光纖傳感技術(shù)在覆巖“兩帶”高度探測中的應(yīng)用

譚海亮，李七明

(中國煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北邯鄲 056004)

0 引言

煤層開采過程中頂板巖層破壞規(guī)律的探測與研究一直是煤礦安全生產(chǎn)十分關(guān)注的問題。正確確定頂板采動破壞深度是精確預(yù)測頂板突水能力的首要條件。煤層開采必將引起上覆巖層的移動與破斷。從巖層破壞程度來講，冒落帶[1]和導(dǎo)水裂縫帶稱為破壞影響帶，是進(jìn)行頂板突水性評價(jià)時(shí)的主要對象[2]。冒落帶和導(dǎo)水裂縫帶直接溝通上覆含水層或采空區(qū)積水，或地表水體。如何準(zhǔn)確地掌握工作面采動過程中頂板巖層破壞深度及其特征，獲得相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，對工作面進(jìn)行防治水工作、消除突水威脅、保障工作面安全合理開采意義重大。

分布式光纖感測技術(shù)在內(nèi)蒙古某礦井破壞影響帶發(fā)育特征監(jiān)測中取得了良好的效果。該礦井主采煤層為15煤，直接充水含水層為煤層頂板直羅組及延安組砂巖裂隙水，頂板導(dǎo)水裂縫帶研究較為薄弱。因此結(jié)合井下采掘現(xiàn)狀，選擇具有代表性的回采工作面上覆巖層作為監(jiān)測對象，并采用多種方法手段進(jìn)行探查、對比研究，確定該方法的有效性。

1 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展與特性

光纖感測技術(shù)是20世紀(jì)80年代伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號(被測量)的新型感測技術(shù)，其中分布式光纖感測技術(shù)是最具前途的技術(shù)之一。目前，國際上分布式光纖感測技術(shù)除了應(yīng)用于通信領(lǐng)域中通信光纖光損和斷點(diǎn)的檢測和監(jiān)測外，一些主要的發(fā)達(dá)國家正在投入大量的人力和物力拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，已開始應(yīng)用在國防、基礎(chǔ)工程、工業(yè)設(shè)施、航空、土木等領(lǐng)域工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和診斷中，成為國際間競相研究的熱點(diǎn)課題。

光纖感測技術(shù)應(yīng)用光纖幾何上的一維特性，把被測參量作為光纖位置的函數(shù)，可以在整個(gè)光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進(jìn)行連續(xù)的測量，獲得被測量參數(shù)在空間和時(shí)間上的連續(xù)信息。這種監(jiān)測方法的突出優(yōu)點(diǎn)就是改變了傳統(tǒng)的點(diǎn)式監(jiān)測方式，彌補(bǔ)了點(diǎn)式監(jiān)測的不足，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、長距離和分布式的監(jiān)測目標(biāo)[3]。而且光纖既是傳感介質(zhì)，又是傳輸通道[4]，具有體積小、質(zhì)量輕、幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁干擾、電絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定性好以及頻帶寬、靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于分布式監(jiān)測中的傳感介質(zhì)。

2 工作原理及探測方法

覆巖的分布式監(jiān)測方法是在開采煤層的覆巖中植入線形感測元件，當(dāng)覆巖發(fā)生變形時(shí)，傳感光纜能連續(xù)監(jiān)測形變大小、分布，從而獲得覆巖的變形規(guī)律。

2017年9月中國煤炭地質(zhì)總局第一水文地質(zhì)隊(duì)在內(nèi)蒙古某礦井開展實(shí)驗(yàn)。開采工作面長1 975m，寬200m，近南北向。煤層產(chǎn)狀近水平，厚度3.7m，頂板垂深472.38m。采用綜采機(jī)一次采全高，頂板管理方法為全部垮落法。采煤速度一般為8m/d。工作面共布置兩條巷道，下順槽巷道凈寬4.2m，凈高3.6m；上順槽凈寬4.8m，凈高3.7m。

在工作面上方布置勘探孔，終孔深度為474.61m。鉆孔內(nèi)布置3條光纖(傳感器)，分別為金屬基索狀應(yīng)變感測光纜(1#)、GFRP傳感光纜(2#)、定點(diǎn)式應(yīng)變感測光纜(3#)。1#傳感光纜控制垂高為465.4m；2#傳感光纜制垂高為467.04m，3#傳感光纜控制垂高為467.04m。全孔水泥封閉。

隨著采煤工作面向前推進(jìn)，煤層頂板巖層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，頂板巖體將產(chǎn)生變形、位移乃至破壞，光纖傳感器將對地層結(jié)構(gòu)及巖體物性變化做出響應(yīng)。通過地面布里淵光時(shí)域反射光纖應(yīng)變/溫度測量儀進(jìn)行監(jiān)測、前期計(jì)算和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，證明此次傳感器與測線的布置設(shè)計(jì)能夠有效滿足在測試區(qū)域范圍內(nèi)頂板應(yīng)力和電阻率變化等測試參量的技術(shù)要求。

3 數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

初次采集回采工作面下順槽退尺位置與鉆孔水平距離177m，采用首次采集數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)初值。隨工作面的不斷推進(jìn)，每天采集1組數(shù)據(jù)。光纖數(shù)據(jù)采集時(shí)間自2017年9月30日開始，最終于2017年11月14日截止數(shù)據(jù)采集，共采集光纖數(shù)據(jù)46組。后期監(jiān)測預(yù)測設(shè)計(jì)在工作面回采至距離靠近監(jiān)測斷面監(jiān)測靈敏階段時(shí)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集，對頂板變形、應(yīng)變分布、電阻率變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此，全程實(shí)時(shí)監(jiān)測有效獲得了工作面采動影響前底板背景數(shù)據(jù)、煤層回采頂板變形破壞全過程、工作面推過進(jìn)入采空區(qū)后頂板趨于穩(wěn)定狀態(tài)的應(yīng)變場、電場的變化特征規(guī)律。并獲得監(jiān)測斷面在采動影響前、中、后頂板巖體的變化特征。

3.2 巖層變形與監(jiān)測成果相關(guān)性分析

傳感光纜與采動距離、地層深度相關(guān)。工作面采動初期受到擾動影響很小，每條光纜采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)無較大的變化。隨著工作面向鉆孔位置推進(jìn)，不同鉆孔深度的應(yīng)變特征差異明顯；同一深度上隨時(shí)間的偏移應(yīng)變增大或減小。

工作面距離監(jiān)測鉆孔147.5m時(shí)(10月4日)，1#傳感光纜開始受到超前應(yīng)力的影響，接著2#、3#傳感光纜相繼受到采動的影響。上部白堊系表現(xiàn)為拉應(yīng)變響應(yīng)特征，局部在砂巖和泥巖、中砂巖和細(xì)砂巖的巖層分界面處呈現(xiàn)應(yīng)變陡增特征，下部侏羅系整體呈現(xiàn)壓應(yīng)力響應(yīng)特征，在局部巖層分界面出表現(xiàn)為拉壓相互轉(zhuǎn)換的應(yīng)變特征，當(dāng)工作面進(jìn)一步推進(jìn)靠近監(jiān)測鉆孔位置時(shí)，鉆孔中的每條傳感光纜應(yīng)變值持續(xù)的增加，直到每條傳感光纜在鉆孔不同深度處發(fā)生斷裂，傳感光纜應(yīng)變斷失。其中1#傳感光纜首次斷裂發(fā)生在10月13日，孔深264.52m(距離煤層頂板207.86m)處(圖1)；2#傳感光纜首次斷裂發(fā)生在10月15日，孔深229.10m(距離煤層頂板243.28m)處(圖2)；3#傳感光纜首次斷裂發(fā)生在10月15日，孔深422.00m(距離煤層頂板50.38m)處(圖3)。工作面繼續(xù)推進(jìn)，斷裂高度逐漸增加。采過監(jiān)測孔一定位置后，傳感光纜應(yīng)變值無明顯起伏的變化，表明上覆巖體破壞已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.3 頂板巖層破壞高度判斷

監(jiān)測鉆孔中1#、2#、3#傳感光纜的測試數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充。工作面的采動過程，鉆孔控制范圍內(nèi)覆巖中傳感器參數(shù)表現(xiàn)出相應(yīng)的變化，其在數(shù)值特征上表現(xiàn)為相對于采集背景應(yīng)變值的增大與減小。如果應(yīng)變陡增具有連續(xù)性，并當(dāng)其增大到一定程度后，保持相對穩(wěn)定時(shí)，通常認(rèn)為是產(chǎn)生離層或裂隙發(fā)育穩(wěn)定。當(dāng)其應(yīng)變陡增不具有連續(xù)性時(shí)，并且應(yīng)變變化數(shù)值差較大，甚至光纜斷裂信號滅失時(shí)，通常認(rèn)為覆巖發(fā)生垮落或者產(chǎn)生較大裂隙。拉斷常常發(fā)生在彈性模量較小的巖體中或者巖性分界面，錯斷常常發(fā)生在巖體彈性模量較大的巖體或者相鄰巖層分界面。因此以采動前、采動中、采動后傳感光纜的應(yīng)變數(shù)據(jù)變化特征為依據(jù)， 能較好的判斷覆巖“兩帶”破壞的高度。

(a)2017日10月12日鉆孔應(yīng)變分布曲線 (b)2017日10月13日鉆孔應(yīng)變分布曲線圖1 1#傳感光纜鉆孔每日應(yīng)變分布曲線Figure 1 Daily strain distribution curve of sensing optical cable borehole No.1

(a)2017日10月14日鉆孔應(yīng)變分布曲線 (b)2017日10月15日鉆孔應(yīng)變分布曲線圖2 2#傳感光纜鉆孔每日應(yīng)變分布曲線Figure 2 Daily strain distribution curve of sensing optical cable borehole No.2

(a)2017日10月14日鉆孔應(yīng)變分布曲線 (b)2017日10月15日鉆孔應(yīng)變分布曲線圖3 3#傳感光纜鉆孔每日應(yīng)變分布曲線Figure 3 Daily strain distribution curve of sensing optical cable borehole No.3

圖4 傳感光纜隨工作面推進(jìn)云圖Figure 4 Cloud map of sensing optical fiber cable along with working face advance

工作面回采過程中覆巖的垮落呈現(xiàn)周期性動態(tài)的演化過程，相應(yīng)的傳感器出現(xiàn)應(yīng)變陡增—斷裂—穩(wěn)定的周期性變化。通過對鉆孔監(jiān)測周期內(nèi)不同光纖傳感器獲得的數(shù)據(jù)及斷裂高度進(jìn)行處理分析，可以獲得鉆孔控制高度范圍內(nèi)巖層形變、移動到破壞連續(xù)變化的破壞結(jié)果，如圖4所示。

隨著工作面向監(jiān)測鉆孔位置推進(jìn)，白堊系中產(chǎn)生超前應(yīng)力響應(yīng)，并且隨著逐漸靠近鉆孔位置，對應(yīng)巖層內(nèi)的拉應(yīng)力值逐漸增大。侏羅系整體以泥質(zhì)類巖性為主，以壓應(yīng)變?yōu)橹黧w，在283.72m粗粒砂巖與粉砂巖界面、351.72m中粒砂巖與泥巖分界處呈現(xiàn)拉應(yīng)力；229.1～283.72m段呈現(xiàn)壓應(yīng)力特征，且在351.72～467m段壓應(yīng)力顯著，393.43m粉砂巖以下至467m段巖層整體的壓應(yīng)變值大，且最大達(dá)到900με。侏羅系在393.43m以下深度，即粉砂巖與煤層的分界面以下層位主要以壓應(yīng)變?yōu)橹黧w，受采動影響呈垮落特征，即垮落帶高度為15煤頂板以上79m高度。侏羅系在351.72m以下深度，即中粒砂巖與泥巖的分界面以下層位，至393.43m這一段拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交互出現(xiàn)，且?guī)r層以薄層為主體，整體抗拉能力差，垂向裂隙發(fā)育，判斷為導(dǎo)水裂縫帶高度，即導(dǎo)水裂縫高度達(dá)到15煤層頂板上方121m。鉆孔垂深351.72m以上地層中，整體以拉應(yīng)力為主，在131.7m中細(xì)粒砂巖處、189.9m粗細(xì)粒砂巖分界處、221.35m粗礫巖與砂質(zhì)泥巖分界處、283.72m粗粒砂巖與粉砂巖界面、351.72m中粒砂巖與泥巖分界處，拉應(yīng)變值不斷增大，表現(xiàn)為巖層受力出現(xiàn)的離層特征，且層與層之間未溝通，僅是表現(xiàn)為層間離層。

綜合上述鉆孔光纖數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果，分析認(rèn)為：頂板巖體經(jīng)歷下沉、壓實(shí)、穩(wěn)定的狀態(tài)，其特征明顯。在圖4云圖上，采煤破壞影響帶均表現(xiàn)為壓應(yīng)變(圖中顯示深綠—天藍(lán)色)，彎曲變形帶為拉應(yīng)變(黃色—紅色)。其中在煤層頂板上面79m處，圖4(b)云圖表現(xiàn)為光纖傳感器斷裂，圖4(c)、圖4(d)動力云圖上光纖傳感器仍表現(xiàn)為壓應(yīng)力，工作面持續(xù)推進(jìn)，隨后發(fā)生斷裂，該處巖層為粉砂巖與煤層分界面附近，受采動影響表現(xiàn)為壓應(yīng)變，為巖層直接垮落帶。121m處為導(dǎo)水裂縫帶形成高度，在圖4(b)上兩帶之間分帶明顯。

3.4 電法測試

2017年9月10日對工作面進(jìn)行了并行電法監(jiān)測。并行電法測試借鑒地震勘探中的單點(diǎn)激震原理，采用一類擬地震道記錄的采集數(shù)據(jù)方式，并通過電極對大地提供供電信號實(shí)現(xiàn)測量。該方法可應(yīng)付任意多通道同時(shí)采集電場數(shù)據(jù)，智能電極和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了并行電法勘探近似地震勘探的數(shù)據(jù)采集功能。

圖5 視電阻率剖面Figure 5 Apparent resistivity section

圖5為2017年9月10日和9月27日鉆孔中視電阻率剖面。監(jiān)測孔下方電阻率值由冷色和暖色調(diào)來表達(dá)，其中冷色調(diào)表示相對低阻，暖色調(diào)表示相對高阻。由視電阻率色標(biāo)可以看出，由冷色調(diào)至暖色調(diào)分布表明電阻率值逐漸升高，色標(biāo)電阻率為0～555Ω·m。9月10日視電阻率剖面表征為原始未擾動巖層電性特征，將此次視電阻率剖面作為背景監(jiān)測剖面進(jìn)行對照分析。從圖5中不難看出，上部白堊系大部分區(qū)域電阻率為150～550Ω·m，而在侏羅系電阻率整體較低，低于100Ω·m，這就從整體上反映了不同地層在電性參數(shù)上的差異。單個(gè)地層的電阻率差異可能為巖層裂隙發(fā)育、含水性不均一所致。局部巖層電阻率的高低變化反映出巖性變化或巖體完整性的不同，在本次監(jiān)測中，可視為正常巖層電性特征反映，該值為后續(xù)探測剖面對比提供基礎(chǔ)。

9月27日結(jié)合背景視電阻率剖面圖和當(dāng)日視電阻率剖面圖對比分析，可以看出白堊系電阻率值幾乎沒有變化，表明采動對較上部巖層影響較小。而侏羅系下部巖層局部區(qū)域視電阻率有少量增高，增高到60～80Ω·m，表明較下部巖層已經(jīng)受到巖層采動影響，認(rèn)為電阻率變化量大的為15煤頂板上方78.8m以下，為垮落帶，電阻率變化量相對大的為頂板上方119m以下深度，為導(dǎo)水裂縫帶，因此可以對“兩帶”特征進(jìn)行判斷。

3.5 結(jié)果對比

通過并行電法測試及光纖傳感技術(shù)綜合分析表明，15煤層頂板上方79m為垮落帶，121m為上覆巖層變形破壞的導(dǎo)水裂縫帶高度值。與分布式光纖傳感器監(jiān)測結(jié)果一致。

4 結(jié)論

①覆巖破壞高度的精細(xì)化探查對提高煤炭資源安全高效生產(chǎn)有著重要指導(dǎo)意義。光纖應(yīng)變法是一種新型的測試技術(shù)手段，對應(yīng)變場的響應(yīng)特征具有良好的敏感性，在礦井方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

②結(jié)合研究礦井工作面開采地質(zhì)條件，進(jìn)行煤層開采圍巖破壞特征實(shí)測。由應(yīng)變場信息和地電場信息反映，煤層回采后，采空區(qū)上方頂板巖體經(jīng)歷下沉、壓實(shí)、穩(wěn)定的狀態(tài)，具體表現(xiàn)在巖層的位移和電阻率變化值，其特征明顯，易于分辨與判斷。

③通過分布式光纖應(yīng)變法測試結(jié)果的分析和判斷，能夠?qū)Σ蓜訔l件下頂板覆巖破壞情況進(jìn)行準(zhǔn)確探測，探測得出頂板上面79m處為巖層直接垮落帶，121m處為導(dǎo)水裂縫帶形成高度。

④現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)是確定采場覆巖破壞、劃分“兩帶”高度的重要途徑和依據(jù)。本文綜合利用分布式光纖應(yīng)變法現(xiàn)場監(jiān)測手段進(jìn)行采場應(yīng)力變化的動態(tài)監(jiān)測，其研究結(jié)果大大提高了探測精度，但在實(shí)際操作過程中，受耦合性、地質(zhì)條件等影響因素的限制，實(shí)際結(jié)果還存在一定的誤差。