综放工作面导水裂隙带高度分布式光纤监测技术

周禹良，杨 雪，许发强

(1.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；2.矿山深井建设技术国家工程研究中心，北京 100013；3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；4.山西省阳泉荫营煤业有限责任公司，山西 阳泉 045011)

0 引 言

随着我国西部地区煤炭资源的大规模开采，造成生态脆弱区水资源破坏及矿井水害等问题日益严重[1-2]。煤矿顶板水害和水资源保护一直是困扰安全高效生产的难题，覆岩导水裂隙是沟通煤层顶板含水层与采空区的主要涌水通道，其发育高度与顶板水害防治和保水开采密切相关，也是矿山生态损害监测与评价、生态修复策略制定的重要依据[3]。《煤矿防治水规定》基于我国近水平煤层开采实践，给出了导水裂缝带高度的经验公式，但其计算结果的有效性受到适用条件的限制[4]。为了适应厚煤层综放开采和大采高覆岩破坏高度预计，国内许多学者对传统导水裂缝带发育高度的经验公式进行了修正和改进[4-6]。模拟研究方面，采用相似模拟试验和数值模拟技术，对工作面推进过程中采动裂隙演化、分布特征进行模拟，定性分析了覆岩岩性及组合关系等因素对导水裂缝带发育高度的影响[7-9]。现场实测可对导水裂缝带范围做出准确的判断，目前常用的覆岩导水裂缝带高度探测技术包括钻孔测试法和物探法[6]。早期钻孔测试法采用钻孔泥浆消耗或压水试验，漏失位置定位精度不高，不易区分裂隙带与垮落带之间的界限。随着钻孔电视、钻孔声波测试等技术的应用，为覆岩导水裂隙带高度准确确定提供了新途径[10-11]。目前，导水裂隙带高度探测的物探技术包括高密度电法、瞬变电磁法、震波法等[12-14]。但物探结果的多解性难以完全消除，同时存在不能连续观测的限制。

厚煤层综放开采覆岩运移范围广，覆岩导水裂隙带发育高度大。若覆岩采动裂隙沟通上覆水体，将造成地下水严重渗漏涌入矿井，不仅加剧了水资源流失，影响生态环境，而且增加排水费用，造成潜在的矿井水害威胁。近年来，分布式光纤传感技术在煤矿覆岩变形观测中取得了一定应用[3,15-16]，该方法具有精度高、稳定性好等优点。本文基于分布式光纤监测技术，采用井下钻孔对荫营矿综放工作面覆岩变形特征进行测试，确定了采动导水裂隙带高度，为工作面顶板水害防治提供参考。

1 工程概况及地质特征

1.1 工程概况

荫营煤矿位于山西省阳泉市荫营镇，距阳泉市约11.0 km。井田位于宁武煤田北部平朔矿区西南部，地处太行山北段西翼，区内山势陡峻、沟壑纵横。该矿生产规模为240万t/a，井田东西最宽8.2 km，南北最长6.5 km，面积23.46 km2。矿井主采太原组15#煤层，煤层平均厚度7.23 m，属较稳定煤层。150313工作面斜长228 m，走向推进距离1 000 m，煤层平均埋深为400 m。工作面采用综放开采法，全部垮落法管理顶板。割煤高度为3 m，顶煤厚度为4.23 m，如图1所示，煤层直接顶以泥岩为主，平均厚度1.0 m，局部发育炭质泥岩伪顶，厚度0.1～0.5 m之间。基本顶为K2石灰岩，全井田分布，较为完整，平均厚度为12.5 m。

图1 15#煤层顶底板岩性综合柱状图Fig.1 Lithology of the roof and floor of No.15 coal seam

1.2 工程与水文地质特征

场区地层由老至新依次为古生界奥陶系(O)、石炭系(C)、二叠系(P)、中生界三叠系(T)、侏罗系(J)、新生界新近系(N)、第四系(Q)。表土层厚度较薄，分布范围较广，主要为第四系中更新统、上更新统。井田内部构造简单，整体为走向北西，向西南倾斜的单斜构造，地层产状总体较平缓，平均地层倾角6°。含水层主要有第四系松散层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组薄层石灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层。其中，松散层孔隙含水层和奥灰距煤层较远，对煤层开采影响相对较小；15#煤层顶板直接含水层为太原组K2灰岩溶蚀裂隙含水层，间接充水含水层为山西组与下石盒子组砂岩裂隙含水层。 K2灰岩单位涌水量分别为0.19 L/(s·m)，属富水性中等含水层。顶板含水层二叠系砂岩裂隙含水层包含多层砂岩裂隙含水层，单位涌水量分别为0.051～0.132 L/(s·m)，属于弱至中等富水性地层。

2 综放采场覆岩运移特征模拟分析

2.1 数值模型的建立

根据工作面实际工程地质情况，采用UDEC模拟软件建立15#煤层150313综放工作面顶板运移分析的数值模型，如图2所示。模型X轴方向长460 m，为工作面推进方向；Y轴方向高208 m，为竖直方向。为了降低边界效应对计算的影响，在分析中将模型两侧留设80 m的边界煤柱。模型边界条件为：模型左右为铰支座，底部边界为固定支座，顶部边界施加埋深处竖直应力。由于基本顶及上覆地层为半坚硬至坚硬地层，初采期间采用爆破切顶措施，数值模拟中采用弱化切缝位置节理面参数实现。

图2 15#煤层综放开采数值模型Fig.2 Numerical model of full-mechanized caving mining of No.15 coal seam

2.2 顶板垮落特征分析

2#煤层回采过程中，工作面覆岩垮落情况如图3所示。随着工作面的逐步向前推进，伪顶随采随冒，基本顶在第11次开挖后发生初次垮落，初次垮落步距为44 m。基本顶初次垮落位于采空区中部偏后方位置，工作面后方采空区部分悬顶，此时覆岩垮落高度13 m，裂隙带发育高度20 m。随着工作面的继续推进，覆岩呈周期性垮落，周期垮落步距16～22 m。工作面推进至96 m时，下位覆岩形成“类梯形”状垮落范围，覆岩开始出现离层，此时覆岩裂隙发育高度56.3 m。工作面推进至160 m时，覆岩离层高度持续增大，竖向裂隙继续向上扩展，最大裂隙高度78.3 m；工作面推进至200 m时，达到充分采动，关键层及上覆地层出现了明显的弯曲下沉，覆岩下位离层基本闭合，采空区中部垮落的岩体被部分压实。 此时，覆岩垮落带高度约为26.0 m，垮采比为3.59；裂隙带发育高度为85.8 m，裂采比11.87。

图3 采场覆岩垮落过程模拟结果Fig.3 Numerical simulation results of overburden caving process

3 分布式光纤监测原理及方案

3.1 基于BOTDR技术的分布式光纤应变监测原理

光纤感测技术以光为载体，光纤为媒介。分布式光纤感测技术能获得被测量在时间上和空间上的连续分布式信息，具有分布式、长距离、耐腐蚀、抗干扰等特点。如图4所示，光纤介质折射率的不均匀性会导致光波在光纤中产生微小的散射，散射光信号包括瑞利、布里渊和拉曼等，但散射光的振幅和固有频率等特征受温度和应变的影响。因此，当光纤的外部环境温度、应变等条件发生变化时，光波在光纤中的传播特性和散射现象将发生变化，可通过特制分析仪检测散射信号的变化，而感知外界参数变化。

图4 光纤的散射现象Fig.4 Scattering phenomenon of optical fiber

布里渊光时域反射(BOTDR)技术利用光纤中产生的布里渊背散射光进行应变测试[17]。如图5所示，脉冲光信号入射光纤后，产生的背向布里渊散射光返回入射初始端，采用BOTDR解调仪分析处理，即可得到光纤长度方向的分布的布里渊散射光功率。由于光纤散射光中布里渊频谱最大化时的峰值功率频率与光纤中产生的应变成比例地偏移，因此可利用BOTDR技术在发射端连续测试光纤长度方向的应变。散射光产生的位置由脉冲光发射到散射光观测所经过的时间确定，通过缩短取样时间间隔，可达到5～10 cm级的应变测试分辨率，即可实现分布式连续地测量应变。

图5 BOTDR光时域检测布里渊散射光Fig.5 Detection of brillouin scattering light by BOTDR optical time domain

光纤中布里渊散射光的频率偏移νB计算公式见式(1)。

(1)

式中：n为折射率；C为声速；λ为光波长。

在外界环境变化影响下，光纤的应变改变将造成光纤中的声速发生变化，从而使发生变化。 通常情况下，为应变的线性函数，其对应关系可表示为式(2)。

(2)

3.2 观测孔布置及光纤监测系统

井下分布式光纤监测150313工作面覆岩导水裂隙带高度的钻孔布置在运输巷。如图6所示，观测孔超前工作面300 m布置，钻孔采用仰斜形式，共设置3个观测孔，钻孔孔径为Ф60 mm。其中1#钻孔和3#钻孔倾角都为45°，孔深70 m；2#钻孔倾角为60°，孔深110 m。传感光纤选用钢绞线光纤，将其贴于PVC管外壁并送入观测孔。传感光纤置入钻孔后，采用单液水泥浆进行观测孔全段封孔，实现光纤与覆岩的耦合变形。光纤监测数据采集系统为基于BOTDR技术的应变分析系统，可实现监测孔全段应变的分布式采集，空间分辨率高。工作面距钻孔100 m时，开始光纤初始应变观测。工作面推过观测孔后，采用矸石充填观测孔区域，防止垮落矸石破坏孔口光纤，实现工作面推过观测孔后覆岩变形的连续观测。

图6 光纤监测孔布设示意图Fig.6 Schematic diagram of optical fiber monitoring hole layout

4 导水裂隙带高度观测结果

4.1 钻孔的光纤应变变化特征

工作面推进过程中光纤监测孔应变分布曲线如图7所示。以1#钻孔监测孔为例，当工作面距离钻孔大于30 m时，光纤应变数据基本没有变化。当工作面距离钻孔30～1.6 m时，光纤受超前支承应力扰动，孔口的应变曲线在0～500 με之间波动，钻孔浅部呈现轻微拉应变，深部应变数据轻微波动，变化不明显。工作面通过钻孔时，应变曲线在距离孔口28～50 m的区间出现拉应变，最大值500 με，对应的岩层为泥页岩、细粒砂岩和中粒砂岩层。工作面通过钻孔2.4 m后，应变变化段扩大到距离孔口28～60 m的范围，应变最大值位于距离孔口35 m处，对应细粒砂岩层，约2 500 με。随着工作面的继续推进，覆岩变形逐步向上传递。根据2#钻孔监测孔数据，钻孔深部应变出现交替拉压应变特征，其原因为推测为离层的产生。随着工作面的继续推进，覆岩充分垮落并压实，孔口处的光纤受到冒落矸石压实作用，应变由拉应变转为压应变，最大值约为-600 με。光纤应变从距离孔口15 m的位置开始发生突变，距孔口15～50 m的应变曲线整体抬升；50～100 m的范围内光纤拉应变与压应变交替转换，并逐步趋于稳定。

图7 监测孔应变分布曲线Fig.7 Strain distribution curves of monitoring hole

4.2 覆岩导水裂隙带高度确定

覆岩垮落会造成光缆在相应位置发生拉压变化、弯折，甚至断裂，根据传感光缆光损耗较大的点或者断点所在处的层位推断垮落带的发育高度。导水裂隙带发育高度则需要通过岩体产生裂隙的临界应变来判定。根据现有文献资料和相似模拟试验结果[15,18]，当上覆岩层发生垮落时，垮落带岩层内埋设的光纤应变变化将一般大于3 500 με；当岩层内产生裂隙时，裂隙带内的光纤应变一般大于500 με。因此，可将3 500 με和500 με分别作为判断现场垮落带和导水裂隙带发育高度的依据。根据现场监测获得的应变曲线综合判断，三个钻孔测得的垮落带高度的平均值为28.51 m。从2#钻孔光纤监测数据来判断，覆岩导水裂隙带发育范围达到钻孔斜长92 m位置，对应煤层上覆垂值高度75.44 m。 采用经验公式法预计150313综放工作面覆岩导水裂隙带高度为76.7～91.1 m。通过数值模拟得到工作面覆岩导水裂隙带高度为85.8 m。经过对比可以发现光纤监测的得到垮落带高度大于数值模拟结果，而覆岩导水裂隙带高度光纤监测结果小于数值模拟结果。 但是光纤监测可实现监测孔全长应变数据的实时获取，监测分辨率高，具有精细化监测优势(图8)。

图8 150313工作面“两带”高度分析图Fig.8 Height of “two zones” determination for 150313 working face

5 结 论

覆岩导水裂隙带高度是采场顶板岩移特征的重要参数，针对荫营煤矿厚煤层综放工作面覆岩特点，采用数值模拟和分布式光纤监测技术对覆岩运移特征进行研究，获得了导水裂隙带发育高度，为顶板水害防治和水资源保护提供参考。

1) 通过UDEC模拟得到150313综放工作面初次垮落步距为44 m，周期垮落步距为16～24 m，覆岩垮落带高度为26 m，垮采比为3.59；裂隙带发育高度为85.8 m，裂采比为11.87。

2) 分布式光纤监测过程中，当工作面接近监测孔时，钻孔浅部为压应变，深部位应变基本不发生变化；工作面经过监测孔时，钻孔浅部为拉应变，深部为压应变；工作面推过监测孔30 m后，钻孔浅部应变转变为压应变，深部为拉应变。

3) 分布式光纤技术可实现围岩变形高分辨率连续测试，井下监测得到150313综放工作面垮落带高度28.51 m，垮采比为3.94；导水裂隙带发育高度为75.44 m，裂采比10.43。