方　星,　劉建奎

(1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局,安徽 合肥　230001; 2.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,安徽 合肥　230001)

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分布式光纖傳感技術(shù)在采煤塌陷殘余變形監(jiān)測上的應(yīng)用

方星1,劉建奎2

(1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局,安徽 合肥230001; 2.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,安徽 合肥230001)

摘要:文章針對采煤塌陷區(qū)深部巖土體分層變形監(jiān)測的難題,介紹了分布式光纖感測技術(shù)原理及測試方法,并通過工程試驗,驗證了該方法應(yīng)用于采空區(qū)殘余變形監(jiān)測的可行性。結(jié)果表明:分布式光纖感測技術(shù)應(yīng)用于采煤塌陷殘余變形具有明顯的優(yōu)勢,不僅可以監(jiān)測地層的沉降變形大小,還可以精確定位深部變形巖層的層位和深度;根據(jù)光纖應(yīng)變測試曲線可對被測巖土層進行分層,劃分出采煤塌陷“三帶”，即冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲沉降帶。

關(guān)鍵詞:分布式光纖感測技術(shù);采煤塌陷;殘余變形;沉降;煤層三帶

0引言

煤礦開采后將伴隨上覆巖土層長期的沉降變形過程,通過大地測量、衛(wèi)星雷達干涉、GPS站等方法獲取地面變形數(shù)據(jù)是現(xiàn)今評價礦區(qū)沉穩(wěn)的主要技術(shù)手段[1-3],所得數(shù)據(jù)對于評價巖土層沉降穩(wěn)定性和指導(dǎo)地基處理工程有著現(xiàn)實意義。隨著我國土地資源緊張,大量煤礦開采塌陷區(qū)土地將會得到復(fù)墾,尤其是復(fù)墾方向為建設(shè)用地的,這對開采塌陷區(qū)巖層穩(wěn)定性，特別是深部巖土體的壓密變形狀態(tài),提出了更為精細的監(jiān)測與評價需求[4]。但是,深部巖土體變形監(jiān)測具有作業(yè)困難、傳感器成活率低、施工成本高等難點問題,一直未能在煤礦采空塌陷監(jiān)測中推廣應(yīng)用。分布式光纖應(yīng)變感測技術(shù)是一種以光為載體,光纖為媒介的新型應(yīng)變傳感技術(shù)[5],不僅具有分布式應(yīng)變測量、長距離傳輸?shù)燃夹g(shù)優(yōu)勢,還具有抗電磁干擾、抗腐蝕、抗電磁干擾、分布式不漏測等優(yōu)點,已在各類基礎(chǔ)工程監(jiān)測中得到應(yīng)用。本文結(jié)合工程試驗,將分布式光纖感測技術(shù)“移植”應(yīng)用到煤礦塌陷區(qū)地層殘余變形監(jiān)測中,并依據(jù)場地背景資料,對該區(qū)沉降變形現(xiàn)狀和趨勢、采煤塌陷“三帶”劃分進行了分析與研究,證實了分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于采煤塌陷殘余變形監(jiān)測上的可能性和有效性。

1基本原理與實驗場地條件

采空塌陷豎向變形監(jiān)測主要采用了分布式的基于布里淵光反射技術(shù)(Brillouin optical time domain reflectiometry, BOTDR)的光纖傳感測試技術(shù)。其原理是在分布式光纖傳感技術(shù)中,通過在被測物表面和內(nèi)部植入分布式感測光纜,實現(xiàn)被測物變形內(nèi)力等的感測。當(dāng)某區(qū)域巖體受拉變形,該區(qū)域光纜應(yīng)變增大;當(dāng)某區(qū)域巖體受壓變形,該區(qū)域光纜應(yīng)變減小。利用分布式光纖應(yīng)變測試儀,可測量出鉆孔內(nèi)光纖沿線各采樣點的應(yīng)變分布曲線,即鉆孔內(nèi)各地層的應(yīng)變分布曲線。鉆孔內(nèi)巖土體變形可視為豎向一維拉伸、壓縮變形,利用微元積分的方法,對測得的應(yīng)變曲線進行積分計算,即可得到該鉆孔周圍巖土體的總沉降量大小。此外,通過計算拉伸或者壓縮變形區(qū)域,可以測算出該區(qū)域的巖土體變形位移大小。

本次采用的傳感光纜是GFRP(glass-fiber reinforced plastic)光纜、鋼絞線光纜、定點光纜。

實驗區(qū)為一處典型煤礦采空塌陷區(qū),面積約2 hm2。該工作面開采結(jié)束,并已進入到殘余變形階段。煤層開采深度為-180～-230 m,開采厚度為0.26～8.87 m,停采時間為2011年4月,停采距離試驗時間為28個月[6]。根據(jù)文獻[7]中的建議公式，即(1)式,計算的地表總移動期約為377 d,滿足基本穩(wěn)沉所需時間。

T總=81.5+1.11H0+74.9=376.4

(1)

其中,H0為平均采深,取200 m。

2監(jiān)測成果分析及應(yīng)用

2.1根據(jù)光纜應(yīng)變曲線特征判定沉降階段

根據(jù)采集的數(shù)據(jù),利用對光纜應(yīng)變分布曲線進行一維積分的方法,可以計算得到在每次監(jiān)測期的監(jiān)測深度內(nèi)鉆孔周圍巖土體的累計變形塌陷壓縮量大小。

在鉆孔內(nèi)布設(shè)安裝了3種分布式感測光纜,通過測試得到了沿鉆孔深度方向上的應(yīng)變分布曲線,如圖1所示。

圖1　鉆孔內(nèi)光纜測試應(yīng)變變化分布曲線圖

由圖1可知,3種感測光纜監(jiān)測得到的鉆孔周圍巖土體的累計變形壓縮量不斷增加,且其增長緩慢。光纜測試得到的最大累計變形壓縮量約為7.79 mm。這說明監(jiān)測區(qū)內(nèi)巖土體正在緩慢變形中,巖土體主要受自身重力作用向煤層采空區(qū)豎向變形,對采空區(qū)塌陷巖體進行擠密壓實。

同理,利用對測試應(yīng)變積分的方法,可以計算得到鉆孔不同區(qū)段壓縮變形的累積壓縮變形量。自監(jiān)測期以來,壓縮變形1、2區(qū)的光纜測試最大變形量分別為0.572、3.066 mm,變形量與位移均較小。對壓縮變形1、2區(qū)進行連續(xù)6個月的監(jiān)測，得出最大累計沉降量為1.911 mm;根據(jù)文獻[8](以下簡稱“三下采煤規(guī)程”),連續(xù)6個月地表的下沉量若小于10 mm,可以視為進入殘余沉降階段。綜合上述監(jiān)測數(shù)據(jù)可知:鉆孔周圍巖土體已處于采后壓密階段,其產(chǎn)生壓縮變形量較小,相對穩(wěn)定,出現(xiàn)較大的沉降變形的可能性小。

2.2根據(jù)光纜應(yīng)變曲線特征劃分“三帶”

煤層采出后,上覆巖層的移動首先從煤層的直接頂板開始,自下而上依次發(fā)生垮落、斷裂、離層、裂隙、彎曲等各種不同的移動與破壞,最后在開采煤層上方地表形成比開采范圍面積大的沉陷區(qū),稱為下沉盆地。當(dāng)開采引起的移動與變形穩(wěn)沉后,巖體內(nèi)大致分為“三帶”,即冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲沉降帶,如圖2所示。

圖2　煤層頂板覆巖破壞移動“三帶”特征圖

2.2.1鉆孔揭露的“三帶”

通過鉆孔內(nèi)巖芯情況可以確定采煤塌陷區(qū)的“三帶”深度。大致劃分為:0～50.50 m為松散層;188.00～210.00 m巖芯破碎嚴(yán)重,且含多層煤層,判斷該層段是研究區(qū)采空區(qū)冒落帶;導(dǎo)水裂隙帶的高度一般是采空區(qū)的10～15倍,因此判斷導(dǎo)水裂隙帶高度在132.00～188.00 m;彎曲沉降帶的位置在50.50～132.00 m。

2.2.2計算的“三帶”

在實驗區(qū)范圍內(nèi)僅開采3煤這層煤,煤層采深為-180.00～-230.00 m,頂板深度平均為-191.50 m,煤層采厚為0.26～8.87 m,平均累計采厚為3.20 m。根據(jù)研究區(qū)施工鉆孔巖芯編錄情況,研究區(qū)煤層范圍內(nèi)覆巖主要是炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖等。

參照“三下采煤規(guī)程”中推薦的煤層“三帶”計算公式,計算結(jié)果如下。

冒落帶高度Hm為:

(2)

導(dǎo)水裂隙帶高度Hli為:

(3)

其中,∑M為平均累計采厚,取3.20m。

因此,根據(jù)(2)式、(3)式可以推測出,研究區(qū)冒落帶計算深度為183.83～191.50 m,導(dǎo)水裂隙帶計算深度為158.38～183.38 m。

2.2.3根據(jù)光纖應(yīng)變曲線劃分的“三帶”

根據(jù)光纖測試得到的數(shù)據(jù)揭示的鉆孔各深度處地層變形特點,可將鉆孔內(nèi)地層分為大致5段,其中就含有“三帶”,它們是:A(0～56 m)松散層帶、B(56～156 m)彎曲沉降帶、C(156～190 m)導(dǎo)水裂隙帶、D(190～205 m)冒落帶、E(205～238 m)煤層底板穩(wěn)定帶。根據(jù)以上分帶情況,對監(jiān)測數(shù)據(jù)分區(qū)段進行積分運算,得到的各帶變形量如圖3所示。

A帶為“松散層帶”,該帶內(nèi)鉆孔采用鋼桶護壁,鋼桶護壁埋設(shè)于基巖面之上,全程支護0～50.5 m深度范圍的松散層。鋼管回填結(jié)構(gòu)物為素水泥漿與松散土體,在20.0～50.5 m深度范圍內(nèi)為灌注的素水泥漿液,0～20.0 m深度范圍內(nèi)回填巖土體。此帶光纜測試應(yīng)變先壓縮變小,后受外力綜合作用又釋壓回彈,應(yīng)變略有回復(fù)。

B帶為“彎曲沉降帶”,表現(xiàn)為光纜測試應(yīng)變幾乎不產(chǎn)生變化,只在局部區(qū)域產(chǎn)生壓縮應(yīng)變。其主要原因為該區(qū)巖體整體穩(wěn)定,未產(chǎn)生壓縮拉伸變形;而在65.0～75.0 m層位深度處測試到的壓縮應(yīng)變,是由于此深度處的砂質(zhì)泥巖和泥巖性質(zhì)較軟,自身產(chǎn)生較小的壓縮變形,導(dǎo)致該區(qū)局部產(chǎn)生壓縮變形。

C帶為“導(dǎo)水裂隙帶”,表現(xiàn)為測試應(yīng)變曲線出現(xiàn)較多的不連續(xù)壓縮變形區(qū),各壓縮應(yīng)變較小。該帶巖體在不同層位處出現(xiàn)微弱壓縮變形,在軟弱地層部位出現(xiàn)多個不連續(xù)的變形區(qū)域。這主要是由于該區(qū)的裂隙在上覆巖體自重作用下,壓密變形產(chǎn)生的。該區(qū)內(nèi)巖體沉降變形還未穩(wěn)定,但是沉降變形量較小,對整體變形貢獻較小。

D帶為“冒落帶”,表現(xiàn)為壓縮變形較為明顯,壓縮變形量相對較大,但是其壓縮變形區(qū)域相對較小。該區(qū)域內(nèi)母巖已破碎,壓縮變形還未穩(wěn)定,巖體發(fā)生大量的壓縮變形,但變形為壓密性彈性變形,無大變形垮落的可能。該區(qū)為整體沉降變形的主要貢獻區(qū)域。

E帶為“煤層底板穩(wěn)定帶”,煤層底板開采破壞較少,在上覆巖體重力作用下性質(zhì)穩(wěn)定,無明顯變形產(chǎn)生。

圖3　豎向監(jiān)測孔變形分區(qū)與變形穩(wěn)定性分析

由圖3可知,“D帶”為研究區(qū)深部地層壓縮變形主要貢獻帶,該帶對監(jiān)測區(qū)殘余變形貢獻較大,且該帶的累計變形量不斷增大,從2013年9月10日到2014年12月10日,該帶累計變形量為-3.467 mm。“A帶”的巖土體變形量不斷變化,呈先增大后減小、再增大的趨勢,為主要地面殘余變形主要貢獻來源?！癇帶”和“E帶”變形量較小,各監(jiān)測期變形量變化很小,表明該2帶的巖體基本穩(wěn)定不變。

2.2.4對比分析

以上3種方法對煤層“三帶”的劃分結(jié)果匯總見表1所列。

表1　判別煤層“三帶”高度結(jié)果對比　m

由表1可以看出,根據(jù)光纖測試應(yīng)變曲線劃分的煤層“三帶”高度,與通過鉆孔巖芯及“三下采煤規(guī)程”推薦公式計算得到的煤層“三帶”高度相差不大,這表明,光纖傳感技術(shù)判別煤層“三帶” 具有一定的可靠性,可以作為劃分開采煤層“三帶”的方法。

2.3光纜測試應(yīng)變曲線的其他應(yīng)用

(1) 采取多鉆孔形成的光纖傳感監(jiān)測網(wǎng),替代傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量網(wǎng)。如果僅作為測量目的,鉆孔深度可以減小,這種方法,雖然前期投入較高,但測試成果相對較為精準(zhǔn),且受外界環(huán)境干擾較小。

(2) 采用光纖傳感技術(shù)可更加清晰地了解壓縮層分布,以及主壓縮層位置;判斷殘余變形階段,以及殘余變形分層余量,為建筑物基礎(chǔ)下的“關(guān)鍵層”注漿處理提供依據(jù),即壓縮變形相對較大的區(qū)域是主要注漿段,從而為塌陷區(qū)的建設(shè)用地適宜性評價和地基處理提供依據(jù)。

(3) 如在本次3種光纜的基礎(chǔ)上,再增加感測光纜及光纖測斜管(在測斜管上粘貼光纖),從而實現(xiàn)豎向、水平、傾斜三維方向的變形測量,藉此取得的變形值,可為評價塌陷區(qū)能否作為建設(shè)用地,以及為建、構(gòu)筑物的地基、基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更為完整的變形參數(shù)資料。

3結(jié)論

光纖傳感技術(shù)是一種揭露巖土體深部變形的新型有效的傳感監(jiān)測手段。隨著光纖監(jiān)測儀器和傳感器的技術(shù)成熟和成本下降,其在采空區(qū)殘余監(jiān)測上具有廣闊的應(yīng)用前景。

(1) 分布式光纖感測技術(shù)能夠有效地應(yīng)用于采煤塌陷殘余變形監(jiān)測上,為煤礦采空區(qū)變形監(jiān)測提供了一種新的監(jiān)測方法,可在類似的工程項目監(jiān)測中推廣應(yīng)用。

(2) 分布式光纖感測技術(shù)具有空間分布式特點,不僅可以精確測試出監(jiān)測區(qū)變形巖土層的層位和深度,還可以實現(xiàn)“三維空間”監(jiān)測地層變形的位移量及變形地層的位移量測量。

[參考文獻]

[1]劉永莉.分布式光纖傳感技術(shù)在邊坡工程監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2011.

[2]張敬霞,劉超,龍仁波,等.礦區(qū)高精度GPS地表變形監(jiān)測體系[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,36(7):855-860.

[3]呂偉才,秦永洋,孫興平,等.Kalman濾波在地表移動觀測站沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,34(9):1370-1374.

[4]劉迪仁.長距離分布式布里淵散射光纖傳感技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2005.

[5]何玉韻.基于自發(fā)布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)的研究[D].保定:華北電力大學(xué),2001.

[6]梅志宏.安徽省淮北市張莊煤礦資源儲量核實報告[R].淮北:淮北礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司,2007.

[7]于洋.淮北礦區(qū)地表移動規(guī)律研究[R].北京:煤炭科學(xué)院北京開采所,1988.

[8]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1987：212-213.

(責(zé)任編輯張淑艷)

Application of distributed optical fiber sensing technology in monitoring residual deformation in coal mining subsiding area

FANG Xing1,LIU Jian-kui2

(1.Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province, Hefei 230001, China; 2.Anhui Institute of Geo-Environment Monitoring, Hefei 230001, China)

Abstract:To cope with the difficulty of monitoring deep rock-soil body deformation in coal mining subsiding area, the principle and test method of distributed optical fiber sensing technology are introduced. Based on the concrete engineering examples, the feasibility of its application in monitoring residual deformation in the worked-out section is studied. It is demonstrated that the distributed optical fiber sensing technology has great advantage in monitoring the residual deformation in coal mining subsiding area, which can not only test the scale of settlement and deformation, but also precisely locate the stratum and depth of the deep deformed rock formation. Based on the fiber strain test curve, the tested strata can be divided into “three zones”, namely caving zone, fault zone and bending deformation zone, for coal mining.

Key words:distributed optical fiber sensing technology; coal mining subsiding; residual deformation; settlement; mining “three zones”

中圖分類號:TD325.4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)02-0260-05

Doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.02.022

作者簡介：方星(1956-),男,安徽旌德人,安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局教授級高級工程師.

基金項目：安徽省國土資源廳科研資助項目(2014-K-10)

收稿日期：2015-07-29；修回日期：2015-09-23