基于分布式光纤的煤矿工作面采场上覆岩层运动规律研究

时间：2024-07-28

文/焦红光（淮北矿业集团生产管理部）

一、基本情况

工作面回采引起的上覆岩层沉降问题由来已久，不同的地质条件下上覆岩层的沉降运动规律也不尽相同[1]。淮北矿区某矿Ⅲ811综放工作面位于矿井三水平东部，工作面东临Ⅲ一边界上山，西临8煤工业广场保安煤柱线，南至Ⅱ817工作面采空区及Ⅱ818工作面，北为Ⅲ813工作面。该面为该采区8煤首采面，回采区域内下部10煤未回采；在距10煤顶板法距20～27m、平均法距23m，距9煤底板法距54～64m、平均法距59m开采了2.2m厚软岩层，作为保护层开采，目前Ⅲ11软岩面、Ⅲ13软岩面已回采结束。本次研究采用的是基于自发布里渊散射原理的分布式光纤传感技术——布里渊光时域反射计（BOTDR），通过分布式传感光缆感测煤层开采过程中覆岩的应变状态，分析覆岩变形和受力的动态变化过程及特征[2]，工作面布置示意图见图1。

图1 工作面布置示意图

二、光纤监测方案

1.分布式光纤传感测试技术

当光纤注入一束激光，将会发生各种散射效应，此类散射效应与光纤的应变、温度等相关，其中布里渊散射光的中心频率的平移量与光纤的应变量线性相关，利用时域或频域技术再实现光纤中每一点应变的分布式测量，该技术称为布里渊光时域/频域反射技术[3]。BOTDR分布式光纤传感测试技术是基于布里渊光时域分析技术原理，来实现被测物的变形监测[4]。

布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(VB)就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息[5]，BOTDR的应变测量原理见图2。

图2 BOTDR应变测量原理图

2.光缆布置方案

本次监测分1#孔、2#孔和3#孔3个钻孔同时进行，设计孔径75mm，其中1#孔设计倾角14.9°，孔斜长104m；2#孔设计倾角24.2°，孔斜长76m；3#孔设计倾角30°，孔斜长65m。设计钻孔方向为Ⅲ13上覆岩层方向，使用分布式光纤对覆岩采动变形破坏进行监测。在Ⅲ11运输顺槽机口位置后4.6m、5m、5.4m，下帮距底板2m处设计施工3个钻孔，钻孔空间示意图见图3。

图3 钻孔空间示意图

三、光纤数据分析

1.1 #光缆应变数据分析

1#监测孔的倾角为14.9°，方位角(与巷道中轴线夹角，下同)为71°，孔长为97.6m，其孔口端部为2018年3月31日进尺位置，停采时间为2018年7月5日。图4为停采1～110天1#监测孔传感光缆的应变分布曲线图。

图4 停采1～110天1#光缆应变曲线

分析图a中曲线可知，整条光缆呈拉应变（定义拉应变为正值，压应变为负值，下同）[6]，光缆在42m后（42m至孔底）应变明显增大，光缆在距孔口42m处应变达到最大值1500με，且42m后应变均大于500με，说明42m后的光缆均为受拉状态，判断此处岩层为亚关键层，上部岩层的应力无法传递形成离层。图b中25m、37m、49m处均出现拉应变，42m处光缆应变由拉应变转变为压应变，说明亚关键层垮断离层闭合。此时工作面覆岩沉降运动尚未稳定，光缆随着覆岩的沉降运动发生变形。从图c可以看出光缆在22m（距顶板垂高5m）处破断，该处岩层发生强烈运动导致光纤破断。图d中光缆前22m应变基本为0，说明停采71天后光纤不再发生大变形，上覆岩层基本处于稳定状态。

2.2 #光缆应变数据分析

2#监测孔的倾角为24.2°，方位角为79.6°，孔长为73.2m，其孔口端部为2018年4月30日进尺位置，停采时间为2018年7月5日。图5为停采后1～110天内2#监测孔传感光缆的应变分布曲线图。

图5 停采1～110天2#光缆应变曲线

分析图a曲线可以得出整条光缆应变总体呈压应变，在不同孔深处光缆的应变值是存在较大差异，在距孔口50m（距顶板垂高20.5m）左右应变达到最大值－3200 με，在距孔口50m处上覆岩层处于压实状态，且变形较大处于变形初期。对比图b、c可以看出拉应变位置向孔口位置转移，说明采空区覆岩沉陷范围逐步扩大。图d为停采后71～110天应变曲线，由此可以看出整条光缆应变基本为0，说明光缆在停采71天后未发生大变形，上覆岩层沉陷运动已完成，岩层整体处于压实稳定状态。

3.3 #光缆应变数据分析

3#监测孔的倾角为30°，方位角为67.8°，孔长为63m，其孔口端部为2018年5月30日进尺位置，停采时间为2018年7月5日。图6为停采1～110天内3#监测孔传感光缆的应变分布曲线。

图6 停采1～110天3#光缆应变曲线

由图a可见光缆应变在30m之后总体呈压应变，应变值相对较小，最大压应变为－910με。表明3#孔位于变形扩展区的边缘，光缆整体变形且变形量较小，处于压实状态。由图b、c可看出光缆在26m(距顶板垂高13m)处发生破断，此处光缆受到下方岩层下沉运动产生的拉力，致使光缆发生拉破断。图d中光缆应变在0με上下波动（±500με），明显小于停采初期应变值，表明随着岩层的不断压实，光缆的变形逐渐变小岩层逐步趋于稳定，考虑到光纤测试的精确度可认为在停采71至110天内覆岩基本没有发生变形，顶板岩层整体处于压实稳定状态。