綜放工作面導水裂隙帶高度分布式光纖監(jiān)測技術

周禹良，楊 雪，許發(fā)強

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.礦山深井建設技術國家工程研究中心，北京 100013；3.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；4.山西省陽泉蔭營煤業(yè)有限責任公司，山西 陽泉 045011)

0 引 言

隨著我國西部地區(qū)煤炭資源的大規(guī)模開采，造成生態(tài)脆弱區(qū)水資源破壞及礦井水害等問題日益嚴重[1-2]。煤礦頂板水害和水資源保護一直是困擾安全高效生產(chǎn)的難題，覆巖導水裂隙是溝通煤層頂板含水層與采空區(qū)的主要涌水通道，其發(fā)育高度與頂板水害防治和保水開采密切相關，也是礦山生態(tài)損害監(jiān)測與評價、生態(tài)修復策略制定的重要依據(jù)[3]。《煤礦防治水規(guī)定》基于我國近水平煤層開采實踐，給出了導水裂縫帶高度的經(jīng)驗公式，但其計算結果的有效性受到適用條件的限制[4]。為了適應厚煤層綜放開采和大采高覆巖破壞高度預計，國內許多學者對傳統(tǒng)導水裂縫帶發(fā)育高度的經(jīng)驗公式進行了修正和改進[4-6]。模擬研究方面，采用相似模擬試驗和數(shù)值模擬技術，對工作面推進過程中采動裂隙演化、分布特征進行模擬，定性分析了覆巖巖性及組合關系等因素對導水裂縫帶發(fā)育高度的影響[7-9]。現(xiàn)場實測可對導水裂縫帶范圍做出準確的判斷，目前常用的覆巖導水裂縫帶高度探測技術包括鉆孔測試法和物探法[6]。早期鉆孔測試法采用鉆孔泥漿消耗或壓水試驗，漏失位置定位精度不高，不易區(qū)分裂隙帶與垮落帶之間的界限。隨著鉆孔電視、鉆孔聲波測試等技術的應用，為覆巖導水裂隙帶高度準確確定提供了新途徑[10-11]。目前，導水裂隙帶高度探測的物探技術包括高密度電法、瞬變電磁法、震波法等[12-14]。但物探結果的多解性難以完全消除，同時存在不能連續(xù)觀測的限制。

厚煤層綜放開采覆巖運移范圍廣，覆巖導水裂隙帶發(fā)育高度大。若覆巖采動裂隙溝通上覆水體，將造成地下水嚴重滲漏涌入礦井，不僅加劇了水資源流失，影響生態(tài)環(huán)境，而且增加排水費用，造成潛在的礦井水害威脅。近年來，分布式光纖傳感技術在煤礦覆巖變形觀測中取得了一定應用[3,15-16]，該方法具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。本文基于分布式光纖監(jiān)測技術，采用井下鉆孔對蔭營礦綜放工作面覆巖變形特征進行測試，確定了采動導水裂隙帶高度，為工作面頂板水害防治提供參考。

1 工程概況及地質特征

1.1 工程概況

蔭營煤礦位于山西省陽泉市蔭營鎮(zhèn)，距陽泉市約11.0 km。井田位于寧武煤田北部平朔礦區(qū)西南部，地處太行山北段西翼，區(qū)內山勢陡峻、溝壑縱橫。該礦生產(chǎn)規(guī)模為240萬t/a，井田東西最寬8.2 km，南北最長6.5 km，面積23.46 km2。礦井主采太原組15#煤層，煤層平均厚度7.23 m，屬較穩(wěn)定煤層。150313工作面斜長228 m，走向推進距離1 000 m，煤層平均埋深為400 m。工作面采用綜放開采法，全部垮落法管理頂板。割煤高度為3 m，頂煤厚度為4.23 m，如圖1所示，煤層直接頂以泥巖為主，平均厚度1.0 m，局部發(fā)育炭質泥巖偽頂，厚度0.1～0.5 m之間。基本頂為K2石灰?guī)r，全井田分布，較為完整，平均厚度為12.5 m。

圖1 15#煤層頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖Fig.1 Lithology of the roof and floor of No.15 coal seam

1.2 工程與水文地質特征

場區(qū)地層由老至新依次為古生界奧陶系(O)、石炭系(C)、二疊系(P)、中生界三疊系(T)、侏羅系(J)、新生界新近系(N)、第四系(Q)。表土層厚度較薄，分布范圍較廣，主要為第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)。井田內部構造簡單，整體為走向北西，向西南傾斜的單斜構造，地層產(chǎn)狀總體較平緩，平均地層傾角6°。含水層主要有第四系松散層孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組薄層石灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。其中，松散層孔隙含水層和奧灰距煤層較遠，對煤層開采影響相對較小；15#煤層頂板直接含水層為太原組K2灰?guī)r溶蝕裂隙含水層，間接充水含水層為山西組與下石盒子組砂巖裂隙含水層。 K2灰?guī)r單位涌水量分別為0.19 L/(s·m)，屬富水性中等含水層。頂板含水層二疊系砂巖裂隙含水層包含多層砂巖裂隙含水層，單位涌水量分別為0.051～0.132 L/(s·m)，屬于弱至中等富水性地層。

2 綜放采場覆巖運移特征模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)工作面實際工程地質情況，采用UDEC模擬軟件建立15#煤層150313綜放工作面頂板運移分析的數(shù)值模型，如圖2所示。模型X軸方向長460 m，為工作面推進方向；Y軸方向高208 m，為豎直方向。為了降低邊界效應對計算的影響，在分析中將模型兩側留設80 m的邊界煤柱。模型邊界條件為：模型左右為鉸支座，底部邊界為固定支座，頂部邊界施加埋深處豎直應力。由于基本頂及上覆地層為半堅硬至堅硬地層，初采期間采用爆破切頂措施，數(shù)值模擬中采用弱化切縫位置節(jié)理面參數(shù)實現(xiàn)。

圖2 15#煤層綜放開采數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of full-mechanized caving mining of No.15 coal seam

2.2 頂板垮落特征分析

2#煤層回采過程中，工作面覆巖垮落情況如圖3所示。隨著工作面的逐步向前推進，偽頂隨采隨冒，基本頂在第11次開挖后發(fā)生初次垮落，初次垮落步距為44 m。基本頂初次垮落位于采空區(qū)中部偏后方位置，工作面后方采空區(qū)部分懸頂，此時覆巖垮落高度13 m，裂隙帶發(fā)育高度20 m。隨著工作面的繼續(xù)推進，覆巖呈周期性垮落，周期垮落步距16～22 m。工作面推進至96 m時，下位覆巖形成“類梯形”狀垮落范圍，覆巖開始出現(xiàn)離層，此時覆巖裂隙發(fā)育高度56.3 m。工作面推進至160 m時，覆巖離層高度持續(xù)增大，豎向裂隙繼續(xù)向上擴展，最大裂隙高度78.3 m；工作面推進至200 m時，達到充分采動，關鍵層及上覆地層出現(xiàn)了明顯的彎曲下沉，覆巖下位離層基本閉合，采空區(qū)中部垮落的巖體被部分壓實。 此時，覆巖垮落帶高度約為26.0 m，垮采比為3.59；裂隙帶發(fā)育高度為85.8 m，裂采比11.87。

圖3 采場覆巖垮落過程模擬結果Fig.3 Numerical simulation results of overburden caving process

3 分布式光纖監(jiān)測原理及方案

3.1 基于BOTDR技術的分布式光纖應變監(jiān)測原理

光纖感測技術以光為載體，光纖為媒介。分布式光纖感測技術能獲得被測量在時間上和空間上的連續(xù)分布式信息，具有分布式、長距離、耐腐蝕、抗干擾等特點。如圖4所示，光纖介質折射率的不均勻性會導致光波在光纖中產(chǎn)生微小的散射，散射光信號包括瑞利、布里淵和拉曼等，但散射光的振幅和固有頻率等特征受溫度和應變的影響。因此，當光纖的外部環(huán)境溫度、應變等條件發(fā)生變化時，光波在光纖中的傳播特性和散射現(xiàn)象將發(fā)生變化，可通過特制分析儀檢測散射信號的變化，而感知外界參數(shù)變化。

圖4 光纖的散射現(xiàn)象Fig.4 Scattering phenomenon of optical fiber

布里淵光時域反射(BOTDR)技術利用光纖中產(chǎn)生的布里淵背散射光進行應變測試[17]。如圖5所示，脈沖光信號入射光纖后，產(chǎn)生的背向布里淵散射光返回入射初始端，采用BOTDR解調儀分析處理，即可得到光纖長度方向的分布的布里淵散射光功率。由于光纖散射光中布里淵頻譜最大化時的峰值功率頻率與光纖中產(chǎn)生的應變成比例地偏移，因此可利用BOTDR技術在發(fā)射端連續(xù)測試光纖長度方向的應變。散射光產(chǎn)生的位置由脈沖光發(fā)射到散射光觀測所經(jīng)過的時間確定，通過縮短取樣時間間隔，可達到5～10 cm級的應變測試分辨率，即可實現(xiàn)分布式連續(xù)地測量應變。

圖5 BOTDR光時域檢測布里淵散射光Fig.5 Detection of brillouin scattering light by BOTDR optical time domain

光纖中布里淵散射光的頻率偏移νB計算公式見式(1)。

(1)

式中：n為折射率；C為聲速；λ為光波長。

在外界環(huán)境變化影響下，光纖的應變改變將造成光纖中的聲速發(fā)生變化，從而使發(fā)生變化。 通常情況下，為應變的線性函數(shù)，其對應關系可表示為式(2)。

(2)

3.2 觀測孔布置及光纖監(jiān)測系統(tǒng)

井下分布式光纖監(jiān)測150313工作面覆巖導水裂隙帶高度的鉆孔布置在運輸巷。如圖6所示，觀測孔超前工作面300 m布置，鉆孔采用仰斜形式，共設置3個觀測孔，鉆孔孔徑為Ф60 mm。其中1#鉆孔和3#鉆孔傾角都為45°，孔深70 m；2#鉆孔傾角為60°，孔深110 m。傳感光纖選用鋼絞線光纖，將其貼于PVC管外壁并送入觀測孔。傳感光纖置入鉆孔后，采用單液水泥漿進行觀測孔全段封孔，實現(xiàn)光纖與覆巖的耦合變形。光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基于BOTDR技術的應變分析系統(tǒng)，可實現(xiàn)監(jiān)測孔全段應變的分布式采集，空間分辨率高。工作面距鉆孔100 m時，開始光纖初始應變觀測。工作面推過觀測孔后，采用矸石充填觀測孔區(qū)域，防止垮落矸石破壞孔口光纖，實現(xiàn)工作面推過觀測孔后覆巖變形的連續(xù)觀測。

圖6 光纖監(jiān)測孔布設示意圖Fig.6 Schematic diagram of optical fiber monitoring hole layout

4 導水裂隙帶高度觀測結果

4.1 鉆孔的光纖應變變化特征

工作面推進過程中光纖監(jiān)測孔應變分布曲線如圖7所示。以1#鉆孔監(jiān)測孔為例，當工作面距離鉆孔大于30 m時，光纖應變數(shù)據(jù)基本沒有變化。當工作面距離鉆孔30～1.6 m時，光纖受超前支承應力擾動，孔口的應變曲線在0～500 με之間波動，鉆孔淺部呈現(xiàn)輕微拉應變，深部應變數(shù)據(jù)輕微波動，變化不明顯。工作面通過鉆孔時，應變曲線在距離孔口28～50 m的區(qū)間出現(xiàn)拉應變，最大值500 με，對應的巖層為泥頁巖、細粒砂巖和中粒砂巖層。工作面通過鉆孔2.4 m后，應變變化段擴大到距離孔口28～60 m的范圍，應變最大值位于距離孔口35 m處，對應細粒砂巖層，約2 500 με。隨著工作面的繼續(xù)推進，覆巖變形逐步向上傳遞。根據(jù)2#鉆孔監(jiān)測孔數(shù)據(jù)，鉆孔深部應變出現(xiàn)交替拉壓應變特征，其原因為推測為離層的產(chǎn)生。隨著工作面的繼續(xù)推進，覆巖充分垮落并壓實，孔口處的光纖受到冒落矸石壓實作用，應變由拉應變轉為壓應變，最大值約為-600 με。光纖應變從距離孔口15 m的位置開始發(fā)生突變，距孔口15～50 m的應變曲線整體抬升；50～100 m的范圍內光纖拉應變與壓應變交替轉換，并逐步趨于穩(wěn)定。

圖7 監(jiān)測孔應變分布曲線Fig.7 Strain distribution curves of monitoring hole

4.2 覆巖導水裂隙帶高度確定

覆巖垮落會造成光纜在相應位置發(fā)生拉壓變化、彎折，甚至斷裂，根據(jù)傳感光纜光損耗較大的點或者斷點所在處的層位推斷垮落帶的發(fā)育高度。導水裂隙帶發(fā)育高度則需要通過巖體產(chǎn)生裂隙的臨界應變來判定。根據(jù)現(xiàn)有文獻資料和相似模擬試驗結果[15,18]，當上覆巖層發(fā)生垮落時，垮落帶巖層內埋設的光纖應變變化將一般大于3 500 με；當巖層內產(chǎn)生裂隙時，裂隙帶內的光纖應變一般大于500 με。因此，可將3 500 με和500 με分別作為判斷現(xiàn)場垮落帶和導水裂隙帶發(fā)育高度的依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測獲得的應變曲線綜合判斷，三個鉆孔測得的垮落帶高度的平均值為28.51 m。從2#鉆孔光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)來判斷，覆巖導水裂隙帶發(fā)育范圍達到鉆孔斜長92 m位置，對應煤層上覆垂值高度75.44 m。 采用經(jīng)驗公式法預計150313綜放工作面覆巖導水裂隙帶高度為76.7～91.1 m。通過數(shù)值模擬得到工作面覆巖導水裂隙帶高度為85.8 m。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)光纖監(jiān)測的得到垮落帶高度大于數(shù)值模擬結果，而覆巖導水裂隙帶高度光纖監(jiān)測結果小于數(shù)值模擬結果。 但是光纖監(jiān)測可實現(xiàn)監(jiān)測孔全長應變數(shù)據(jù)的實時獲取，監(jiān)測分辨率高，具有精細化監(jiān)測優(yōu)勢(圖8)。

圖8 150313工作面“兩帶”高度分析圖Fig.8 Height of “two zones” determination for 150313 working face

5 結 論

覆巖導水裂隙帶高度是采場頂板巖移特征的重要參數(shù)，針對蔭營煤礦厚煤層綜放工作面覆巖特點，采用數(shù)值模擬和分布式光纖監(jiān)測技術對覆巖運移特征進行研究，獲得了導水裂隙帶發(fā)育高度，為頂板水害防治和水資源保護提供參考。

1) 通過UDEC模擬得到150313綜放工作面初次垮落步距為44 m，周期垮落步距為16～24 m，覆巖垮落帶高度為26 m，垮采比為3.59；裂隙帶發(fā)育高度為85.8 m，裂采比為11.87。

2) 分布式光纖監(jiān)測過程中，當工作面接近監(jiān)測孔時，鉆孔淺部為壓應變，深部位應變基本不發(fā)生變化；工作面經(jīng)過監(jiān)測孔時，鉆孔淺部為拉應變，深部為壓應變；工作面推過監(jiān)測孔30 m后，鉆孔淺部應變轉變?yōu)閴簯儯畈繛槔瓚儭?/p>

3) 分布式光纖技術可實現(xiàn)圍巖變形高分辨率連續(xù)測試，井下監(jiān)測得到150313綜放工作面垮落帶高度28.51 m，垮采比為3.94；導水裂隙帶發(fā)育高度為75.44 m，裂采比10.43。