煤矿老采空区覆岩移动变形监测方法分析及应用

李学良

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013)

地下煤炭资源的开采势必使采空区上覆岩层遭受不同程度的破坏，同时覆岩的移动与变形会波及地表，给地表已有建(构)筑物带来安全隐患。同样，在对采空区地表进行建筑利用时，若新增建筑荷载扰动深度触及采空区导水裂隙带也会对覆岩的结构稳定性产生影响，引起新的移动变形[1-2]。因此，在各个时间段对采空区覆岩的移动变形情况进行科学监测，精准掌握其移动变形所处的阶段与变形大小至关重要，可为后续地表的残余变形预计、地基稳定性评价、场地建设适宜性分区等提供评判依据。采空区覆岩的移动变形具有一定的隐蔽性，是一个相对较为复杂的“黑箱”问题，采空区地表的移动变形虽可在一定程度上反映覆岩的移动变形情况，但在时间和空间上往往存在明显的不足，如时间有所延迟，厚松散层地区移动变形的折减问题等[3-5]，故只通过地表移动变形去推断覆岩移动变形是不全面的，需要对覆岩的移动变形进行直接监测。

以往对采空区覆岩移动变形的监测多是在岩层内部相关位置设定一定数量的监测点，并连接至地面观测站获取观测结果[6-7]。在矿井工作面掘进过程中，及时布置观测点相对较为容易，但要监测老采空区尤其是已经闭坑的矿井，竖向钻孔内设置观测点姑且可以实现，但水平方向的监测点布置对技术要求较高且成本较高，操作起来较为困难。在实际工作中，主要通过勘察的手段对采空区覆岩的稳定性进行综合评判，如综合测井、钻孔电视、瞬变电磁、三维地震等[8-10]方法，所得结果均是在某一时间点的覆岩移动变形状态，虽可作为评判采空区及其覆岩结构稳定性的依据，但不能全面反映采空区覆岩在整个移动变形过程或某一特征时间段内的移动变形规律。为解决上述问题，笔者以老采空区覆岩残余移动变形为研究对象，对多种监测方法进行系统分析，以期为相关理论研究和工程实践提供参考。

1 采空区覆岩结构特征

我国大部分井工煤矿为提高采出率和工作效率，在条件允许的前提下，多采用长壁开采，全部垮落法管理顶板；在东部部分地区(如山东、河北、安徽等地)出于保护地表建(构)筑物需要，多采用条带开采的方式；在中西部部分地区(如陕西、内蒙古等地)，尤其当地一些平硐开拓的中小型矿井，多采用房柱式开采的方法[11-13]。不同开采方法下的煤矿采空区覆岩结构类型存在显著差异，故对其上方地表土地进行建设利用时，勘察和监测的侧重点也有所不同。

以长壁开采形成的采空区中的水平或缓倾斜煤层为例，其覆岩多为“三带”结构，具体情况如下：垮落带以散体、碎裂结构居多，空洞多分布在采空区边缘；裂隙带岩体为块裂结构，多形成铰接砌体岩梁半拱形结构和悬臂梁结构；弯曲带完整性最好[14-15]。采空区在开采较长时间后，虽仍存在一定的移动变形，但覆岩结构相对稳定，除非有较大外力(如地震、建筑荷载等)影响，否则一般不会再发生大的移动变形。长壁老采空区覆岩“三带”分布情况如图1所示。

图1 长壁老采空区覆岩“三带”分布

部分开采形成的采空区覆岩，理论上也按上述的“三带”结构进行划分，但部分开采属于非充分采动，有时“三带”不能够同时存在。需要指出的是，部分开采时留设的煤柱，在长时间的负荷作用下易发生蠕变变形，加之采空区风化、水蚀等外部条件影响，可能会由于力学性质发生恶化(塑性区逐渐变大、核区逐渐变小)，从而失去承载能力，发生失稳垮塌[16-17]，进而造成采空区上覆岩层的大面积移动变形。

2 监测对象及要点

通过对采空区覆岩结构特征的分析可知，在没有较大外力影响时，长壁采空区覆岩的残余移动变形一般不会体现在覆岩的整个层状结构上，而主要表现为局部小范围的空洞、裂隙等残存空间的二次压密，产生的变形量相对较小；部分开采覆岩的残余移动变形除受覆岩中残存空间的二次压密影响外，还受留设支撑煤柱的稳定性的影响，一旦煤柱发生失稳垮塌，对覆岩及地表的影响是剧烈的，故需提前评价煤柱的受力情况与稳定程度，根据评价结果判断是否对煤柱进行重点监测。

对采空区覆岩进行残余移动变形监测时，在兼顾覆岩整体结构的基础上，还要重点监测覆岩结构中残留空洞、裂隙、孔隙的变化情况，分析地质采矿条件等因素，掌握当前采空区所处的稳定阶段，所监测到的移动变形数据根据采空区是否处于沉陷稳定状态所代表的意义不同，需要区别对待。

由于残留煤柱的失稳往往是突发的，在监测分析时，对煤柱短时间监测的数据不能充分说明问题，只能通过探查煤柱的侧三带分布情况，结合已有的经验公式去综合评估煤柱的稳定性。

3 监测方法及适用性

随着监测技术的不断发展，监测参数也不再局限于位移这一指标，应力、应变、能量变化等指标参数的采集与解析，都已被成功应用在采空区覆岩监测的相关领域中[18-20]，并取得了较好效果。目前，常用监测方法主要有以下几种：

1)直接测量法。监测覆岩的移动变形多采用在岩层内部设置观测点的方式，测点位置通常为巷道或钻孔处。在老采空区覆岩变形监测中，由于巷道多不具备实地布点条件，故多采用钻孔内部监测。传统的监测方法主要有钻孔钢丝监测法、钻孔伸长仪监测法、钻孔倾斜仪监测法等。随着传感器技术的发展，可检测应力、应变、温度、光电液位等参数的传感器也逐渐被应用到各个领域中。通过埋设传感器并建立监测系统，可实现对采空区及其覆岩移动变形的实时监测，进一步提高了监测工作的自动化程度与精度。

2)试验模拟法。该方法是在充分掌握地质采矿条件的基础上，结合现有理论和工程经验，采用相似材料模型和数值模拟，模拟出采空区及其覆岩在某一时间段、某一位置的移动变形情况[21-22]，该方法虽较为直观、易于选点，但只能用于定性分析，多作为现场监测的辅助手段或用于理论探讨。

3)类比反演法。该方法主要是在充分掌握地表移动变形情况的前提下，结合地质采矿条件和岩体结构力学模型去反演、推断和评估采空区覆岩的变形情况[23]，是一种侧重于数学与力学的研究手段，同样主要适合于理论性质的定性分析。

4 基于光纤—微震的监测实例应用

4.1 项目概况

项目位于山东省济宁市，涉及范围内仅开采3上煤层，条带开采，垮落法管理顶板。煤层采厚为2.7～3.4 m，采深为520～600 m，采宽、留宽均为50 m，煤层倾角为3°～5°。项目区下方主要涉及4个工作面，开采时间为2008—2012年。

项目区于2019年采用钻探、综合测井、井下电视等手段进行了初步勘察，结果显示：采空区已塌落，采空区覆岩裂隙主要位于裂隙带且较为发育，以高角度张裂为主，裂面与岩心轴夹角多在0°～30°，裂隙具有贯通性及导水性。

拟对项目区上方地表土地进行建设利用，为确保安全，需准确掌握采空区及其覆岩的稳定性情况，为采空区上方地表建设利用的可行性评价提供数据支撑。

4.2 技术方案

为了使煤矿老采空区覆岩移动变形监测能够达到实时、动态、连续的要求，本次监测采用分布式光纤与微震相结合的方式，设计监测周期为3个月。现场监测的测点布置情况如图2所示。

图2 现场监测测点布置图

4.2.1 分布式光纤监测

根据前期勘察结果可知，4号钻孔所处位置覆岩裂隙带发育程度较高，比其他孔位更具代表性，故选定在该孔进行光纤监测采空区覆岩残余沉降变形情况。钻孔电视影像显示，钻孔在480 m以下富水，并发育有垮落带、裂隙带，结合钻孔勘探资料可判定光纤下放到500 m以下深度即可下穿裂隙带，得到可靠的监测结果。4号钻孔孔径90 mm，孔深520 m，光纤监测设计深度520 m，使用定点分布式应变感测光缆组成U型回路对全孔深地层沉降进行监测，定点光缆间距10 m，采集频率为每天4次。

4.2.2 微震监测

采用“地—孔”联测方式，实时监测项目范围内岩体裂隙动态发育情况，可解决单靠地面监测台网存在的垂向定位精度偏低问题；在线监测与波形离线存储，可解决微震监测系统捕捉震动信号不全的缺陷。监测范围内共布设8台KJ768型在线式传感器和8台Allseis-3CL一体化无缆短周期高灵敏度三分量地震仪：2台传感器布置在5号孔(浅孔)-150、-280 m位置，4台传感器布置在1号孔(深孔)-107.86、-207.86、-307.86、-407.86 m位置，另外2台传感器布置在地表；地震仪采用台网方式在监测区域边角位置布置，各地震仪间距为100～200 m。部分微震设备仪器如图3所示。

(a)地震仪 (b)传感器图3 部分设备仪器图

4.3 监测结果分析

4.3.1 分布式光纤监测结果

钻孔内光缆完成下放后，应及时进行灌浆封孔。导头连同光纤传感器实际布设深度为510 m，设备于2021年6月30日调试完成后开始自动监测，并连续采集约3个月数据。将6月30日数据作为初始值，将后续数据与第一期数据相减，即可得到各监测时段应变随深度变化的曲线。

监测结果显示：距孔口0～129 m的光缆应变是正应变区段，最大拉应变为1.23×10-4，地层呈拉伸回弹状态；129～226 m光缆应变为-4×10-5～4×10-5，变化量级相对较小；226～309 m光缆应变是负应变区段，最大压应变为-2.76×10-4，地层呈压缩沉降状态，是地层主要沉降压缩层位，而在300～309 m区段光缆应变是正应变，最大拉应变为2.33×10-4，地层呈拉伸回弹状态；309～510 m(孔底)区段光缆应变为-3×10-5～3×10-5，量级相对较小。根据所测应变量，以光纤监测孔孔底为不动点对全孔深应变数据进行积分获取全孔深的沉降值。监测期内不同监测时刻的积分曲线如图4所示(图中负值代表地层压缩下沉，正值代表地层拉伸回弹)。

图4 3个月内不同监测时间的全孔深地层沉降曲线

监测数据处理后，将移动变形划分为3个阶段：

1)钻孔封孔材料固化阶段(7月1日至7月11日)，全孔深地层呈先拉伸回弹后压缩沉降并趋于稳定的趋势，本阶段主要是钻孔封孔材料固化耦合，处于400～510 m监测层位，为砂岩顶板饱水区，最大拉伸变形为2.13 mm。

2)光纤地层耦合趋稳阶段(7月12日至9月1日)，全孔深地层呈压缩沉降逐步增大后趋于稳定的趋势，为封孔材料与裂隙带和垮落带胶结耦合所致，主要发生在480～510 m监测层位，最大压缩沉降为-5.23 mm。

3)岩层蠕变变形阶段(9月2日至10月9日)，全孔深地层呈拉伸回弹状态且有2个明显的回弹窗口期(9月1日至9月20日、9月21日至10月9日)，主要发生在480～510 m监测层位，从沉降最大的-5.23 mm逐步回弹至0.47 mm，并趋于稳定。拉伸回弹主要受岩层蠕变控制，主要原因为砂岩裂隙带和垮落带裂隙内充满固化耦合材料，固化材料、光纤和岩层达到最佳耦合状态，在岩层自重作用下发生蠕变并趋于稳定。

全孔深地层沉降时程曲线如图5所示。

图5 全孔深地层沉降时程曲线

4.3.2 微震监测结果

设备于2021年7月20日调试完毕并开始监测，通过近3个月的连续监测，获得了采空区覆岩裂隙动态发育的监测数据，并对监测数据进行了初步筛选与必要的修正。

以8月10日为节点分两阶段对数据进行统计分析，结果如下：

1)第一阶段(7月20日至8月10日)，累计收到有效微震事件93次，其中，最小能量924 J，最大能量30 132 J，总能量558 329 J。空间分布上，微震事件与条带采空区位置无明显对应关系，多集中在项目区边界东侧和南侧道路附近，推断为车辆行驶或局部地段施工影响，部分集中在4号孔位置，推断与回填水泥浆的固结变化有关。

2)第二阶段(8月11日至10月10日)，共收到有效微震事件100次，其中，最小能量876 J，最大能量8 986 J，总能量556 310 J。微震事件分析结论与第一阶段基本一致。第二阶段微震事件频次与最大能量分布如图6所示。

(a) 微震事件频次分布

4.4 综合分析及可靠性评价

对监测结果分析可知，光纤监测区域内所发生的应变(位移)变化主要为水泥浆液的自身固化耦合及其与岩体间的胶结耦合所致，在钻孔竖直方向上监测到的变形量级相对较小，说明未发生明显的沉降变形，不足以反映覆岩的沉降变形问题；微震监测区域内有效微震事件数量较少，频次较低，分布范围广，无相关集中特性，根据岩石破裂和失稳时微震事件能量分布工程经验可以判定，条带采空区上方覆岩无明显的新增破裂产生。

此外，8月7日至12月19日，对项目区地表布置的31个水准点按二等水准测量标准进行了多次测量，各监测点的累计变形量为-0.4～0.5 mm，地表基本无残余变形发生，该结果也间接验证了采空区覆岩的稳定性。同时，光纤—微震监测结果符合开采沉陷理论，即大深厚比、长时间开采后的深部条带采空区在没有大的外部干扰和煤柱失稳垮塌的前提下，覆岩移动破坏程度一般不会太大，即使有微小变形也多集中在垮落带与裂隙带范围内。

5 结语

1)不同开采方法及顶板控制方法形成的采空区覆岩结构类型不同，后期所产生的残余变形程度也有所差异。在进行监测设计时，要考虑覆岩移动变形所处的阶段，并准确把握监测对象及其监测要点，最终合理确定监测手段及监测频率。

2)光纤和微震相结合的手段可应用在老采空区的覆岩残余移动变形监测中，并能达到预期监测目的。需要指出的是，应用微震监测时需考虑监测区周边环境存在的扰动因素，在数据分析时给予合理消除；光纤监测时需要注意光纤的量程范围与覆岩变形程度相适应，避免光纤被拉断。

3)随着传感器技术的不断发展，基于该技术建立的多个监测系统都能够实现数据的实时采集、传输与处理，后续需要在监测方法、多源数据融合、成果分析、预报预警等方面开展深入研究。