光纤传感技术在覆岩“两带”高度探测中的应用

谭海亮，李七明

(中国煤炭地质总局第一水文地质队，河北邯郸 056004)

0 引言

煤层开采过程中顶板岩层破坏规律的探测与研究一直是煤矿安全生产十分关注的问题。正确确定顶板采动破坏深度是精确预测顶板突水能力的首要条件。煤层开采必将引起上覆岩层的移动与破断。从岩层破坏程度来讲，冒落带[1]和导水裂缝带称为破坏影响带，是进行顶板突水性评价时的主要对象[2]。冒落带和导水裂缝带直接沟通上覆含水层或采空区积水，或地表水体。如何准确地掌握工作面采动过程中顶板岩层破坏深度及其特征，获得相应的技术参数，对工作面进行防治水工作、消除突水威胁、保障工作面安全合理开采意义重大。

分布式光纤感测技术在内蒙古某矿井破坏影响带发育特征监测中取得了良好的效果。该矿井主采煤层为15煤，直接充水含水层为煤层顶板直罗组及延安组砂岩裂隙水，顶板导水裂缝带研究较为薄弱。因此结合井下采掘现状，选择具有代表性的回采工作面上覆岩层作为监测对象，并采用多种方法手段进行探查、对比研究，确定该方法的有效性。

1 光纤传感技术的发展与特性

光纤感测技术是20世纪80年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号(被测量)的新型感测技术，其中分布式光纤感测技术是最具前途的技术之一。目前，国际上分布式光纤感测技术除了应用于通信领域中通信光纤光损和断点的检测和监测外，一些主要的发达国家正在投入大量的人力和物力拓展其应用领域，已开始应用在国防、基础工程、工业设施、航空、土木等领域工程结构的健康监测和诊断中，成为国际间竞相研究的热点课题。

光纤感测技术应用光纤几何上的一维特性，把被测参量作为光纤位置的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量，获得被测量参数在空间和时间上的连续信息。这种监测方法的突出优点就是改变了传统的点式监测方式，弥补了点式监测的不足，实现了实时、长距离和分布式的监测目标[3]。而且光纤既是传感介质，又是传输通道[4]，具有体积小、质量轻、几何形状适应性强、抗电磁干扰、电绝缘性好、化学稳定性好以及频带宽、灵敏度高、易于实现远距离监测等诸多优点，适用于分布式监测中的传感介质。

2 工作原理及探测方法

覆岩的分布式监测方法是在开采煤层的覆岩中植入线形感测元件，当覆岩发生变形时，传感光缆能连续监测形变大小、分布，从而获得覆岩的变形规律。

2017年9月中国煤炭地质总局第一水文地质队在内蒙古某矿井开展实验。开采工作面长1 975m，宽200m，近南北向。煤层产状近水平，厚度3.7m，顶板垂深472.38m。采用综采机一次采全高，顶板管理方法为全部垮落法。采煤速度一般为8m/d。工作面共布置两条巷道，下顺槽巷道净宽4.2m，净高3.6m；上顺槽净宽4.8m，净高3.7m。

在工作面上方布置勘探孔，终孔深度为474.61m。钻孔内布置3条光纤(传感器)，分别为金属基索状应变感测光缆(1#)、GFRP传感光缆(2#)、定点式应变感测光缆(3#)。1#传感光缆控制垂高为465.4m；2#传感光缆制垂高为467.04m，3#传感光缆控制垂高为467.04m。全孔水泥封闭。

随着采煤工作面向前推进，煤层顶板岩层应力状态发生改变，顶板岩体将产生变形、位移乃至破坏，光纤传感器将对地层结构及岩体物性变化做出响应。通过地面布里渊光时域反射光纤应变/温度测量仪进行监测、前期计算和基础实验，证明此次传感器与测线的布置设计能够有效满足在测试区域范围内顶板应力和电阻率变化等测试参量的技术要求。

3 数据采集与结果分析

3.1 数据采集

初次采集回采工作面下顺槽退尺位置与钻孔水平距离177m，采用首次采集数据作为数据初值。随工作面的不断推进，每天采集1组数据。光纤数据采集时间自2017年9月30日开始，最终于2017年11月14日截止数据采集，共采集光纤数据46组。后期监测预测设计在工作面回采至距离靠近监测断面监测灵敏阶段时，加强数据采集，对顶板变形、应变分布、电阻率变化情况进行实时监测。因此，全程实时监测有效获得了工作面采动影响前底板背景数据、煤层回采顶板变形破坏全过程、工作面推过进入采空区后顶板趋于稳定状态的应变场、电场的变化特征规律。并获得监测断面在采动影响前、中、后顶板岩体的变化特征。

3.2 岩层变形与监测成果相关性分析

传感光缆与采动距离、地层深度相关。工作面采动初期受到扰动影响很小，每条光缆采集到的应变数据无较大的变化。随着工作面向钻孔位置推进，不同钻孔深度的应变特征差异明显；同一深度上随时间的偏移应变增大或减小。

工作面距离监测钻孔147.5m时(10月4日)，1#传感光缆开始受到超前应力的影响，接着2#、3#传感光缆相继受到采动的影响。上部白垩系表现为拉应变响应特征，局部在砂岩和泥岩、中砂岩和细砂岩的岩层分界面处呈现应变陡增特征，下部侏罗系整体呈现压应力响应特征，在局部岩层分界面出表现为拉压相互转换的应变特征，当工作面进一步推进靠近监测钻孔位置时，钻孔中的每条传感光缆应变值持续的增加，直到每条传感光缆在钻孔不同深度处发生断裂，传感光缆应变断失。其中1#传感光缆首次断裂发生在10月13日，孔深264.52m(距离煤层顶板207.86m)处(图1)；2#传感光缆首次断裂发生在10月15日，孔深229.10m(距离煤层顶板243.28m)处(图2)；3#传感光缆首次断裂发生在10月15日，孔深422.00m(距离煤层顶板50.38m)处(图3)。工作面继续推进，断裂高度逐渐增加。采过监测孔一定位置后，传感光缆应变值无明显起伏的变化，表明上覆岩体破坏已经达到稳定的状态。

3.3 顶板岩层破坏高度判断

监测钻孔中1#、2#、3#传感光缆的测试数据相互补充。工作面的采动过程，钻孔控制范围内覆岩中传感器参数表现出相应的变化，其在数值特征上表现为相对于采集背景应变值的增大与减小。如果应变陡增具有连续性，并当其增大到一定程度后，保持相对稳定时，通常认为是产生离层或裂隙发育稳定。当其应变陡增不具有连续性时，并且应变变化数值差较大，甚至光缆断裂信号灭失时，通常认为覆岩发生垮落或者产生较大裂隙。拉断常常发生在弹性模量较小的岩体中或者岩性分界面，错断常常发生在岩体弹性模量较大的岩体或者相邻岩层分界面。因此以采动前、采动中、采动后传感光缆的应变数据变化特征为依据， 能较好的判断覆岩“两带”破坏的高度。

(a)2017日10月12日钻孔应变分布曲线 (b)2017日10月13日钻孔应变分布曲线图1 1#传感光缆钻孔每日应变分布曲线Figure 1 Daily strain distribution curve of sensing optical cable borehole No.1

(a)2017日10月14日钻孔应变分布曲线 (b)2017日10月15日钻孔应变分布曲线图2 2#传感光缆钻孔每日应变分布曲线Figure 2 Daily strain distribution curve of sensing optical cable borehole No.2

(a)2017日10月14日钻孔应变分布曲线 (b)2017日10月15日钻孔应变分布曲线图3 3#传感光缆钻孔每日应变分布曲线Figure 3 Daily strain distribution curve of sensing optical cable borehole No.3

图4 传感光缆随工作面推进云图Figure 4 Cloud map of sensing optical fiber cable along with working face advance

工作面回采过程中覆岩的垮落呈现周期性动态的演化过程，相应的传感器出现应变陡增—断裂—稳定的周期性变化。通过对钻孔监测周期内不同光纤传感器获得的数据及断裂高度进行处理分析，可以获得钻孔控制高度范围内岩层形变、移动到破坏连续变化的破坏结果，如图4所示。

随着工作面向监测钻孔位置推进，白垩系中产生超前应力响应，并且随着逐渐靠近钻孔位置，对应岩层内的拉应力值逐渐增大。侏罗系整体以泥质类岩性为主，以压应变为主体，在283.72m粗粒砂岩与粉砂岩界面、351.72m中粒砂岩与泥岩分界处呈现拉应力；229.1～283.72m段呈现压应力特征，且在351.72～467m段压应力显著，393.43m粉砂岩以下至467m段岩层整体的压应变值大，且最大达到900με。侏罗系在393.43m以下深度，即粉砂岩与煤层的分界面以下层位主要以压应变为主体，受采动影响呈垮落特征，即垮落带高度为15煤顶板以上79m高度。侏罗系在351.72m以下深度，即中粒砂岩与泥岩的分界面以下层位，至393.43m这一段拉应力与压应力交互出现，且岩层以薄层为主体，整体抗拉能力差，垂向裂隙发育，判断为导水裂缝带高度，即导水裂缝高度达到15煤层顶板上方121m。钻孔垂深351.72m以上地层中，整体以拉应力为主，在131.7m中细粒砂岩处、189.9m粗细粒砂岩分界处、221.35m粗砾岩与砂质泥岩分界处、283.72m粗粒砂岩与粉砂岩界面、351.72m中粒砂岩与泥岩分界处，拉应变值不断增大，表现为岩层受力出现的离层特征，且层与层之间未沟通，仅是表现为层间离层。

综合上述钻孔光纤数据监测结果，分析认为：顶板岩体经历下沉、压实、稳定的状态，其特征明显。在图4云图上，采煤破坏影响带均表现为压应变(图中显示深绿—天蓝色)，弯曲变形带为拉应变(黄色—红色)。其中在煤层顶板上面79m处，图4(b)云图表现为光纤传感器断裂，图4(c)、图4(d)动力云图上光纤传感器仍表现为压应力，工作面持续推进，随后发生断裂，该处岩层为粉砂岩与煤层分界面附近，受采动影响表现为压应变，为岩层直接垮落带。121m处为导水裂缝带形成高度，在图4(b)上两带之间分带明显。

3.4 电法测试

2017年9月10日对工作面进行了并行电法监测。并行电法测试借鉴地震勘探中的单点激震原理，采用一类拟地震道记录的采集数据方式，并通过电极对大地提供供电信号实现测量。该方法可应付任意多通道同时采集电场数据，智能电极和网络系统有机结合，实现了并行电法勘探近似地震勘探的数据采集功能。

图5 视电阻率剖面Figure 5 Apparent resistivity section

图5为2017年9月10日和9月27日钻孔中视电阻率剖面。监测孔下方电阻率值由冷色和暖色调来表达，其中冷色调表示相对低阻，暖色调表示相对高阻。由视电阻率色标可以看出，由冷色调至暖色调分布表明电阻率值逐渐升高，色标电阻率为0～555Ω·m。9月10日视电阻率剖面表征为原始未扰动岩层电性特征，将此次视电阻率剖面作为背景监测剖面进行对照分析。从图5中不难看出，上部白垩系大部分区域电阻率为150～550Ω·m，而在侏罗系电阻率整体较低，低于100Ω·m，这就从整体上反映了不同地层在电性参数上的差异。单个地层的电阻率差异可能为岩层裂隙发育、含水性不均一所致。局部岩层电阻率的高低变化反映出岩性变化或岩体完整性的不同，在本次监测中，可视为正常岩层电性特征反映，该值为后续探测剖面对比提供基础。

9月27日结合背景视电阻率剖面图和当日视电阻率剖面图对比分析，可以看出白垩系电阻率值几乎没有变化，表明采动对较上部岩层影响较小。而侏罗系下部岩层局部区域视电阻率有少量增高，增高到60～80Ω·m，表明较下部岩层已经受到岩层采动影响，认为电阻率变化量大的为15煤顶板上方78.8m以下，为垮落带，电阻率变化量相对大的为顶板上方119m以下深度，为导水裂缝带，因此可以对“两带”特征进行判断。

3.5 结果对比

通过并行电法测试及光纤传感技术综合分析表明，15煤层顶板上方79m为垮落带，121m为上覆岩层变形破坏的导水裂缝带高度值。与分布式光纤传感器监测结果一致。

4 结论

①覆岩破坏高度的精细化探查对提高煤炭资源安全高效生产有着重要指导意义。光纤应变法是一种新型的测试技术手段，对应变场的响应特征具有良好的敏感性，在矿井方面具有广阔的应用前景。

②结合研究矿井工作面开采地质条件，进行煤层开采围岩破坏特征实测。由应变场信息和地电场信息反映，煤层回采后，采空区上方顶板岩体经历下沉、压实、稳定的状态，具体表现在岩层的位移和电阻率变化值，其特征明显，易于分辨与判断。

③通过分布式光纤应变法测试结果的分析和判断，能够对采动条件下顶板覆岩破坏情况进行准确探测，探测得出顶板上面79m处为岩层直接垮落带，121m处为导水裂缝带形成高度。

④现场监测技术是确定采场覆岩破坏、划分“两带”高度的重要途径和依据。本文综合利用分布式光纤应变法现场监测手段进行采场应力变化的动态监测，其研究结果大大提高了探测精度，但在实际操作过程中，受耦合性、地质条件等影响因素的限制，实际结果还存在一定的误差。