劉偉韜，宋文成，穆殿瑞，趙吉園

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底板采動破壞帶分段觀測系統(tǒng)與應用

劉偉韜1, 2，宋文成1，穆殿瑞1，趙吉園1

(1. 山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東青島，266590；2. 山東科技大學礦山災害預防控制國家重點實驗室(培育)，山東青島，266590)

針對工作面開采后底板采動破壞帶探測難題，為掌握開采引起的底板巖層破壞規(guī)律，確保承壓水上安全開采，自主研發(fā)底板采動破壞帶分段觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括測漏?封堵一體化子系統(tǒng)、供給?測定子系統(tǒng)和推進子系統(tǒng)等，采用的測試探頭最大外徑為78 mm，每次推進最大有效測量長度為4 500 mm，設計封堵工作壓力為2.5~2.6 MPa，測漏工作壓力為0.1 MPa。該系統(tǒng)具有如下特點：1) 測漏系統(tǒng)和封堵系統(tǒng)融合，可利用同一外界水源進行封堵和觀測工作，實現(xiàn)封堵測漏一體化，減少鉆孔內(nèi)管道數(shù)量為1根，解決了鉆桿繞線問題；2) 設計壓力轉(zhuǎn)換端子，實現(xiàn)封堵高壓水源向觀測低壓水源轉(zhuǎn)換，保證封堵過程和觀測過程在各自壓力下工作；3) 采用多探測單元觀測，實現(xiàn)一次封堵多段測量，與雙端封堵測漏裝置相比，可減少2/3工作量。用華豐煤礦41501工作面底板采動破壞帶現(xiàn)場實測對該系統(tǒng)的準確性和可靠性進行驗證，并與理論預計和數(shù)值模擬結(jié)果相對比。研究結(jié)果表明：理論預計值為16.89~20.65 m，數(shù)值模擬結(jié)果為15 m，而現(xiàn)場實測深度為15.49 m，系統(tǒng)測量結(jié)果是準確的，且測試過程未發(fā)生鉆桿繞線現(xiàn)象。底板采動破壞帶分段觀測系統(tǒng)的研制和應用，豐富了底板巖層采動破壞范圍現(xiàn)場觀測手段，對于承壓水上安全開采，預防底板突水具有重要的實用價值。

采動破壞帶；分段觀測；一體化系統(tǒng)；測試探頭；經(jīng)驗公式；現(xiàn)場實測

煤層回采后，底板巖層受礦壓作用發(fā)生變形破壞，形成與上覆巖層類似的3個破壞帶，稱之為“下三帶”。根據(jù)破壞程度和裂隙導水性由上至下依次為：底板導水破壞帶、完整巖層帶和承壓水導升帶[1]。探測和研究底板破壞深度，不僅可以反映采動造成的底板破壞裂隙特性，而且能為承壓水上安全開采提供基礎(chǔ)資料，對于礦井突水災害的預防、合理留設保護煤柱以及煤礦開采安全性評價具有重要意義。國內(nèi)學者先后采用理論分析、相似材料模擬、數(shù)值分析和現(xiàn)場實測對底板采動破壞深度及礦井突水問題進行深入研究，取得了豐碩成果。在理論方面，李白英等[2?3]提出了“下三帶”理論，并對其進行系統(tǒng)性的總結(jié)、發(fā)展和應用，在礦井底板水防治方面發(fā)揮了重要作用。黎良杰等[4?5]根據(jù)KS關(guān)鍵層理論，對礦井底板突水機理進行了探討分析。王作宇等[6?7]根據(jù)原位張裂與零位破壞理論和薄板理論，分別推衍了巖水耦合的礦井底板突水機制和底板完整巖層極限阻抗水能力公式，提出了相應的安全防范措施。在相似材料模擬方面，姜耀東等[8]以峰峰礦區(qū)九龍礦高承壓水上底板巖層作為研究背景，采用自行設計的底板模擬裝置，對底板破壞規(guī)律進行了相似材料模擬。李振華等[9]采用相似模擬試驗，對底板斷層在采動影響下的活化機理進行相應研究。在數(shù)值分析方面，劉偉韜等[10?12]針對礦井底板開采破壞深度的主要控制因素、底板斷層滯后突水及底板破壞深度力學分析等課題進行了相應的數(shù)值模擬。尹尚先等[13]運用FLAC3D模擬分析了工作面在不同推進過程中底板陷落柱突水機理。在現(xiàn)場實測方面，劉偉韜 等[14]運用“雙端封堵測漏裝置”對王樓煤礦11301工作面底板破壞深度進行現(xiàn)場實測。朱術(shù)云等[15]運用應變實測系統(tǒng)進行現(xiàn)場實測，研究“三軟”煤層底板破壞深度和工作面前方受采動影響范圍。之后也有學者采用微震監(jiān)測技術(shù)[16?17]和聲波CT技術(shù)[18?19]開展了底板破壞深度探測研究。綜上所述，礦井底板破壞深度研究從理論分析、數(shù)值模擬、相似材料試驗及現(xiàn)場實測等多方面廣泛開展，研究手段多樣，研究內(nèi)容具體。相比之下，現(xiàn)場實測結(jié)果最為可靠。以“雙端封堵測漏裝置”為代表的現(xiàn)場實測方法具有精確度高、操作簡便等優(yōu)勢。然而，在實際操作中，雙端封堵測漏裝置采用探測、封堵雙獨立系統(tǒng)，其內(nèi)置于鉆孔中的2根軟管時常發(fā)生纏繞鉆桿現(xiàn)象，降低了觀測過程的穩(wěn)定性和工作效率，進而影響測量精度。另外，由于井下空間和水頭壓力誤差的限制，上述系統(tǒng)每次推進觀測長度僅為1 m，而鉆孔觀測段長度為50~70 m，勢必會造成測試探頭推動次數(shù)過多、操作人員勞動強度過大等影響。本文作者以華豐煤礦為工程背景，運用自行研制的分段觀測系統(tǒng)對該礦41501工作面底板采動破壞深度進行了現(xiàn)場實測，實現(xiàn)了一次封堵多段測量，成倍地減少了測試探頭推動次數(shù)和觀測工作量，提高了觀測效率和穩(wěn)定性，解決了鉆桿繞線問題。

1 底板分段觀測系統(tǒng)設計

底板采動破壞帶分段觀測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要由3大子系統(tǒng)組成(圖1)，分別是測漏?封堵一體化子系統(tǒng)、供給?測定子系統(tǒng)和推進子系統(tǒng)。

1.1 測漏?封堵一體化子系統(tǒng)

測漏?封堵一體化子系統(tǒng)為底板采動破壞帶分段觀測系統(tǒng)的核心，其主體由測試探頭組成(圖2)，包括數(shù)個依次連接的探測單元。每個探測單元由封堵端子、壓力轉(zhuǎn)換端子和連通管組成。測漏?封堵一體化子系統(tǒng)分別解決了同一水源測漏封堵、一次封堵多段測量及一體化過程中由高壓封堵水源(約2.5 MPa)向低壓觀測水源(約0.1 MPa)壓力轉(zhuǎn)換等多個問題。

1—測漏?封堵一體化子系統(tǒng)；2—供給測定子系統(tǒng)；3—推進子系統(tǒng)。

1—前部封堵端子；2—中部封堵端子；3—后部封堵端子；4—壓力轉(zhuǎn)換端子；5—連接管。

封堵端子有前部封堵端子、中部封堵端子及尾部封堵端子3種(圖3)，分別位于測試探頭的前、中、后部。前部封堵端子由Ⅰ型管狀接頭、漏水管、Ⅱ型管狀接頭和封堵膠囊組成；中部封堵端子包括Ⅱ型管狀接頭、漏水管、Ⅲ型管狀接頭和封堵膠囊；尾部封堵端子包括Ⅲ型管狀接頭、漏水管和封堵膠囊。封堵膠囊包繞于漏水管外側(cè)，并固定在相應管狀接頭外緣?？紤]到制造裝配與維修更換，管狀接頭與漏水管配套螺紋連接。封堵端子在外界水介質(zhì)作用下起脹封堵膠囊，密封鉆孔，其正常工作壓力范圍為2~3 MPa，根據(jù)實測經(jīng)驗，起脹壓力一般取2.5 MPa。

壓力轉(zhuǎn)換端子由卡槽接頭和水壓轉(zhuǎn)換器組成(圖4)，其左、右兩端與連通管及前、中部封堵端子呈螺紋連接。所述每個卡槽接頭與4個水壓轉(zhuǎn)換器對應配套且呈螺紋連接，封堵端子內(nèi)高壓水源(約2.5 MPa)經(jīng)壓力轉(zhuǎn)換端子向鉆孔低壓觀測水源(約0.1 MPa)轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)同一水源既可封堵、測漏，又可在各自壓力下工作。

(a) 前部封堵端子；(b) 中部封堵端子；(c) 尾部封堵端子

1—卡槽接頭；2—水壓轉(zhuǎn)換器。

連接管連通各封堵端子、壓力轉(zhuǎn)換端子，并向其提供2.5 MPa高壓水源。

1.2 供給?測定子系統(tǒng)

供給?測定子系統(tǒng)由注水操作臺、高壓軟管、壓力表、流量計、卸載閥及總開關(guān)組成。注水操作臺連接高壓供水水源，通過高壓軟管向測試探頭提供固定壓力的水源；壓力表控制供水壓力，流量計記錄注水量。系統(tǒng)量測靈敏度為0.01 L/min，精確度為±5%。

1.3 推進子系統(tǒng)

推進子系統(tǒng)包括鉆機和鉆桿，其主要作用是在測試探頭卸水后，推動其到達下一觀測孔段。鉆桿兼具有延長測試探頭和供水雙重作用。

2 系統(tǒng)功能特性

2.1 測漏封堵一體化

測漏封堵一體化是該系統(tǒng)的特色之一。一體化設計旨在將測漏系統(tǒng)和封堵系統(tǒng)融合，使其利用同一水源進行封堵和觀測工作。與雙端封堵測漏裝置相比，上述設計將操作系統(tǒng)由2個減少至1個，鉆孔內(nèi)管道的數(shù)量由2根減少至1根，不僅簡化了操作步驟，減少了操作人數(shù)，而且解決了鉆桿繞線問題，提高了系統(tǒng)觀測過程的穩(wěn)定性。

2.2 高低水壓轉(zhuǎn)換

高低水壓轉(zhuǎn)換特性實現(xiàn)了系統(tǒng)一體化過程中同一水源由膠囊起脹高壓水向鉆孔觀測低壓水的轉(zhuǎn)化過程，保證了封堵過程和觀測過程在各自需求的壓力下工作。

當鉆孔內(nèi)低壓水對活塞左側(cè)面的作用力F左與彈簧對活塞的作用力F彈的合力小于封堵膠囊內(nèi)高壓水對活塞右側(cè)面的作用力F右，即P左S左+＜P右S右(為彈簧彈性系數(shù)，為活塞移動量)時，活塞向左移動，伸出卡槽接頭，其左端導水孔與圍巖鉆孔連通，水由封堵膠囊流向鉆孔，對鉆孔內(nèi)水源進行補充。此時，水壓轉(zhuǎn)換器呈開啟狀態(tài)(圖5)。

圖5 水壓轉(zhuǎn)換器開啟狀態(tài)

當鉆孔內(nèi)低壓水對活塞左側(cè)面的作用力F左與彈簧對活塞的作用力F彈的合力大于封堵膠囊內(nèi)高壓水對活塞右側(cè)面的作用力F右，即P左S左+＞P右S右(為彈簧彈性系數(shù)，為活塞移動量)時，活塞向右移動，其左端導水孔被卡槽接頭封堵，與圍巖鉆孔不連通，封堵膠囊內(nèi)的水停止流向鉆孔。此時，水壓轉(zhuǎn)換器呈關(guān)閉狀態(tài)(圖6)。

不同探測單元水壓力轉(zhuǎn)換器中活塞左右端面S左與S右的比值不同，由尾部探測單元向前部探測單元逐漸減少。左右端面比值不同使得不同探測單元水壓力轉(zhuǎn)換器開啟壓力不同，且開啟壓力由尾部探測單元向前部探測單元逐漸升高。為降低活塞左右端面比值，提高靈敏度，系統(tǒng)加入彈簧進行調(diào)節(jié)。

圖6 水壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉狀態(tài)

2.3 一次封堵多段測量

測量過程高效性是該系統(tǒng)的重要特性，測試探頭每推進一次，可進行多探測單元觀測。

鉆孔多段測量不僅可成倍減少測試探頭移動次數(shù)和操作人員勞動強度，而且有助于避免因工作量大或測試探頭移動過于頻繁而造成的測量精度降低問題。與雙端封堵測漏裝置相比，該系統(tǒng)可降低至少2/3的工作量。

2.4 測試過程

運用該系統(tǒng)在進行現(xiàn)場測試時，一般組合3段探測單元，觀測水壓設定為0.1 MPa，初始封堵水壓為2.0 MPa，3個水壓轉(zhuǎn)換器開啟壓力依次為2.50，2.55和2.60 MPa。

觀測時向測試探頭注水使封堵膠囊初始封堵水壓達到2.0 MPa，后緩慢增加水壓至2.50 MPa，停止注水增壓，并保持此壓力1~2 min，記錄此段時間內(nèi)的平均注水量1。繼續(xù)注水加壓至2.55 MPa時，停止注水增壓，觀測記錄平均注水量2。將水壓增加至2.60 MPa時，停止注水增壓，觀測記錄平均注水量3。卸壓后，推進測試探頭至下一觀測區(qū)域，重復上述過程。

各探測單元平均注水量計算結(jié)果見表1。

表1 各段平均注水量計算結(jié)果

3 理論預計與數(shù)值模擬

3.1 工程背景

華豐煤礦41501工作面開采15煤層，位于二號井四采區(qū)下部，開采平均深度為450 m，煤層平均傾角為30°，工作面走向長度為1 200 m，傾斜長度為150 m，煤層厚度為0.38~2.40 m，平均可采厚度為1.5 m，直接頂為細砂巖，直接底為中砂巖，采用走向長壁全部垮落法管理頂板。工作面范圍內(nèi)沒有大的斷層和構(gòu)造，煤層頂?shù)装鍘r層及厚度如圖7所示。

圖7 巖層綜合柱狀圖

3.2 理論預計

根據(jù)“建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程”中的經(jīng)驗公式[20]：

若只考慮工作面傾斜長度，則底板采動導水破壞帶深度預計公式為

式中：為壁式工作面斜長，m。

若考慮采深、傾角和工作面斜長，則底板采動導水破壞帶深度預計公式為

式中：1為底板采動導水破壞帶深度，m；為開采深度，m；為煤層傾角，(°)；為壁式工作面斜 長，m。

由式(1)和(2)可以得出底板采動導水破壞帶深度范圍為16.89~20.65 m?？紤]到開采安全性，底板采動破壞深度理論預計值取最大值20.65 m。

3.3 數(shù)值模擬

根據(jù)華豐煤礦研究區(qū)域的開采地質(zhì)條件、巖層綜合柱狀，構(gòu)建41501工作面開采地質(zhì)模型(圖8)。

圖8 41501工作面開采地質(zhì)模型

模型長度為260 m，寬度為300 m，高度為280 m；模型前后邊界和左右邊界施加水平方向約束，上部邊界巖層簡化為10 MPa均布載荷，底部邊界施加全約束；取工作面走向長度為200 m，傾斜長度為150 m，煤層開挖高度為1.5 m，沿走向每步開挖10 m?？紤]到邊界效應，工作面開切眼和停采線留設煤柱距模型的左、右邊界分別為75 m；巷道保護煤柱距模型前、后邊界分別為50 m。

根據(jù)實驗室完成的巖石力學參數(shù)測試，模型中各巖層物理力學參數(shù)見表2。

隨著工作面回采，底板巖體受到采動影響，應力重新分布，發(fā)生變形破壞，形成底板導水破壞帶。當工作面推進200 m時，沿煤層傾斜方向受采動影響的底板塑性區(qū)范圍及其最大主應力見圖9和圖10。

圖9 開采200 m時底板塑性區(qū)范圍

表2 巖層組物理力學性質(zhì)計算指標

模擬結(jié)果表明，最大主應力變化趨勢與底板塑性區(qū)破壞深度的變化趨勢大體一致。

底板破壞深度隨工作面推進不斷增加(圖11)，當工作面推進至90 m時，底板破壞深度為15 m。隨著工作面繼續(xù)推進，最大破壞深度不再增加，呈一條與底板近似平行的直線。因此，根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬所得到的底板采動破壞深度為15 m。

圖10 開采200 m時底板最大主應力云圖

圖11 底板破壞深度變化

4 工程應用

4.1 觀測方案設計

根據(jù)工作面巷道條件，在41501下平巷下部煤柱附近施工觀測巷道并布設觀測剖面。采前鉆孔用于觀測未受采動影響的煤層底板巖層的原始裂隙狀態(tài)，以做采后觀測對比的基礎(chǔ)；采后觀測孔用于測試底板巖層采動破壞帶的最大發(fā)育深度。為此設計鉆孔施工要素及要求見表3，觀測鉆孔布置剖面見圖12。

表3 鉆孔施工要素

4.2 觀測步驟

采用底板采動破壞帶分段觀測系統(tǒng)對41501工作面底板采動破壞深度進行觀測。測漏?封堵一體化探測系統(tǒng)采用3段式(3個探測單元)，每段探測長度為1.5 m，即每次推進觀測距離為4.5 m。其具體操作步驟如下：

圖12 鉆孔施工布置剖面示意圖

1) 施工鉆孔。在41501下平巷附近的觀測硐室按照施工要素施工采前觀測孔，待采前孔測試結(jié)束后，工作面推過觀測剖面時再施工采后觀測孔。

2) 安裝系統(tǒng)。清理鉆孔雜物，依據(jù)鉆孔長度，選擇適合段數(shù)的探測單元并安裝，利用鉆機將探測系統(tǒng)推送至預定位置。

3) 封堵鉆孔。待探測系統(tǒng)到達指定位置后，利用壓力水源起脹封堵膠囊，對測試段鉆孔進行封堵，檢測鉆孔封堵效果。

4) 鉆孔測試。鉆孔封堵合格后，向探測系統(tǒng)內(nèi)注入工作壓力水源，待第1探測單元封堵膠囊內(nèi)水壓達到預期壓力后，保持壓力1~2 min，計算并記錄該時間段內(nèi)的平均注水量1。然后，依次階梯增壓，記錄相應平均注水量2和3。

5) 卸荷推進。測試完畢，卸載封堵膠囊，利用鉆機推進探測系統(tǒng)至下一觀測孔段，重復步驟3)~5)，對鉆孔觀測范圍內(nèi)依次順序測試。

4.3 實測結(jié)果

根據(jù)采前、采后3個鉆孔的實測數(shù)據(jù)，通過對鉆孔注水漏失量隨鉆孔深度變化規(guī)律的對比分析，繪制出底板鉆孔注水漏失量觀測成果圖(圖13)。

1) 1號孔采前觀測成果表明，在孔深3 m附近，出現(xiàn)明顯漏水狀態(tài)，漏水量為1.2 L/min，這是因為在施工鉆孔時，孔口淺部圍巖受到破壞，形成松動圈。在孔深9~13 m和17~21 m，漏水量明顯升高，分別為1.6~2.0 L/min和0.6~0.8 L/min，根據(jù)漏失量和底板巖層分析，可能是局部原生裂隙發(fā)育或巷道掘進影響造成的。在孔深39 m和50 m，漏水量約1.4 L/min，其他孔段漏水量趨近于0 L/min，說明深部巖層基本處于連續(xù)完整狀態(tài)，裂隙不發(fā)育。

(a) 采前1號鉆孔；(b) 采后1號鉆孔；(c) 采后2號鉆孔；(d) 采后3號鉆孔

2) 由于1號鉆孔保持完好，現(xiàn)場測試時利用1號鉆孔做為采后孔再次進行了觀測。數(shù)據(jù)表明，1號孔采后注水漏失量均有所增加，在孔口淺部圍巖的漏水量由1.2 L/min增至1.8 L/min。原淺部原生裂隙發(fā)育，漏水量增加，由1.6 L/min增至2.3 L/min。受采動影響，原有裂隙進一步擴展形成新裂隙，在孔深21~33 m，漏水量達2.2 L/min。更深部孔段雖出現(xiàn)零星漏水現(xiàn)象，但總體保持完整。

因此，采后1號孔以孔深33 m為實測底板破壞深度邊界，按照鉆孔傾角2°計算，底板破壞深度垂深為15.49 m。

3) 采后2號孔觀測結(jié)果表明：鉆孔20~30 m孔段均有0.8~1.8 L/min不等的漏水量，對比1號采前孔注水漏失量情況，說明該段為新增裂隙。在孔深30 m以遠，僅有個別離散漏水點，不視為連通裂隙發(fā)育區(qū)。

因此，采后2號孔以孔深30 m為實測底板破壞深度邊界，按照鉆孔傾角9°計算，底板破壞深度垂深為10.75 m。

4) 由于3號鉆孔與工作面底板垂直距離最近，受到采動的影響最為強烈。從鉆孔漏水量可以看出，在孔深45 m之內(nèi)，漏失量均大大增加，平均漏水量達1.8 L/min，內(nèi)部裂隙完全貫通。在孔深45 m以遠，漏失量趨近于0 L/min。

因此，采后3號孔以孔深45 m為實測底板破壞深度邊界，按照鉆孔傾角16°計算，底板破壞深度垂深為10.89 m。

綜合分析認為，實測41501工作面底板最大破壞深度為15.49 m。

4.4 測試結(jié)果綜合對比分析

根據(jù)現(xiàn)場工作面開采條件，運用經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測等手段，分別獲取了底板采動破壞深度理論預計值為16.89~20.65 m，數(shù)值模擬結(jié)果為15 m，而現(xiàn)場實測深度為15.49 m。對比不同方法手段的優(yōu)缺點及具體結(jié)果(見表4)，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，經(jīng)驗公式偏于保守而且考慮影響因素有限，預計值偏大。綜合分析認為，工作面底板采動破壞深度為15.49 m，結(jié)果是準確可信的。

表4 方法與結(jié)果對比分析

5 結(jié)論

1) 底板采動破壞帶分段觀測系統(tǒng)主要包括測漏?封堵一體化子系統(tǒng)、供給?測定子系統(tǒng)和推進子系統(tǒng)，簡化了傳統(tǒng)設備，實現(xiàn)了測漏系統(tǒng)與封堵系統(tǒng)一體化和多段連續(xù)準確測量。

2) 以華豐煤礦41501工作面開采條件為工程背景，先后采用經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法計算測試了底板采動破壞深度。運用底板采動破壞帶分段觀測系統(tǒng)完成的現(xiàn)場實測結(jié)果是準確可信的，完全能夠滿足指導現(xiàn)場生產(chǎn)的需要。

3) 該系統(tǒng)采用三段式測量，每次推進觀測長度為4.5 m，而普通注水觀測系統(tǒng)每次觀測長度為1.5 m。與之相比，該系統(tǒng)測試探頭移動次數(shù)及觀測工作量可減少2/3，現(xiàn)場測試驗證了系統(tǒng)測量過程的高效性。

4) 該系統(tǒng)設計了高低水壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可利用同一水源同時實現(xiàn)封堵和觀測過程(即測漏?封堵一體化)，使得鉆孔內(nèi)只保留1根供水管路，有效避免了鉆桿繞線現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5) 底板采動破壞帶分段觀測系統(tǒng)的研制和應用，豐富了底板巖層現(xiàn)場觀測手段，對于承壓水上安全開采，預防底板突水具有重要的實用價值和廣泛的推廣應用前景。

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(編輯 楊幼平)

Section observation system on floor mining damage zone and its application

LIU Weitao1, 2, SONG Wencheng1, MU Dianrui1, ZHAO Jiyuan1

(1. School of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2. State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

On the issue of the floor failure depth detection after working face mining, a section observation system on floor mining damage zone was developed to master the law of the floor rock failure caused by mining and to ensure safety of mining above the confined water. The structure, function and operation steps of the section observation system were introduced. This system mainly includes the leak-seal integration section, the supply and measurement section and the propulsion section. The maximum outer diameter of the test probe used is 78 mm, and its maximum effective measurement length for each propulsion is 4 500 mm. The sealing pressure and leak pressure designed in working condition are respectively 2.5~2.6 MPa and 0.1 MPa. This system has the following characteristics: 1) The fusion of the system in leak section and plugging section can use the same external water source to make the sealing and observation work being completed, to achieve the integration of the function in sealing and leak detection, to reduce the number of pipes in the borehole to one and to solve the problem of winding the drill pipe; 2) The pressure converting terminal designed can realize the conversion of the blocking high pressure water source to the observation low pressure water source, which ensures that the plugging process and the observation process operate under respective pressures; 3) Compared with the double side seal-leak device of drilling, multiple observation units are adopted to realize multi section measurement with single plugging and can reduce the workload by 2/3. The accuracy and reliability of the system were verified by field measurement of the detection of the floor failure depth in the 41501 working face of Huafeng coal mine. By comparing the theoretical prediction and numerical simulation results, the results show that the theoretical predicted depth is 16.89?20.65 m, and the numerical simulated result is 15 m, and the measured depth in the section observation system is 15.49 m. The measurement results of the system are accurate. In the test process, there is no drill pipe winding phenomenon. The development and application of the section observation system on floor mining damage zone could enrich the field observation methods of the floor failure depth detection. For safe mining on confined water, it is of important practical value to prevent water inrush from floor.

mining damage zone; section observation; integrated system; test probe; empirical formula; field measurement

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.034

TD166

A

1672?7207(2017)10?2808?09

2016?10?26；

修回日期：2017?01?06

國家自然科學基金資助項目(51274135)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2015AA016404-4)；國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0804108)(Project(51274135) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015AA016404-4) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China; Project(2017YFC0804108) supported by the State Key Research and Development Program of China)

劉偉韜，教授，博士生導師，從事巖石力學、礦井水災害防治等研究；E-mail：skdlwt@126.com