煤系上覆地層移動(dòng)變形鉆孔多參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

張平松,孫斌楊,許時(shí)昂,吳榮新1,,付茂如,甘圣豐,劉 暢

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001;3.安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司, 安徽 宿州 234000)

我國(guó)煤炭資源相對(duì)豐富，但是由于地處歐亞板塊結(jié)合部，使得煤層賦存條件具有較大的差異性，存在“薄厚不一、深淺交替、構(gòu)造復(fù)雜”等現(xiàn)象。因此煤炭在滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也導(dǎo)致了地表沉陷、水土流失、植被破壞等一系列日益凸顯的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。其中，煤系上覆地層破壞是指煤炭開采過(guò)程中，地層原巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致從頂板到高位巖層直至松散層都發(fā)生不同程度的損傷破壞。作為礦山安全防治中的一個(gè)重要研究課題，煤層上覆地層破壞高度及發(fā)育規(guī)律是對(duì)相關(guān)開采措施制定、保水采煤方案設(shè)計(jì)及煤炭開采安全性分析與評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全開采與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)。

縱觀采煤史，以“煤層采動(dòng)上覆地層結(jié)構(gòu)演化特征與破壞規(guī)律”為切入點(diǎn)，進(jìn)行了全方位、多角度的研究，提出了多種代表性經(jīng)典理論和假說(shuō)。國(guó)外應(yīng)用較為廣泛的主要有拱形冒落論、壓力拱假說(shuō)、懸臂梁假說(shuō)、預(yù)成裂隙理論和冒落巖塊鉸接論等；國(guó)內(nèi)有代表性并應(yīng)用廣泛的理論眾多，劉天泉院士就煤層開采后的覆巖變形、運(yùn)動(dòng)和破壞特征提出的覆巖破壞學(xué)說(shuō)以及“上三帶”理論，成為我國(guó)研究水體下采煤及頂板突水機(jī)理的重要理論基礎(chǔ)；高延法提出巖移“四帶”論，對(duì)分析導(dǎo)水裂隙帶的高度與形狀具有重要意義；錢鳴高院士提出采場(chǎng)上覆巖層的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型及“關(guān)鍵層”理論，形成一套完整的采場(chǎng)礦山壓力與巖層控制理論；許家林等基于“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型和“關(guān)鍵層”理論分別建立了不同賦存、開采地質(zhì)條件下的關(guān)鍵層破斷塊體的“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)一步豐富了采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)理論；宋振騏院士創(chuàng)建了以巖層運(yùn)動(dòng)為中心的“傳遞巖梁理論”，實(shí)現(xiàn)了采場(chǎng)礦山壓力由定性到定量研究的突破。此外，其他學(xué)者在上述經(jīng)典理論研究的基礎(chǔ)上做了許多卓有成效的工作，共同推動(dòng)了礦山壓力與巖層控制理論的發(fā)展和完善。如黃慶享等基于淺埋煤層巖梁方面，提出了初次來(lái)壓的非對(duì)稱“三鉸拱”結(jié)構(gòu)和周期來(lái)壓的“短砌體梁”“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)的假說(shuō)；左建平等提出了充分采動(dòng)覆巖整體移動(dòng)的內(nèi)外“類雙曲線”模型，認(rèn)為巖層“類雙曲線”的焦點(diǎn)位于主關(guān)鍵層位置，描述了煤層上覆巖層整體移動(dòng)規(guī)律；郭文兵等認(rèn)為覆巖破壞為2個(gè)階段：非充分采動(dòng)階段和充分采動(dòng)階段，并得到了充分采動(dòng)時(shí)的覆巖破壞高度理論表達(dá)式與覆巖“兩帶”破壞模式的判別式；王云廣等提出了高強(qiáng)度開采覆巖運(yùn)移的“彈性薄板”+“平行壓力拱”復(fù)合機(jī)理模型，揭示了覆巖運(yùn)移過(guò)程和機(jī)理。上述研究成果基本闡明了典型煤層開采上覆地層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)煤礦開采過(guò)程中的礦壓控制、開采沉陷控制、瓦斯抽放以及突水防治等規(guī)律性研究具有重要指導(dǎo)意義。

原位測(cè)試一直是研究采場(chǎng)上覆地層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要手段之一，其中對(duì)覆巖破壞高度的精準(zhǔn)探測(cè)是保水采煤、煤與瓦斯共采、矸石減排、減沉開采與環(huán)境修復(fù)等綠色采煤任務(wù)的主要突破口。當(dāng)前對(duì)于采動(dòng)引起的上覆地層破壞發(fā)育高度探測(cè)的主要方法有地面鉆孔觀測(cè)法、鉆孔電視法、井下鉆孔法、地球物理探測(cè)法、光纖傳感技術(shù)及微震監(jiān)測(cè)等。張玉軍和張志巍認(rèn)為覆巖破壞實(shí)測(cè)方法已由傳統(tǒng)的單一技術(shù)向著鉆探和物探等多手段聯(lián)合方向發(fā)展。楊達(dá)明等綜合運(yùn)用鉆孔注水漏失量觀測(cè)、鉆孔電視和數(shù)值模擬 3種手段對(duì)采空區(qū)上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行觀測(cè)，得出軟弱覆巖、厚松散層(102 m)條件下的斷裂帶發(fā)育高度和裂采比；崔峰等運(yùn)用鉆孔電視、微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與離散元軟件相結(jié)合的分析方法，研究了該條件下覆巖裂隙的分布特征與兩帶發(fā)育規(guī)律。目前，井地聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)、光纖傳感技術(shù)以及示蹤氣體法測(cè)定等新技術(shù)和新方法也被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，但觀測(cè)精度還有待進(jìn)一步深入研究。

近年，由于深部礦井、高強(qiáng)度開采以及西部特殊的地質(zhì)環(huán)境，致使礦井巖層的運(yùn)移機(jī)制日益復(fù)雜化，現(xiàn)行的煤系上覆巖層破壞的經(jīng)驗(yàn)公式與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值往往有很大差異。針對(duì)煤礦安全高效開采技術(shù)存在的一系列問(wèn)題，目前的監(jiān)測(cè)手段和方法由于受特殊的礦山地質(zhì)環(huán)境影響，造成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果不佳，嚴(yán)重制約了煤礦安全高效開采技術(shù)的實(shí)施和發(fā)展。如工作面超前采動(dòng)支承壓力作用下難以對(duì)整個(gè)采動(dòng)進(jìn)行全過(guò)程的監(jiān)控，不能反應(yīng)采動(dòng)的全過(guò)程，也不能對(duì)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行精確的測(cè)量，其觀測(cè)精度和適用性已經(jīng)不能完全適應(yīng)目前高強(qiáng)度生產(chǎn)的要求。如何基于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、通信等先進(jìn)技術(shù)，建立一套高精度、智能化的監(jiān)測(cè)技術(shù)與手段，從而提高煤系上覆地層巖體裂縫發(fā)育和破壞特征監(jiān)測(cè)的智能化程度。

光纖傳感測(cè)試技術(shù)作為一種新型的感測(cè)技術(shù)，于20世紀(jì)70年代率先由歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家開展測(cè)試研究，我國(guó)于20世紀(jì)80年代逐步進(jìn)行光纖測(cè)試相關(guān)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究。光纖傳感測(cè)試技術(shù)由于其自身兼具“傳”“感”功能，且具有長(zhǎng)距離、體積小、精度高、無(wú)源、易組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)，目前已成為結(jié)構(gòu)體健康安全監(jiān)測(cè)的首選技術(shù)。近年來(lái)，隨著光纖感測(cè)理論逐漸成熟，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，在礦井圍巖體變形監(jiān)測(cè)方面貢獻(xiàn)了巨大的力量，其不但彌補(bǔ)了傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器的不足，還填補(bǔ)了目前無(wú)法良好表征巖體內(nèi)部形變的空缺。筆者基于光纖測(cè)試的采場(chǎng)圍巖變形進(jìn)展總結(jié)了相關(guān)技術(shù)的感測(cè)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)煤系地層采動(dòng)條件下變形破斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行討論，通過(guò)鉆孔多場(chǎng)多參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系構(gòu)建中的施工工藝、鉆孔充填、表征方法、互聯(lián)網(wǎng)+多源屬性監(jiān)測(cè)等內(nèi)容闡述，以及陜西招賢礦區(qū)煤系地層采動(dòng)覆巖監(jiān)測(cè)工程實(shí)踐分析，系統(tǒng)分析了鉆孔全斷面多參數(shù)監(jiān)測(cè)過(guò)程和技術(shù)特征，力求為同類技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 礦井光纖測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀分析

智慧礦山建設(shè)中要求智能感知、智能控制等作為支撐，礦井光纖傳感測(cè)試技術(shù)可提供大范圍、分布式、智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在礦山安全開采動(dòng)態(tài)地質(zhì)條件構(gòu)建中發(fā)揮重要作用，如圖1所示。按照監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類型，光纖傳感測(cè)試技術(shù)可分為全分布式(BOTDR，BOTDA，BOFDA，OTDR)和準(zhǔn)分布式(FBG)；按照測(cè)試原理可分為波分復(fù)利用、散射和光相干等類型；按照感知物理量可分為分布式應(yīng)變傳感測(cè)試技術(shù)(Distributed Strain Sensing Technology,DSS)、分布式溫度傳感測(cè)試技術(shù)(Distributed Temperature Sensing Technology,DTS)和分布式振動(dòng)傳感測(cè)試技術(shù)(Distributed Acoustic Sensing technology,DAS)。所述光纖測(cè)試技術(shù)在礦井生產(chǎn)中應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：評(píng)價(jià)方法、耦合傳遞效果、技術(shù)難題及發(fā)展瓶頸等。

圖1 礦井光纖測(cè)試技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 光纖傳感評(píng)價(jià)方法

光纖測(cè)試技術(shù)應(yīng)用中，由于被測(cè)對(duì)象與光纖材料力學(xué)性質(zhì)不同，實(shí)際結(jié)果與測(cè)試評(píng)價(jià)參數(shù)具有差異。圍繞光纖測(cè)試技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，眾多科研工作者開展了大量的工作，引入不同數(shù)學(xué)模型，如圖2所示，其中，為微彎空間周期；為測(cè)線長(zhǎng)度；為法向長(zhǎng)度；為初始方位角；Δ為相對(duì)方位角變化的角位移；Δ為法向位移；Δ為剪切位移；為剪切面一側(cè)的剪切變形量；為原始長(zhǎng)度；為圓弧半徑；為采樣點(diǎn)總數(shù)；為弧度；為多個(gè)采樣點(diǎn)應(yīng)變；為常數(shù)；為弧長(zhǎng)；，分別為應(yīng)變發(fā)生裝置的橫坐標(biāo)；為時(shí)間。西安科技大學(xué)柴敬團(tuán)隊(duì)提出光纖光柵周期微彎理論和裂縫傳感微彎調(diào)制機(jī)制；同時(shí)深入討論研究分布式光纖礦井應(yīng)用，提出光纖頻移變化度數(shù)學(xué)表達(dá)模型和離層裂隙光纖感測(cè)機(jī)制；南京大學(xué)施斌團(tuán)隊(duì)對(duì)埋設(shè)土條光纖測(cè)量提出基于圓弧曲線、Logistic生長(zhǎng)曲線的2種土體剪切轉(zhuǎn)換模型；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)侯公羽團(tuán)隊(duì)以布里淵散射應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)為研究基礎(chǔ)，提出應(yīng)變與巷道頂板沉降3種數(shù)學(xué)模型(圓弧模型、拋物線模型、三角形模型)，對(duì)評(píng)價(jià)頂板覆巖變形提供重要理論支持；安徽理工大學(xué)張平松團(tuán)隊(duì)基于分布式光纖實(shí)測(cè)應(yīng)用提出采動(dòng)作用下巖體變形應(yīng)變數(shù)值和變化速率雙參數(shù)評(píng)價(jià)方法。不同評(píng)價(jià)模型為光纖傳感測(cè)試技術(shù)在礦山領(lǐng)域應(yīng)用與推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖2 光纖表征的數(shù)學(xué)模型[37-41]

1.2 應(yīng)變傳遞與耦合效果研究

表1 光纖測(cè)試耦合效果評(píng)價(jià)模型[38-39,42-44,46-47]

1.3 技術(shù)難題發(fā)展

光纖傳感測(cè)試技術(shù)由于其分布式特性，極大地提高了監(jiān)測(cè)效率，并且穩(wěn)定性和存活率較高，能很好地適應(yīng)惡劣的礦井測(cè)試環(huán)境。但其在測(cè)試中依然存在以下難題，需進(jìn)一步研究和突破。

(1)礦山大變形監(jiān)測(cè)傳感光纜適配性需要提升。礦山應(yīng)變場(chǎng)具有高地應(yīng)力和強(qiáng)擾動(dòng)特征，現(xiàn)階段傳感光纜的抗剪強(qiáng)度均低于巖體的剪應(yīng)力，尤其在采場(chǎng)覆巖、底板及礦壓原位實(shí)測(cè)中，存在大變形、高應(yīng)力的特點(diǎn)。巖體破斷容易導(dǎo)致光纜錯(cuò)斷，對(duì)光纜封裝工藝提出了極高的要求。針對(duì)上述問(wèn)題，可從以下3個(gè)方面考慮解決：① 研制礦山大變形專用光纜?？煽紤]使用柔性材料對(duì)光纜進(jìn)行全封裝，增強(qiáng)韌性；同時(shí)可增大光纜直徑，增加自身的抗剪強(qiáng)度。目前，蘇州南智傳感科技有限公司已研制出直徑18 mm的定點(diǎn)式傳感光纜，相較于常規(guī)型號(hào)光纜的抗剪強(qiáng)度明顯改善。② 科學(xué)布設(shè)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以煤層頂板監(jiān)測(cè)為例，在地面布設(shè)垂直鉆孔的同時(shí)，于井下垂直位置布設(shè)傾斜仰孔，形成井上下全斷面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，井下監(jiān)測(cè)傾斜仰孔主要捕捉下段巖層移動(dòng)變形信息，地面垂直鉆孔主要獲取中上段巖層移動(dòng)變形信息，從而井上、井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可形成有效互補(bǔ)。③ 結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)填補(bǔ)?？煽紤]基于克里金插值、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、3次樣條插補(bǔ)、最小二乘支持向量機(jī)等方法對(duì)缺失段光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)、填補(bǔ)。

(2)傳感光纜與鉆孔圍巖耦合工藝優(yōu)化。礦山光纖測(cè)試技術(shù)均以鉆孔為基礎(chǔ)，利用鉆孔植入技術(shù)將光纜置于圍巖體內(nèi)。不同巖體力學(xué)性質(zhì)同樣具有差異，為了最大程度恢復(fù)圍巖體原巖力學(xué)環(huán)境，需要深入研究鉆孔封孔工藝。目前主要采取分段注漿，分段注漿材料及用量根據(jù)相應(yīng)層位巖層厚度、力學(xué)參數(shù)及鉆孔孔徑進(jìn)行計(jì)算。分段注漿材料以細(xì)砂、碳酸鈣、石膏為主，根據(jù)不同的配比方案得到與原巖1∶1的力學(xué)特性。

(3)光纖監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)表征研究需要深入。隨著光纖傳感測(cè)試技術(shù)的不斷研發(fā)，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)其數(shù)據(jù)點(diǎn)將達(dá)到百萬(wàn)量級(jí)，連續(xù)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)下，獲得總數(shù)據(jù)量通常以G為單位。如何直觀、準(zhǔn)確地展示光纖監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，是值得思考的問(wèn)題。筆者認(rèn)為在傳統(tǒng)應(yīng)變量分析基礎(chǔ)上，采用擬地震化數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)行多維多角度全程信息處理，從而對(duì)巖層變形與破壞特征進(jìn)行有效判斷。同時(shí)可結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，研發(fā)基于云計(jì)算及深度機(jī)器學(xué)習(xí)的光纖大數(shù)據(jù)處理與分析軟件，實(shí)現(xiàn)多類型場(chǎng)源的實(shí)時(shí)反演，進(jìn)一步提高異常自動(dòng)定位及前兆信息主動(dòng)識(shí)別精度。

(4)光纖+其他地球探測(cè)方法融合及智能化平臺(tái)建設(shè)需要強(qiáng)化。煤礦動(dòng)力災(zāi)害是在外部荷載及內(nèi)部構(gòu)造共同作用下的多物理場(chǎng)耦合致災(zāi)過(guò)程，災(zāi)害孕育演化機(jī)理一直是煤炭科技工作者的重點(diǎn)研究對(duì)象。筆者認(rèn)為應(yīng)將礦井光纖傳感測(cè)試技術(shù)與其他常規(guī)的地球物理探測(cè)手段進(jìn)行結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的互補(bǔ)，由線狀測(cè)試向面、體狀發(fā)展，并逐步完善礦山監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，提高測(cè)試精度。目前僅在測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，后續(xù)應(yīng)深入研究多源屬性數(shù)據(jù)融合方法及關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建智能化平臺(tái)，建立面向需求的礦山巖層移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)警服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)測(cè)前兆信息的主動(dòng)感知、自動(dòng)分析、動(dòng)態(tài)圈定，如圖3所示。

圖3 巖體破裂表征識(shí)別分析與智能化平臺(tái)搭建

2 鉆孔全斷面多元信息監(jiān)測(cè)技術(shù)體系

目前，礦山光纖傳感測(cè)試研究多以高校和科研院所為主，與常規(guī)測(cè)試手段相比其市場(chǎng)占有率和推廣度不高，主要原因在于光纖測(cè)試相關(guān)技術(shù)體系不夠完備。結(jié)合前期研究基礎(chǔ)，本文提出鉆孔全斷面多元信息(以光纖測(cè)試為主)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系架構(gòu)方案，為相關(guān)研究提供參考。其系統(tǒng)架構(gòu)包括感知系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)以及監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)等，如圖4所示。

圖4 鉆孔全斷面多元信息監(jiān)測(cè)技術(shù)體系

2.1 多元信息感知系統(tǒng)

前述已對(duì)礦井光纖監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類討論，常用的監(jiān)測(cè)手段主要有光纖傳感及鉆孔電阻率，除井筒變形監(jiān)測(cè)利用涂覆的形式布設(shè)傳感光纜外，其余大多利用鉆孔植入的形式將光纜和電纜埋入鉆孔內(nèi)，從而有效感知待測(cè)對(duì)象內(nèi)部信息。以采場(chǎng)覆巖變形監(jiān)測(cè)為例，可在工作面兩巷實(shí)施頂板超前傾斜鉆孔，也可在工作面正上方實(shí)施地表垂直鉆孔，鉆孔內(nèi)大多布設(shè)金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜、定點(diǎn)式應(yīng)變感測(cè)光纜和準(zhǔn)分布式電阻率傳感單元。對(duì)于井下超前傾斜鉆孔安裝工藝如下：首先利用固定元件將光纜貼設(shè)于串接管件外壁，保證光纜布設(shè)不發(fā)生扭曲和纏繞，設(shè)定固定間距為1.5 m(可根據(jù)鉆孔整體長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整)；其次通過(guò)串接裝置固定光纜，將光纜植入鉆孔設(shè)計(jì)的目標(biāo)深度；最后封閉孔口進(jìn)行全孔注漿。注漿時(shí)自里向外(井下仰孔自外向里)分段對(duì)應(yīng)，注入與各個(gè)巖層力學(xué)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的配比材料，以保證注漿凝固效果并且使得光纜與圍巖完全耦合，如圖5(a)所示。

對(duì)于地面垂直鉆孔傳感單元安裝需確保光纜等植入終孔層位的同時(shí)還需要保證線纜的垂直度。一般采用的施工工藝：首先在鉆孔正前方20 m位置安裝用于放置光纜及鋼絲繩的支架，使用鋼絲繩的目的是為了分擔(dān)光纜的拉力，防止光纜植入鉆孔過(guò)程中發(fā)生偏折。將金屬基索狀應(yīng)變傳感光纜和電阻率傳感單元固定在配重上形成束狀。利用配重將光纜緩慢下沉，注漿管與配重導(dǎo)頭保持定距同步植入鉆孔，光纜達(dá)到目標(biāo)層后，實(shí)施孔口保護(hù)。光纜植入到鉆孔內(nèi)后，利用配制的材料對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿、封孔，整個(gè)流程如圖5(b)所示。

圖5 鉆孔全斷面監(jiān)測(cè)感知單元安裝

2.2 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

傳感單元作為感知端需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的調(diào)制解調(diào)器將光信號(hào)等轉(zhuǎn)換成所需物理量。其主要有波長(zhǎng)調(diào)制型(光纖光柵)和頻率調(diào)制型(布里淵散射型)，加以相應(yīng)的解調(diào)技術(shù)即形成調(diào)制解調(diào)儀，如圖4中的BOTDR，BOTDA，BOFDA和FBG。同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要滿足串口的自由切換、電力系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出以及網(wǎng)絡(luò)的通暢性，對(duì)于單孔內(nèi)多個(gè)傳感光纜或電纜，目前主要利用光控開關(guān)和監(jiān)測(cè)分站將所有接口并入，通過(guò)程序控制對(duì)各個(gè)線纜進(jìn)行自由切換與調(diào)制解調(diào)儀連接。而對(duì)于電力輸出系統(tǒng)，考慮工況環(huán)境的偏遠(yuǎn)，主要通過(guò)太陽(yáng)能電池板、蓄電池和逆變器進(jìn)行供電。

對(duì)于地表垂直鉆孔巖層變形監(jiān)測(cè)，筆者課題組已初步設(shè)計(jì)完成應(yīng)變、位移、電位、電流、電阻率等多元參數(shù)構(gòu)成的在線遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。

2.3 信號(hào)傳輸系統(tǒng)

互聯(lián)網(wǎng)+在煤炭工業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要角色，全國(guó)各地區(qū)礦井均在實(shí)施煤礦智能化工作面，對(duì)于鉆孔全斷面多源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理應(yīng)順應(yīng)時(shí)代潮流，實(shí)施在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)于信號(hào)的傳輸十分重要，其對(duì)于異常區(qū)判定及在線預(yù)警意義非凡。信號(hào)傳輸包括兩大部分，一部分是信號(hào)的發(fā)射端，將調(diào)制解調(diào)儀采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端，另一部分則是信號(hào)接收端，將發(fā)射端傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行下載并存儲(chǔ)至工作站。目前，5G傳輸?shù)母咝н\(yùn)轉(zhuǎn)使得上述信號(hào)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性得以大大提升。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)

如何利用礦山光纖監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)對(duì)巖層變形進(jìn)行重構(gòu)反演，實(shí)現(xiàn)智能化、三維立體化展示，是后期研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，相關(guān)高校和科研院所已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)的集成化處理，但是隨著多場(chǎng)耦合監(jiān)測(cè)的發(fā)展，鉆孔數(shù)據(jù)更加多維化，應(yīng)結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能，研發(fā)多場(chǎng)多參量聯(lián)合反演方法，真正做到多場(chǎng)源聯(lián)合監(jiān)測(cè)。筆者認(rèn)為關(guān)鍵點(diǎn)是將應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)擬地震化處理，從而在傳統(tǒng)的震-電聯(lián)合反演基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的修正、計(jì)算與反演。

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控與預(yù)警處理系統(tǒng)

礦山巖層移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)警體系如圖6所示。針對(duì)研究對(duì)象，主要利用綜合指數(shù)法和多參量耦合分析法，將波長(zhǎng)、布里淵頻移、地電場(chǎng)、聲波場(chǎng)等前兆信息融合，深入研究巖體變形破壞全程多源參數(shù)動(dòng)態(tài)演化特征，結(jié)合巖體破裂判別參數(shù)閾值數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖體變形精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)警。同步將監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)傳送至專家移動(dòng)客戶端，實(shí)現(xiàn)人機(jī)環(huán)管的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖6 多場(chǎng)多參量耦合監(jiān)測(cè)及預(yù)警體系架構(gòu)

3 煤系地層覆巖變形監(jiān)測(cè)工程實(shí)踐

筆者課題組在兩淮、陜蒙、山東等礦區(qū)進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐，實(shí)施50余個(gè)井下、地面監(jiān)測(cè)斷面，獲取了不同巖層變形破壞、移動(dòng)等特征參數(shù)，為巖層移動(dòng)控制等研究提供了基礎(chǔ)?，F(xiàn)以陜西招賢礦區(qū)地面施工鉆孔監(jiān)測(cè)斷面為例，對(duì)監(jiān)測(cè)工程實(shí)踐進(jìn)行闡述。

3.1 工程地質(zhì)背景

招賢井田位于陜西黃隴煤炭基地的永隴礦區(qū)，主要開采侏羅系延安組3煤，一采區(qū)全區(qū)上覆巖層發(fā)育有宜君組巨厚礫巖層，與下部安定組泥巖易發(fā)生不協(xié)調(diào)沉降變形，從而導(dǎo)致離層空間發(fā)育，同時(shí)安定組內(nèi)巖層的RQD約為63.7%，具有良好的連續(xù)性和完整性。在一定程度上，上覆離層可持續(xù)發(fā)育較長(zhǎng)時(shí)間，滿足可積水離層的條件，進(jìn)一步形成高位離層水害。招賢井田一采區(qū)首采工作面回采期間發(fā)生3次涌突水，并攜帶大量泥砂涌入工作面，分析水源特征為宜君組砂巖裂隙水，即離層空間水體為主要致災(zāi)因素。招賢井田一采區(qū)煤水空間關(guān)系及地層分布示意如圖7所示。

圖7 煤水(含水層-隔水層)空間關(guān)系示意

3.2 鉆孔全斷面多場(chǎng)多參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

針對(duì)高位離層水害及巨礫巖下覆巖破斷問(wèn)題，其致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，防治難度大，且研究基礎(chǔ)較為薄弱。因此，需對(duì)該礦區(qū)覆巖變形破壞時(shí)空演化規(guī)律及離層演化特征進(jìn)行精細(xì)化分析，為全面研究覆巖破斷規(guī)律，采用在地面布設(shè)垂直鉆孔，植入金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜和大直徑定點(diǎn)式應(yīng)變感測(cè)光纜以及準(zhǔn)分布式電阻率傳感單元，如圖8所示。

圖8 鉆孔全斷面多場(chǎng)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析

鉆孔安裝完成后，根據(jù)工作面回采進(jìn)度定期采集孔內(nèi)應(yīng)變、電阻率及電流等參數(shù)，監(jiān)測(cè)周期近3個(gè)月，部分監(jiān)測(cè)成果如圖9所示。根據(jù)金屬光纜和定點(diǎn)光纜測(cè)試應(yīng)變可以發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試范圍內(nèi)應(yīng)變變化特征主要分布在4個(gè)區(qū)域，埋深0～150，150～350，350～450以及450～600 m，且2種類型光纜測(cè)試結(jié)果的趨勢(shì)性基本一致。對(duì)比電阻率剖面，鉆孔全斷面范圍內(nèi)各層段電性特征與應(yīng)變變化結(jié)果一致。

圖9 鉆孔全斷面多參數(shù)監(jiān)測(cè)成果

工作面回采后其上覆巖層將形成“橫三區(qū)、豎三帶”的區(qū)域特征，當(dāng)監(jiān)測(cè)鉆孔位于工作面前方時(shí)，其整體將受到超前支承壓力的作用，巖層以壓縮為主，則孔內(nèi)光纜主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變，由于此時(shí)巖層以彈性壓縮為主，未發(fā)生明顯的裂隙，因此電阻率大多無(wú)明顯變化。當(dāng)工作面剛跨過(guò)監(jiān)測(cè)鉆孔時(shí)，由于采空區(qū)的初步形成，采空區(qū)內(nèi)直接頂?shù)葹槌浞挚迓洌瑢?dǎo)致懸空面積逐步增大，在巖體自重的影響下，鉆孔區(qū)域巖體將呈現(xiàn)拉應(yīng)變，同理由于橫向裂隙發(fā)育導(dǎo)致電阻率增大。由于巖層的突然垮落等，測(cè)試線纜極易在此階段發(fā)生錯(cuò)斷。當(dāng)監(jiān)測(cè)鉆孔位于工作面后方且逐漸遠(yuǎn)離時(shí)，此時(shí)采空區(qū)巖體已基本垮落，懸空面積得以充填，由于破碎巖體的反支撐作用，此階段鉆孔區(qū)域巖體的拉應(yīng)變將有明顯降低趨勢(shì)。

如圖9所示，當(dāng)工作面逐步靠近監(jiān)測(cè)孔，傳感光纜的應(yīng)變值逐漸擴(kuò)大，反應(yīng)覆巖受到超前支承壓力影響不斷增大。隨著超前支承壓力的進(jìn)一步增大，覆巖發(fā)生變形破壞，出現(xiàn)應(yīng)變極值等現(xiàn)象。當(dāng)工作面跨過(guò)孔口后，局部層位壓應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)換成拉應(yīng)變，并持續(xù)增大。當(dāng)直接頂不規(guī)則垮落后，基本頂懸空，支承壓力隨著基本頂懸空距離增大而增大，當(dāng)達(dá)到極限后，基本頂垮落，導(dǎo)致傳感光纜的破斷，在相應(yīng)位置出現(xiàn)斷點(diǎn)。

同理，鉆孔電阻率剖面與地質(zhì)剖面具有較好的一致性，不同層位電阻率具有較大的差異性。例如，宜君組巨厚礫巖中下部視電阻率較大，其余砂質(zhì)泥巖和泥巖段視電阻率較低，與物性差異一致，說(shuō)明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可以作為后續(xù)分析判斷的依據(jù)。與應(yīng)變結(jié)果一致，當(dāng)工作面位于鉆孔前方時(shí)，此階段煤層上覆巖體相對(duì)較為完整，電阻率變化較小。當(dāng)工作面位于鉆孔后方時(shí)，此階段煤層覆巖將經(jīng)歷多種形式的巖層移動(dòng)，亞關(guān)鍵層失穩(wěn)使得主關(guān)鍵層下方巖層發(fā)生離層、回轉(zhuǎn)及斷裂和垮落。鉆孔圍巖電阻率的表征形式即為局部增大或降低。工作面剛跨過(guò)鉆孔的一段時(shí)間內(nèi)，鉆孔所在圍巖體的完整性仍能良好保持。此后，由于直接頂?shù)葞r層的垮落導(dǎo)致上覆巖體發(fā)生變形破壞，形成一定的應(yīng)力集中區(qū)，使得電阻率增大。

綜上，鉆孔多場(chǎng)多參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)可對(duì)覆巖變形破壞全過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，測(cè)試結(jié)果可良好刻畫巖體由完整至變形破壞再到穩(wěn)定的過(guò)程。

3.4 “兩帶”高度確定及離層發(fā)育特征

根據(jù)監(jiān)測(cè)鉆孔光纖和電阻率法的應(yīng)變分布及電性剖面結(jié)果，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，煤層頂板覆巖逐步發(fā)生變形、破壞等現(xiàn)象，從而造成兩類光纜和電纜在不同時(shí)間不同層位發(fā)生拉壓變化、彎折及破斷?；趹?yīng)變分布特征、斷點(diǎn)及電阻率剖面、電流特征等，結(jié)合3煤覆巖地質(zhì)資料，可對(duì)導(dǎo)水裂縫帶、垮落帶及離層發(fā)育等進(jìn)行分析判斷。

由圖9可得，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)鉆孔光纜和電纜發(fā)生多次破斷，主要是由于超前支承壓力、巖層變形垮落、橫縱裂隙發(fā)育等導(dǎo)致。金屬光纜1號(hào)斷點(diǎn)位于孔深-418.10 m位置，此時(shí)工作面位于鉆孔后方39.49 m，分析原因主要是由于采空區(qū)上方安定組厚砂質(zhì)泥巖層發(fā)生錯(cuò)斷，使得上部巖層下沉變形，進(jìn)一步將光纜拉斷。定點(diǎn)光纜1號(hào)斷點(diǎn)位于孔深-453.58 m位置，此時(shí)工作面位于鉆孔前方46.91 m，光纜發(fā)生錯(cuò)斷的主要原因是由于采動(dòng)超前壓力的影響，使得安定組厚砂質(zhì)泥巖上部發(fā)生剪切變形。定點(diǎn)光纜2號(hào)斷點(diǎn)與金屬光纜1號(hào)斷點(diǎn)位置基本一致，2根光纜的斷點(diǎn)分布均呈現(xiàn)“臺(tái)階式”向上發(fā)展，最終斷點(diǎn)位于主關(guān)鍵層宜君組礫巖下部，分別為-368.21和-367.69 m。電纜的斷點(diǎn)與2根光纜的3號(hào)斷點(diǎn)位置持平，位于孔深-370 m。

可見(jiàn)，3類線纜的斷點(diǎn)集聚在孔深-350～-450 m，結(jié)合地質(zhì)剖面及巖性分布綜合分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域位于主關(guān)鍵層(宜君組巨厚礫巖)與亞關(guān)鍵層(安定組厚砂質(zhì)泥巖)之間。隨著采空區(qū)的逐步擴(kuò)大，上覆亞關(guān)鍵層突然失穩(wěn)發(fā)生破斷，致使上部泥巖等軟巖層發(fā)生劇烈擾動(dòng)、變形，光纜同步受到擾動(dòng)，產(chǎn)生應(yīng)變極值等現(xiàn)象。而主關(guān)鍵層由于力學(xué)強(qiáng)度較大，懸空極限破斷距離較長(zhǎng)，在整個(gè)過(guò)程中保持一定的完整性。因此該區(qū)域應(yīng)變變化較為穩(wěn)定，且均一性較好；同時(shí)電阻率剖面前后一致性較好，說(shuō)明該區(qū)域巖層未產(chǎn)生較大擾動(dòng)變形。同時(shí)，由于主關(guān)鍵層的穩(wěn)定性，其下部將形成一定的離層空間，離層縱向發(fā)育空間超過(guò)光纜、電纜抗拉極限后線纜將產(chǎn)生破斷。綜合應(yīng)變、電阻率及覆巖巖性分析，認(rèn)為3煤(埋深-625 m)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到255.00～256.79 m，位于宜君組與安定組分界面附近，考慮礦井安全生產(chǎn)，取最大實(shí)測(cè)值256.79 m為導(dǎo)水裂隙帶高度。測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[49]給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值(209.13 m)較為接近，因經(jīng)驗(yàn)公式考慮因素較為局限，復(fù)雜地質(zhì)條件下其計(jì)算結(jié)果偏小。同時(shí)，與鄰近礦區(qū)相似地質(zhì)資料工作面實(shí)測(cè)導(dǎo)高進(jìn)行類比分析，如圖10所示。類比結(jié)果表明鉆孔全斷面多參數(shù)測(cè)試結(jié)果具有科學(xué)性和可靠性，對(duì)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用。

圖10 導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比一覽

對(duì)于垮落帶分析，由于鉆孔中下部層位光纜及電纜斷裂，提出采用鉆孔超前探方法即根據(jù)中上部電極參數(shù)對(duì)中下部電性特征進(jìn)行反演。如圖11所示。當(dāng)工作面位于鉆孔前方時(shí)，孔內(nèi)電阻率分布相對(duì)較為均一。當(dāng)工作面剛跨過(guò)鉆孔，位于其后方0.29 m時(shí)，直羅組上部即表現(xiàn)出高阻特征，分析由于巖層變形破壞導(dǎo)致，同時(shí)煤層直接頂巖層也顯現(xiàn)局部的高阻特征。當(dāng)工作面位于鉆孔后方20.29 m時(shí)，鉆孔中下部巖層高阻特征更為明顯，但仍保持一定的分層特征，電性特征顯示未發(fā)生垂向的貫通。當(dāng)工作面位于鉆孔后方25.09 m時(shí)，頂板上方高阻巖層具有較好的連續(xù)性，高阻巖層發(fā)育高度位于頂板上方約49 m。當(dāng)工作面持續(xù)推進(jìn)后，中下部高阻巖層發(fā)育高度持續(xù)上升，工作面位于鉆孔后方約38 m時(shí)，垮落帶發(fā)育至最高點(diǎn)，隨后下降并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)工作面位于鉆孔后方75 m左右時(shí)，頂板上方高阻巖層發(fā)育高度為47 m，位于直羅組砂巖中下部。根據(jù)連續(xù)動(dòng)態(tài)的超前探電阻率反演剖面及地質(zhì)資料，綜合分析3煤采動(dòng)引發(fā)的垮落帶發(fā)育高度為47 m，垮采比為4.09。

圖11 覆巖垮落帶超前探反演結(jié)果

3.5 特征點(diǎn)分析與討論

為了分析采動(dòng)影響超前及滯后距離，提取鉆孔內(nèi)電極電流值進(jìn)行分析。其中，1號(hào)電極位于孔深-589 m 位置，96號(hào)電極位于孔深-17 m位置。監(jiān)測(cè)周期內(nèi)保證每次儀器及供電電壓一致，則電極電流的變化主要由于工作面采動(dòng)致使巖層移動(dòng)變形影響，同時(shí)各電極所在位置可以反應(yīng)接地電阻的變化，而接地電阻與巖石電阻率成正比，因此電極電流的變化進(jìn)一步反應(yīng)了巖石電阻率的變化，電流增大，巖石電阻率變小，反之也成立。

圖12為電極電流變化曲線。由圖12可得，各個(gè)電極點(diǎn)電流在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)發(fā)生了不同程度的變化，大致可以分為4個(gè)階段，見(jiàn)表2。定義工作面位于鉆孔前方2者平距為正值，位于鉆孔后方平距為負(fù)值。第1階段電極電流先緩慢下降(下降幅度為8～20 mA)，然后再恢復(fù)至原始狀態(tài)，說(shuō)明受采動(dòng)作用較小。第2階段電流先快速下降，而后僅恢復(fù)到原電流的90%，說(shuō)明鉆孔附近巖層受采動(dòng)影響，由電流值表征可得超前影響距離約46 m。第3階段電流呈線性趨勢(shì)下降，降幅約10%，說(shuō)明工作面跨過(guò)鉆孔前后時(shí)巖層的穩(wěn)定性較好，未發(fā)生大面積垮落，直接頂垮落具有一定的滯后性。對(duì)第4階段前期電流分析認(rèn)為工作面滯后垮落距離約15 m，當(dāng)工作面跨過(guò)鉆孔25 m時(shí)深部電極在發(fā)生斷裂。同時(shí)，根據(jù)鉆孔上部電極電流發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面位于鉆孔后方42 m時(shí)，電流值發(fā)生再一次急劇下降，分析是由于巖層垮落導(dǎo)致。隨后采空區(qū)發(fā)生壓實(shí)，上部裂隙發(fā)生閉合，電流再一次回升。

圖12 電極電流變化曲線

表2 采動(dòng)全程覆巖電流表征

為了進(jìn)一步分析采動(dòng)超前影響距離，提取鉆孔內(nèi)特征點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，如圖13所示。同理，將鉆孔內(nèi)特征點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行分段分析，第1階段：當(dāng)工作面距離鉆孔水平距離較遠(yuǎn)(>42 m)，特征點(diǎn)應(yīng)變整體變化較小，說(shuō)明受采動(dòng)超前影響較小。第2階段：當(dāng)工作面距離鉆孔水平距離介于42～16 m時(shí)，特征點(diǎn)應(yīng)變顯著增大，且增長(zhǎng)速率較大，說(shuō)明此時(shí)鉆孔附近巖層受采動(dòng)影響較為明顯，即采動(dòng)超前影響距離約為42 m。

圖13 特征點(diǎn)應(yīng)變變化曲線

綜合電流及應(yīng)變動(dòng)態(tài)變化曲線特征，認(rèn)為3煤采動(dòng)超前影響距離達(dá)到42～46 m，工作面滯后垮落距離約15 m。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)光纜應(yīng)變分布特征、電阻率剖面、鉆孔超前探反演剖面及3煤覆巖地質(zhì)資料，認(rèn)為3煤采動(dòng)覆巖垮落帶發(fā)育高度為47 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為256.79 m，則垮采比為4.09，裂采比為22.37。離層主要發(fā)育在宜君組巨厚礫巖與安定組厚砂質(zhì)泥巖層之間區(qū)域。

(2)結(jié)合鉆孔內(nèi)特征點(diǎn)應(yīng)變、電流對(duì)超前應(yīng)力及覆巖滯后垮落等綜合分析，認(rèn)為3煤采動(dòng)超前影響距離達(dá)到42～46 m，工作面滯后垮落距離約15 m。

(3)隨著礦山智能化建設(shè)的深入開展，基于人工智能、大數(shù)據(jù)等采用多屬性參數(shù)進(jìn)行前兆信息的感知、傳輸及多元融合識(shí)別是發(fā)展的主流。可以結(jié)合智慧礦山建設(shè)進(jìn)一步提升其應(yīng)用范圍，在采動(dòng)條件下重構(gòu)動(dòng)態(tài)地質(zhì)條件及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中發(fā)揮重要作用。

受技術(shù)方法所限，后續(xù)還需要結(jié)合不同區(qū)域地質(zhì)條件，加強(qiáng)大變形條件下光纖選型植入、巖石變形至破壞的光纖屬性參數(shù)表征，以及光纖和地電場(chǎng)數(shù)據(jù)融合利用等方面技術(shù)研究與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖條件的動(dòng)態(tài)感知、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)預(yù)警、云端管控，為礦山安全精準(zhǔn)綠色開發(fā)提供重要的技術(shù)支撐。