步骤：
10.步骤d，两个监测孔之间的定向钻孔的注浆过程中，采用直流电测深法对工作面底板进行探测；
11.步骤e，将步骤c和步骤d的探测结果进行综合分析。
12.多方法验证以防物探多解性影响探查结果，提高了探查结果的准确率。
13.作为优化的技术方案，步骤a中，对回采工作面的探查所采用的物探方法为槽波地震法与音频电透视法的结合，槽波地震法在工作面煤层中圈定异常区，音频电透视法在工作面底板下方圈定异常区，结合二者确定待监测异常区。
14.作为优化的技术方案，步骤b中的瞬变电磁法包括以下步骤：钻机通过钻杆将发射线圈和接收探头一同推送入定向钻孔中，逐点进行三分量测量，通过顺定向钻孔方向的分量z的二次场分析定向钻孔周围可能存在的低阻异常区，通过垂直于定向钻孔且相互正交的分量x和分量y的二次场分析低阻异常区相对于定向钻孔的空间方位，最终形成以定向钻孔为中心，在定向钻孔的径向一定距离范围内的圆柱探测区域。
15.作为优化的技术方案，步骤c中的孔间电阻率监测包括以下步骤：通过水力送线工艺分别两个监测孔送入孔中电极串，在孔外将两个电极串分别接入电阻率监测系统，对两个监测孔之间的区域进行进行不间断的音频电透视探测。
16.作为优化的技术方案，步骤c中，所有定向钻孔注浆完成后，继续对两个监测孔之间的区域进行孔间电阻率监测，直到工作面回采至钻场位置。
17.作为优化的技术方案，步骤c中的孔间电阻率监测采用伪随机信号作为激励源，并进行全波形数据采集，通过伪随机信号相关辨识处理方法，压制大型机电设备干扰，识别和提取有效监测信号。提高了数据采集系统的抗干扰能力和对微弱信号的检测能力。
18.作为优化的技术方案，步骤c中的孔间电阻率监测采用最小二乘法和小波分析技术对不同频率的电压信号进行数据预处理，根据电极接地电阻随时间变化的视电阻率响应特征，进行电法监测数据的一致性校正。提高了水文动态监测的时效性和准确性。
19.作为优化的技术方案，步骤c中的孔间电阻率监测应用拟高斯-牛顿法对预处理后的数据进行全空间三维电阻率反演，软件自动对反演结果进行二维切片、三维等值面提取和立体成像操作。实现了井下隐蔽赋水区域变化过程的实时动态成像。
20.作为优化的技术方案，步骤c中的孔间电阻率监测通过矿井电法三维数值模拟和三维电阻率反演计算，分析井下典型隐蔽赋水构造在发育变化过程中的电性异常响应规律，根据电压、视电阻率和反演模型的动态变化规律确定水害风险的分级判识标准，建立矿井水害风险多级预警机制。实现了回采工作面水害监测预警的自动化和智能化，为安全回采提供了技术保障。
21.本发明的优点在于：
22.1、瞬变电磁法能够精细探测定向钻孔径向一定范围内的裂隙带，得到探测区域的水文地质特征，实现了井下隐蔽赋水区域的实时成像；孔间电阻率监测能够监测浆液的扩散和分布情况，从而推测定向钻孔附近的裂隙发育情况；该方法能够在工作面回采期间精确收集发育异常区的异常数据及水文动态变化情况，反馈及时，为工作面安全回采提供了依据。
23.2、多方法验证以防物探多解性影响探查结果，提高了探查结果的准确率。
24.3、通过井下大型机电设备干扰压制及有效监测信号识别和提取技术，提高了数据采集系统的抗干扰能力和对微弱信号的检测能力。
25.4、通过矿井电法监测数据一致性校正技术，提高了水文动态监测的时效性和准确性。
26.5、通过全空间三维电阻率反演成像方法，实现了井下隐蔽赋水区域变化过程的实时动态成像。
27.6、通过建立矿井水害风险多级预警机制，实现了回采工作面水害监测预警的自动化和智能化，为安全回采提供了技术保障。
附图说明
28.图1是本发明实施例定向钻孔的施工布置示意图。
29.图2是本发明实施例瞬变电磁法探测过程的示意图。
30.图3是本发明实施例孔间电阻率监测过程的示意图。
31.图4是本发明实施例第一次孔间电阻率监测的成果报告示意图。
32.图5是本发明实施例第二次孔间电阻率监测的成果报告示意图。
33.图6是本发明实施例第三次孔间电阻率监测的成果报告示意图。
34.图7是本发明实施例第四次孔间电阻率监测的成果报告示意图。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明实施例公开一种回采工作面异常区探查方法，包括以下步骤：
37.步骤a，如图1所示，回采工作面贯通后，采用槽波地震法与音频电透视法的结合对工作面煤层和工作面底板进行探查；槽波地震法在工作面煤层中共圈定9处异常区和4条断层，音频电透视法在工作面底板下方0～80m范围共圈定3处异常区，其中槽波地震法所圈定的一号异常区位于工作面切眼附近，且与音频电透视法所圈定的二号异常区位置重合，确定其为待监测异常区y6；为消除安全隐患，确保工作面安全回采，以运顺的六号调车硐室为钻场，施工一组用于对待监测异常区y6进行注浆治理的定向钻孔，包括1#孔、1-1#孔、3#孔、3-1#孔、3-2#孔、4#孔。
38.步骤b，在注浆前选取1#孔、4#孔和3-2#孔进行瞬变电磁法探测，瞬变电磁法能够精细探测定向钻孔径向20m范围内的裂隙带，得到探测区域的水文地质特征，实现了井下隐蔽赋水区域的实时成像；如图2所示，瞬变电磁法包括以下步骤：钻机1通过钻杆2将发射线圈和接收探头一同推送入定向钻孔中，逐点进行三分量测量，通过顺定向钻孔方向的分量z的二次场分析定向钻孔周围可能存在的低阻异常区，通过垂直于定向钻孔且相互正交的分量x和分量y(分量x垂直于定向钻孔向右，分量y垂直于定向钻孔向下)的二次场分析低阻异常区相对于定向钻孔的空间方位，最终形成以定向钻孔为中心，在定向钻孔的径向一定距离范围内的圆柱探测区域。
39.步骤c，选取1#孔和4#孔作为监测孔，先对1#孔和4#孔进行注浆，1#孔和4#孔注浆完成并扫孔后，对1-1#孔、3#孔、3-1#孔和3-2#孔进行注浆，利用1#孔和4#孔对3#孔、3-1#孔和3-2#孔的注浆过程进行孔间电阻率监测，监测浆液的扩散和分布情况，从而推测定向钻孔附近的裂隙发育情况；所有定向钻孔注浆结束后，继续对1#孔和4#孔之间的区域进行孔间电阻率监测，直到工作面回采至钻场位置，监测工作面回采期间待监测异常区y6的电性动态变化过程，预警垂向裂隙发育，掩护工作面安全回采；如图3所示，孔间电阻率监测包括以下步骤：通过水力送线工艺分别向两个监测孔送入电极串3，在孔外将两个电极串3分别接入电阻率监测系统4，对两个监测孔之间的区域进行进行不间断的音频电透视探测；鉴于待监测异常区y6在常规音频电透视探测成果中也有反应，且电阻率监测系统4可以对孔间
区域进行不间断探测，便于监测、分析浆液运移过程，因此孔间音频电透视技术适合本次探查工作；本发明实施例采用道间距20m的孔内电极串以及西安煤科院自主研发的zdj11电阻率监测系统。
40.孔间电阻率监测包括以下技术：
41.(1)井下大型机电设备干扰压制及有效监测信号识别和提取技术：采用伪随机信号作为激励源，并进行全波形数据采集，通过伪随机信号相关辨识处理方法，压制井下大型机电设备干扰，识别和提取有效监测信号，提高了数据采集系统的抗干扰能力和对微弱信号的检测能力。
42.(2)矿井电法监测数据一致性校正技术：采用最小二乘法和小波分析技术对不同频率的电压信号进行数据预处理，根据电极接地电阻随时间变化的视电阻率响应特征，进行电法监测数据的一致性校正，提高了水文动态监测的时效性和准确性。
43.(3)全空间三维电阻率反演成像方法：应用拟高斯-牛顿法对预处理后的数据进行全空间三维电阻率反演，软件自动对反演结果进行二维切片、三维等值面提取和立体成像等可视化操作，实现了井下隐蔽赋水区域变化过程的实时动态成像。
44.(4)建立矿井水害风险多级预警机制：通过矿井电法三维数值模拟和三维电阻率反演计算，分析井下典型隐蔽赋水构造在发育变化过程中的电性异常响应规律，根据电压、视电阻率和反演模型的动态变化规律确定水害风险的分级判识标准，建立矿井水害风险多级预警机制，实现了回采工作面水害监测预警的自动化和智能化，为安全回采提供了技术保障。
45.步骤d，3#孔、3-1#孔和3-2#孔的注浆过程中，采用直流电测深法对工作面底板进行探测。
46.步骤e，将步骤c和步骤d的探测结果进行综合分析，多方法验证以防物探多解性影响探查结果，提高了探查结果的准确率。
47.孔间电阻率监测过程中，探测区域的背景电阻率分布及变化情况会受到断层、注浆、岩石应力变化等因素影响，具体影响因素需通过具体时间段分析来确定，如图4至图7所示，选取2021年3月3日、3月4日6时、3月4日21时30分和3月5日0时30分的四次孔间电阻率监测的xy平面-35米切片成果报告进行分析说明：
48.(1)3月3日和3月4日探测区域内电阻率值变化较小，未发现明显低阻异常区，3月5日探测区域内电阻率值发现明显变化，发现位于回采工作面的运顺往回顺方向70～120m区间的一号低阻异常区5，受4#孔位置限制实际低阻异常区的范围可能会更大；一号低阻异常区5从3月4日6时左右电阻率值开始出现变化，到3月4日21时30分左右该区域幅值及范围逐渐变大，3月5日0时30分左右该区域幅值及范围进一步扩大。
49.(2)经观测回采工作面出水量无变化，推测一号低阻异常区5可能为受到工作面初次来压影响所引起，顶板垮落带范围变大。
50.(3)观测回采工作面在一号低阻异常区5顶板和底板情况，发现异常立即采取相应措施。
51.(4)按照上述方法持续监测分析回采工作面顶板和底板岩层裂隙动态发育过程，暂时仅在3月5日发现回采线6附近发育一处相对低阻区域，计划持续监测至回采180m。
52.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例
对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。