[发明专利]一种井工开采工作面动态裂缝的监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，特别涉及风沙区井工开采工作面前端动态裂缝的监测方法。

背景技术

风沙区的主体矿区具有独特的土壤理化性质，比如中国神东地区，由于沙漠化及潜在的沙漠化，使得风沙区土壤颗粒组成较粗、疏松无结构、储水保肥能力差，一遇水流，沙层上赋存的薄表土层，迅速崩解，土粒容易分散。另外，土壤的理化性质与暴雨、大风等恶劣的气候因素相互作为，引发严重的土壤侵蚀。这些条件和因素最终导致矿区生态环境十分脆弱。

相关研究表明，煤炭开采导致该类型的部分区域内景观破碎度加大，水井干涸，地下水位下降，中心水位下降程度可达2-3m，土壤含水量下降，植被覆盖度减小，水土流失加重。而该区域高强度开采对土地的影响规律和机理、土地损伤(如地裂缝)的时空变化规律以及随之而导致的地表水的变化、土地损伤哪些是暂时的哪些是永久的、土地的自修复能力如何等关键问题没有进行系统研究，从而最终导致无法对该区域扰动后生态环境的修复措施的选择提供科学的决策依据。

地表裂缝的生命周期是指其在地表存在的从产生到完全闭合的全过程。对于该过程的监测，是研究该区域采煤扰动前后土壤孔隙度、土壤养分、土壤含水量的时空演变规律的前提和基础，是研究该区域土地损伤机理重要组成部分。

目前，相关研究主要是针对地裂缝产生的机理、地裂缝分布规律，地裂缝几何信息的理论研究，部分文献涉及到地裂缝监测的内容：

王金庄利用土体压缩理论，定性分析了裂缝宽度的函数模型，指出在相同条件下，裂缝d与间距L之比与地表水平变形存在线性关系(请给出对应王金庄的参考文献，谢谢)；吴侃通过提出了开采引起的地表任意点动态应变分量的计算方法.将地表点的变形同地表土的力学性质结合起来，提出了地表裂缝分布规律动态计算模型，并指出裂缝在地表上显示时间大致等于T＝2B/v，其中B为回采工作面上方裂缝区宽度，v为工作面平均推进速度(吴侃，胡振琪，常江，葛家新.开采引起的地表裂缝分布规律中国矿业大学学报，1997，26(2)：56～59)；李晓等采用自主研发的IGG-1机械式裂缝观测计，对金川二矿区10余条地裂缝的几何信息进行了不同时段的监测并进行了数据分析，得到了裂缝具有明显的三维特征，并对其成因进行了相应的剖析(李晓，路世豹，廖秋林，杜国栋.充填法开采引起的地裂缝分布特征与现场监测分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25(7)：1361～1369)；姚娟根据任意两点之间的空间信息的变化情况，建立了裂缝宽度和变形计算的数学模型，指出裂缝宽度和变形是反映裂缝变化的一个重要指标(姚娟，徐工，开采引起的地表裂缝规律研究[J].山东理工大学学报(自然科学版)，2009，23(6)：105～108)；李亮、吴侃等利用三维激光扫描的方法，获取塌陷地裂缝区地表特征的云数据，各点距起点的距离和下沉值以(x，y)的形式输入MATLAB中，对这些离散点进行插值，形成平滑的待分析曲线L，利用四种小波进行小波分析，与其实际观测数据符合，可用于提取裂缝分布规律(李亮，吴侃，陈冉丽，张舒.小波分析在开采沉陷区地表裂缝信息提取的应用[J].测绘科学，2010，35(1)：165～167)。

然而，上述研究多以整体裂缝作为研究对象，着重体现在裂缝的分布规律，部分对裂缝的监测研究，裂缝最初监测时间较严重滞后于裂缝出现的时间，获取的数据也不能完全包含裂缝最初状态的信息，监测频率不规范，不适合神东矿区现代化开采造成裂缝在地表显示特征的快速变化。

总体来说，对于裂缝从产生时的最初状态到表征在地表上完全或者基本消失所经历的阶段、过程，特别是对于薄基岩风沙区工作面前端裂缝的生命周期的监测还没有开展没有进行相应研究，该过程中裂缝对土地生态环境的研究也就无从谈起。

风沙区工作面前端裂缝生命周期的监测方法的难题在于：

1)观测对象的辨别与选取难度很大：薄基岩风沙区地表被松散层覆盖，冲刷层以上的土壤构成主要是黄沙，且流动性较大，加之大风、雨水天气对于小区域内地貌重塑的影响较大，地表裂缝最初产生阶段在地表上的表征相对较弱，其特征辨别和选取相对于其他类型区域非常困难，从而对地裂缝产生时最初状态的数据以及最终裂缝生命周期的获取造成了很大的影响；

2)裂缝几何信息的获取难度较大：风沙区地表流动沙层的存在，裂缝两侧的土壤过砂、质地松散，裂缝在开裂、闭合等发育过程中，裂缝壁的部分土壤容易出现塌落现象，给裂缝宽度数据的获取带来了很大的困难，不确定的偶然误差引入粗差，无法取得预期的效果，最终也无法获得前端裂缝的生命周期。

发明内容