基于分布式光纤监测的煤矿地下水库层间覆岩裂隙发育规律研究

李雪佳，池明波，吴宝杨，鞠志勇

(1.国能神东煤炭集团有限责任公司煤炭技术研究院，陕西省榆林市，719315；2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京市昌平区，102200；3.国能神东煤炭集团有限责任公司乌兰木伦煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017209)

神东矿区位于我国西部，是我国主要能源基地之一，但当地水资源匮乏，高强度的煤炭开发加速矿区生态环境恶化，使本就匮乏的地下水资源发生更严重的破坏[1-2]。顾大钊院士提出的煤矿地下水库技术不但保护了矿区内的水资源，还为神东矿区提供了稳定的水资源，特别是分布式煤矿地下水库是解决西部矿区水资源短缺的有效途径之一。分布式煤矿地下水库建设的原则是在上下2个煤层内分别建设煤矿地下水库，因此上下煤层间采动裂隙发育影响是煤矿地下水库安全性的核心[3-4]。研究多煤层开采作用下覆岩裂隙发育特征是评估分布式煤矿地下水库建设的关键因素。

前人通过相似模拟、数值模拟等手段，在采动裂隙发育方面开展了大量试验研究，为煤矿安全生产及水资源保护提供了支撑。大量研究表明，采动裂隙是诱发水资源破坏的根本原因之一，因此覆岩裂隙也是影响分布式煤矿地下水库安全运行的重要指标。相似模拟试验是研究覆岩及层间裂隙发育规律的可靠方法之一，是指导现场工程实践的重要研究手段，合理的监测手段是影响试验结果的基础，相似模拟过程中合理的监测方法可以得到较为准确的试验结果。以往试验过程中传统的监测方法只能对岩层单一点的应变状态进行监测，采用的监测设备大多为压力盒，由于尺寸效应和监测范围的影响，试验结果会有一定的误差，而利用分布式光纤监测方法可以对岩层水平区域内一条线范围内裂隙发育进行监测[5-6]。因此，笔者利用分布式光纤监测技术，通过相似模拟试验，分析煤层间裂隙发育状态及规律，为分布式煤矿地下水库安全运行提供基础支撑。

1 试验工程背景

2 试验目的和布置方案

为了研究2-2和3-1煤层间覆岩裂隙发育规律，传统的方法只能做到局部点监测，本次试验采用Φ0.9 mm高传递紧包应变感测光纤进行监测，利用光纤分布式的特点能监测一整条线的煤层间覆岩的应变，进而分析其裂隙发育规律。

2.1 试验设备与模型

试验采用OSI-C超高精度分布式光纤传感设备，该设备基于光频域反射(OFDR)技术，传感精度为1.0 με，空间分辨率可在50 m和100 m传感范围内分别达到1 mm和10 mm，广泛应用于高分辨率、高精度传感领域[7]。此次试验采用Φ0.9 mm高传递紧包应变感测光纤监测模拟煤岩层变形。

2.2 分布式光纤布置方案

1号和2号应变感测光纤沿相似模型横向方向平行布设在2-2煤层和3-1煤层之间的岩层当中，单根光纤的长度均为210 cm。1号光纤距3-1煤层顶板9 cm，2号光纤距2-2煤层底板25 cm。2根光纤起点和终点分别在相似模型两侧，相距32 cm，光纤整体布置方案如图1所示。

图1 相似模型分布式光纤布置方案

布置光纤前应记录光纤各节点的位置，以便使光纤与各个点的应变数据对应。每次开采和加载后，通过OFDR分布式光纤解调仪记录并分析光纤各个点的应变数据。应变数据为正值[8]，表示正应变(拉应变)，代表光纤受到了拉长；应变数据为负值，表示负应变(压应变)，代表光纤被缩短。

3 层间岩层应变监测数据分析

3.1 2-2煤层开采岩层应变监测

相似模型铺设完成后，实际模型如图2所示，本设备共设计了7个加载油缸，图中数字对应相应油缸号。

图2 实际相似模型

3.1.1 巷道和工作面开采后竖向加载过程中岩层应变监测

1号光纤布设在3-1煤层上方9 cm处，可监测3-1煤层上方9 cm的岩层变化情况。分别开挖巷道1、巷道2和工作面1，完成后进行中间3、4、5号油缸垂向加压至上覆岩层断裂。中间竖直加载1号光纤应变情况如图3所示，图中灰、蓝、橙色线表示不同监测时间监测到的应变数据。

由图3可知，中间油缸加载后应变在沿光纤长度方向的0～61 cm和166～207 cm范围内为正值，光纤受拉应变，61～166 cm范围内为负值，光纤受压应变。且随着时间增长，光纤的正应变和负应变区域数值增大，两端正应变的最大值增大至210 με和290 με，中间负应变的值增大至-100 με附近。

图3 中间竖直加载1号光纤应变情况

1号光纤所监测的岩层的变化与光纤的应变变化相对应。沿1号光纤长度方向0～61 cm和166～207 cm范围内的光纤受到了拉伸，可以分析出这部分的岩层由于中间油缸的加压产生了整体扩张；而61～166 cm范围内的光纤均受到不同程度的缩短，可以推出这部分的岩层受到整体压缩呈现紧实的现象。且由于没有小范围内的局部正应变突变，可以认为没有局部位置处的岩层分离，岩层内暂时没有裂缝的产生。

3.1.2 右侧油缸竖向加载过程中岩层应变监测

中间油缸竖向加压至上覆岩层断裂后，右侧6、7号油缸按位移加压直到煤柱破坏，1号光纤各点应变情况如图4所示。

图4 右侧竖直加载1号光纤应变情况

右侧油缸加载后，沿1号光纤长度方向166～207 m范围内的光纤所受正应变最高值上升至5 661 με，光纤所受的拉伸逐步增加。100～166 m范围内的负应变上升至-2 000 με，光纤所受的压缩也逐步增加，但是增加的幅度不及光纤拉伸的幅度。

分析可知，随着右侧6、7号油缸的加压，1号光纤166～207 cm范围内岩层整体扩张的程度加剧。100～166 cm处的岩层整体受压缩程度也在逐步上升。

3.1.3 左侧油缸竖向加载过程中岩层应变监测

右侧油缸按位移加压直到煤柱破坏后，左侧1、2号油缸开始加压至4 500 kg，右侧保持在4 500 kg，1号光纤各点应变情况如图5所示。

图5 左侧竖直加载1号光纤应变情况

左侧油缸加载后，沿光纤长度的0～55 cm范围内光纤正应变逐渐提高，最大值增至4 511 με；55～100 cm范围内光纤的负应变逐渐提高，最大值可达-2 500 με。光纤起点处的正应变提升最为明显，可能受起点处光纤埋置固定影响，由于加压导致拉伸而造成的正应变。右侧100～210 cm处的光纤应变随时间推移几乎没有变化。

随着左侧1、2号油缸的加压，0～55 cm范围内光纤附近的岩层发生整体扩张， 55～100 cm范围内光纤附近的岩层整体压缩。

3.2 3-1煤层开采后水平加载岩层应变监测

分别开挖3-1煤层工作面2和工作面3，完成后进行8、9号油缸水平侧向加压，直至煤柱失稳破坏。

水平加压前将1号光纤的状态设为初始状态，初始状态各点应变为0。1号光纤各点应变所对应的岩层变化如图6所示。沿1号光纤长度方向25 cm处有局部正应变突变，正应变达113 με，光纤受到局部拉伸；42～100 cm范围内光纤整体有正应变，光纤受到整体拉伸，正应变最高达535 με；113 cm处有局部负应变，最高达-898 με，光纤受到局部压缩；170～210 cm范围内光纤整体有负应变，光纤受到整体压缩，负应变最高达-200 με。

图6 水平加载1号光纤应变

由于局部正应变突变，25 cm处光纤附近岩层可能出现裂缝，而42～100 cm范围内岩层呈现整体向外扩张，113 cm处巷道3上方岩层局部向巷道中间收缩，170～210 cm处岩层整体压缩。

2号光纤埋置在距3-1煤层上方41 cm处，用于监测3-1煤层上方41 cm的岩层变化。水平加载前2号光纤的初始状态也设置为0，2号光纤各点应变如图7所示。沿2号光纤长度方向82 cm处出现40 με微小的局部正应变，136 cm处光纤出现613 με较大的局部正应变，70、126、148、168 cm处都出现了不同程度的负应变。

图7 水平加载2号光纤应变

分析可知，沿2号光纤长度方向82 cm和136 cm处附近的岩层可能出现裂缝，70、126、148、168 cm处岩层出现不同程度的收缩。

3.3 破坏性加载过程岩层应变监测

所有竖直油缸进行破坏性加压，迫使工作面2和工作面3塌陷。

1号光纤各点加载破坏特征如图8所示，沿长度方向48～84 cm处光纤的应变为较为均匀的正应变，光纤受到较为均匀的拉伸，在1 600 με左右；沿长度方向84～130 cm处光纤的应变为大范围的负应变，光纤受到整体压缩，最大在-1 650 με左右。164 cm处光纤的应变为局部正应变，呈现尖峰状，最高值达4 021 με。光纤在164 cm附近受到两侧岩层的拉伸。随时间的累计应变逐渐增大，随后光纤的应变急剧上升。

图8 破坏性加载1号光纤应变

分析可知，在竖直破坏性加载下，48～84 cm范围内光纤附近的岩层整体扩张，84～130 cm范围内光纤附近的岩层整体压缩，164 cm处的岩层可能出现裂缝，随后裂缝急剧扩大。

在竖直破坏性加载下，2号光纤各点应变如图9所示，相比于水平加载下的应变，沿2号光纤长度方向82 cm处的微小局部正应变已经上升至2 491 με，136 cm处的局部正应变已经上升至4 213 με，70、168 cm处的负应变增加的幅度较大，126 cm处和148 cm处有较小的负应变。

图9 破坏性加载2号光纤应变

分析可知，沿2号光纤长度方向82、136 cm处附近岩层的裂缝逐渐扩大，70、168 cm处的岩层收缩幅度较大，126、148 cm处有微小的岩层压缩。

通过以上分析可知，煤层开采过程中，随着工作面的不断推进，裂隙逐渐向上部发展，在2个工作面间形成采动裂隙，光纤监测结果显示，光纤应变变化特征可以较好地反应出裂隙发育特征，并在相应的位置推测出裂隙发育高度等基本信息。

4 层间岩层应变监测图像化分析

4.1 2-2煤层开采岩层应变图像化分析

2-2煤层巷道1、巷道2和工作面1完成开采后，油缸竖向加载过程中，1号光纤处在工作面下方的岩层当中，岩层变化如图10所示，岩层并无较大的移动，监测到的应变均为模型范围内的整体应变，代表着岩层的整体扩张和压缩，并没有裂缝的出现。仅在右侧油缸竖向加载过程中，沿1号光纤长度中间部位正应变变化加大，岩层移动程度加剧。

图10 中间竖直加载1号光纤对应岩层变化

4.2 3-1煤层开采岩层应变图像化分析

3-1煤层工作面2和工作面3开挖，并进行侧向加压到竖直加压破坏性试验过程中，1号和2号光纤所处岩层产生较大的移动，监测到局部的正应变突变，代表着裂缝的产生和扩展。

(1)侧向水平加载过程中，岩层变化如图11和图12所示。

图11 水平加载1号光纤对应岩层变化

图12 水平加载2号光纤对应岩层变化

由此分析，沿1号光纤长度方向25 cm处有局部正应变突变，42～100 cm范围内光纤整体为正应变，0.25 m处光纤附近岩层可能出现裂缝，而42～100 cm范围内岩层呈现整体向外扩张；沿2号光纤长度方向82 cm处出现微小的局部正应变，136 cm处光纤出现较大的局部正应变，82 cm和136 cm处附近的岩层出现裂缝。

(2)竖直破坏性加压过程中1号光纤和2号光纤对应岩层变化如图13和图14所示。

图13 破坏性加载1号光纤对应岩层变化

图14 破坏性加载2号光纤对应岩层变化

由此分析，沿1号光纤长度方向48～84 cm范围为正应变，对应岩层整体扩张，164 cm处应变为局部正应变，岩层出现裂缝。48～84 cm范围内光纤整体为负应变，附近的岩层出现下沉。随时间的累计应变逐渐增大，随后应变急剧上升，岩层裂缝急剧扩大；沿2号光纤长度方向82 cm处和136 cm处局部正应变岩层出现裂缝。随时间的累计应变逐渐增大，光纤的应变急剧上升，82 cm和136 cm处附近岩层的裂缝急剧扩大。

5 结论

(1)相似模拟试验过程中，分布式光纤监测比传统应变监测范围更广，通过分析应变数据正负可分析光纤受到了拉应变还是压应变。

(2)基于光栅监测结果表明，上湾煤矿2-2煤层开采过程中裂隙发育随着工作面推进出现张开和闭合显现，表现为光栅监测结果应变正负交替出现；水平加载过程中光栅应变表明，煤矿地下水库煤柱坝体在水平应力作用下达到一定极限后会发生破坏。

(3)结合图像化分析结果表明，在垂向加载过程中岩层间裂隙发育规律可由光栅内应变变化特征进行表征，下煤层开采过程中，岩层裂隙主要为裂隙张开与闭合交替出现。

(4)分布式光纤上的点对应试验模型中的具体位置，由此可将每个点数据图像化处理，形成沿光纤对应的岩层应变变化图，并可根据应变正负判断附近区域为扩张还是压缩，根据数值大小判断裂隙开度。分布式光纤监测方法对煤矿井下水库层间岩层裂隙发育研究有重要意义。