綜放工作面導(dǎo)水裂隙帶高度分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)

周禹良，楊 雪，許發(fā)強(qiáng)

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.礦山深井建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京 100013；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；4.山西省陽(yáng)泉蔭營(yíng)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045011)

0 引 言

隨著我國(guó)西部地區(qū)煤炭資源的大規(guī)模開采，造成生態(tài)脆弱區(qū)水資源破壞及礦井水害等問(wèn)題日益嚴(yán)重[1-2]。煤礦頂板水害和水資源保護(hù)一直是困擾安全高效生產(chǎn)的難題，覆巖導(dǎo)水裂隙是溝通煤層頂板含水層與采空區(qū)的主要涌水通道，其發(fā)育高度與頂板水害防治和保水開采密切相關(guān)，也是礦山生態(tài)損害監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、生態(tài)修復(fù)策略制定的重要依據(jù)[3]?！睹旱V防治水規(guī)定》基于我國(guó)近水平煤層開采實(shí)踐，給出了導(dǎo)水裂縫帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式，但其計(jì)算結(jié)果的有效性受到適用條件的限制[4]。為了適應(yīng)厚煤層綜放開采和大采高覆巖破壞高度預(yù)計(jì)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正和改進(jìn)[4-6]。模擬研究方面，采用相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中采動(dòng)裂隙演化、分布特征進(jìn)行模擬，定性分析了覆巖巖性及組合關(guān)系等因素對(duì)導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響[7-9]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可對(duì)導(dǎo)水裂縫帶范圍做出準(zhǔn)確的判斷，目前常用的覆巖導(dǎo)水裂縫帶高度探測(cè)技術(shù)包括鉆孔測(cè)試法和物探法[6]。早期鉆孔測(cè)試法采用鉆孔泥漿消耗或壓水試驗(yàn)，漏失位置定位精度不高，不易區(qū)分裂隙帶與垮落帶之間的界限。隨著鉆孔電視、鉆孔聲波測(cè)試等技術(shù)的應(yīng)用，為覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度準(zhǔn)確確定提供了新途徑[10-11]。目前，導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)的物探技術(shù)包括高密度電法、瞬變電磁法、震波法等[12-14]。但物探結(jié)果的多解性難以完全消除，同時(shí)存在不能連續(xù)觀測(cè)的限制。

厚煤層綜放開采覆巖運(yùn)移范圍廣，覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度大。若覆巖采動(dòng)裂隙溝通上覆水體，將造成地下水嚴(yán)重滲漏涌入礦井，不僅加劇了水資源流失，影響生態(tài)環(huán)境，而且增加排水費(fèi)用，造成潛在的礦井水害威脅。近年來(lái)，分布式光纖傳感技術(shù)在煤礦覆巖變形觀測(cè)中取得了一定應(yīng)用[3,15-16]，該方法具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。本文基于分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用井下鉆孔對(duì)蔭營(yíng)礦綜放工作面覆巖變形特征進(jìn)行測(cè)試，確定了采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶高度，為工作面頂板水害防治提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)特征

1.1 工程概況

蔭營(yíng)煤礦位于山西省陽(yáng)泉市蔭營(yíng)鎮(zhèn)，距陽(yáng)泉市約11.0 km。井田位于寧武煤田北部平朔礦區(qū)西南部，地處太行山北段西翼，區(qū)內(nèi)山勢(shì)陡峻、溝壑縱橫。該礦生產(chǎn)規(guī)模為240萬(wàn)t/a，井田東西最寬8.2 km，南北最長(zhǎng)6.5 km，面積23.46 km2。礦井主采太原組15#煤層，煤層平均厚度7.23 m，屬較穩(wěn)定煤層。150313工作面斜長(zhǎng)228 m，走向推進(jìn)距離1 000 m，煤層平均埋深為400 m。工作面采用綜放開采法，全部垮落法管理頂板。割煤高度為3 m，頂煤厚度為4.23 m，如圖1所示，煤層直接頂以泥巖為主，平均厚度1.0 m，局部發(fā)育炭質(zhì)泥巖偽頂，厚度0.1～0.5 m之間?；卷敒镵2石灰?guī)r，全井田分布，較為完整，平均厚度為12.5 m。

圖1 15#煤層頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖Fig.1 Lithology of the roof and floor of No.15 coal seam

1.2 工程與水文地質(zhì)特征

場(chǎng)區(qū)地層由老至新依次為古生界奧陶系(O)、石炭系(C)、二疊系(P)、中生界三疊系(T)、侏羅系(J)、新生界新近系(N)、第四系(Q)。表土層厚度較薄，分布范圍較廣，主要為第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)。井田內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，整體為走向北西，向西南傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀總體較平緩，平均地層傾角6°。含水層主要有第四系松散層孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組薄層石灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。其中，松散層孔隙含水層和奧灰距煤層較遠(yuǎn)，對(duì)煤層開采影響相對(duì)較小；15#煤層頂板直接含水層為太原組K2灰?guī)r溶蝕裂隙含水層，間接充水含水層為山西組與下石盒子組砂巖裂隙含水層。 K2灰?guī)r單位涌水量分別為0.19 L/(s·m)，屬富水性中等含水層。頂板含水層二疊系砂巖裂隙含水層包含多層砂巖裂隙含水層，單位涌水量分別為0.051～0.132 L/(s·m)，屬于弱至中等富水性地層。

2 綜放采場(chǎng)覆巖運(yùn)移特征模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)工作面實(shí)際工程地質(zhì)情況，采用UDEC模擬軟件建立15#煤層150313綜放工作面頂板運(yùn)移分析的數(shù)值模型，如圖2所示。模型X軸方向長(zhǎng)460 m，為工作面推進(jìn)方向；Y軸方向高208 m，為豎直方向。為了降低邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算的影響，在分析中將模型兩側(cè)留設(shè)80 m的邊界煤柱。模型邊界條件為：模型左右為鉸支座，底部邊界為固定支座，頂部邊界施加埋深處豎直應(yīng)力。由于基本頂及上覆地層為半堅(jiān)硬至堅(jiān)硬地層，初采期間采用爆破切頂措施，數(shù)值模擬中采用弱化切縫位置節(jié)理面參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖2 15#煤層綜放開采數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of full-mechanized caving mining of No.15 coal seam

2.2 頂板垮落特征分析

2#煤層回采過(guò)程中，工作面覆巖垮落情況如圖3所示。隨著工作面的逐步向前推進(jìn)，偽頂隨采隨冒，基本頂在第11次開挖后發(fā)生初次垮落，初次垮落步距為44 m。基本頂初次垮落位于采空區(qū)中部偏后方位置，工作面后方采空區(qū)部分懸頂，此時(shí)覆巖垮落高度13 m，裂隙帶發(fā)育高度20 m。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，覆巖呈周期性垮落，周期垮落步距16～22 m。工作面推進(jìn)至96 m時(shí)，下位覆巖形成“類梯形”狀垮落范圍，覆巖開始出現(xiàn)離層，此時(shí)覆巖裂隙發(fā)育高度56.3 m。工作面推進(jìn)至160 m時(shí)，覆巖離層高度持續(xù)增大，豎向裂隙繼續(xù)向上擴(kuò)展，最大裂隙高度78.3 m；工作面推進(jìn)至200 m時(shí)，達(dá)到充分采動(dòng)，關(guān)鍵層及上覆地層出現(xiàn)了明顯的彎曲下沉，覆巖下位離層基本閉合，采空區(qū)中部垮落的巖體被部分壓實(shí)。 此時(shí)，覆巖垮落帶高度約為26.0 m，垮采比為3.59；裂隙帶發(fā)育高度為85.8 m，裂采比11.87。

圖3 采場(chǎng)覆巖垮落過(guò)程模擬結(jié)果Fig.3 Numerical simulation results of overburden caving process

3 分布式光纖監(jiān)測(cè)原理及方案

3.1 基于BOTDR技術(shù)的分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)原理

光纖感測(cè)技術(shù)以光為載體，光纖為媒介。分布式光纖感測(cè)技術(shù)能獲得被測(cè)量在時(shí)間上和空間上的連續(xù)分布式信息，具有分布式、長(zhǎng)距離、耐腐蝕、抗干擾等特點(diǎn)。如圖4所示，光纖介質(zhì)折射率的不均勻性會(huì)導(dǎo)致光波在光纖中產(chǎn)生微小的散射，散射光信號(hào)包括瑞利、布里淵和拉曼等，但散射光的振幅和固有頻率等特征受溫度和應(yīng)變的影響。因此，當(dāng)光纖的外部環(huán)境溫度、應(yīng)變等條件發(fā)生變化時(shí)，光波在光纖中的傳播特性和散射現(xiàn)象將發(fā)生變化，可通過(guò)特制分析儀檢測(cè)散射信號(hào)的變化，而感知外界參數(shù)變化。

圖4 光纖的散射現(xiàn)象Fig.4 Scattering phenomenon of optical fiber

布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)利用光纖中產(chǎn)生的布里淵背散射光進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試[17]。如圖5所示，脈沖光信號(hào)入射光纖后，產(chǎn)生的背向布里淵散射光返回入射初始端，采用BOTDR解調(diào)儀分析處理，即可得到光纖長(zhǎng)度方向的分布的布里淵散射光功率。由于光纖散射光中布里淵頻譜最大化時(shí)的峰值功率頻率與光纖中產(chǎn)生的應(yīng)變成比例地偏移，因此可利用BOTDR技術(shù)在發(fā)射端連續(xù)測(cè)試光纖長(zhǎng)度方向的應(yīng)變。散射光產(chǎn)生的位置由脈沖光發(fā)射到散射光觀測(cè)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間確定，通過(guò)縮短取樣時(shí)間間隔，可達(dá)到5～10 cm級(jí)的應(yīng)變測(cè)試分辨率，即可實(shí)現(xiàn)分布式連續(xù)地測(cè)量應(yīng)變。

圖5 BOTDR光時(shí)域檢測(cè)布里淵散射光Fig.5 Detection of brillouin scattering light by BOTDR optical time domain

光纖中布里淵散射光的頻率偏移νB計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：n為折射率；C為聲速；λ為光波長(zhǎng)。

在外界環(huán)境變化影響下，光纖的應(yīng)變改變將造成光纖中的聲速發(fā)生變化，從而使發(fā)生變化。 通常情況下，為應(yīng)變的線性函數(shù)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系可表示為式(2)。

(2)

3.2 觀測(cè)孔布置及光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

井下分布式光纖監(jiān)測(cè)150313工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度的鉆孔布置在運(yùn)輸巷。如圖6所示，觀測(cè)孔超前工作面300 m布置，鉆孔采用仰斜形式，共設(shè)置3個(gè)觀測(cè)孔，鉆孔孔徑為Ф60 mm。其中1#鉆孔和3#鉆孔傾角都為45°，孔深70 m；2#鉆孔傾角為60°，孔深110 m。傳感光纖選用鋼絞線光纖，將其貼于PVC管外壁并送入觀測(cè)孔。傳感光纖置入鉆孔后，采用單液水泥漿進(jìn)行觀測(cè)孔全段封孔，實(shí)現(xiàn)光纖與覆巖的耦合變形。光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基于BOTDR技術(shù)的應(yīng)變分析系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)孔全段應(yīng)變的分布式采集，空間分辨率高。工作面距鉆孔100 m時(shí)，開始光纖初始應(yīng)變觀測(cè)。工作面推過(guò)觀測(cè)孔后，采用矸石充填觀測(cè)孔區(qū)域，防止垮落矸石破壞孔口光纖，實(shí)現(xiàn)工作面推過(guò)觀測(cè)孔后覆巖變形的連續(xù)觀測(cè)。

圖6 光纖監(jiān)測(cè)孔布設(shè)示意圖Fig.6 Schematic diagram of optical fiber monitoring hole layout

4 導(dǎo)水裂隙帶高度觀測(cè)結(jié)果

4.1 鉆孔的光纖應(yīng)變變化特征

工作面推進(jìn)過(guò)程中光纖監(jiān)測(cè)孔應(yīng)變分布曲線如圖7所示。以1#鉆孔監(jiān)測(cè)孔為例，當(dāng)工作面距離鉆孔大于30 m時(shí)，光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)基本沒有變化。當(dāng)工作面距離鉆孔30～1.6 m時(shí)，光纖受超前支承應(yīng)力擾動(dòng)，孔口的應(yīng)變曲線在0～500 με之間波動(dòng)，鉆孔淺部呈現(xiàn)輕微拉應(yīng)變，深部應(yīng)變數(shù)據(jù)輕微波動(dòng)，變化不明顯。工作面通過(guò)鉆孔時(shí)，應(yīng)變曲線在距離孔口28～50 m的區(qū)間出現(xiàn)拉應(yīng)變，最大值500 με，對(duì)應(yīng)的巖層為泥頁(yè)巖、細(xì)粒砂巖和中粒砂巖層。工作面通過(guò)鉆孔2.4 m后，應(yīng)變變化段擴(kuò)大到距離孔口28～60 m的范圍，應(yīng)變最大值位于距離孔口35 m處，對(duì)應(yīng)細(xì)粒砂巖層，約2 500 με。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，覆巖變形逐步向上傳遞。根據(jù)2#鉆孔監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)，鉆孔深部應(yīng)變出現(xiàn)交替拉壓應(yīng)變特征，其原因?yàn)橥茰y(cè)為離層的產(chǎn)生。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，覆巖充分垮落并壓實(shí)，孔口處的光纖受到冒落矸石壓實(shí)作用，應(yīng)變由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，最大值約為-600 με。光纖應(yīng)變從距離孔口15 m的位置開始發(fā)生突變，距孔口15～50 m的應(yīng)變曲線整體抬升；50～100 m的范圍內(nèi)光纖拉應(yīng)變與壓應(yīng)變交替轉(zhuǎn)換，并逐步趨于穩(wěn)定。

圖7 監(jiān)測(cè)孔應(yīng)變分布曲線Fig.7 Strain distribution curves of monitoring hole

4.2 覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度確定

覆巖垮落會(huì)造成光纜在相應(yīng)位置發(fā)生拉壓變化、彎折，甚至斷裂，根據(jù)傳感光纜光損耗較大的點(diǎn)或者斷點(diǎn)所在處的層位推斷垮落帶的發(fā)育高度。導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度則需要通過(guò)巖體產(chǎn)生裂隙的臨界應(yīng)變來(lái)判定。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料和相似模擬試驗(yàn)結(jié)果[15,18]，當(dāng)上覆巖層發(fā)生垮落時(shí)，垮落帶巖層內(nèi)埋設(shè)的光纖應(yīng)變變化將一般大于3 500 με；當(dāng)巖層內(nèi)產(chǎn)生裂隙時(shí)，裂隙帶內(nèi)的光纖應(yīng)變一般大于500 με。因此，可將3 500 με和500 με分別作為判斷現(xiàn)場(chǎng)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得的應(yīng)變曲線綜合判斷，三個(gè)鉆孔測(cè)得的垮落帶高度的平均值為28.51 m。從2#鉆孔光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷，覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育范圍達(dá)到鉆孔斜長(zhǎng)92 m位置，對(duì)應(yīng)煤層上覆垂值高度75.44 m。 采用經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)計(jì)150313綜放工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為76.7～91.1 m。通過(guò)數(shù)值模擬得到工作面覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度為85.8 m。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)光纖監(jiān)測(cè)的得到垮落帶高度大于數(shù)值模擬結(jié)果，而覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果小于數(shù)值模擬結(jié)果。 但是光纖監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)孔全長(zhǎng)應(yīng)變數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，監(jiān)測(cè)分辨率高，具有精細(xì)化監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)(圖8)。

圖8 150313工作面“兩帶”高度分析圖Fig.8 Height of “two zones” determination for 150313 working face

5 結(jié) 論

覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度是采場(chǎng)頂板巖移特征的重要參數(shù)，針對(duì)蔭營(yíng)煤礦厚煤層綜放工作面覆巖特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬和分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)覆巖運(yùn)移特征進(jìn)行研究，獲得了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，為頂板水害防治和水資源保護(hù)提供參考。

1) 通過(guò)UDEC模擬得到150313綜放工作面初次垮落步距為44 m，周期垮落步距為16～24 m，覆巖垮落帶高度為26 m，垮采比為3.59；裂隙帶發(fā)育高度為85.8 m，裂采比為11.87。

2) 分布式光纖監(jiān)測(cè)過(guò)程中，當(dāng)工作面接近監(jiān)測(cè)孔時(shí)，鉆孔淺部為壓應(yīng)變，深部位應(yīng)變基本不發(fā)生變化；工作面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)孔時(shí)，鉆孔淺部為拉應(yīng)變，深部為壓應(yīng)變；工作面推過(guò)監(jiān)測(cè)孔30 m后，鉆孔淺部應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，深部為拉應(yīng)變。

3) 分布式光纖技術(shù)可實(shí)現(xiàn)圍巖變形高分辨率連續(xù)測(cè)試，井下監(jiān)測(cè)得到150313綜放工作面垮落帶高度28.51 m，垮采比為3.94；導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為75.44 m，裂采比10.43。