煤層采動底板變形破壞過程多參數(shù)精細感知方法研究

姚多喜 ，劉 暢

（安徽理工大學 地球與環(huán)境學院, 安徽 淮南 232001）

0 引 言

目前，世界經(jīng)濟飛速發(fā)展，淺部地層礦產(chǎn)資源所剩無幾，開采深度正逐年加大[1-2]?；茨螦 組煤儲量大、賦存穩(wěn)定、煤質(zhì)好，是重要的化石能源儲備[3]。煤層底板采動破壞的特征主要包括以下4 個方面：破壞類型多樣、破壞形態(tài)復雜、破壞規(guī)模較大、破壞時效性較強。A 組煤層底板灰?guī)r富水性較強，動壓下海相巖層遇水膨脹形成裂隙，對A 組煤安全開采構成了巨大威脅[4-5]。捕捉煤層采動底板地球物理參數(shù)變化，分析復雜條件下巖層變形破壞規(guī)律，精準感知、評價采動條件下巖層穩(wěn)定性，是礦井水害防治中亟待解決的難題之一。

國內(nèi)外眾多學者主要從理論分析、模擬試驗和現(xiàn)場實測等方面，對煤層采動底板變形和破壞特征開展研究。在理論研究方面，朱術云等[6]對煤層底板下相對固定位置剖面應變分布規(guī)律進行了初步探討，并探討了軟巖和硬巖兩種底板的應變響應特征；孟祥瑞等[7]建立了底板任意一點應力計算的彈性力學模型得到底板巖層破壞深度，并結合震波及電阻率實測驗證了理論推導的準確性；魯海峰等[8]將支承壓力與底板水壓簡化為水平荷載，得到水壓作用下采場底板的應力表達式；王連國等[9]綜合考慮工作面走向和傾向受力特點，得到采場底板垂直應力的迭代計算式。在模擬試驗方面，李保良等[10]開展了煤層開采底板承壓水導升模擬試驗，分析了煤層底板承壓水導升規(guī)律和導水通道形成過程；王進尚等[11]利用相似材料模擬試驗研究底板隱伏斷層遞進導升過程；李楊楊等[12]通過相似物理模型試驗研究了煤層采動底板突水演變過程，該試驗具有可視化、定量化的特點；張玉軍等[13]采用相似物理模擬和數(shù)值模擬方法開展了承壓水體上煤層底板下位隱伏斷層采動突水機制研究；馬文著等[14]通過數(shù)值模擬得到承壓水上煤層底板破壞特征。煤層采動過程中，煤層底板的原位監(jiān)測是最直接有效的觀測手段。根據(jù)技術原理的不同可分為直接觀測法和間接觀測法。直接觀測方法包括鉆孔沖洗液法和鉆孔電視法[15]。間接觀測方法包括直流電法[16]、微震監(jiān)測法[17]、震波CT 法[18]、聲發(fā)射監(jiān)測法[19]和錨桿位移監(jiān)測法[20]等。吳榮新等[21]通過對厚松散層薄基巖堅硬頂板工作面覆巖破壞進行電法監(jiān)測，獲得了覆巖裂隙帶在采動過程中的空間展布；張平松等[22]對準格爾煤田特厚煤層開采底板破壞特征綜合測試研究，獲得采區(qū)工作面底板破壞深度在7.2～16.5 m；LIU 等[23]通過在底板鉆孔植入分布式光纖，獲得大采高下不同深度巖層隨工作面推進的應變變化曲線及特征，以此得到工作面底板破壞深度。煤層底板的變形、裂縫發(fā)育等現(xiàn)象，會造成其電性、力學、位移等參數(shù)的變化。為提高探查結果的可靠性，多種探測方法或多參數(shù)法被應用到地質(zhì)問題的探測中。目前鉆孔電法采用電阻率值作為參數(shù)評價覆巖破壞效果，但該參數(shù)不穩(wěn)定、容易受到干擾，常導致電阻率值有較大的跳躍和波動，對于評價結果產(chǎn)生較大影響[24]。選取一個穩(wěn)定的電性參數(shù)來評價覆巖變形與破壞具有重要的意義。在現(xiàn)場實測中，選擇鉆孔電極電流值作為參數(shù)，可以實時、高效監(jiān)測煤層采后覆巖破壞高度。同時，光纖傳感作為一種新型監(jiān)測方法也逐漸被應用在礦山巖土體變形監(jiān)測上，并取得了良好的應用效果[25]。因此，通過電極電流和光纖應變精細感知了煤層采動過程中底板的變形破壞過程，結合數(shù)值模擬結果進一步分析了煤層采動條件下底板破壞深度，為礦井水害防治中的多手段、多參數(shù)細致探查提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國東部某煤礦，井田為全隱蔽含煤區(qū)，依據(jù)鉆探結果，地層由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系和新生界。區(qū)內(nèi)地層多為整合接觸，整體地質(zhì)構造復雜程度為中等，主采A 組煤。A 組煤薄基巖工作面上部賦存有巨厚松散層。煤層工作面巷道標高?610 m～?487 m，傾向長度205 m，走向長度1 170 m，平均煤厚7.4 m，分上下兩層開采，上層煤平均開采厚度為4.3 m，下層煤平均厚度為3.1 m。底板發(fā)育有薄層的砂質(zhì)泥巖，顯緩波狀層理；基本底以粉細砂巖為主，泥質(zhì)含量不均，局部泥質(zhì)含量較高，夾大量泥質(zhì)條紋。煤層底板充水水源主要為灰?guī)r水，富水性中等。本次監(jiān)測在上層煤開采期間開展。表1為主采煤層頂、底板巖性分布。

表1 主采煤層頂、底巖性分布Table 1 Lithology distribution of top and bottom of main coal seam

2 煤層采動底板數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

基于研究區(qū)煤層工作面地質(zhì)條件分析，選取工作面推進方向為x軸，水平垂直推進方向為y軸，巖層垂向為z軸，簡化構建為長×寬×高=300 m×300 m×114 m 的數(shù)值模型（圖1）。其中，模型覆巖設置58 m，A 組煤厚度設置為7 m，共劃分194 400 個單元及204 655 個節(jié)點。結合礦壓資料，周期來壓步距約為15 m，模擬過程采用逐步開挖的方式，開挖步距為周期來壓步距。巖層參數(shù)見表2。

圖1 底板采動數(shù)值模型Fig.1 Numerical modeling of floor affect by mining

表2 數(shù)值模型力學參數(shù)Table 2 Numerical model mechanics parameters

2.2 結果分析

煤層開采后，底板巖層應力重分布，隨著回采工作面的不斷推進形成了底板破壞帶后趨于穩(wěn)定。數(shù)值模型中，塑性區(qū)可表明巖層破壞區(qū)的分布范圍。根據(jù)圖2 可知，開挖15 m 時，底板破壞深度為15 m，此時底板破壞區(qū)以剪切破壞為主，回采工作面前方15 m 為剪切破壞帶。開挖45 m 時，底板破壞深度為17 m，以剪切破壞為主，回采工作面前方20 m 為橫向剪切破壞帶。開挖75 m 時，底板破壞深度為21 m，以剪切破壞為主，回采工作面前方35 m 為橫向剪切破壞帶。開挖105 m 時，底板塑性區(qū)持續(xù)橫向擴展，橫向破壞帶延伸至回采工作面前方45 m。數(shù)值模擬塑性區(qū)結果顯示，煤層采動底板破壞深度為21 m。

圖2 煤層采動底板塑性區(qū)分布Fig.2 Distribution of plastic zone in the floor of coal seam mining

3 煤層采動底板原位測試

3.1 技術原理

3.1.1 并行電法技術

并行電法技術通過在被測體表面或內(nèi)部布置多個電極，并施加一定的電壓和電流，利用觀測點測量電位差和電流值，從而計算地下電性參數(shù)分布。與傳統(tǒng)的電阻率成像技術相比，該技術能夠在同一時間內(nèi)采集更多的電信號，因此可以更快速地獲取更準確的地電場信息。

采用激勵電流法等來進行監(jiān)測，此方法是以不同地層之間巖體的導電性以及介電性的差異為基礎。根據(jù)現(xiàn)有理論[26]，銅片電極的接地電阻R和接地介質(zhì)電阻率ρ成正比例關系。

根據(jù)人為供電，電壓U、電流I和電極的接地電阻R存在下列關系：

通過公式(1)和(2)可得：

由公式（3）可知，當供電電壓U保持不變時，激勵電流I與巖層電阻率ρ呈反比，激勵電流值反映了電極附近一定尺度范圍內(nèi)的巖層電性特征。

節(jié)水增糧行動項目旨在提高農(nóng)田灌溉水的利用效率，提升糧食綜合生產(chǎn)能力，改善生態(tài)環(huán)境。項目建成后，要加強用水定額管理，開展用水評估，分析其用水定額的合理性；在取水許可審批過程中，核（換）發(fā)取水許可證時采用最新用水定額，科學核定許可水量。

3.1.2 BOTDR

BOTDR (Brillouin Optic Time Domain Reflectometer)，通過將一束激光脈沖通過光源射入到光纖中，并對其背向散射光信號的光強分布進行探測的信息測量（圖3）?；诘V山巖層的變形場變化，不同位置光纖所受的拉、壓程度不同，該光路處的布里淵光頻率發(fā)生改變，通過解調(diào)儀的解析，獲得該光路通道上的分布式光頻率。BOTDR 的優(yōu)勢是單端測試，不依靠光回路的完整性，即使光纖中部斷裂，仍可捕捉與解調(diào)儀連接部分的光纖應變/溫度變化。

圖3 布里淵光時域反射傳感原理Fig.3 Brillouin light time domain reflection sensing principle

其中：ε，T為應變和溫度的變化量；fB(0)為初始布里淵漂移量；fB(ε，T)為應變?yōu)棣?，溫度為T時的布里淵頻移量；Cε為應變常數(shù)；CT為溫度常數(shù)。當溫變化ΔT<5?C時，可以忽略溫度對光纖的布里淵頻率漂移量的影響。所以，光纖應變量可表示為

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)布置

底板監(jiān)測孔長55.3 m，與回風巷的夾角為15°，與水平向夾角為30°，鉆孔位置如圖4a 所示。分布式光纖在監(jiān)測孔底彎折固定，采用全孔安裝的方式。如圖4b 所示，鉆孔測應變光纜外徑5.0 mm，通過多股金屬加強件保護光纖，強度大，可抵抗一定的變形破壞。光纜全部采用非金屬加強件設計，具有極高的絕緣性。電法線纜電極距為2 m，32 號電極在孔底，4 號電極在孔外。電法線纜外部使用高強度、耐腐蝕材料，有效適應鉆孔的水巖環(huán)境和具備一定的抗破壞能力。傳感線纜植入后全孔采用水泥分段注漿封堵，確保傳感線纜與巖層高度耦合。采集日期及對應的工作面回采位置見表3。

圖4 底板巖層監(jiān)測系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of subgrade rock monitoring system

表3 回采工作面與監(jiān)測斷面位置關系Table 3 Relationship between working face and monitoring borehole location

3.3 監(jiān)測結果及分析

3.3.1 電極電流值結果

對現(xiàn)場采集的電極激勵電流進行解編與處理，1～4 號電極在鉆孔外部，不統(tǒng)計在內(nèi)。8 月5 日開始采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測孔內(nèi)各電極電流值均在40 mA 以上，電極接地情況良好。隨工作面回采推進，監(jiān)測孔內(nèi)的各電極電流值變化情況如圖5 所示。圖5a 中，8 月28 日之前，回采工作面靠近孔口，鉆孔圍巖被逐漸壓實，電極5～11 號的電流值總體趨勢為緩慢上升。8 月28 日—8 月30 日，周期來壓使得頂板垮落，鉆孔圍壓壓力減小，電流值略有下降。8 月30 日—9 月6 日，回采工作面繼續(xù)靠近孔口，在支承壓力作用下巖層壓實，使得電流值先升高，之后巖層出現(xiàn)局部裂隙或破壞，電流值降低。其中，電極9、10 號的電流值驟降至1 mA 以下，為巖層破裂時電性響應特征。圖5b 中，電極電流值的響應和變化趨勢與圖5a相似，監(jiān)測后期，電極13 的電流值驟降至1 mA以下，為巖石的破壞電性響應特征。圖5c 中，電極的電流值的變化趨勢與圖5a 和圖5b 類似，9 月6 日時，電極21～25 號的電流值驟降至1 mA 以下，為巖石的破壞電性響應特征，其位于泥巖層，質(zhì)軟易裂。圖5d 中，電極26～32 號至監(jiān)測結束未出現(xiàn)電流值明顯下降的現(xiàn)象，表明受采動影響較小，巖層較穩(wěn)定。

圖5 底板監(jiān)測孔中電極電流值響應特征Fig.5 Response characteristics of electrode current values in the coal floor monitoring borehole

圖6 為監(jiān)測期間的電極電流云圖，根據(jù)電流云圖可將監(jiān)測期內(nèi)的回采過程分為4 個階段R1～R4。R1階段，電極電流值幾乎沒有變化，表明底板巖層未受到煤層采動影響；R2階段，電極電流值出現(xiàn)輕微升高，表明底板巖層開始受到煤層采動影響；R3階段，電極電流值變化明顯，表明底板巖層在支承壓力作用下進一步壓實；R4階段，部分電極電流值出現(xiàn)驟降，表明底板巖層出現(xiàn)局部破裂。煤層采動對底板巖層的最大影響到25 號電極，表現(xiàn)出巖石破裂特征，位于孔深41.6 m（即圖6 中D1深度范圍），換算為底板垂深為20.8 m。D2深度范圍包括26～32 號電極，電流值在煤層回采過程中出現(xiàn)一定的波動，為采動擾動區(qū)。

圖6 電極電流云圖Fig.6 Electrode current cloud mapping

回采工作面從孔口前方123.3 m，推進至孔口后3.2 m 的過程中，完整地對現(xiàn)場分布式光纖數(shù)據(jù)進行采集。圖7 為監(jiān)測期間內(nèi)分布式光纖應變時空分布二維云圖。根據(jù)光纖應變云圖顯示，底板巖層的損傷演化可分為無影響階段Q1、微影響階段Q2、顯著影響階段Q3和巖層破裂階段Q4。Q1階段幾乎不受采動影響，光纖應變值變化極小；Q2階段為微影響階段，回采工作面未及鉆孔之上，但鉆孔圍巖在支承壓力作用下逐漸壓密，分布式光纖應變增大；Q3為顯著影響階段，此時回采工作面位于鉆孔控制范圍內(nèi)，分布式光纖應變值變化可分為兩部分。一部分是采空區(qū)下方鉆孔，在卸荷作用下拉應變增大。鉆孔內(nèi)光纖長度28.0～42.0 m，受卸荷作用影響劇烈，在9 月6 日時拉應變增量達到測量峰值8 589×10?3。另一部分是回采工作面前方底板，受支承壓力作用，以壓應變?yōu)橹?，對近煤層的底板巖層影響較大。8 月27日開始，淺部巖層中的光纖壓應變變化顯著。8 月30 日，鉆孔內(nèi)光纖長度8.9 m 處壓應變增量達到測量峰值?2.325×10?3。Q4為巖層破裂階段，積聚能量釋放，應變值減小。綜上，孔深42.0 m 為分布式光纖探測的底板最大采動破壞深度，對應底板垂深21.0 m，即圖中L1深度范圍。該回采工作面底板的注水測試結果顯示的底板破壞極限是20.0 m，與監(jiān)測結果相近。L2區(qū)域為采動影響，該區(qū)域的巖層出現(xiàn)一定的應變值變化，但未破壞。

圖7 底板監(jiān)測孔中分布式光纖應變值響應特征Fig.7 Response characteristics of distributed fiber optic strain values in the base plate monitoring borehole

3.3.3 多參數(shù)監(jiān)測結果對比分析

為厘清回采過程中底板巖層變形破壞情況，采用多參數(shù)聯(lián)合表征與分析。圖8a 的監(jiān)測點位于鉆孔中22 號電極處，在泥巖層中，對應底板深度17.8 m。監(jiān)測初期，隨著拉應變增量的變大，電極電流值輕微升高，兩者變化趨勢正相關。監(jiān)測后期該處巖層拉應變值超出最大承載范圍，巖層破裂，電極電流值驟降至1 mA 以下，呈巖層破壞特征，光纖拉應變隨之驟降。為更好地理解數(shù)據(jù)的分布情況，識別異常值、分布特征等，采用以監(jiān)測過程中的鉆孔光纖應變和電極電流值構建多參數(shù)核密度圖，如圖8b所示。綜合圖8a 和圖8b 可以看出，監(jiān)測初期，數(shù)據(jù)點較為集中，密度較大，表明數(shù)值變化較小，底板監(jiān)測點所處巖層受采動影響較??；監(jiān)測中期，數(shù)據(jù)點開始出現(xiàn)離散，密度降低，表明數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動，底板監(jiān)測點所處巖層受到一定的采動影響；監(jiān)測后期，數(shù)據(jù)點脫離采動波動范圍，出現(xiàn)“逃逸”現(xiàn)象，表明監(jiān)測點附近巖層穩(wěn)定性發(fā)生較大改變，巖層破裂。

圖8c 的監(jiān)測點位于鉆孔中30 號電極處，對應底板垂深25.8m。由于埋深較大，參數(shù)數(shù)值波動較小，表明該處巖層較為完整，受采動影響較小。圖8d 為該監(jiān)測點處的多參數(shù)核密度圖。綜合圖8c 和圖8d可以看出，監(jiān)測初期，數(shù)據(jù)點較為集中，密度較大，表明數(shù)值變化較小，底板監(jiān)測點所處巖層受采動影響較??；監(jiān)測中后期，數(shù)據(jù)點開始出現(xiàn)一些變化，密度降低，該監(jiān)測點所處巖層受到一定的采動影響，至監(jiān)測最后，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)點劇烈變化現(xiàn)象，表明監(jiān)測過程中該處巖層雖受采動擾動影響，但整體較為穩(wěn)定，未破裂。

統(tǒng)計了22 號電極和30 號電極處參數(shù)的極差和標準差，見表4。結果顯示22 號電極處參數(shù)的極差和標準差均大于30 號電極處參數(shù)的極差和標準差，表明22 電極處參數(shù)在監(jiān)測過程中離散程度較大，30電極處參數(shù)在監(jiān)測過程中離散程度較小。

表4 監(jiān)測點處數(shù)據(jù)極差和標準差統(tǒng)計Table 4 Statistics of data range and standard deviation at monitoring points

煤層回采監(jiān)測過程中，電極電流值和光纖應變值均起到了良好的表征效果，但存在一定差異。在超前應力和破裂伊始的感知上，電極電流的響應要略早于光纖應變。電極電流和光纖應變的全程監(jiān)測都可概括為4 個階段：無影響階段、微影響階段、顯著影響階段和破裂階段，通過地質(zhì)地球物理參數(shù)實現(xiàn)了煤層回采過程的多參數(shù)有效表征。在底板破壞深度的確定上，電法結果為20.8 m，分布式光纖為21.0 m，兩者結果相近，達到互相驗證的目的。在破壞深度的確定上，分布式光纖展現(xiàn)出了全分布和高精度的優(yōu)勢，可準確感知巖層破裂的位置。

4 結 論

1）建立煤層采動底板數(shù)值模型，得到了煤層采動過程中的塑性區(qū)演化特征，塑性區(qū)結果顯示底板破壞深度為21 m。

2）在底板鉆孔中植入電法電極和分布式光纖，獲得了煤層采動過程中電極電流和光纖應變的響應特征，電流值和應變值有效表征了底板的變形破壞過程。由二維參數(shù)圖譜將底板巖層的變形破壞過程分為4 個階段，分別為無影響階段、微影響階段、顯著影響階段和破壞階段。

3）在超前應力和破裂伊始的感知上，電極電流的響應要略早于光纖應變。電極電流的結果顯示底板破壞深度為20.8 m，光纖應變的結果顯示底板破壞深度為21.0 m。2 種監(jiān)測方法測試結果與數(shù)值模擬結果相近，相互驗證。

4）核密度圖和數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果顯示，埋深較小的監(jiān)測點受采動效應影響明顯，監(jiān)測過程中參數(shù)離散程度較大，巖層破裂時出現(xiàn)數(shù)據(jù)點“逃逸”現(xiàn)象；埋深較大的監(jiān)測點受動效應影響較小，監(jiān)測過程中參數(shù)離散程度較小。