工作面顶板岩层变形破坏发育过程光纤测试模拟研究

张平松, 孙斌杨, 张 丹, 许时昂

(1.安徽理工大学 地球与环境学院, 安徽 淮南 232001; 2.南京大学 地球科学与工程学院, 江苏 南京 210046)

工作面回采过程中,由于煤层的开挖导致原岩应力平衡状态被打破,其顶、底板岩层将会发生变形与破坏。而顶板岩层的破坏高度以及底板岩层的破坏深度等相关技术参数对于科学指导矿井安全生产具有重要的意义[1]。目前,对于矿井岩层变形破坏的测试手段主要集中在经验公式[2]、数值模拟[3]、物理模拟[4-6]及现场测试[7-10]等几个方面。上述方法在一定程度上均有效提高了探测区解释精度,为矿井地质问题的预防提供依据。但是随着浅部煤炭资源的枯竭,深部化开采已进入实施状态。深部煤炭资源的赋存条件较浅部复杂化,使得煤层开采面临巨大的挑战,同时以往相关测试手段的有效开展均基于浅部地质条件[11]。随着“煤炭精准开采科学构想”的提出[12],煤矿区智能化绿色开采已大力实施,同时矿井岩层变形破坏的透明化探测是众多学者关注的课题。基于上述问题,本文提出利用分布式光纤传感测试技术对岩层变形破坏进行监测,该方法可有效提高监测数据体,加大定量化解释程度,同时可动态监测岩层变形破坏的整个发育过程。

分布式光纤传感测试技术利用光纤作为传感、传输单元，从而获得被测物理量(应变、温度)在时间和空间上的分布信息。在一定程度上,分布式光纤实现了分布式、实时动态监测,弥补了以往点式传感单元的不足之处;同时光纤基于泵浦光作为信号源,不受电磁信号的干扰,保障了传感单元的存活性[13]。近年来,分布式光纤测试技术已逐步应用于边坡治理、隧道、桥梁以及桩体结构性测试等[14-19]。对于矿山开采的光纤测试研究多集中在火灾监测、围岩体变形测量,但目前尚处于初期阶段,鲜有人涉及[20-23]。

本研究采用基于受激布里渊散射原理的分布式光纤传感测试技术——布里渊光时域反射分析技术(Briuouin optical time domain analysis,BOTDA)[24]进行室内平面应力模型试验研究,分析煤层采动过程中岩层运移规律,并讨论其方法应用的有效性,为同类地质条件的探测提供参考。

1 模型测试试验研究

1.1 试验现场布置

相似材料模拟试验采用平面应力模型架,模拟尺寸为1.44 m×4.0 m×0.4 m,模型结合淮南某矿11-2煤层开采面实际地质条件,按1∶100相似比例制作,如图1所示。

图1 相似模拟试验示意图 (模型正面)

平面相似模型中共布置7条光纤测线,分别标记为G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7。根据实际工程监测具体要求,结合光纤监测的特点,对试验模型进行区域交叉数据监测模拟,形成一套较为科学的光纤布设方案,完成回采工作面内采动空间影响下的应力场分布及变化数据的系统采集。

G1、G2、G3、G4分别为斜向监测线；G1、G3尾端相交于停采线位置,G2、G4尾端相交于煤上山位置；G1、G2埋长215 cm,控制垂高90 cm；G3、G4埋长205 cm,控制垂深60 cm；G5、G6、G7 3条测线为竖向监测线,控制垂高140 cm,可监测11-2煤层的顶底板岩层移动变形。其中，G6为11-2煤的停采线位置；G7位于煤上山位置。

对于相似模型材料的选取依据实际矿山岩石力学参数及相似模拟准则分别见表1、表2所列,表1参数由相关室内岩石压裂试验获得,期间选用石膏混凝土,主要成分为砂子、石膏、石灰等,改变胶结剂和骨料的组分,可以模拟不同类型的岩层。

表1 11-2煤顶底板岩层主要力学参数

表2 相似模拟材料用量及配比

在数据采集上系统设计能够实现丰富数据样本的采集与对比,可以监测点、线、面及三维空间内的同一点不同时间应变情况、同一时间不同点应变情况等矿压显现规律,并进行记录和分析,完整重构对煤层工作面采动空间应力场的变化情形。

1.2 测试原理及设备

模型测试所用仪器基于BOTDA,根据布里渊频移与应变温度的线性关系来确定光纤沿线各点的应变和温度值。采用NBX-6050A光纳仪以及聚氨酯紧套光缆进行布采,光缆直接埋入模拟煤岩层进行移动变形监测。NBX-6050A光纳仪及光缆示意图如图2所示。

图2 NBX-6050A光纳仪及光缆示意图

其中斜向光缆和竖向光缆分别为2条光通路,竖向光缆中光源由G7的底部进入测试系统,然后由G5的顶部输出采集信号。本文主要研究分析3条竖向光缆监测线应变测试结果,所得监测数据可良好地反映出煤层开采过程中顶底板岩层动态变化过程。

2 数据监测与分析

2.1 数据采集

模拟试验开始前,采用配套的光纤数据采集系统对模型的初始应变数据进行采集,之后在模型左边界起30 cm处开挖。为获得煤层采动全过程数据,开挖过程中需结合煤层实际开采条件控制模型开挖的进尺、时间间隔以及边界条件。因此开挖时间间隔与开挖距离均将现场工作面实际开采进度作为模型比例时间和距离设计,即自切眼开始开挖后,每2 h开挖1次,每次挖掘5 cm。对于光纤数据的采集,按照煤层开挖时间跟进,在采集未开挖背景数据之后随工作面的开挖每2 h采集1次数据,直至工作面开采结束,共记录采集光纤数据41组。在回采过程中,记录工作面的位置,并对地层的变化情况进行拍照。

2.2 数据分析

在整个实验过程中共完成G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7共7条测线有效埋深光纤应变数据的采集。选取其中3条竖向光缆的监测数据进行分析,G5、G6、G7 3条测线应变监测数据在相应位置表现的应变特征如图3所示,图3中正值为拉应变、负值为压应变,下同。从图3可以看出，G6和G7 2条光缆的应变数据介于(-2 000～1 000)×10-6之间,而G5光缆的拉应变达到约5 500×10-6。分析原因是由于在前期光缆布设过程中,G5使用弹性模量较小的硅胶封槽布设,其在耦合效果上不够理想,因此在数据上表现出高应变。其后G6、G7使用与相似模型相同的混合泥浆进行封槽,耦合效果较好,能够较为真实地反映回采过程中应力变化趋势。通过不同时间采集的数据结果能够反映出采动过程中光纤传感器的应变趋势及变化情况。

图3通过后期数据与背景进行差值分析能够直观看出，光缆在埋设不同层位所表现的应变趋势呈现出不同的拉、压应变。3条光缆测试结果反映应变情况与埋设光缆位置基本吻合,可以实现对预埋光缆的测试距离定位。模型开挖后在采动影响下岩层结构发生形变,埋设光缆在局部表现出较为明显的变化,导致其变化原因为工作面回采后上覆岩层失去支撑作用,在自身重力和构造应力共同作用下围岩发生变形与破坏,形成垮落带、裂缝带以及弯曲下沉带。光缆则随之发生形变同时应力释放,表现为应力场的传递与剪切滑移,即在垮落区域侧方出现相应挤压区,使得附近区域光纤受到挤压表现出压应变趋势。

图3 竖向光缆整体应变监测结果

在形成相应垮落带过程中，上覆岩层也同样发生相应弯曲变形、离层、离层闭合等应力变化的表现形式。

为了更好地分析煤层开挖过程中围岩变形破坏的发育过程,将G5、G6、G7 3条光缆监测的应变结果分别提取后呈图,如图4所示。

图4中，横向代表围岩应变值；竖向为监测光缆控制范围,由上至下0表示模型的顶界面,中间90 cm处为11-2煤。通过分析测试数据可以看出随着开挖的进行光缆应变值逐渐增大,在G5、G6、G7上部均表现了不同程度的应变,煤层下部则以压应变为主。

整个监测周期内,G5光缆整体处于采空区上方岩层呈现张拉趋势,而G6和G7则位于采空区临界点和前方,因此受到超前支承压力的影响岩层表现为压缩变形。

从图4可以看出，G5光缆应变程度最大,达到5 500×10-6,但上述提及其耦合效果不好,数值测试的真实性上存在误差。G5光缆能大致反映应力集中区域的分布范围垂向高度在0～30 cm之间,为应力场集中区域。在G6、G7光缆段上部也表现相应的应变值变化,其集中区域分别在30～90 cm、0～30 cm区域范围内。G6光缆则直观反映测试过程中围岩变形破坏的动态发育过程,大约在垂向高度为26、45、80 cm处出现3次波峰,结合实际光纤布置示意,推断在80 cm处应变测试数据为波峰显现是垮落带形成所致,在45 cm处波峰显现是导水裂缝带发育所致。因此根据峰值特征判断垮落带高度约为10 cm,导水裂缝带发育高度约为45 cm。G7光缆表现顶部应力集中显现,但其布设位置在停采线以外,其受到扰动影响较小。

图4 竖向光缆单一应变监测结果

2.3 综合分析

为了验证分布式光纤测试技术在岩层变形破坏动态监测方面的可行性,将G6光缆所得应变曲线与模型相结合进行综合分析,结果如图5所示。

图5 G6光缆测试结果与试验实测对比图 (模型背面)

从图5可以看出,G6光缆应变曲线的变化与岩层变形破坏具有良好的一致性。模型架在0～30 cm处岩层变形较小,在应变曲线上则呈现为小应变趋势;30～90 cm范围内岩层受采动影响发生运移、破坏,光缆应变与初始背景值相比则发生较大的变化。

由于G6光缆位于开采区前方停采线位置,因此其主要受超前支承压力的影响呈现压应变。分析可得:G6光缆应变变化趋势可良好地反映岩层变形破坏的情况。同时,G6光缆的3处应变波峰位置近似对应模型“两带”发育高度,由实测得到模型实际导水裂缝带发育高度为48 cm,垮落带发育高度为9.5 cm,与G6光缆测试结果基本一致。

3 结 论

(1) 通过室内相似模拟试验及现场测试,采用分布式光纤传感测试技术中的BOTDA对工作面顶板岩层采动应力、应变场进行了监测,得到煤层顶底板岩层渐进变形、破坏发展的全过程。结果表明该方法具有精度高、分辨能力强等优势,对岩层变形破坏测试效果显著。

(2) 通过对11-2煤层顶板岩层的应变分布及变化情况的综合分析可知，回采过程中,顶板垮落带的发育高度约为10 cm,导水裂缝带的高度约为45 cm,测试结果与模型试验实测值基本一致。同时相对于传统点式传感单元,分布式光纤传感技术具有测点连续、数据自校验、对模型扰动小、测试精度较高、稳定性好等特点。

(3) 光缆应变曲线表明在超前支承压力的作用下,工作面前方顶板岩体沿竖直方向呈压应变,说明岩体发生压缩变形;而工作面上方及后方岩体沿竖直方向呈拉应变,说明岩体发生拉伸变形及破坏,最终形成垮落带和导水裂缝带。