保護(hù)層開采下伏煤巖卸壓效應(yīng)及其光纖監(jiān)測(cè)

柴 敬，劉永亮，王梓旭，雷武林，張丁丁，歐陽(yáng)一博，孫 凱，翁明月，張有志，丁國(guó)利，鄭忠友，張 寅，韓 剛

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010；4.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；5.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

我國(guó)煤炭資源的開發(fā)正處于“西移，下移”的階段，隨著我國(guó)煤礦進(jìn)入深部開采，沖擊地壓礦井逐年增多，至2020年我國(guó)沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量達(dá)到138處，沖擊地壓已成為嚴(yán)重威脅煤礦安全的主要?jiǎng)恿?zāi)害之一。保護(hù)層開采作為沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害重要的區(qū)域性防治方法之一，我國(guó)在1987年編制《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》時(shí)，就將保護(hù)層開采作為區(qū)域性沖擊地壓災(zāi)害防治的手段。2019年編制《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法第12部分：開采保護(hù)層防治方法》，標(biāo)志著我國(guó)保護(hù)層開采防沖技術(shù)體系的建立。

保護(hù)層開采后周圍煤巖體向采空區(qū)移動(dòng)、變形，巖體內(nèi)部應(yīng)力、彈性能減小，從而被保護(hù)層發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的可能性降低。保護(hù)層開采卸壓機(jī)理方面：已有成果表明保護(hù)層開采后被保護(hù)層應(yīng)力工作面峰值明顯應(yīng)力降低，應(yīng)力峰值位置向煤體深部轉(zhuǎn)移。呂長(zhǎng)國(guó)等對(duì)上保護(hù)層工作面開采過程中被保護(hù)層應(yīng)力演化進(jìn)行了研究，在工作面推進(jìn)方向上，將被保護(hù)層的垂直應(yīng)力分為采前應(yīng)力升高、采后應(yīng)力降低和應(yīng)力穩(wěn)定3個(gè)階段，給出了保護(hù)層開采后被保護(hù)層的應(yīng)力分區(qū)特征。唐治等對(duì)同類條件下礦井被保護(hù)層應(yīng)力分布進(jìn)行研究，指出被保護(hù)層的應(yīng)力增高區(qū)域位于煤壁前方8～25 m。李淵等發(fā)現(xiàn)隨保護(hù)層工作面推進(jìn)，工作面后方50 m范圍被保護(hù)層卸壓效果較為明顯，100 m之后受采空區(qū)矸石壓實(shí)影響，被保護(hù)層垂直應(yīng)力有所升高。保護(hù)層工作面傾向方向上，工作面中部被保護(hù)層卸壓效果最好，受上覆工作面煤柱影響，煤柱下方被保護(hù)層局部應(yīng)力集中，卸壓效果不明顯。保護(hù)層開采卸壓防沖效果評(píng)價(jià)方面：學(xué)者們主要通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)局部布設(shè)觀測(cè)鉆孔，監(jiān)測(cè)被保護(hù)層應(yīng)力變化，計(jì)算走向和傾向卸壓角來(lái)描述保護(hù)層開采后被保護(hù)層的卸壓范圍。胡國(guó)忠等為定量評(píng)價(jià)保護(hù)層開采后被保護(hù)層消突效果，建立了應(yīng)力釋放率指標(biāo)，定量描述保護(hù)層開采后被保護(hù)層的卸壓效果。竇林名等對(duì)被保護(hù)層應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將應(yīng)力釋放率應(yīng)用于濟(jì)三煤礦保護(hù)層開采后被保護(hù)層的卸壓效果評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[14-16]也對(duì)保護(hù)層工作面寬度、布設(shè)位置，保護(hù)層與被保護(hù)層層間巖性等因素對(duì)被保護(hù)層的卸壓效果的影響進(jìn)行了研究。

目前，現(xiàn)有成果多采用數(shù)值模擬手段研究保護(hù)層開采后應(yīng)力、塑性區(qū)演化規(guī)律，分析保護(hù)層開采卸壓防沖效果，并通過現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。保護(hù)層開采過程中被保護(hù)層應(yīng)力時(shí)空演化規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與卸壓效果評(píng)價(jià)相關(guān)報(bào)道較少。近年來(lái)，光纖傳感技術(shù)由于其可實(shí)現(xiàn)分布式、大范圍監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，在煤礦覆巖變形、巷道頂板變形、底板突水等方面進(jìn)行了應(yīng)用。筆者建立了基于光纖傳感技術(shù)的保護(hù)層開采卸壓范圍及卸壓效果評(píng)價(jià)方法，研究葫蘆素煤礦保護(hù)層工作面開采過程中，下伏煤巖體卸壓范圍的時(shí)空演化規(guī)律；采用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了保護(hù)層開采過程中下伏煤巖體卸壓范圍和采動(dòng)應(yīng)力的大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，研究結(jié)果可為被保護(hù)層工作面布設(shè)、開采滯后上覆工作面距離確定提供依據(jù)。

1 上保護(hù)層開采下伏煤巖卸壓機(jī)理

1.1 上保護(hù)層開采底板破壞深度

上保護(hù)層工作面采動(dòng)前，圍巖處于原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，開采后，打破了煤巖體原巖應(yīng)力平衡，應(yīng)力重新分布。受采動(dòng)應(yīng)力影響，底板內(nèi)會(huì)形成一定深度破壞區(qū)域，應(yīng)力降低是上保護(hù)層開采技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。目前煤層底板破壞方面已形彈性理論、塑性滑移場(chǎng)理論和基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)公式等計(jì)算方法。

根據(jù)彈性理論計(jì)算方法，底板巖體應(yīng)力的分布狀態(tài)和等效力學(xué)原理沿煤層傾斜剖面底板載荷如圖1所示(圖中，為垂直應(yīng)力；為最大主應(yīng)力；為最小主應(yīng)力)，依據(jù)Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，底板巖體的破壞深度可用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

圖1 底板煤巖體應(yīng)力分布

(1)

式中，為應(yīng)力集中系數(shù)；為埋深；=(1+sin)/(1-sin)，為巖石內(nèi)摩擦角；為底板巖體抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)塑性滑移線理論，工作面超前支承壓力作用下底板采動(dòng)塑性區(qū)的最大破壞深度為

(2)

其中，為工作面煤層厚度；為黏聚力。表1為底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，為煤層傾角，為工作面長(zhǎng)度。葫蘆素煤礦煤層厚度=2.54 m，煤體黏聚力=1.25 MPa，巖石平均容重=25 kN/m，應(yīng)力集中系數(shù)=3，埋深=635 m，底板巖體內(nèi)摩擦角=32°。由式(1)計(jì)算得出保護(hù)層開采底板最大破壞深度為29.43 m，由式(2)得出20.34 m。由表1經(jīng)驗(yàn)公式得出底板破壞深度在28.43～35.53 m。

表1 底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式

1.2 保護(hù)層開采卸壓指標(biāo)

上保護(hù)層開采后，被保護(hù)層卸壓效果可用應(yīng)力釋放率為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)力釋放率計(jì)算式為

(6)

其中，為原巖應(yīng)力，MPa；′為采動(dòng)后應(yīng)力，MPa。可以看出，越大，被保護(hù)層卸壓程度越高。采動(dòng)后應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，應(yīng)力釋放率為正，即認(rèn)為巖體發(fā)生卸壓，為負(fù)表明巖體受壓應(yīng)力集中。本文將應(yīng)力釋放率為10%，作為分析煤巖體是否產(chǎn)生卸壓的標(biāo)準(zhǔn)。

2 上保護(hù)層開采下伏煤巖卸壓光纖監(jiān)測(cè)

2.1 工程概況

內(nèi)蒙古葫蘆素煤礦主采煤層為2煤和2中煤，2煤平均埋深為635 m，2中煤平均埋深660 m，經(jīng)鑒定均為強(qiáng)沖擊傾向性煤層。為降低2中煤開采的動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)率，將2煤作為保護(hù)層先行開采。為評(píng)價(jià)2煤保護(hù)層的開采對(duì)2中煤卸壓效果，以2煤一盤區(qū)21104工作面為研究區(qū)域，開展2煤保護(hù)層開采后底板煤巖體及2中煤卸壓范圍現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究。21104工作面寬320 m，走向長(zhǎng)3 015 m，采高2.54 m，與下方2中煤垂直間距平均為23.5 m。

2.2 光纖傳感器設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，分布式光纖傳感系統(tǒng)與光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)大范圍變形監(jiān)測(cè)，分布式光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率和采樣間隔最高可達(dá)5和1 cm，測(cè)試范圍可達(dá)20 km，測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，測(cè)試范圍大；光纖光柵傳感系統(tǒng)受儀器帶寬限制，單通道光纜串聯(lián)光柵一般不超過10個(gè)光柵，在大范圍監(jiān)測(cè)中測(cè)點(diǎn)明顯少于分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。光纖光柵傳感系統(tǒng)技術(shù)成熟較早，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也相對(duì)成熟，基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)成熟較晚，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用較多，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用仍處于初步的探索階段。將分布式光纖傳感技術(shù)和光纖光柵傳感技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于大范圍圍巖監(jiān)測(cè)，局部重點(diǎn)區(qū)域通過光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，既可實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)測(cè)，又可保證測(cè)點(diǎn)數(shù)量，同時(shí)可以提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

筆者分別采用基于BOTDA的分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于FBG的準(zhǔn)分布式定點(diǎn)光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)21104工作面回采過程中底板卸壓效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用金屬基索狀光纜作為傳感器，光纜由多股金屬加強(qiáng)件保護(hù)纖芯，抗拉性能優(yōu)越，與巖層具有良好的耦合性，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。準(zhǔn)分布式定點(diǎn)光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式定點(diǎn)光柵光纜，為內(nèi)定點(diǎn)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)空間非連續(xù)非均勻應(yīng)變分段測(cè)量，用于巖層變形監(jiān)測(cè)具有極好耦合性，可實(shí)現(xiàn)大壓縮、拉伸變形測(cè)量。傳感器結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。

圖2 光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意

2.3 光纖傳感系統(tǒng)布設(shè)方案

光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和鉆孔布設(shè)如圖2(c)所示，在21104工作面運(yùn)輸平巷，沿工作面走向方向施工編號(hào)為3號(hào)的走向鉆孔；傾向方向編號(hào)分別為1號(hào)和2號(hào)的傾向鉆孔。參考《煤與瓦斯突出規(guī)定》保護(hù)層開采相關(guān)法規(guī)，走向和傾向卸壓角取60°和75°指導(dǎo)鉆孔設(shè)計(jì)，走向和傾向鉆孔垂深應(yīng)大于26.5 m，傾向鉆孔孔底距21104工作面回采巷道大于12.4 m為宜。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，最終鉆孔施工參數(shù)見表2。將光纖傳感器植入鉆孔，隨后注漿封孔，確保光纖和鉆孔圍巖耦合良好。最后與布設(shè)在巷道的信號(hào)傳輸光纜連接，通過信號(hào)傳輸光纜將傳感信號(hào)傳輸至地面，建立光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

表2 光纖鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試為雙端測(cè)量，總測(cè)量距離約為9.0 km，3個(gè)鉆孔中金屬基索狀光纜均在孔底形成回路，在孔口一進(jìn)一回光纜分別接入傳輸光纜，形成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鉆孔分布式光纖傳感實(shí)際感測(cè)長(zhǎng)度為74.0，216.0，266.0 m。傳感光纜監(jiān)測(cè)底板垂深分別為26.2，34.4，6.5 m。光纖光柵(FBG)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總測(cè)量距離約4.5 km。定點(diǎn)光柵光纜共包含光柵傳感器30個(gè)，1號(hào)鉆孔為4 m定點(diǎn)光柵光纜，共設(shè)計(jì)10個(gè)光柵傳感器，等間距分布，間距為14 m；2號(hào)鉆孔為1 m定點(diǎn)光柵光纜，共設(shè)計(jì)10個(gè)光柵傳感器，間距為4 m；3號(hào)鉆孔植入3 m定點(diǎn)光柵光纜，共計(jì)植入10個(gè)傳感器，間距為12 m。分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝后無(wú)斷點(diǎn)，定點(diǎn)式光柵傳感器安裝30個(gè)，其中28個(gè)完好。

2.4 光纖傳感系統(tǒng)空間定位與參數(shù)調(diào)試

運(yùn)用水浴加熱法對(duì)1～3號(hào)孔內(nèi)分布式光纖進(jìn)行定位。1號(hào)鉆孔內(nèi)分布式傳感光纜長(zhǎng)度為266.0 m，位于系統(tǒng)4 362.5～4 628.5 m處，如圖3所示。2號(hào)鉆孔內(nèi)分布式傳感光纜長(zhǎng)度為74.0 m，位于系統(tǒng)4 363.7～4 437.7 m處。3號(hào)鉆孔內(nèi)分布式傳感光纜長(zhǎng)度為216.0 m，位于系統(tǒng)4 366.4～4 582.4 m處。

圖3 分布式傳感光纖空間定位

準(zhǔn)分布式定點(diǎn)光柵光纜在植入鉆孔后，通過光柵波長(zhǎng)進(jìn)行點(diǎn)位識(shí)別，結(jié)合光柵光纜在孔底處光纜長(zhǎng)度值和光柵設(shè)計(jì)點(diǎn)位間隔進(jìn)行定位。光纖光柵傳感器與21104工作面底板巖層層位關(guān)系如圖2(d)，(e)所示。

BOTDA光納儀數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：測(cè)量距離10 km，采樣間隔20 cm，空間分辨率50 cm，平均化次數(shù)2，輸出連續(xù)光能量1 dBm，輸出泵浦光能量26 dBm。實(shí)測(cè)中心頻移誤差±4 MHz。分布式光纖傳感應(yīng)變誤差在±80×10。光纖光柵傳感器波長(zhǎng)漂移量誤差在±3 pm，光纖光柵測(cè)試系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量精度為±2.54×10。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為便于分析，文中工作面推進(jìn)距離指工作面開采位置與不同深度傳感器在水平投影面的距離，負(fù)值代表傳感器位于工作面前方，正值代表工作面推過傳感器。應(yīng)力均為垂直應(yīng)力，即原巖應(yīng)力基礎(chǔ)上的應(yīng)力變化量，為式(6)中-′的值，正值表明應(yīng)力減小，反之應(yīng)力增大。

3.1 下伏2-2中煤層采動(dòng)應(yīng)力分布

21104工作面推進(jìn)過程中2中煤層垂直應(yīng)力變化曲線如圖4所示，橫坐標(biāo)為工作面推進(jìn)距離，縱坐標(biāo)為煤層應(yīng)力，即原巖應(yīng)力基礎(chǔ)上的應(yīng)力變化量。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鉆孔的光纖光柵傳感器測(cè)試的2中煤層應(yīng)力變化如圖4(a)所示，工作面推進(jìn)過程中2中煤層應(yīng)力變化可劃分為原巖應(yīng)力、應(yīng)力集中、應(yīng)力釋放和應(yīng)力恢復(fù)4個(gè)階段，其中第3，4階段均出現(xiàn)了應(yīng)力的降低，且有明顯的峰值特征。第1階段為原巖應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力沒有發(fā)生變化。第2階段為應(yīng)力集中階段，1號(hào)鉆孔距離工作面前方61 m時(shí)，煤層開始受到上覆工作面的采動(dòng)影響，距離工作面11 m時(shí)，煤層應(yīng)力值為-0.32 MPa；2號(hào)鉆孔距離工作面前方60 m時(shí)煤層開始受到采動(dòng)影響，距離工作面13 m時(shí)，應(yīng)力值為-0.31 MPa；3號(hào)鉆孔距離工作面前方65 m時(shí)，煤層開始受到采動(dòng)影響，至20 m時(shí)應(yīng)力值為-0.29 MPa。第3階段為應(yīng)力釋放階段，1號(hào)鉆孔隨著工作面開采及越過測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力變化逐漸減小，當(dāng)工作面推過67 m時(shí)應(yīng)力達(dá)到4.84 MPa；2號(hào)鉆孔工作面推過58 m時(shí)應(yīng)力達(dá)到2.60 MPa；3號(hào)鉆孔工作面推過60 m時(shí)應(yīng)力達(dá)到4.50 MPa，這一階段應(yīng)力釋放更具有線性的特性。第4階段為應(yīng)力恢復(fù)階段，隨著采空區(qū)逐漸壓實(shí)，2中煤應(yīng)力達(dá)到峰值后逐漸恢復(fù)，1號(hào)鉆孔在116 m之后逐漸趨于穩(wěn)定，應(yīng)力穩(wěn)定在3.05 MPa；2號(hào)鉆孔在109 m之后逐漸趨于穩(wěn)定，其值為2.00 MPa；3號(hào)鉆孔在98 m之后逐漸趨于穩(wěn)定3.06 MPa，并保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 21104工作面開采的2-2中煤層應(yīng)力變化曲線

1號(hào)和2號(hào)鉆孔沿21104工作面傾向方向布置，其孔底位置分別處于工作面中部和一側(cè)下方，由圖4(a)可知，2號(hào)鉆孔測(cè)得的趨于穩(wěn)定的應(yīng)力小于1號(hào)鉆孔，1號(hào)和3號(hào)鉆孔的應(yīng)力幾乎一致。這是工作面回采后受煤柱和側(cè)向支承壓力的影響，導(dǎo)致2中煤靠近21104工作面兩側(cè)附近的應(yīng)力釋放受到限制，工作面中部的應(yīng)力釋放大于兩側(cè)。

圖4(b)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鉆孔分布式光纖測(cè)試的2中煤層應(yīng)力變化曲線。同光纖光柵測(cè)試結(jié)果，距離工作面位置較遠(yuǎn)時(shí)，分布式光纖測(cè)得的2中煤層應(yīng)力均沒有變化；至-50 m時(shí)煤層受采動(dòng)影響，應(yīng)力升高，進(jìn)入應(yīng)力集中階段，工作面推進(jìn)至-8 m時(shí)，1號(hào)鉆孔測(cè)得 2中煤層應(yīng)力為-0.19 MPa；推進(jìn)至-16和-12 m時(shí)，2號(hào)鉆孔和3號(hào)鉆孔測(cè)得2中煤層應(yīng)力分別為-0.24，-0.37 MPa。此后，2中煤層應(yīng)力開始減小。工作面推進(jìn)至10 m時(shí)，1號(hào)鉆孔應(yīng)力為0.34 MPa；2號(hào)鉆孔在工作面推進(jìn)至10 m時(shí)，應(yīng)力為0.24 MPa，推進(jìn)至25 m時(shí)，應(yīng)力為0.66 MPa；3號(hào)鉆孔在工作面推進(jìn)至10 m時(shí)，應(yīng)力為1.58 MPa，推進(jìn)至60 m時(shí)，應(yīng)力為4.19 MPa。3號(hào)鉆孔分布式光纖測(cè)試曲線出現(xiàn)峰值，之后應(yīng)力逐漸恢復(fù)，峰值位置位于工作面后方60 m。受鉆孔變形對(duì)光纖信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鉆孔分布式光纖未能獲得到如圖4(a)所示的2中煤層應(yīng)力的全程變化曲線，3號(hào)鉆孔測(cè)試曲線相對(duì)要好，應(yīng)力變化具有4個(gè)階段。

3.2 底板采動(dòng)應(yīng)力分布

2煤底板巖層應(yīng)力隨保護(hù)層開采在時(shí)間和空間上的應(yīng)力變化曲線如圖5所示，選取3號(hào)鉆孔分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在21104工作面底板17.31，24.26和36.91 m深度處的巖層應(yīng)力。可知底板深度方向上同樣可分為應(yīng)力增高區(qū)和降低區(qū)，底板深度17.31，24.26，36.91 m處應(yīng)力峰值為-0.71，-0.57，-0.45 MPa；工作面推進(jìn)至52～64 m時(shí)，應(yīng)力分別為5.30，3.90，1.07 MPa。

圖5 分布式光纖監(jiān)測(cè)的底板不同深度巖層應(yīng)力變化曲線

隨工作面推進(jìn)和后方采空區(qū)破碎巖體的逐漸壓實(shí)，底板不同深度巖層應(yīng)力進(jìn)入恢復(fù)階段。

在應(yīng)力增高階段，底板深度17.31 m處巖層應(yīng)力增量約為36.91 m 處的1.6倍；在應(yīng)力恢復(fù)階段，應(yīng)力增量為5.0 倍。上保護(hù)層開采底板應(yīng)力在垂向方向上呈現(xiàn)出淺部巖層受影響大于深部巖層的特征，在時(shí)間上工作面推過10 m后底板應(yīng)力逐漸減小，工作面后方52～64 m處應(yīng)力達(dá)到峰值。

3.3 下伏煤巖應(yīng)力釋放率變化規(guī)律

圖6為工作面推進(jìn)過程中3個(gè)鉆孔的分布式光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果，由式(6)計(jì)算出的不同深度巖層的應(yīng)力釋放率變化曲線，選取7個(gè)深度位置。圖6(a)為工作面推進(jìn)距離從-100～10 m時(shí)，1號(hào)鉆孔的應(yīng)力釋放率，不同深度巖層應(yīng)力釋放率為-2.65%～9.90%。隨著底板深度的增大，應(yīng)力釋放率減小，工作面推進(jìn)至10 m時(shí)，應(yīng)力釋放率均小于10%，說(shuō)明被保護(hù)層還沒有產(chǎn)生卸壓。

圖6(b)為工作面從-100 m推進(jìn)至27 m時(shí)，2號(hào)鉆孔的不同深度應(yīng)力釋放率為-10.1%～22.9%，隨著底板深度的增大，應(yīng)力釋放率減小。在工作面后方約10 m處深度10 m的巖層應(yīng)力釋放率為7.8%；深度20 m的巖層應(yīng)力釋放率5.4%；深度25 m的巖層應(yīng)力釋放率2.9%。在工作面后方約5～20 m以后，應(yīng)力釋放率大于10%。

圖6(c)為工作面從-100推進(jìn)至100 m時(shí)，3號(hào)鉆孔的不同深度巖層應(yīng)力釋放率為-3.18%～24.50%。工作面推進(jìn)至10 m時(shí)，底板深度10 m處應(yīng)力釋放率為13.1%，之后應(yīng)力釋放率逐漸增加達(dá)到20.9%；埋深25 m處巖層應(yīng)力釋放率為20.32%。工作面推進(jìn)至60.5 m時(shí)，深度25 m處巖層應(yīng)力釋放率達(dá)到20.3%，之后逐漸減小為17.9%；深度30 m處巖層在工作面過10 m時(shí)，應(yīng)力釋放率為3.7%，在推過62 m時(shí)達(dá)到最大值，之后逐漸減小至7.5%；深度35 m處巖層在工作面推過10 m時(shí)，應(yīng)力釋放率為2.5%，在推過61 m時(shí)達(dá)到6.3%，之后逐漸減小至4.1%。在工作面后方15～26 m以后，應(yīng)力釋放率大于10%。

圖6 分布式光纖監(jiān)測(cè)的隨工作面推進(jìn)過程中不同深度巖層的應(yīng)力釋放率曲線

圖7為工作面推進(jìn)過程中3個(gè)鉆孔中光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)不同深度巖層的應(yīng)力釋放率變化曲線，2號(hào)鉆孔有2個(gè)光柵安裝時(shí)損壞，共計(jì)28個(gè)光柵的測(cè)試曲線。圖7(a)為1號(hào)鉆孔應(yīng)力釋放率曲線，隨工作面推進(jìn)，工作面前方約60 m底板不同深度巖層開始受應(yīng)力擾動(dòng)。應(yīng)力釋放率呈先減小后增大的變化規(guī)律。工作面推進(jìn)至10～33 m時(shí)，應(yīng)力釋放率達(dá)到10%；推進(jìn)至54～66 m，應(yīng)力釋放率達(dá)到峰值；推進(jìn)至130～150 m時(shí)應(yīng)力釋放率趨于穩(wěn)定。

圖7(b)為2號(hào)鉆孔應(yīng)力釋放率曲線，同圖7(a)，工作面前方58 m處底板開始受應(yīng)力擾動(dòng)，底板不同深度巖層應(yīng)力釋放率呈先減小后增大規(guī)律。工作面推進(jìn)至8～21 m時(shí)，應(yīng)力釋放率達(dá)到10%；推進(jìn)至57～64 m時(shí)，應(yīng)力釋放率達(dá)到峰值，底板埋深2.35 m 處應(yīng)力釋放率達(dá)到80%；推進(jìn)至110～130 m處時(shí)應(yīng)力釋放率逐漸趨于穩(wěn)定。圖7(c)中3號(hào)鉆孔應(yīng)力釋放率變化曲線同樣表明工作面前方60 m處，底板開始受應(yīng)力擾動(dòng)，工作面推進(jìn)至11～23 m時(shí)應(yīng)力釋放率達(dá)到10%，推進(jìn)至48～65 m時(shí)應(yīng)力釋放率達(dá)到峰值65%；推進(jìn)至100～130 m時(shí)逐漸穩(wěn)定。

圖7 光纖光柵監(jiān)測(cè)工作面推進(jìn)過程中不同深度巖層的應(yīng)力釋放率曲線

綜上，以應(yīng)力釋放率10%為臨界值，應(yīng)力變化的4個(gè)階段中第3，4階段均出現(xiàn)了應(yīng)力的降低，但產(chǎn)生卸壓在工作面后方5～10 m以后區(qū)域。3號(hào)鉆孔測(cè)得底板臨界卸壓深度為29.0～32.5 m，1號(hào)鉆孔測(cè)得底板臨界卸壓深度為27.0～30.5 m，平均值29.8 m。

3.4 應(yīng)力釋放率峰值及位置的變化規(guī)律

提取圖7中28個(gè)光纖光柵傳感器測(cè)試的應(yīng)力釋放率峰值及其對(duì)應(yīng)的深度，通過非線性擬合，建立應(yīng)力釋放率峰值與底板深度之間的關(guān)系如圖8所示。應(yīng)力釋放率峰值隨底板深度增大呈負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系減小，如式(7)所示，相關(guān)性系數(shù)為0.92。

圖8 應(yīng)力釋放率峰值與底板深度關(guān)系

=61-14ln(+488)

(7)

式(7)表明底板深度越大應(yīng)力釋放率峰值越小，在底板深度30 m處應(yīng)力釋放率降至10%。

同樣，提取圖7中28個(gè)光纖光柵傳感器測(cè)試的應(yīng)力釋放率峰值滯后工作面的距離，建立21104工作面底板巖體應(yīng)力釋放率峰值位置與底板深度關(guān)系如圖9所示。應(yīng)力釋放率峰值位置與底板深度之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系，如式(8)所示，兩者具有很好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.78。

圖9 應(yīng)力釋放率峰值位置與底板深度關(guān)系

=202+12ln(+144)

(8)

其中，為應(yīng)力釋放率峰值位置。底板深度越大，應(yīng)力釋放率峰值滯后工作面距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力釋放率峰值位于工作面后方54～69 m，表明應(yīng)力釋放率在工作面推進(jìn)方向上具有明顯的滯后效應(yīng)，可以作為判斷最佳的卸壓距離的依據(jù)。

提取圖7中1～3號(hào)鉆孔在2中煤層中的光纖光柵傳感器測(cè)得的應(yīng)力釋放率峰值，建立2中煤層應(yīng)力釋放沿工作面傾向的變化情況如圖10所示，橫坐標(biāo)為工作面傾向距離。在工作面傾向方向上，2中煤層應(yīng)力釋放率峰值從工作面兩側(cè)至中部呈對(duì)數(shù)趨勢(shì)增大，在工作面中部位置應(yīng)力釋放率峰值最大。

圖10 2-2中煤層應(yīng)力釋放率峰值沿工作面傾向變化規(guī)律

3.5 底板卸壓范圍

葫蘆素煤礦控頂距為7.8 m，以工作面液壓支架頂梁后端點(diǎn)為原點(diǎn)，由圖7中24個(gè)光纖光柵傳感器測(cè)得底板不同深度巖層應(yīng)力釋放率達(dá)到10%時(shí)，工作面與底板深度的位置關(guān)系，獲得底板沿工作面推進(jìn)的卸壓臨界線如圖11所示。底板深度25.5和25.75 m 處2中煤層應(yīng)力釋放率超過10%，其走向的臨界距離為13.2 m。2煤與2中煤底板的間距為26.5 m，計(jì)算可得走向方向臨界卸壓角為63.5°。

圖11 走向方向卸壓范圍示意

在工作面傾向方向上，通過圖10擬合獲得應(yīng)力釋放率峰值在工作面傾向方向的關(guān)系，計(jì)算可得距工作面邊界19.43 m處，應(yīng)力釋放率峰值下降至10%，為傾向卸壓臨界位置，如圖12所示，可知2中煤傾向卸壓角為53.7°。

圖12 傾向方向卸壓范圍示意

4 討 論

(1)光纖測(cè)試技術(shù)。基于BOTDA的分布式光纖測(cè)試系統(tǒng)和光纖光柵測(cè)試系統(tǒng)獲得了底板煤巖體應(yīng)力變化，受鉆孔變形和安裝工藝對(duì)光纖信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀植际焦饫w未能獲得全程曲線，表明分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)測(cè)試環(huán)境和安裝工藝要求更高。光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果良好，表明系統(tǒng)穩(wěn)定性要優(yōu)于分布式光纖測(cè)試系統(tǒng)，在巖體局部變形監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)更好。

(2)光纖測(cè)試結(jié)果比較。2者已有曲線的應(yīng)力釋放率基本一致，但2者測(cè)量結(jié)果也存在一定差異。主要原因?yàn)?者傳感原理不同，分布式光纖測(cè)點(diǎn)和光纖光柵在巖層層位存在一定偏差所致。因此，深入研究分布式光纖和光纖光柵傳感系統(tǒng)在巖層變形監(jiān)測(cè)中植入、安裝、封孔工藝，以及現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)化定位方法是保證光纖傳感系統(tǒng)測(cè)試精度的關(guān)鍵。

(3)底板破壞深度。將底板破壞深度計(jì)算值與光纖監(jiān)測(cè)得出的值進(jìn)行對(duì)比，以應(yīng)力釋放率超過10%為底板破壞深度考慮，見表3。底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表明式(1)偏差最小，更適合該類地質(zhì)條件。

表3 底板破壞深度對(duì)比

(4)應(yīng)力釋放率臨界值。保護(hù)層開采防治煤與瓦斯突出方面，保護(hù)層開采后，煤巖層應(yīng)力減小，原生孔隙裂隙張開，被保護(hù)煤層透氣性增大，煤層瓦斯壓力降低，即可起到卸壓效果。防治沖擊地壓方面，被保護(hù)層應(yīng)力減小程度較小時(shí)，其內(nèi)部仍可能存在大量的彈性能，只有當(dāng)應(yīng)力減小到一定程度時(shí)，才能有效起到卸壓防沖效果。因此，合理確定臨界應(yīng)力釋放率對(duì)卸壓效果評(píng)價(jià)具有重要的影響。但臨界應(yīng)力釋放率受被保護(hù)層力學(xué)性質(zhì)等因素的影響，仍需要深入研究。本文參考相關(guān)文獻(xiàn)，以10%的應(yīng)力釋放率作為煤巖體產(chǎn)生卸壓的臨界值，通過對(duì)結(jié)果系統(tǒng)分析，應(yīng)用于葫蘆素煤礦卸壓防沖效果評(píng)價(jià)較為合理。

5 結(jié) 論

(1)通過光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)(走向95.37 m、傾向128.47 m、垂向36.94 m)空間范圍內(nèi)保護(hù)層開采下伏煤巖體卸壓效果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，揭示了上保護(hù)層開采被保護(hù)層應(yīng)力的時(shí)空演化規(guī)律。底板最大卸壓深度為30 m，2中煤走向方向卸壓角為63.5°，傾向方向卸壓角為53.7°。

(2)保護(hù)層開采下伏煤巖體應(yīng)力變化可劃分為“原巖應(yīng)力—應(yīng)力集中—應(yīng)力釋放—應(yīng)力恢復(fù)”4個(gè)階段。應(yīng)力集中階段位于工作面前方60 m左右，應(yīng)力釋放階段位于工作面后方8～10 m以后區(qū)域，應(yīng)力恢復(fù)階段位于工作面后方58～67 m以后區(qū)域。

(3)保護(hù)層開采底板巖層卸壓效果具有明顯的空間效應(yīng)。峰值應(yīng)力釋放率峰值位于工作面后方54～69 m處，垂直方向上應(yīng)力釋放率峰值波動(dòng)范圍為4.3%～71.6%，隨底板深度增大，應(yīng)力釋放率呈負(fù)對(duì)數(shù)減小。

(4)底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式(4)更適合該類地質(zhì)條件，提出了用10%的應(yīng)力釋放率作為煤巖體產(chǎn)生卸壓的臨界值。葫蘆素煤礦將2煤作為保護(hù)層開采能夠?qū)?中煤起到卸壓作用。