光纖傳感技術(shù)在煤層采動(dòng)覆巖變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

陳超CHEN Chao

（淮北礦業(yè)集團(tuán)楊柳煤礦，淮北 235119）

（Yangliu Coal Mine of Huaibei Mining Group，Huaibei 235119，China）

0 引言

煤層的開采過程中易引起上覆巖體變形。目前，主要通過離層指示儀、鉆孔全景攝像、鉆孔高密度電法等方法進(jìn)行監(jiān)制，但是均無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也很難做到定量分析。光纖傳感技術(shù)具有長(zhǎng)距離、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐久性好、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可以全面實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)，研究采動(dòng)條件下覆巖變形的變形規(guī)律，為瓦斯治理、礦壓防治、離層水害防治及頂?shù)装骞芾淼裙ぷ魈峁﹨⒖家罁?jù)。

1 光纖傳感技術(shù)下的覆巖變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 布里淵散射原理的分布式光纖傳感技術(shù) 利用反射布里淵光進(jìn)行傳感的BOTDR 是一種最為常用的光纖應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)光纖中注入脈沖激光會(huì)發(fā)生各種散射現(xiàn)象，其中布里淵散射光時(shí)域的中心頻率與光纖的應(yīng)變狀態(tài)相關(guān)，該技術(shù)就利用該原理進(jìn)行傳感。當(dāng)光纖沿線發(fā)生軸向應(yīng)變時(shí)，光纖中的背向布里淵散射光頻率的漂移量與光纖應(yīng)變呈良好的線性關(guān)系：

式中，ε 為應(yīng)變值；vB（ε）為應(yīng)變是ε 時(shí)布里淵光頻移變化量；vB（0）為自由狀態(tài)的布里淵光頻移變化量；dvB（ε）/dε 為比例系數(shù)，約為0.05MHz/με。通過測(cè)量光纖中的背向布里淵散射光頻率的漂移量，就可獲得光纖的連續(xù)應(yīng)變值，并可通過測(cè)試反射光與脈沖光間的時(shí)間差進(jìn)行定位。

1.2 覆巖變形監(jiān)測(cè)原理如圖1 所示，在未開采煤層上方圍巖中豎向布設(shè)一鉆孔，植入應(yīng)變感測(cè)光纜，當(dāng)開采工作面逐步向監(jiān)測(cè)孔靠近時(shí)，采場(chǎng)的影響圈也逐步靠近監(jiān)測(cè)孔，并在不同高度位置有著不同形式的變形，通過光纜即可捕捉其整個(gè)開采過程中上覆巖體的變形規(guī)律。

2 楊柳礦地層概況

淮北礦業(yè)集團(tuán)楊柳煤礦回采二迭系山西組10 煤層，其10414 工作面平均埋深為611m，厚度為3.5m。煤層上覆兩層巖漿巖，為瓦斯治理、礦壓管理、離層水害防治，需要對(duì)上覆巖層采動(dòng)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 上覆巖體整體變形規(guī)律 光纖植入鉆孔（R414-1）注漿完成后一個(gè)月進(jìn)行了初始值采集，設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)采集從工作面推進(jìn)離監(jiān)測(cè)孔位約100m 處進(jìn)行，待工作面推行過后100 米結(jié)束，此段時(shí)間每天采集兩次數(shù)據(jù)，取一次進(jìn)行分析。實(shí)際采集是從2012 年3 月27 日開始，監(jiān)測(cè)孔位離工作面約80 米，直到10414 工作面開采結(jié)束，過監(jiān)測(cè)孔約40 米與5 月21 日停采，監(jiān)測(cè)延后到2012 年5 月28 日，并在6 月16 日又進(jìn)行了一次測(cè)量。

由圖2 可見，不同類型的感測(cè)光纜在測(cè)試過程中表現(xiàn)出不同形式的應(yīng)變分布式特種，表現(xiàn)出此孔周圍巖體在開采過程不同尺度空間上的變形規(guī)律：

①光纜其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體來說，起伏較大，拉和壓交錯(cuò)分布，尖峰密布。其值反映巖體微小尺度上的變形規(guī)律，能夠?qū)⒏鲗訋r層的變形量及層面間的變形量進(jìn)行分離，能真實(shí)反映巖體受荷載大小及性質(zhì)，能在離層發(fā)生的前期捕捉到其發(fā)展過程。一旦離層發(fā)生后，會(huì)在局部產(chǎn)生很大的微應(yīng)變，將會(huì)超過光纖測(cè)變形測(cè)量范圍，很快光纖將被拉斷，以下部分光纜將失效。②當(dāng)開采工作面距監(jiān)測(cè)孔（R414-1）較遠(yuǎn)時(shí)，煤層頂部0～130m 范圍內(nèi)巖體受上部巖體和自身重力作用，該部分巖體應(yīng)變逐漸減小，而呈現(xiàn)受力不斷壓縮狀態(tài)；隨著工作面的不斷推進(jìn)，該部分巖體受重力作用，壓縮作用逐漸減小，最終呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)，拉伸變形量不斷增大。結(jié)合實(shí)際地層，可以看出下火成巖為巖體受力狀態(tài)分界標(biāo)志。下火成巖上部巖體，受自身重力作用，只發(fā)生拉伸變形；下火成巖下部巖體在煤層開采過程中，先受壓變形后呈現(xiàn)受拉變形，其應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生改變。

3.2 采動(dòng)引起的覆巖變形和離層分析 由圖3（a）可知，回采工作面通過監(jiān)測(cè)孔之前，由于受上覆巖層的支撐作用，監(jiān)測(cè)孔受壓應(yīng)力作用，其特征為由斷裂帶頂部開始，應(yīng)力隨工作面與監(jiān)測(cè)孔之間距離的減小而逐漸增大，并在埋深490m 處其應(yīng)力值變?yōu)樽畲螅渖蠎?yīng)力變?yōu)榱恪Ｕf明采動(dòng)引起的礦壓顯現(xiàn)主要分布在斷裂帶頂部與埋深490m之間。當(dāng)工作面距監(jiān)測(cè)孔8.3m 時(shí)，受采動(dòng)影響而裂隙帶頂部至埋深513m 之間出現(xiàn)拉應(yīng)力，在閃長(zhǎng)巖之上覆巖恢復(fù)為壓應(yīng)力。由圖3（b）中可知，回采工作面通過監(jiān)測(cè)孔之后，由于沒有了上覆巖層的支撐作用，覆巖受力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，并在礦壓及自身重力作用下產(chǎn)生裂隙、冒落及離層等現(xiàn)象，使傳感光纖底部20m 范圍內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)雜亂，因此本文選擇了地面到520m 范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)巖土體變形分布式監(jiān)測(cè)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)巖土體出現(xiàn)裂隙張開時(shí)，其傳感光纖所測(cè)的應(yīng)變值約為800～1000με 之間。由圖3可知，隨著工作面推進(jìn)，受采動(dòng)影響而覆巖發(fā)生連續(xù)的變形，埋深分別在380m、490m 及513m 處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

在煤層開采過程中，采用分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)上覆巖體變形監(jiān)測(cè)；能有效反映出煤層開采過程中，上覆巖體的內(nèi)部應(yīng)力變化狀態(tài)，達(dá)到對(duì)采煤過程上覆巖層監(jiān)測(cè)。

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