基于BOTDR的煤層底板突水溫度場監測模擬研究

張平松，孫斌楊，許時昂

(1.安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001；2.全國煤炭行業礦井水害綜合防治工程研究中心，安徽 淮南 232001)

基于BOTDR的煤層底板突水溫度場監測模擬研究

張平松1, 2，孫斌楊1，許時昂1

(1.安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001；2.全國煤炭行業礦井水害綜合防治工程研究中心，安徽 淮南 232001)

針對采煤工作面底板突水過程中常會引起突水區域溫度場的異常響應，利用分布式光纖測試技術對溫度場變化捕捉敏感的特性進行測試。通過設計光纖底板溫度場測試傳感裝置，構建測試地質地球物理模型，對底板突水所引起的巖層溫度場的變化進行測試模擬。結果表明：分布式光纖測試技術能很好分辨底板水導升過程中水溫改變所引起的溫度場變化特征，且對突水區域范圍判斷快速、有效。

隧道工程；巖土工程；底板突水；溫度場；分布式光纖傳感；相似模擬

0 引 言

基于我國能源結構的獨特性，新形勢下煤炭資源在整體能源消費中依然發揮主導作用。隨著礦井機械化生產的推進，煤炭資源的大規模開采與深度化發展使得礦井地質環境發生較大的變化。此時受地質條件的改變，礦井災害也呈現出相應的復雜性與多樣性，如礦井水害、煤與瓦斯突出、巖爆、高地溫等。這給礦井的深部化開采帶來較大的威脅，其中采煤工作面底板突水危害最為嚴重，使得華北巖溶地區大部分礦井的深部煤層難以正常開采[1]，造成巨大的經濟損失和自然資源的浪費。

如何實現對底板突水的快速、有效探測，一直是眾多學者探究的重點和難點。目前在底板突水防治工作中主要采用理論分析和原位測試兩種方法。其中理論方法有“底板相對隔水層”、“突水系數法”[2]、“下三帶”[3]以及 “關鍵層”等理論[4-6]。這些理論研究對于底板突水的防治具有一定的指導作用，但是由于理論多基于較為理想化的狀態，其與實際工程會有較大的差異。因此目前對于底板水的防治還多依據原位測試技術獲得相應的技術參數。其中常用的測試方法包括高密度電阻率法、三維并行電法、雙巷音頻電透視及礦井瞬變電磁法等[7-8]。這幾種方法對于礦井水害地質條件及異常區的判斷具有良好效果，但在工作面的開采過程控制與監測方面仍存在不足，其觀測系統的布置及現場操作較為繁瑣難以靈活應用。分布式光纖傳感技術對光纖各點的溫度、應力變化可以進行良好探測，已廣泛應用于井下管道、隧道、大壩水位以及倉庫火情的監測[9-11]，并取得良好成效。綜合考慮光纖本身具有安全性能好、抗電磁強、測量范圍廣、重量輕等優點，同時遠距離傳輸其光損較小可以保證數據的可靠性，便于礦井實時和長期監測。目前，分布式光纖測溫技術對于底板突水的溫度場測試研究還比較薄弱，因此其具有較大的應用實踐空間。

采煤工作面底板突水的主要因素包括采動礦壓和水壓兩方面，大致可分為3個階段。為有效預防突水需進行實時監測，主要對突水前期即導水裂隙初步形成和斷裂帶塑性擴展階段進行監測和預警[12]。筆者以淮南某礦區工作面底板原始地質資料為基礎，構建一套底板突水相似模擬裝置，結合BOTDR分布式光纖傳感技術對底板突水進行溫度場監測，研究了光纖在煤層底板巖層中的布設及安裝工藝，對突水期間煤層底板溫度場的分布及變化規律進行探究。

1 布里淵光時域反射技術

布里淵光時域反射技術(BOTDR)是分布式光纖傳感技術的一種[13]。通過檢測光纖中布里淵散射頻移的變化，根據變化量隨溫度和應變呈線性變化的關系來分析探測體物理性質的改變。其工作原理如圖1[14-17]。

圖1 BOTDR工作原理Fig.1 Working principle of BOTDR

圖1中，利用測試儀在光纖的一端輸入脈沖光后，其內部介質之間的相互作用會發生布里淵背向散射，當光纖的某一點或某一區域的原始狀態發生改變時，原始光路也會隨之改變即布里淵散射的頻率發生變化，且變化量只與溫度和軸向應變有關。

利用布里淵頻移(υB)，光纖溫度(T)和軸向應變(ε)的關系，通過測量ΔυB進而得到光纖沿線各點T和ε的分布。T與υB之間的數值關系可用式(1)表達為：

T=CT(υB-υB0)+T0

(1)

式中：T為光纖溫度；CT為常數，即頻移與溫度的相關系數；υB為布里淵頻移；υB0和T0分別為自然狀態下初始布里淵頻移量和溫度值。

實驗所采用測試儀器為AV6419光纖應變分布測試儀，其量程范圍0.5～80 km，空間分辨率1 m，采樣間隔最小可達5 cm，對于溫度檢測具有0.5 ℃的分辨測試能力。底板突水相似模擬實驗采用基于BOTDR分布式光纖傳感技術，可以對煤層底板溫度場進行實時監測，當發生突水時測試儀可有效探測破壞區域和溫度場的變化，以及水位上升溫度場分布的演化過程，滿足工程實踐判斷的基本要求。

2 底板突水溫度場監測相似模擬

我國華北石炭系煤層多形成于濱海、湖泊等海相沉積環境，含煤巖系中存在大量的灰巖層，致使其基底巖溶發育，賦存大量的承壓水，給深部石炭系煤層的開采帶來極大的危害。筆者主要以兩淮煤田淮南某礦工作面底板為研究對象，設計和構建煤層底板突水相似模擬實驗[18]。

2.1 實驗模型設計

底板突水相似模擬實驗根據礦井相關資料，經過合理的簡化，以1∶100比例搭建長、寬、高均為0.4 m的平面應力模型，如圖2。構建模型的圍壓較低，但是由于測試中水頭相對較高，因此并不影響模擬突水事件的發生及后期底板溫度場的監測。

圖2 相似模擬裝置Fig.2 Equipment of similar simulation

結合模擬材料配比實驗研究成果，確定模型材料的配比方案，并利用式(2)對各分層材料用量進行計算(表1)。模型中各巖性分層采用砂子、石膏、石灰、水泥等分別以不同比例加入適量的水分層鋪設并壓實固結而成，搭載整個實驗模型共需要砂子71.25 kg，石灰4.61 kg，水泥2 kg，石膏3.77 kg。

G=lbhγm

(2)

式中：G為模型分層材料總重(不包括含水量)；l為模型長度；b為模型寬度；h為模擬巖層各分層高度；γm為模擬巖層各分層容重。

表1 相似模擬材料配比方案

2.2 光纖的布設及安裝

模擬實驗傳感光纖為NZS-DSS-C07聚氨酯緊套光纜，其為單模光纖，光纜截面尺寸為2.0 mm，重量為2 kg/km。為提高AV6419光纖應變分布測試儀的空間分辨率，將傳感光纜以螺旋式的形式纏繞在PVC管外壁，共纏繞135圈加上光纖跳線總長為15 m(圖3)，期間采用黏結劑使之與PVC管外壁更好地耦合。

圖3 傳感光纜布設、安裝示意Fig.3 Layout and installation of sensing optical fiber cable

在鋪設模擬材料之前，將傳感光纜連同PVC管傾斜放置于平面模型中，然后分層鋪設模擬材料。材料填充完畢后，在模擬煤層的上表面均勻施加外力使其搗固成型，介質、光纜、PVC管這3者之間的耦合性將大大提高。本次模擬實驗光纜安裝工藝與現場施工有所不同，礦井實測時會在底板施工鉆孔，然后利用鉆孔安裝技術將光纜植入到孔中，后期進行注漿耦合。但是由于模擬試驗尺度較小無法達到施工鉆孔要求，只能前期預埋設光纜再鋪設巖層使之其與實際工況基本相符。

2.3 模擬實驗過程

實驗采用分層加水的方式，水溫總體控制在55 ℃左右，每次注水高度為2.5 cm。期間為了使得水流能夠從底板巖層均勻地上升，人工施加一定的水壓，將輸水軟管抬至2.5 m的高度，相當于0.025 MPa的水頭。模型搭載完畢，根據現場實驗條件設置儀器參數。首先在未注水條件下采集巖體空間背景溫度值，然后按注水間隔2.5 cm高度采集一次數據，共擬采集16組數據。由于突水的突發性及難以控制性，在第7次注水時水流已完全覆蓋整個煤層工作面，實驗共采集10組數據。

3 實驗數據分析

在BOTDR分布式光纖傳感技術進行煤層工作面底板突水相似模擬實驗過程中，根據光纖的布里淵頻移與溫度之間存在相關關系[19-20]，由式(1)可計算出不同布里淵頻移所對應的巖體溫度值，從而可獲取整個突水過程中底板巖層內部溫度場的變化及分布情況。

3.1 突水過程分析

根據監測數據獲得突水過程中的水位上升曲線，如圖4；突水時光纖各段溫度分布，如圖5。

圖4 水位上升曲線Fig.4 Curve of water level rises

圖5 突水時光纖各段溫度分布Fig.5 Temperature distribution in the fiber of the water inrush

圖4中，突水界面將煤層底板巖石分為3個層次。其一為上部未受突水影響原始狀態的巖層(圖4中Ⅰ區域)；其二為每次注水結束后穩定狀態下的水源界面，判別原因是灰巖承壓水沿著裂隙帶導升時，周圍巖石介質會由于水溫高于自身的溫度而發生溫度突變，使得高于上部原始狀態的巖石溫度(圖4中Ⅱ區域)；其三為已被承壓水貫穿的下部巖層，二者充分接觸使得巖體溫度明顯高于上部各個巖層的值(圖4中Ⅲ區域)。

圖4中的Ⅱ區域水位上升曲線主要是由7次注水后的突水界面拼接而成，較為真實地反映出整個動態突水過程。同時，圖4和圖5中第7次突水都出現了陡增的現象，原因在于此時底板巖層中已富含大量的承壓水，并且巖性為砂、泥巖，其孔隙度較大于底部的灰巖層，因此以相同的水量和水壓注入底板時出現上述情形。

3.2 溫度場變化及定位分析

在實驗過程中，連同PVC管一起植入巖體內部的光纜會由于溫度場的變化受影響，而裸露在外部的則不會發生布里淵頻移。實驗結果表明：BOTDR對溫度場的變化有良好的探測效果(圖5)，溫度最終測量值基本都處于50～60 ℃之間，與實際注入的55 ℃水源在相對誤差允許范圍內(55±5.5)℃基本吻合。

分布式光纖傳感技術不但能夠靈敏地探測溫度場變化，而且可以有效定位破壞區域。由圖5可知，每次突水曲線的首個抬高點即突水區域零界點都不一樣，正符合于分層注水情況。選取第4次突水曲線做定量分析可得，突水后水源穩定界面大致位于-32 cm，與實際注水高度10 cm(注水界面達到-30 cm)基本相符。

綜上，基于BOTDR的分布式光纖傳感技術應用于采煤工作面底板突水的監測，可以直觀地反映底板溫度場狀態并準確地定位突水水源位置，可對煤層工作面底板突水的預防提供技術參數。

4 結 語

鑒于BOTDR的先進性，筆者研究了用于監測煤層工作面底板突水的傳感光纜布設方式及安裝工藝，并開展相關模擬實驗探究BOTDR分布式光纖傳感技術應用于底板突水監測的有效性。

研究結果表明：分布式光纖測試方法能夠有效分辨模型突水過程中溫度場的相關參數變化，通過監測數據可有效圈定溫度場變化區域及溫度變化范圍。通過對比測試結果，光纖測試數據與實驗實際結果在誤差允許范圍內吻合度較高，同時底板光纖測試施工工藝簡單、易操作，其測試方法和結果能為底板突水防治提供有效的技術指導。與傳統測試方法相比，基于BOTDR的分布式光纖傳感具有一定的優越性，其應用前景十分廣闊，但具體的實踐應用需進一步深入研究。

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Simulation Research on BOTDR-based Monitoring over Temperature Field of Water Inrushing from Coal Floor

ZHANG Pingsong1, 2, SUN Binyang1, XU Shi’ang1

(1. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, P.R.China; 2. Engineering Research Center of Mine Water Disaster Comprehensive Control of Nationwide Mining Industry, Huai’nan 232001, Anhui, P.R.China)

During the process of floor water inrushing on coal face, abnormal responses of corresponding temperature field occured. Therefore, the sensitiveness of distributed fiber testing technology was used to test the changed temperature field. Through designing the sensor for detecting optical fiber floor temperature field, a geo-physical model was developed to test the geology and the earth a simulation test was conducted to simulate and analyze the rock stratum temprature field variation induced by inrush on coal face. The result indicates that the distributed fiber testing technology can well identify the temperature variations induced by water temperature change in process of floor water rising and can determine water bursting area quickly and effectively.

tunnel engineering; geotechnical engineering; floor water bursting; temperature filed; distributed optical fiber sensing; similar simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.07

2015-09-15；

2015-11-13

中國煤炭工業協會科學技術研究指導性計劃項目(MTKJ2014-223)；安徽省大學生創新創業訓練計劃項目(201510361126)

張平松(1971—)，男，安徽六安人，教授，博士，主要從事地球物理探查技術開發與應用方面的研究。E-mail:pszhang@sohu.com。

孫斌楊(1992—)，男，安徽淮南人，碩士研究生，主要從地球物理勘探方面的研究。E-mail:binyangsun1993@163.com。

U453.6+1；TD15

A

1674-0696(2016)05-028-04