基于分布式光纖監(jiān)測的煤礦地下水庫層間覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律研究

李雪佳，池明波，吳寶楊，鞠志勇

(1.國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭技術(shù)研究院，陜西省榆林市，719315；2.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市昌平區(qū)，102200；3.國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209)

神東礦區(qū)位于我國西部，是我國主要能源基地之一，但當(dāng)?shù)厮Y源匱乏，高強(qiáng)度的煤炭開發(fā)加速礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，使本就匱乏的地下水資源發(fā)生更嚴(yán)重的破壞[1-2]。顧大釗院士提出的煤礦地下水庫技術(shù)不但保護(hù)了礦區(qū)內(nèi)的水資源，還為神東礦區(qū)提供了穩(wěn)定的水資源，特別是分布式煤礦地下水庫是解決西部礦區(qū)水資源短缺的有效途徑之一。分布式煤礦地下水庫建設(shè)的原則是在上下2個(gè)煤層內(nèi)分別建設(shè)煤礦地下水庫，因此上下煤層間采動裂隙發(fā)育影響是煤礦地下水庫安全性的核心[3-4]。研究多煤層開采作用下覆巖裂隙發(fā)育特征是評估分布式煤礦地下水庫建設(shè)的關(guān)鍵因素。

前人通過相似模擬、數(shù)值模擬等手段，在采動裂隙發(fā)育方面開展了大量試驗(yàn)研究，為煤礦安全生產(chǎn)及水資源保護(hù)提供了支撐。大量研究表明，采動裂隙是誘發(fā)水資源破壞的根本原因之一，因此覆巖裂隙也是影響分布式煤礦地下水庫安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。相似模擬試驗(yàn)是研究覆巖及層間裂隙發(fā)育規(guī)律的可靠方法之一，是指導(dǎo)現(xiàn)場工程實(shí)踐的重要研究手段，合理的監(jiān)測手段是影響試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)，相似模擬過程中合理的監(jiān)測方法可以得到較為準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。以往試驗(yàn)過程中傳統(tǒng)的監(jiān)測方法只能對巖層單一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，采用的監(jiān)測設(shè)備大多為壓力盒，由于尺寸效應(yīng)和監(jiān)測范圍的影響，試驗(yàn)結(jié)果會有一定的誤差，而利用分布式光纖監(jiān)測方法可以對巖層水平區(qū)域內(nèi)一條線范圍內(nèi)裂隙發(fā)育進(jìn)行監(jiān)測[5-6]。因此，筆者利用分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，通過相似模擬試驗(yàn)，分析煤層間裂隙發(fā)育狀態(tài)及規(guī)律，為分布式煤礦地下水庫安全運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐。

1 試驗(yàn)工程背景

2 試驗(yàn)?zāi)康暮筒贾梅桨?/h2>

為了研究2-2和3-1煤層間覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，傳統(tǒng)的方法只能做到局部點(diǎn)監(jiān)測，本次試驗(yàn)采用Φ0.9 mm高傳遞緊包應(yīng)變感測光纖進(jìn)行監(jiān)測，利用光纖分布式的特點(diǎn)能監(jiān)測一整條線的煤層間覆巖的應(yīng)變，進(jìn)而分析其裂隙發(fā)育規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與模型

試驗(yàn)采用OSI-C超高精度分布式光纖傳感設(shè)備，該設(shè)備基于光頻域反射(OFDR)技術(shù)，傳感精度為1.0 με，空間分辨率可在50 m和100 m傳感范圍內(nèi)分別達(dá)到1 mm和10 mm，廣泛應(yīng)用于高分辨率、高精度傳感領(lǐng)域[7]。此次試驗(yàn)采用Φ0.9 mm高傳遞緊包應(yīng)變感測光纖監(jiān)測模擬煤巖層變形。

2.2 分布式光纖布置方案

1號和2號應(yīng)變感測光纖沿相似模型橫向方向平行布設(shè)在2-2煤層和3-1煤層之間的巖層當(dāng)中，單根光纖的長度均為210 cm。1號光纖距3-1煤層頂板9 cm，2號光纖距2-2煤層底板25 cm。2根光纖起點(diǎn)和終點(diǎn)分別在相似模型兩側(cè)，相距32 cm，光纖整體布置方案如圖1所示。

圖1 相似模型分布式光纖布置方案

布置光纖前應(yīng)記錄光纖各節(jié)點(diǎn)的位置，以便使光纖與各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)對應(yīng)。每次開采和加載后，通過OFDR分布式光纖解調(diào)儀記錄并分析光纖各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。應(yīng)變數(shù)據(jù)為正值[8]，表示正應(yīng)變(拉應(yīng)變)，代表光纖受到了拉長；應(yīng)變數(shù)據(jù)為負(fù)值，表示負(fù)應(yīng)變(壓應(yīng)變)，代表光纖被縮短。

3 層間巖層應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 2-2煤層開采巖層應(yīng)變監(jiān)測

相似模型鋪設(shè)完成后，實(shí)際模型如圖2所示，本設(shè)備共設(shè)計(jì)了7個(gè)加載油缸，圖中數(shù)字對應(yīng)相應(yīng)油缸號。

圖2 實(shí)際相似模型

3.1.1 巷道和工作面開采后豎向加載過程中巖層應(yīng)變監(jiān)測

1號光纖布設(shè)在3-1煤層上方9 cm處，可監(jiān)測3-1煤層上方9 cm的巖層變化情況。分別開挖巷道1、巷道2和工作面1，完成后進(jìn)行中間3、4、5號油缸垂向加壓至上覆巖層斷裂。中間豎直加載1號光纖應(yīng)變情況如圖3所示，圖中灰、藍(lán)、橙色線表示不同監(jiān)測時(shí)間監(jiān)測到的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

由圖3可知，中間油缸加載后應(yīng)變在沿光纖長度方向的0～61 cm和166～207 cm范圍內(nèi)為正值，光纖受拉應(yīng)變，61～166 cm范圍內(nèi)為負(fù)值，光纖受壓應(yīng)變。且隨著時(shí)間增長，光纖的正應(yīng)變和負(fù)應(yīng)變區(qū)域數(shù)值增大，兩端正應(yīng)變的最大值增大至210 με和290 με，中間負(fù)應(yīng)變的值增大至-100 με附近。

圖3 中間豎直加載1號光纖應(yīng)變情況

1號光纖所監(jiān)測的巖層的變化與光纖的應(yīng)變變化相對應(yīng)。沿1號光纖長度方向0～61 cm和166～207 cm范圍內(nèi)的光纖受到了拉伸，可以分析出這部分的巖層由于中間油缸的加壓產(chǎn)生了整體擴(kuò)張；而61～166 cm范圍內(nèi)的光纖均受到不同程度的縮短，可以推出這部分的巖層受到整體壓縮呈現(xiàn)緊實(shí)的現(xiàn)象。且由于沒有小范圍內(nèi)的局部正應(yīng)變突變，可以認(rèn)為沒有局部位置處的巖層分離，巖層內(nèi)暫時(shí)沒有裂縫的產(chǎn)生。

3.1.2 右側(cè)油缸豎向加載過程中巖層應(yīng)變監(jiān)測

中間油缸豎向加壓至上覆巖層斷裂后，右側(cè)6、7號油缸按位移加壓直到煤柱破壞，1號光纖各點(diǎn)應(yīng)變情況如圖4所示。

圖4 右側(cè)豎直加載1號光纖應(yīng)變情況

右側(cè)油缸加載后，沿1號光纖長度方向166～207 m范圍內(nèi)的光纖所受正應(yīng)變最高值上升至5 661 με，光纖所受的拉伸逐步增加。100～166 m范圍內(nèi)的負(fù)應(yīng)變上升至-2 000 με，光纖所受的壓縮也逐步增加，但是增加的幅度不及光纖拉伸的幅度。

分析可知，隨著右側(cè)6、7號油缸的加壓，1號光纖166～207 cm范圍內(nèi)巖層整體擴(kuò)張的程度加劇。100～166 cm處的巖層整體受壓縮程度也在逐步上升。

3.1.3 左側(cè)油缸豎向加載過程中巖層應(yīng)變監(jiān)測

右側(cè)油缸按位移加壓直到煤柱破壞后，左側(cè)1、2號油缸開始加壓至4 500 kg，右側(cè)保持在4 500 kg，1號光纖各點(diǎn)應(yīng)變情況如圖5所示。

圖5 左側(cè)豎直加載1號光纖應(yīng)變情況

左側(cè)油缸加載后，沿光纖長度的0～55 cm范圍內(nèi)光纖正應(yīng)變逐漸提高，最大值增至4 511 με；55～100 cm范圍內(nèi)光纖的負(fù)應(yīng)變逐漸提高，最大值可達(dá)-2 500 με。光纖起點(diǎn)處的正應(yīng)變提升最為明顯，可能受起點(diǎn)處光纖埋置固定影響，由于加壓導(dǎo)致拉伸而造成的正應(yīng)變。右側(cè)100～210 cm處的光纖應(yīng)變隨時(shí)間推移幾乎沒有變化。

隨著左側(cè)1、2號油缸的加壓，0～55 cm范圍內(nèi)光纖附近的巖層發(fā)生整體擴(kuò)張， 55～100 cm范圍內(nèi)光纖附近的巖層整體壓縮。

3.2 3-1煤層開采后水平加載巖層應(yīng)變監(jiān)測

分別開挖3-1煤層工作面2和工作面3，完成后進(jìn)行8、9號油缸水平側(cè)向加壓，直至煤柱失穩(wěn)破壞。

水平加壓前將1號光纖的狀態(tài)設(shè)為初始狀態(tài)，初始狀態(tài)各點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?。1號光纖各點(diǎn)應(yīng)變所對應(yīng)的巖層變化如圖6所示。沿1號光纖長度方向25 cm處有局部正應(yīng)變突變，正應(yīng)變達(dá)113 με，光纖受到局部拉伸；42～100 cm范圍內(nèi)光纖整體有正應(yīng)變，光纖受到整體拉伸，正應(yīng)變最高達(dá)535 με；113 cm處有局部負(fù)應(yīng)變，最高達(dá)-898 με，光纖受到局部壓縮；170～210 cm范圍內(nèi)光纖整體有負(fù)應(yīng)變，光纖受到整體壓縮，負(fù)應(yīng)變最高達(dá)-200 με。

圖6 水平加載1號光纖應(yīng)變

由于局部正應(yīng)變突變，25 cm處光纖附近巖層可能出現(xiàn)裂縫，而42～100 cm范圍內(nèi)巖層呈現(xiàn)整體向外擴(kuò)張，113 cm處巷道3上方巖層局部向巷道中間收縮，170～210 cm處巖層整體壓縮。

2號光纖埋置在距3-1煤層上方41 cm處，用于監(jiān)測3-1煤層上方41 cm的巖層變化。水平加載前2號光纖的初始狀態(tài)也設(shè)置為0，2號光纖各點(diǎn)應(yīng)變?nèi)鐖D7所示。沿2號光纖長度方向82 cm處出現(xiàn)40 με微小的局部正應(yīng)變，136 cm處光纖出現(xiàn)613 με較大的局部正應(yīng)變，70、126、148、168 cm處都出現(xiàn)了不同程度的負(fù)應(yīng)變。

圖7 水平加載2號光纖應(yīng)變

分析可知，沿2號光纖長度方向82 cm和136 cm處附近的巖層可能出現(xiàn)裂縫，70、126、148、168 cm處巖層出現(xiàn)不同程度的收縮。

3.3 破壞性加載過程巖層應(yīng)變監(jiān)測

所有豎直油缸進(jìn)行破壞性加壓，迫使工作面2和工作面3塌陷。

1號光纖各點(diǎn)加載破壞特征如圖8所示，沿長度方向48～84 cm處光纖的應(yīng)變?yōu)檩^為均勻的正應(yīng)變，光纖受到較為均勻的拉伸，在1 600 με左右；沿長度方向84～130 cm處光纖的應(yīng)變?yōu)榇蠓秶呢?fù)應(yīng)變，光纖受到整體壓縮，最大在-1 650 με左右。164 cm處光纖的應(yīng)變?yōu)榫植空龖?yīng)變，呈現(xiàn)尖峰狀，最高值達(dá)4 021 με。光纖在164 cm附近受到兩側(cè)巖層的拉伸。隨時(shí)間的累計(jì)應(yīng)變逐漸增大，隨后光纖的應(yīng)變急劇上升。

圖8 破壞性加載1號光纖應(yīng)變

分析可知，在豎直破壞性加載下，48～84 cm范圍內(nèi)光纖附近的巖層整體擴(kuò)張，84～130 cm范圍內(nèi)光纖附近的巖層整體壓縮，164 cm處的巖層可能出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫急劇擴(kuò)大。

在豎直破壞性加載下，2號光纖各點(diǎn)應(yīng)變?nèi)鐖D9所示，相比于水平加載下的應(yīng)變，沿2號光纖長度方向82 cm處的微小局部正應(yīng)變已經(jīng)上升至2 491 με，136 cm處的局部正應(yīng)變已經(jīng)上升至4 213 με，70、168 cm處的負(fù)應(yīng)變增加的幅度較大，126 cm處和148 cm處有較小的負(fù)應(yīng)變。

圖9 破壞性加載2號光纖應(yīng)變

分析可知，沿2號光纖長度方向82、136 cm處附近巖層的裂縫逐漸擴(kuò)大，70、168 cm處的巖層收縮幅度較大，126、148 cm處有微小的巖層壓縮。

通過以上分析可知，煤層開采過程中，隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂隙逐漸向上部發(fā)展，在2個(gè)工作面間形成采動裂隙，光纖監(jiān)測結(jié)果顯示，光纖應(yīng)變變化特征可以較好地反應(yīng)出裂隙發(fā)育特征，并在相應(yīng)的位置推測出裂隙發(fā)育高度等基本信息。

4 層間巖層應(yīng)變監(jiān)測圖像化分析

4.1 2-2煤層開采巖層應(yīng)變圖像化分析

2-2煤層巷道1、巷道2和工作面1完成開采后，油缸豎向加載過程中，1號光纖處在工作面下方的巖層當(dāng)中，巖層變化如圖10所示，巖層并無較大的移動，監(jiān)測到的應(yīng)變均為模型范圍內(nèi)的整體應(yīng)變，代表著巖層的整體擴(kuò)張和壓縮，并沒有裂縫的出現(xiàn)。僅在右側(cè)油缸豎向加載過程中，沿1號光纖長度中間部位正應(yīng)變變化加大，巖層移動程度加劇。

圖10 中間豎直加載1號光纖對應(yīng)巖層變化

4.2 3-1煤層開采巖層應(yīng)變圖像化分析

3-1煤層工作面2和工作面3開挖，并進(jìn)行側(cè)向加壓到豎直加壓破壞性試驗(yàn)過程中，1號和2號光纖所處巖層產(chǎn)生較大的移動，監(jiān)測到局部的正應(yīng)變突變，代表著裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

(1)側(cè)向水平加載過程中，巖層變化如圖11和圖12所示。

圖11 水平加載1號光纖對應(yīng)巖層變化

圖12 水平加載2號光纖對應(yīng)巖層變化

由此分析，沿1號光纖長度方向25 cm處有局部正應(yīng)變突變，42～100 cm范圍內(nèi)光纖整體為正應(yīng)變，0.25 m處光纖附近巖層可能出現(xiàn)裂縫，而42～100 cm范圍內(nèi)巖層呈現(xiàn)整體向外擴(kuò)張；沿2號光纖長度方向82 cm處出現(xiàn)微小的局部正應(yīng)變，136 cm處光纖出現(xiàn)較大的局部正應(yīng)變，82 cm和136 cm處附近的巖層出現(xiàn)裂縫。

(2)豎直破壞性加壓過程中1號光纖和2號光纖對應(yīng)巖層變化如圖13和圖14所示。

圖13 破壞性加載1號光纖對應(yīng)巖層變化

圖14 破壞性加載2號光纖對應(yīng)巖層變化

由此分析，沿1號光纖長度方向48～84 cm范圍為正應(yīng)變，對應(yīng)巖層整體擴(kuò)張，164 cm處應(yīng)變?yōu)榫植空龖?yīng)變，巖層出現(xiàn)裂縫。48～84 cm范圍內(nèi)光纖整體為負(fù)應(yīng)變，附近的巖層出現(xiàn)下沉。隨時(shí)間的累計(jì)應(yīng)變逐漸增大，隨后應(yīng)變急劇上升，巖層裂縫急劇擴(kuò)大；沿2號光纖長度方向82 cm處和136 cm處局部正應(yīng)變巖層出現(xiàn)裂縫。隨時(shí)間的累計(jì)應(yīng)變逐漸增大，光纖的應(yīng)變急劇上升，82 cm和136 cm處附近巖層的裂縫急劇擴(kuò)大。

5 結(jié)論

(1)相似模擬試驗(yàn)過程中，分布式光纖監(jiān)測比傳統(tǒng)應(yīng)變監(jiān)測范圍更廣，通過分析應(yīng)變數(shù)據(jù)正負(fù)可分析光纖受到了拉應(yīng)變還是壓應(yīng)變。

(2)基于光柵監(jiān)測結(jié)果表明，上灣煤礦2-2煤層開采過程中裂隙發(fā)育隨著工作面推進(jìn)出現(xiàn)張開和閉合顯現(xiàn)，表現(xiàn)為光柵監(jiān)測結(jié)果應(yīng)變正負(fù)交替出現(xiàn)；水平加載過程中光柵應(yīng)變表明，煤礦地下水庫煤柱壩體在水平應(yīng)力作用下達(dá)到一定極限后會發(fā)生破壞。

(3)結(jié)合圖像化分析結(jié)果表明，在垂向加載過程中巖層間裂隙發(fā)育規(guī)律可由光柵內(nèi)應(yīng)變變化特征進(jìn)行表征，下煤層開采過程中，巖層裂隙主要為裂隙張開與閉合交替出現(xiàn)。

(4)分布式光纖上的點(diǎn)對應(yīng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械木唧w位置，由此可將每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)圖像化處理，形成沿光纖對應(yīng)的巖層應(yīng)變變化圖，并可根據(jù)應(yīng)變正負(fù)判斷附近區(qū)域?yàn)閿U(kuò)張還是壓縮，根據(jù)數(shù)值大小判斷裂隙開度。分布式光纖監(jiān)測方法對煤礦井下水庫層間巖層裂隙發(fā)育研究有重要意義。