分布式光纤传感技术在采煤塌陷残余变形监测上的应用

方　星,　刘建奎

(1.安徽省地质矿产勘查局,安徽 合肥　230001; 2.安徽省地质环境监测总站,安徽 合肥　230001)



分布式光纤传感技术在采煤塌陷残余变形监测上的应用

方星1,刘建奎2

(1.安徽省地质矿产勘查局,安徽 合肥230001; 2.安徽省地质环境监测总站,安徽 合肥230001)

摘要:文章针对采煤塌陷区深部岩土体分层变形监测的难题,介绍了分布式光纤感测技术原理及测试方法,并通过工程试验,验证了该方法应用于采空区残余变形监测的可行性。结果表明:分布式光纤感测技术应用于采煤塌陷残余变形具有明显的优势,不仅可以监测地层的沉降变形大小,还可以精确定位深部变形岩层的层位和深度;根据光纤应变测试曲线可对被测岩土层进行分层,划分出采煤塌陷“三带”，即冒落带、导水裂隙带和弯曲沉降带。

关键词:分布式光纤感测技术;采煤塌陷;残余变形;沉降;煤层三带

0引言

煤矿开采后将伴随上覆岩土层长期的沉降变形过程,通过大地测量、卫星雷达干涉、GPS站等方法获取地面变形数据是现今评价矿区沉稳的主要技术手段[1-3],所得数据对于评价岩土层沉降稳定性和指导地基处理工程有着现实意义。随着我国土地资源紧张,大量煤矿开采塌陷区土地将会得到复垦,尤其是复垦方向为建设用地的,这对开采塌陷区岩层稳定性，特别是深部岩土体的压密变形状态,提出了更为精细的监测与评价需求[4]。但是,深部岩土体变形监测具有作业困难、传感器成活率低、施工成本高等难点问题,一直未能在煤矿采空塌陷监测中推广应用。分布式光纤应变感测技术是一种以光为载体,光纤为媒介的新型应变传感技术[5],不仅具有分布式应变测量、长距离传输等技术优势,还具有抗电磁干扰、抗腐蚀、抗电磁干扰、分布式不漏测等优点,已在各类基础工程监测中得到应用。本文结合工程试验,将分布式光纤感测技术“移植”应用到煤矿塌陷区地层残余变形监测中,并依据场地背景资料,对该区沉降变形现状和趋势、采煤塌陷“三带”划分进行了分析与研究,证实了分布式光纤传感技术应用于采煤塌陷残余变形监测上的可能性和有效性。

1基本原理与实验场地条件

采空塌陷竖向变形监测主要采用了分布式的基于布里渊光反射技术(Brillouin optical time domain reflectiometry, BOTDR)的光纤传感测试技术。其原理是在分布式光纤传感技术中,通过在被测物表面和内部植入分布式感测光缆,实现被测物变形内力等的感测。当某区域岩体受拉变形,该区域光缆应变增大;当某区域岩体受压变形,该区域光缆应变减小。利用分布式光纤应变测试仪,可测量出钻孔内光纤沿线各采样点的应变分布曲线,即钻孔内各地层的应变分布曲线。钻孔内岩土体变形可视为竖向一维拉伸、压缩变形,利用微元积分的方法,对测得的应变曲线进行积分计算,即可得到该钻孔周围岩土体的总沉降量大小。此外,通过计算拉伸或者压缩变形区域,可以测算出该区域的岩土体变形位移大小。

本次采用的传感光缆是GFRP(glass-fiber reinforced plastic)光缆、钢绞线光缆、定点光缆。

实验区为一处典型煤矿采空塌陷区,面积约2 hm2。该工作面开采结束,并已进入到残余变形阶段。煤层开采深度为-180～-230 m,开采厚度为0.26～8.87 m,停采时间为2011年4月,停采距离试验时间为28个月[6]。根据文献[7]中的建议公式，即(1)式,计算的地表总移动期约为377 d,满足基本稳沉所需时间。

T总=81.5+1.11H0+74.9=376.4

(1)

其中,H0为平均采深,取200 m。

2监测成果分析及应用

2.1根据光缆应变曲线特征判定沉降阶段

根据采集的数据,利用对光缆应变分布曲线进行一维积分的方法,可以计算得到在每次监测期的监测深度内钻孔周围岩土体的累计变形塌陷压缩量大小。

在钻孔内布设安装了3种分布式感测光缆,通过测试得到了沿钻孔深度方向上的应变分布曲线,如图1所示。

图1　钻孔内光缆测试应变变化分布曲线图

由图1可知,3种感测光缆监测得到的钻孔周围岩土体的累计变形压缩量不断增加,且其增长缓慢。光缆测试得到的最大累计变形压缩量约为7.79 mm。这说明监测区内岩土体正在缓慢变形中,岩土体主要受自身重力作用向煤层采空区竖向变形,对采空区塌陷岩体进行挤密压实。

同理,利用对测试应变积分的方法,可以计算得到钻孔不同区段压缩变形的累积压缩变形量。自监测期以来,压缩变形1、2区的光缆测试最大变形量分别为0.572、3.066 mm,变形量与位移均较小。对压缩变形1、2区进行连续6个月的监测，得出最大累计沉降量为1.911 mm;根据文献[8](以下简称“三下采煤规程”),连续6个月地表的下沉量若小于10 mm,可以视为进入残余沉降阶段。综合上述监测数据可知:钻孔周围岩土体已处于采后压密阶段,其产生压缩变形量较小,相对稳定,出现较大的沉降变形的可能性小。

2.2根据光缆应变曲线特征划分“三带”

煤层采出后,上覆岩层的移动首先从煤层的直接顶板开始,自下而上依次发生垮落、断裂、离层、裂隙、弯曲等各种不同的移动与破坏,最后在开采煤层上方地表形成比开采范围面积大的沉陷区,称为下沉盆地。当开采引起的移动与变形稳沉后,岩体内大致分为“三带”,即冒落带、导水裂隙带和弯曲沉降带,如图2所示。

图2　煤层顶板覆岩破坏移动“三带”特征图

2.2.1钻孔揭露的“三带”

通过钻孔内岩芯情况可以确定采煤塌陷区的“三带”深度。大致划分为:0～50.50 m为松散层;188.00～210.00 m岩芯破碎严重,且含多层煤层,判断该层段是研究区采空区冒落带;导水裂隙带的高度一般是采空区的10～15倍,因此判断导水裂隙带高度在132.00～188.00 m;弯曲沉降带的位置在50.50～132.00 m。

2.2.2计算的“三带”

在实验区范围内仅开采3煤这层煤,煤层采深为-180.00～-230.00 m,顶板深度平均为-191.50 m,煤层采厚为0.26～8.87 m,平均累计采厚为3.20 m。根据研究区施工钻孔岩芯编录情况,研究区煤层范围内覆岩主要是炭质泥岩、泥质砂岩等。

参照“三下采煤规程”中推荐的煤层“三带”计算公式,计算结果如下。

冒落带高度Hm为:

(2)

导水裂隙带高度Hli为:

(3)

其中,∑M为平均累计采厚,取3.20m。

因此,根据(2)式、(3)式可以推测出,研究区冒落带计算深度为183.83～191.50 m,导水裂隙带计算深度为158.38～183.38 m。

2.2.3根据光纤应变曲线划分的“三带”

根据光纤测试得到的数据揭示的钻孔各深度处地层变形特点,可将钻孔内地层分为大致5段,其中就含有“三带”,它们是:A(0～56 m)松散层带、B(56～156 m)弯曲沉降带、C(156～190 m)导水裂隙带、D(190～205 m)冒落带、E(205～238 m)煤层底板稳定带。根据以上分带情况,对监测数据分区段进行积分运算,得到的各带变形量如图3所示。

A带为“松散层带”,该带内钻孔采用钢桶护壁,钢桶护壁埋设于基岩面之上,全程支护0～50.5 m深度范围的松散层。钢管回填结构物为素水泥浆与松散土体,在20.0～50.5 m深度范围内为灌注的素水泥浆液,0～20.0 m深度范围内回填岩土体。此带光缆测试应变先压缩变小,后受外力综合作用又释压回弹,应变略有回复。

B带为“弯曲沉降带”,表现为光缆测试应变几乎不产生变化,只在局部区域产生压缩应变。其主要原因为该区岩体整体稳定,未产生压缩拉伸变形;而在65.0～75.0 m层位深度处测试到的压缩应变,是由于此深度处的砂质泥岩和泥岩性质较软,自身产生较小的压缩变形,导致该区局部产生压缩变形。

C带为“导水裂隙带”,表现为测试应变曲线出现较多的不连续压缩变形区,各压缩应变较小。该带岩体在不同层位处出现微弱压缩变形,在软弱地层部位出现多个不连续的变形区域。这主要是由于该区的裂隙在上覆岩体自重作用下,压密变形产生的。该区内岩体沉降变形还未稳定,但是沉降变形量较小,对整体变形贡献较小。

D带为“冒落带”,表现为压缩变形较为明显,压缩变形量相对较大,但是其压缩变形区域相对较小。该区域内母岩已破碎,压缩变形还未稳定,岩体发生大量的压缩变形,但变形为压密性弹性变形,无大变形垮落的可能。该区为整体沉降变形的主要贡献区域。

E带为“煤层底板稳定带”,煤层底板开采破坏较少,在上覆岩体重力作用下性质稳定,无明显变形产生。

图3　竖向监测孔变形分区与变形稳定性分析

由图3可知,“D带”为研究区深部地层压缩变形主要贡献带,该带对监测区残余变形贡献较大,且该带的累计变形量不断增大,从2013年9月10日到2014年12月10日,该带累计变形量为-3.467 mm。“A带”的岩土体变形量不断变化,呈先增大后减小、再增大的趋势,为主要地面残余变形主要贡献来源。“B带”和“E带”变形量较小,各监测期变形量变化很小,表明该2带的岩体基本稳定不变。

2.2.4对比分析

以上3种方法对煤层“三带”的划分结果汇总见表1所列。

表1　判别煤层“三带”高度结果对比　m

由表1可以看出,根据光纤测试应变曲线划分的煤层“三带”高度,与通过钻孔岩芯及“三下采煤规程”推荐公式计算得到的煤层“三带”高度相差不大,这表明,光纤传感技术判别煤层“三带” 具有一定的可靠性,可以作为划分开采煤层“三带”的方法。

2.3光缆测试应变曲线的其他应用

(1) 采取多钻孔形成的光纤传感监测网,替代传统的水准测量网。如果仅作为测量目的,钻孔深度可以减小,这种方法,虽然前期投入较高,但测试成果相对较为精准,且受外界环境干扰较小。

(2) 采用光纤传感技术可更加清晰地了解压缩层分布,以及主压缩层位置;判断残余变形阶段,以及残余变形分层余量,为建筑物基础下的“关键层”注浆处理提供依据,即压缩变形相对较大的区域是主要注浆段,从而为塌陷区的建设用地适宜性评价和地基处理提供依据。

(3) 如在本次3种光缆的基础上,再增加感测光缆及光纤测斜管(在测斜管上粘贴光纤),从而实现竖向、水平、倾斜三维方向的变形测量,藉此取得的变形值,可为评价塌陷区能否作为建设用地,以及为建、构筑物的地基、基础及上部结构设计提供更为完整的变形参数资料。

3结论

光纤传感技术是一种揭露岩土体深部变形的新型有效的传感监测手段。随着光纤监测仪器和传感器的技术成熟和成本下降,其在采空区残余监测上具有广阔的应用前景。

(1) 分布式光纤感测技术能够有效地应用于采煤塌陷残余变形监测上,为煤矿采空区变形监测提供了一种新的监测方法,可在类似的工程项目监测中推广应用。

(2) 分布式光纤感测技术具有空间分布式特点,不仅可以精确测试出监测区变形岩土层的层位和深度,还可以实现“三维空间”监测地层变形的位移量及变形地层的位移量测量。

[参考文献]

[1]刘永莉.分布式光纤传感技术在边坡工程监测中的应用研究[D].杭州:浙江大学, 2011.

[2]张敬霞,刘超,龙仁波,等.矿区高精度GPS地表变形监测体系[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2013,36(7):855-860.

[3]吕伟才,秦永洋,孙兴平,等.Kalman滤波在地表移动观测站沉降监测中的应用研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2011,34(9):1370-1374.

[4]刘迪仁.长距离分布式布里渊散射光纤传感技术研究[D].杭州:浙江大学, 2005.

[5]何玉韵.基于自发布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究[D].保定:华北电力大学,2001.

[6]梅志宏.安徽省淮北市张庄煤矿资源储量核实报告[R].淮北:淮北矿业(集团)有限责任公司,2007.

[7]于洋.淮北矿区地表移动规律研究[R].北京:煤炭科学院北京开采所,1988.

[8]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,1987：212-213.

(责任编辑张淑艳)

Application of distributed optical fiber sensing technology in monitoring residual deformation in coal mining subsiding area

FANG Xing1,LIU Jian-kui2

(1.Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Hefei 230001, China; 2.Anhui Institute of Geo-Environment Monitoring, Hefei 230001, China)

Abstract:To cope with the difficulty of monitoring deep rock-soil body deformation in coal mining subsiding area, the principle and test method of distributed optical fiber sensing technology are introduced. Based on the concrete engineering examples, the feasibility of its application in monitoring residual deformation in the worked-out section is studied. It is demonstrated that the distributed optical fiber sensing technology has great advantage in monitoring the residual deformation in coal mining subsiding area, which can not only test the scale of settlement and deformation, but also precisely locate the stratum and depth of the deep deformed rock formation. Based on the fiber strain test curve, the tested strata can be divided into “three zones”, namely caving zone, fault zone and bending deformation zone, for coal mining.

Key words:distributed optical fiber sensing technology; coal mining subsiding; residual deformation; settlement; mining “three zones”

中图分类号:TD325.4

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)02-0260-05

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.022

作者简介：方星(1956-),男,安徽旌德人,安徽省地质矿产勘查局教授级高级工程师.

基金项目：安徽省国土资源厅科研资助项目(2014-K-10)

收稿日期：2015-07-29；修回日期：2015-09-23