基于分布式光纖的煤礦工作面采場上覆巖層運(yùn)動規(guī)律研究

文/焦紅光（淮北礦業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)管理部）

一、基本情況

工作面回采引起的上覆巖層沉降問題由來已久，不同的地質(zhì)條件下上覆巖層的沉降運(yùn)動規(guī)律也不盡相同[1]。淮北礦區(qū)某礦Ⅲ811綜放工作面位于礦井三水平東部，工作面東臨Ⅲ一邊界上山，西臨8煤工業(yè)廣場保安煤柱線，南至Ⅱ817工作面采空區(qū)及Ⅱ818工作面，北為Ⅲ813工作面。該面為該采區(qū)8煤首采面，回采區(qū)域內(nèi)下部10煤未回采；在距10煤頂板法距20～27m、平均法距23m，距9煤底板法距54～64m、平均法距59m開采了2.2m厚軟巖層，作為保護(hù)層開采，目前Ⅲ11軟巖面、Ⅲ13軟巖面已回采結(jié)束。本次研究采用的是基于自發(fā)布里淵散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)——布里淵光時(shí)域反射計(jì)（BOTDR），通過分布式傳感光纜感測煤層開采過程中覆巖的應(yīng)變狀態(tài)，分析覆巖變形和受力的動態(tài)變化過程及特征[2]，工作面布置示意圖見圖1。

圖1 工作面布置示意圖

二、光纖監(jiān)測方案

1.分布式光纖傳感測試技術(shù)

當(dāng)光纖注入一束激光，將會發(fā)生各種散射效應(yīng)，此類散射效應(yīng)與光纖的應(yīng)變、溫度等相關(guān)，其中布里淵散射光的中心頻率的平移量與光纖的應(yīng)變量線性相關(guān)，利用時(shí)域或頻域技術(shù)再實(shí)現(xiàn)光纖中每一點(diǎn)應(yīng)變的分布式測量，該技術(shù)稱為布里淵光時(shí)域/頻域反射技術(shù)[3]。BOTDR分布式光纖傳感測試技術(shù)是基于布里淵光時(shí)域分析技術(shù)原理，來實(shí)現(xiàn)被測物的變形監(jiān)測[4]。

布里淵散射同時(shí)受應(yīng)變和溫度的影響，當(dāng)光纖沿線的溫度發(fā)生變化或者存在軸向應(yīng)變時(shí)，光纖中的背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應(yīng)變和溫度的變化呈良好的線性關(guān)系，因此通過測量光纖中的背向自然布里淵散射光的頻率漂移量(VB)就可以得到光纖沿線溫度和應(yīng)變的分布信息[5]，BOTDR的應(yīng)變測量原理見圖2。

圖2 BOTDR應(yīng)變測量原理圖

2.光纜布置方案

本次監(jiān)測分1#孔、2#孔和3#孔3個(gè)鉆孔同時(shí)進(jìn)行，設(shè)計(jì)孔徑75mm，其中1#孔設(shè)計(jì)傾角14.9°，孔斜長104m；2#孔設(shè)計(jì)傾角24.2°，孔斜長76m；3#孔設(shè)計(jì)傾角30°，孔斜長65m。設(shè)計(jì)鉆孔方向?yàn)棰?3上覆巖層方向，使用分布式光纖對覆巖采動變形破壞進(jìn)行監(jiān)測。在Ⅲ11運(yùn)輸順槽機(jī)口位置后4.6m、5m、5.4m，下幫距底板2m處設(shè)計(jì)施工3個(gè)鉆孔，鉆孔空間示意圖見圖3。

圖3 鉆孔空間示意圖

三、光纖數(shù)據(jù)分析

1.1 #光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

1#監(jiān)測孔的傾角為14.9°，方位角(與巷道中軸線夾角，下同)為71°，孔長為97.6m，其孔口端部為2018年3月31日進(jìn)尺位置，停采時(shí)間為2018年7月5日。圖4為停采1～110天1#監(jiān)測孔傳感光纜的應(yīng)變分布曲線圖。

圖4 停采1～110天1#光纜應(yīng)變曲線

分析圖a中曲線可知，整條光纜呈拉應(yīng)變（定義拉應(yīng)變?yōu)檎担瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)值，下同）[6]，光纜在42m后（42m至孔底）應(yīng)變明顯增大，光纜在距孔口42m處應(yīng)變達(dá)到最大值1500με，且42m后應(yīng)變均大于500με，說明42m后的光纜均為受拉狀態(tài)，判斷此處巖層為亞關(guān)鍵層，上部巖層的應(yīng)力無法傳遞形成離層。圖b中25m、37m、49m處均出現(xiàn)拉應(yīng)變，42m處光纜應(yīng)變由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，說明亞關(guān)鍵層垮斷離層閉合。此時(shí)工作面覆巖沉降運(yùn)動尚未穩(wěn)定，光纜隨著覆巖的沉降運(yùn)動發(fā)生變形。從圖c可以看出光纜在22m（距頂板垂高5m）處破斷，該處巖層發(fā)生強(qiáng)烈運(yùn)動導(dǎo)致光纖破斷。圖d中光纜前22m應(yīng)變基本為0，說明停采71天后光纖不再發(fā)生大變形，上覆巖層基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 #光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

2#監(jiān)測孔的傾角為24.2°，方位角為79.6°，孔長為73.2m，其孔口端部為2018年4月30日進(jìn)尺位置，停采時(shí)間為2018年7月5日。圖5為停采后1～110天內(nèi)2#監(jiān)測孔傳感光纜的應(yīng)變分布曲線圖。

圖5 停采1～110天2#光纜應(yīng)變曲線

分析圖a曲線可以得出整條光纜應(yīng)變總體呈壓應(yīng)變，在不同孔深處光纜的應(yīng)變值是存在較大差異，在距孔口50m（距頂板垂高20.5m）左右應(yīng)變達(dá)到最大值－3200 με，在距孔口50m處上覆巖層處于壓實(shí)狀態(tài)，且變形較大處于變形初期。對比圖b、c可以看出拉應(yīng)變位置向孔口位置轉(zhuǎn)移，說明采空區(qū)覆巖沉陷范圍逐步擴(kuò)大。圖d為停采后71～110天應(yīng)變曲線，由此可以看出整條光纜應(yīng)變基本為0，說明光纜在停采71天后未發(fā)生大變形，上覆巖層沉陷運(yùn)動已完成，巖層整體處于壓實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 #光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

3#監(jiān)測孔的傾角為30°，方位角為67.8°，孔長為63m，其孔口端部為2018年5月30日進(jìn)尺位置，停采時(shí)間為2018年7月5日。圖6為停采1～110天內(nèi)3#監(jiān)測孔傳感光纜的應(yīng)變分布曲線。

圖6 停采1～110天3#光纜應(yīng)變曲線

由圖a可見光纜應(yīng)變在30m之后總體呈壓應(yīng)變，應(yīng)變值相對較小，最大壓應(yīng)變?yōu)椋?10με。表明3#孔位于變形擴(kuò)展區(qū)的邊緣，光纜整體變形且變形量較小，處于壓實(shí)狀態(tài)。由圖b、c可看出光纜在26m(距頂板垂高13m)處發(fā)生破斷，此處光纜受到下方巖層下沉運(yùn)動產(chǎn)生的拉力，致使光纜發(fā)生拉破斷。圖d中光纜應(yīng)變在0με上下波動（±500με），明顯小于停采初期應(yīng)變值，表明隨著巖層的不斷壓實(shí)，光纜的變形逐漸變小巖層逐步趨于穩(wěn)定，考慮到光纖測試的精確度可認(rèn)為在停采71至110天內(nèi)覆巖基本沒有發(fā)生變形，頂板巖層整體處于壓實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。

四、結(jié)論

利用分布式光纖傳感測試技術(shù)對回采結(jié)束后的上覆巖層的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測，得出以下結(jié)論：

（1）基于分布式光纖傳感測試技術(shù)，對頂板巖層結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明在距頂板垂高20.5m處存在亞關(guān)鍵層，且隨著巖層的沉陷亞關(guān)鍵層發(fā)生垮斷。

（2）工作面停采初期上覆巖層并未達(dá)到穩(wěn)定，隨著不斷的沉降運(yùn)動巖層逐步壓實(shí)，采空區(qū)上覆巖層沉陷范圍不斷擴(kuò)大。

（3）光纖的應(yīng)變隨著沉陷運(yùn)動的進(jìn)行逐漸減小并在停采71～110天內(nèi)趨于0，表明上覆巖層運(yùn)動處于穩(wěn)定狀態(tài)，位于垮落帶與裂隙帶邊緣處的光纖呈現(xiàn)出拉應(yīng)變，而位于垮落帶與裂隙帶內(nèi)的光纜則呈現(xiàn)出壓應(yīng)變且隨巖層整體運(yùn)動。