煤礦老采空區(qū)覆巖移動變形監(jiān)測方法分析及應(yīng)用

李學(xué)良

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013)

地下煤炭資源的開采勢必使采空區(qū)上覆巖層遭受不同程度的破壞，同時覆巖的移動與變形會波及地表，給地表已有建(構(gòu))筑物帶來安全隱患。同樣，在對采空區(qū)地表進(jìn)行建筑利用時，若新增建筑荷載擾動深度觸及采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶也會對覆巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，引起新的移動變形[1-2]。因此，在各個時間段對采空區(qū)覆巖的移動變形情況進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測，精準(zhǔn)掌握其移動變形所處的階段與變形大小至關(guān)重要，可為后續(xù)地表的殘余變形預(yù)計、地基穩(wěn)定性評價、場地建設(shè)適宜性分區(qū)等提供評判依據(jù)。采空區(qū)覆巖的移動變形具有一定的隱蔽性，是一個相對較為復(fù)雜的“黑箱”問題，采空區(qū)地表的移動變形雖可在一定程度上反映覆巖的移動變形情況，但在時間和空間上往往存在明顯的不足，如時間有所延遲，厚松散層地區(qū)移動變形的折減問題等[3-5]，故只通過地表移動變形去推斷覆巖移動變形是不全面的，需要對覆巖的移動變形進(jìn)行直接監(jiān)測。

以往對采空區(qū)覆巖移動變形的監(jiān)測多是在巖層內(nèi)部相關(guān)位置設(shè)定一定數(shù)量的監(jiān)測點，并連接至地面觀測站獲取觀測結(jié)果[6-7]。在礦井工作面掘進(jìn)過程中，及時布置觀測點相對較為容易，但要監(jiān)測老采空區(qū)尤其是已經(jīng)閉坑的礦井，豎向鉆孔內(nèi)設(shè)置觀測點姑且可以實現(xiàn)，但水平方向的監(jiān)測點布置對技術(shù)要求較高且成本較高，操作起來較為困難。在實際工作中，主要通過勘察的手段對采空區(qū)覆巖的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評判，如綜合測井、鉆孔電視、瞬變電磁、三維地震等[8-10]方法，所得結(jié)果均是在某一時間點的覆巖移動變形狀態(tài)，雖可作為評判采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的依據(jù)，但不能全面反映采空區(qū)覆巖在整個移動變形過程或某一特征時間段內(nèi)的移動變形規(guī)律。為解決上述問題，筆者以老采空區(qū)覆巖殘余移動變形為研究對象，對多種監(jiān)測方法進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期為相關(guān)理論研究和工程實踐提供參考。

1 采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征

我國大部分井工煤礦為提高采出率和工作效率，在條件允許的前提下，多采用長壁開采，全部垮落法管理頂板；在東部部分地區(qū)(如山東、河北、安徽等地)出于保護(hù)地表建(構(gòu))筑物需要，多采用條帶開采的方式；在中西部部分地區(qū)(如陜西、內(nèi)蒙古等地)，尤其當(dāng)?shù)匾恍┢巾祥_拓的中小型礦井，多采用房柱式開采的方法[11-13]。不同開采方法下的煤礦采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)類型存在顯著差異，故對其上方地表土地進(jìn)行建設(shè)利用時，勘察和監(jiān)測的側(cè)重點也有所不同。

以長壁開采形成的采空區(qū)中的水平或緩傾斜煤層為例，其覆巖多為“三帶”結(jié)構(gòu)，具體情況如下：垮落帶以散體、碎裂結(jié)構(gòu)居多，空洞多分布在采空區(qū)邊緣；裂隙帶巖體為塊裂結(jié)構(gòu)，多形成鉸接砌體巖梁半拱形結(jié)構(gòu)和懸臂梁結(jié)構(gòu)；彎曲帶完整性最好[14-15]。采空區(qū)在開采較長時間后，雖仍存在一定的移動變形，但覆巖結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，除非有較大外力(如地震、建筑荷載等)影響，否則一般不會再發(fā)生大的移動變形。長壁老采空區(qū)覆巖“三帶”分布情況如圖1所示。

圖1 長壁老采空區(qū)覆巖“三帶”分布

部分開采形成的采空區(qū)覆巖，理論上也按上述的“三帶”結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，但部分開采屬于非充分采動，有時“三帶”不能夠同時存在。需要指出的是，部分開采時留設(shè)的煤柱，在長時間的負(fù)荷作用下易發(fā)生蠕變變形，加之采空區(qū)風(fēng)化、水蝕等外部條件影響，可能會由于力學(xué)性質(zhì)發(fā)生惡化(塑性區(qū)逐漸變大、核區(qū)逐漸變小)，從而失去承載能力，發(fā)生失穩(wěn)垮塌[16-17]，進(jìn)而造成采空區(qū)上覆巖層的大面積移動變形。

2 監(jiān)測對象及要點

通過對采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征的分析可知，在沒有較大外力影響時，長壁采空區(qū)覆巖的殘余移動變形一般不會體現(xiàn)在覆巖的整個層狀結(jié)構(gòu)上，而主要表現(xiàn)為局部小范圍的空洞、裂隙等殘存空間的二次壓密，產(chǎn)生的變形量相對較小；部分開采覆巖的殘余移動變形除受覆巖中殘存空間的二次壓密影響外，還受留設(shè)支撐煤柱的穩(wěn)定性的影響，一旦煤柱發(fā)生失穩(wěn)垮塌，對覆巖及地表的影響是劇烈的，故需提前評價煤柱的受力情況與穩(wěn)定程度，根據(jù)評價結(jié)果判斷是否對煤柱進(jìn)行重點監(jiān)測。

對采空區(qū)覆巖進(jìn)行殘余移動變形監(jiān)測時，在兼顧覆巖整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還要重點監(jiān)測覆巖結(jié)構(gòu)中殘留空洞、裂隙、孔隙的變化情況，分析地質(zhì)采礦條件等因素，掌握當(dāng)前采空區(qū)所處的穩(wěn)定階段，所監(jiān)測到的移動變形數(shù)據(jù)根據(jù)采空區(qū)是否處于沉陷穩(wěn)定狀態(tài)所代表的意義不同，需要區(qū)別對待。

由于殘留煤柱的失穩(wěn)往往是突發(fā)的，在監(jiān)測分析時，對煤柱短時間監(jiān)測的數(shù)據(jù)不能充分說明問題，只能通過探查煤柱的側(cè)三帶分布情況，結(jié)合已有的經(jīng)驗公式去綜合評估煤柱的穩(wěn)定性。

3 監(jiān)測方法及適用性

隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)測參數(shù)也不再局限于位移這一指標(biāo)，應(yīng)力、應(yīng)變、能量變化等指標(biāo)參數(shù)的采集與解析，都已被成功應(yīng)用在采空區(qū)覆巖監(jiān)測的相關(guān)領(lǐng)域中[18-20]，并取得了較好效果。目前，常用監(jiān)測方法主要有以下幾種：

1)直接測量法。監(jiān)測覆巖的移動變形多采用在巖層內(nèi)部設(shè)置觀測點的方式，測點位置通常為巷道或鉆孔處。在老采空區(qū)覆巖變形監(jiān)測中，由于巷道多不具備實地布點條件，故多采用鉆孔內(nèi)部監(jiān)測。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要有鉆孔鋼絲監(jiān)測法、鉆孔伸長儀監(jiān)測法、鉆孔傾斜儀監(jiān)測法等。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，可檢測應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、光電液位等參數(shù)的傳感器也逐漸被應(yīng)用到各個領(lǐng)域中。通過埋設(shè)傳感器并建立監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對采空區(qū)及其覆巖移動變形的實時監(jiān)測，進(jìn)一步提高了監(jiān)測工作的自動化程度與精度。

2)試驗?zāi)M法。該方法是在充分掌握地質(zhì)采礦條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有理論和工程經(jīng)驗，采用相似材料模型和數(shù)值模擬，模擬出采空區(qū)及其覆巖在某一時間段、某一位置的移動變形情況[21-22]，該方法雖較為直觀、易于選點，但只能用于定性分析，多作為現(xiàn)場監(jiān)測的輔助手段或用于理論探討。

3)類比反演法。該方法主要是在充分掌握地表移動變形情況的前提下，結(jié)合地質(zhì)采礦條件和巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型去反演、推斷和評估采空區(qū)覆巖的變形情況[23]，是一種側(cè)重于數(shù)學(xué)與力學(xué)的研究手段，同樣主要適合于理論性質(zhì)的定性分析。

4 基于光纖—微震的監(jiān)測實例應(yīng)用

4.1 項目概況

項目位于山東省濟寧市，涉及范圍內(nèi)僅開采3上煤層，條帶開采，垮落法管理頂板。煤層采厚為2.7～3.4 m，采深為520～600 m，采寬、留寬均為50 m，煤層傾角為3°～5°。項目區(qū)下方主要涉及4個工作面，開采時間為2008—2012年。

項目區(qū)于2019年采用鉆探、綜合測井、井下電視等手段進(jìn)行了初步勘察，結(jié)果顯示：采空區(qū)已塌落，采空區(qū)覆巖裂隙主要位于裂隙帶且較為發(fā)育，以高角度張裂為主，裂面與巖心軸夾角多在0°～30°，裂隙具有貫通性及導(dǎo)水性。

擬對項目區(qū)上方地表土地進(jìn)行建設(shè)利用，為確保安全，需準(zhǔn)確掌握采空區(qū)及其覆巖的穩(wěn)定性情況，為采空區(qū)上方地表建設(shè)利用的可行性評價提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 技術(shù)方案

為了使煤礦老采空區(qū)覆巖移動變形監(jiān)測能夠達(dá)到實時、動態(tài)、連續(xù)的要求，本次監(jiān)測采用分布式光纖與微震相結(jié)合的方式，設(shè)計監(jiān)測周期為3個月。現(xiàn)場監(jiān)測的測點布置情況如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測測點布置圖

4.2.1 分布式光纖監(jiān)測

根據(jù)前期勘察結(jié)果可知，4號鉆孔所處位置覆巖裂隙帶發(fā)育程度較高，比其他孔位更具代表性，故選定在該孔進(jìn)行光纖監(jiān)測采空區(qū)覆巖殘余沉降變形情況。鉆孔電視影像顯示，鉆孔在480 m以下富水，并發(fā)育有垮落帶、裂隙帶，結(jié)合鉆孔勘探資料可判定光纖下放到500 m以下深度即可下穿裂隙帶，得到可靠的監(jiān)測結(jié)果。4號鉆孔孔徑90 mm，孔深520 m，光纖監(jiān)測設(shè)計深度520 m，使用定點分布式應(yīng)變感測光纜組成U型回路對全孔深地層沉降進(jìn)行監(jiān)測，定點光纜間距10 m，采集頻率為每天4次。

4.2.2 微震監(jiān)測

采用“地—孔”聯(lián)測方式，實時監(jiān)測項目范圍內(nèi)巖體裂隙動態(tài)發(fā)育情況，可解決單靠地面監(jiān)測臺網(wǎng)存在的垂向定位精度偏低問題；在線監(jiān)測與波形離線存儲，可解決微震監(jiān)測系統(tǒng)捕捉震動信號不全的缺陷。監(jiān)測范圍內(nèi)共布設(shè)8臺KJ768型在線式傳感器和8臺Allseis-3CL一體化無纜短周期高靈敏度三分量地震儀：2臺傳感器布置在5號孔(淺孔)-150、-280 m位置，4臺傳感器布置在1號孔(深孔)-107.86、-207.86、-307.86、-407.86 m位置，另外2臺傳感器布置在地表；地震儀采用臺網(wǎng)方式在監(jiān)測區(qū)域邊角位置布置，各地震儀間距為100～200 m。部分微震設(shè)備儀器如圖3所示。

(a)地震儀 (b)傳感器圖3 部分設(shè)備儀器圖

4.3 監(jiān)測結(jié)果分析

4.3.1 分布式光纖監(jiān)測結(jié)果

鉆孔內(nèi)光纜完成下放后，應(yīng)及時進(jìn)行灌漿封孔。導(dǎo)頭連同光纖傳感器實際布設(shè)深度為510 m，設(shè)備于2021年6月30日調(diào)試完成后開始自動監(jiān)測，并連續(xù)采集約3個月數(shù)據(jù)。將6月30日數(shù)據(jù)作為初始值，將后續(xù)數(shù)據(jù)與第一期數(shù)據(jù)相減，即可得到各監(jiān)測時段應(yīng)變隨深度變化的曲線。

監(jiān)測結(jié)果顯示：距孔口0～129 m的光纜應(yīng)變是正應(yīng)變區(qū)段，最大拉應(yīng)變?yōu)?.23×10-4，地層呈拉伸回彈狀態(tài)；129～226 m光纜應(yīng)變?yōu)?4×10-5～4×10-5，變化量級相對較小；226～309 m光纜應(yīng)變是負(fù)應(yīng)變區(qū)段，最大壓應(yīng)變?yōu)?2.76×10-4，地層呈壓縮沉降狀態(tài)，是地層主要沉降壓縮層位，而在300～309 m區(qū)段光纜應(yīng)變是正應(yīng)變，最大拉應(yīng)變?yōu)?.33×10-4，地層呈拉伸回彈狀態(tài)；309～510 m(孔底)區(qū)段光纜應(yīng)變?yōu)?3×10-5～3×10-5，量級相對較小。根據(jù)所測應(yīng)變量，以光纖監(jiān)測孔孔底為不動點對全孔深應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行積分獲取全孔深的沉降值。監(jiān)測期內(nèi)不同監(jiān)測時刻的積分曲線如圖4所示(圖中負(fù)值代表地層壓縮下沉，正值代表地層拉伸回彈)。

圖4 3個月內(nèi)不同監(jiān)測時間的全孔深地層沉降曲線

監(jiān)測數(shù)據(jù)處理后，將移動變形劃分為3個階段：

1)鉆孔封孔材料固化階段(7月1日至7月11日)，全孔深地層呈先拉伸回彈后壓縮沉降并趨于穩(wěn)定的趨勢，本階段主要是鉆孔封孔材料固化耦合，處于400～510 m監(jiān)測層位，為砂巖頂板飽水區(qū)，最大拉伸變形為2.13 mm。

2)光纖地層耦合趨穩(wěn)階段(7月12日至9月1日)，全孔深地層呈壓縮沉降逐步增大后趨于穩(wěn)定的趨勢，為封孔材料與裂隙帶和垮落帶膠結(jié)耦合所致，主要發(fā)生在480～510 m監(jiān)測層位，最大壓縮沉降為-5.23 mm。

3)巖層蠕變變形階段(9月2日至10月9日)，全孔深地層呈拉伸回彈狀態(tài)且有2個明顯的回彈窗口期(9月1日至9月20日、9月21日至10月9日)，主要發(fā)生在480～510 m監(jiān)測層位，從沉降最大的-5.23 mm逐步回彈至0.47 mm，并趨于穩(wěn)定。拉伸回彈主要受巖層蠕變控制，主要原因為砂巖裂隙帶和垮落帶裂隙內(nèi)充滿固化耦合材料，固化材料、光纖和巖層達(dá)到最佳耦合狀態(tài)，在巖層自重作用下發(fā)生蠕變并趨于穩(wěn)定。

全孔深地層沉降時程曲線如圖5所示。

圖5 全孔深地層沉降時程曲線

4.3.2 微震監(jiān)測結(jié)果

設(shè)備于2021年7月20日調(diào)試完畢并開始監(jiān)測，通過近3個月的連續(xù)監(jiān)測，獲得了采空區(qū)覆巖裂隙動態(tài)發(fā)育的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步篩選與必要的修正。

以8月10日為節(jié)點分兩階段對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如下：

1)第一階段(7月20日至8月10日)，累計收到有效微震事件93次，其中，最小能量924 J，最大能量30 132 J，總能量558 329 J?？臻g分布上，微震事件與條帶采空區(qū)位置無明顯對應(yīng)關(guān)系，多集中在項目區(qū)邊界東側(cè)和南側(cè)道路附近，推斷為車輛行駛或局部地段施工影響，部分集中在4號孔位置，推斷與回填水泥漿的固結(jié)變化有關(guān)。

2)第二階段(8月11日至10月10日)，共收到有效微震事件100次，其中，最小能量876 J，最大能量8 986 J，總能量556 310 J。微震事件分析結(jié)論與第一階段基本一致。第二階段微震事件頻次與最大能量分布如圖6所示。

(a) 微震事件頻次分布

4.4 綜合分析及可靠性評價

對監(jiān)測結(jié)果分析可知，光纖監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所發(fā)生的應(yīng)變(位移)變化主要為水泥漿液的自身固化耦合及其與巖體間的膠結(jié)耦合所致，在鉆孔豎直方向上監(jiān)測到的變形量級相對較小，說明未發(fā)生明顯的沉降變形，不足以反映覆巖的沉降變形問題；微震監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有效微震事件數(shù)量較少，頻次較低，分布范圍廣，無相關(guān)集中特性，根據(jù)巖石破裂和失穩(wěn)時微震事件能量分布工程經(jīng)驗可以判定，條帶采空區(qū)上方覆巖無明顯的新增破裂產(chǎn)生。

此外，8月7日至12月19日，對項目區(qū)地表布置的31個水準(zhǔn)點按二等水準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了多次測量，各監(jiān)測點的累計變形量為-0.4～0.5 mm，地表基本無殘余變形發(fā)生，該結(jié)果也間接驗證了采空區(qū)覆巖的穩(wěn)定性。同時，光纖—微震監(jiān)測結(jié)果符合開采沉陷理論，即大深厚比、長時間開采后的深部條帶采空區(qū)在沒有大的外部干擾和煤柱失穩(wěn)垮塌的前提下，覆巖移動破壞程度一般不會太大，即使有微小變形也多集中在垮落帶與裂隙帶范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

1)不同開采方法及頂板控制方法形成的采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)類型不同，后期所產(chǎn)生的殘余變形程度也有所差異。在進(jìn)行監(jiān)測設(shè)計時，要考慮覆巖移動變形所處的階段，并準(zhǔn)確把握監(jiān)測對象及其監(jiān)測要點，最終合理確定監(jiān)測手段及監(jiān)測頻率。

2)光纖和微震相結(jié)合的手段可應(yīng)用在老采空區(qū)的覆巖殘余移動變形監(jiān)測中，并能達(dá)到預(yù)期監(jiān)測目的。需要指出的是，應(yīng)用微震監(jiān)測時需考慮監(jiān)測區(qū)周邊環(huán)境存在的擾動因素，在數(shù)據(jù)分析時給予合理消除；光纖監(jiān)測時需要注意光纖的量程范圍與覆巖變形程度相適應(yīng)，避免光纖被拉斷。

3)隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，基于該技術(shù)建立的多個監(jiān)測系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與處理，后續(xù)需要在監(jiān)測方法、多源數(shù)據(jù)融合、成果分析、預(yù)報預(yù)警等方面開展深入研究。