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        同家梁礦工作區(qū)底板破裂監(jiān)測(cè)與治理研究

        2021-07-04 02:51:46楊志明
        煤炭與化工 2021年5期

        楊志明

        (大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 同家梁礦,山西 大同037025)

        1 底板變形破壞動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

        隨著開采工作的不斷推進(jìn),煤礦開采工作面底板會(huì)受到壓力的作用,出現(xiàn)不同程度的變形破壞。底板破壞呈現(xiàn)3個(gè)過程,分別是采前應(yīng)力集中區(qū)、采后膨脹卸壓區(qū)和采空壓縮穩(wěn)定區(qū)。隨著采煤工作面的不斷推進(jìn),地下采空區(qū)范圍不斷變大,采空區(qū)周圍的圍巖受到的集中應(yīng)力不斷增大,底板巖體卸壓膨脹后出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,再承受頂板的周期壓力使得頂板垮塌掉落,采空區(qū)被逐漸填充,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

        光波在光纖中傳播會(huì)受到溫度和壓力的影響,發(fā)生布里淵頻移,使用BOTDR系統(tǒng)對(duì)煤層底板動(dòng)態(tài)破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示,在回采過程中,底板巖層從上到下呈現(xiàn)出“壓—拉—壓”的應(yīng)變過程。針對(duì)巖層開采過程中底板破裂變形情況,應(yīng)用布里

        淵光時(shí)域反射技術(shù)原理進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。

        1.1 布里淵光時(shí)域反射技術(shù)原理

        布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射過程,在不同的條件下,布里淵散射又分別以自發(fā)散射和受激散射2種形式表現(xiàn)出來[1],如圖1所示。發(fā)生布里淵散射的原因是單頻光和聲波發(fā)生耦合,光纖中的固有頻率使得布里淵光的頻率發(fā)生未知散射。

        圖1 布里淵散射光頻譜Fig.1 Spectrum of Brillouin scattered light

        在入射波長(zhǎng)保持不變的情況下,一種規(guī)格的光纖對(duì)應(yīng)一個(gè)布里淵頻移植,并且這個(gè)頻移植還會(huì)受到外界溫度環(huán)境的影響。當(dāng)布里淵頻移植所受環(huán)境溫度變化小于2℃時(shí),在理論研究過程中可以忽略這種影響。所以光纖的布里淵頻移fB(O)與應(yīng)變呈正相關(guān),數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

        式中:ε為光纖的應(yīng)變;fB(O)為光纖在沒有應(yīng)變時(shí)的布里淵頻移;CS為光纖布里淵頻移的應(yīng)變系數(shù)。

        根據(jù)BOTRD系統(tǒng),測(cè)得光纖的應(yīng)變分布,如圖2所示。

        圖2 BOTDR系統(tǒng)應(yīng)變監(jiān)測(cè)原理Fig.2 Principle of strain monitoring in BOTDR system

        1.2 分布式光纖監(jiān)測(cè)方案

        測(cè)試區(qū)域選擇在同家梁礦,礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件為中等,環(huán)境地質(zhì)條件為不良,開采條件較為困難。選擇8-F礦井工作面作為研究對(duì)象,該工作面位于同家梁礦109采區(qū)。煤層傾斜角平均為5°,煤層的平均厚度為3.6 m,底板的平均厚度為2.4 m。

        傳感介質(zhì)選用金屬基索狀分布式感測(cè)光纜,由4層組成,分別是石英裸纖、涂層、金屬加強(qiáng)件和塑料保護(hù)層,如圖3所示。

        圖3 金屬基索狀分布式感測(cè)光纜Fig.3 Distributed sensing optical cable with metal base wire shape

        BOTDR系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用光散射,是光在介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生的一種普遍現(xiàn)象,是光與物質(zhì)相互作用的一種表現(xiàn)形式。光在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生的背向散射主要有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。基于布里淵散射的分布式光纖溫度和應(yīng)變傳感技術(shù),是利用探測(cè)脈沖光在光纖中發(fā)生的布里淵散射效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖溫度和應(yīng)變的分布式測(cè)量。

        1.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝

        在礦井工作面的正下方瓦斯抽排巷道內(nèi)的頂板上,鉆2個(gè)孔作為監(jiān)測(cè)孔,方位角都為89°,兩孔相距70 m,孔深分別為35 m和42 m。第1個(gè)孔在斷層破碎帶的底板巖層內(nèi),第2個(gè)孔在完整的底板巖層內(nèi),如圖4所示。

        圖4 煤層底板應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Strain monitoring system of coal seam floor

        安裝過程:鉆孔、將監(jiān)測(cè)光纜固定在PVC管壁上制成預(yù)埋件、埋設(shè)傳感預(yù)埋件、封孔并埋設(shè)注漿管、注漿。

        BOTDR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖5所示。其中煤層底板巖層的應(yīng)變初始值作為固定值,每天的采集數(shù)據(jù)作為動(dòng)態(tài)值,將動(dòng)態(tài)值與固定值做差,得到應(yīng)變數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)范圍在孔1測(cè)點(diǎn)前80 m到孔2測(cè)點(diǎn)后50 m。

        圖5 底板巖層應(yīng)變監(jiān)測(cè)曲線Fig.5 Strain monitoring curve of floor strata

        2 煤層底板破裂規(guī)律

        通過預(yù)埋金屬基索狀分布式感測(cè)光纖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),更加精細(xì)化的揭示了煤層開采底板破斷的時(shí)空演化特征及底板破壞規(guī)律[6]。

        隨著采煤工作面的不斷推進(jìn),采空區(qū)不斷增大,采空區(qū)底板會(huì)出現(xiàn)凸起,根據(jù)底板巖層強(qiáng)度不同,底板凸起的高度也不同。由于采空區(qū)底板巖層受到豎直向上的應(yīng)力作用,底板工作面受到水平應(yīng)力的作用,所以采空區(qū)會(huì)產(chǎn)生向上的擠壓力。

        假設(shè)煤層底板巖層在豎直方向上存在撓度,并且采空區(qū)底板巖層也存在豎直向上方向的撓度,當(dāng)?shù)装鍘r層的撓度大于采空區(qū)底板巖層的極限破壞撓度值時(shí),采空區(qū)底板發(fā)生失穩(wěn)斷裂破壞。根據(jù)以上假設(shè),建立煤礦底板力學(xué)模型,如圖6所示。假設(shè)斷裂膨脹區(qū)兩邊受均布?jí)毫x,并且膨脹區(qū)的四周為簡(jiǎn)支的矩形板。

        圖6煤礦底板力學(xué)模型Fig.6 Mechanical model of coal mine floor

        圖6 (a)中矩形板邊長(zhǎng)分別為a和b,建立直角坐標(biāo)系,則應(yīng)滿足的邊界條件為:

        整理得到該力學(xué)模型的繞曲-斷裂的臨界應(yīng)力σC表達(dá)式為:

        式中:φ=b/a,a、b分別是矩形板邊長(zhǎng);A為矩形板面積;h為煤層厚度;D為楊氏模量。

        在煤炭開采過程中,煤礦底板巖層破壞順序應(yīng)是從工作面前方的引力集中去開始破壞,達(dá)到應(yīng)力平衡后,斷裂向采空區(qū)傳遞,使得采空區(qū)底板巖層堆疊變形。再根據(jù)BOTDR系統(tǒng)對(duì)工作區(qū)底板變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示??梢悦黠@看出,在開采前的38.47 m時(shí),底板巖層應(yīng)力增加,在29.07 m時(shí)達(dá)到拉伸斷裂應(yīng)力值,底板工作面開始斷裂。隨著開采工作的不斷進(jìn)行,底板斷裂越來越大,到達(dá)采后13.93 m左右,底板巖層應(yīng)變到達(dá)峰值,隨后采空區(qū)底板發(fā)生坍塌。隨著塌落的巖石導(dǎo)致巖層應(yīng)變逐漸降低,最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

        圖7 煤層底板破裂變化Fig.7 Change of seam floor fracture

        3 煤層底板破裂治理

        由于煤礦底板破裂,導(dǎo)致隔水層破壞,使得地下高承壓水涌出。針對(duì)這種危害,提出對(duì)含水層和底板破裂同時(shí)治理的方案。該方案區(qū)別于傳統(tǒng)充液注漿的方法,單一的充液注漿由于不能保證足夠的壓力,會(huì)使得注漿液擴(kuò)散范圍小和巷道漏漿等問題。本文采用鉆孔探查及含水層和導(dǎo)水協(xié)同治理相結(jié)合的方法。

        (1)鉆孔探查。通過鉆孔的方式對(duì)底板含水層富水性進(jìn)行勘察,得到含水層特水區(qū)域的分布情況和底板破裂治理區(qū)域的各項(xiàng)參數(shù)。

        (2)含水層和導(dǎo)水協(xié)同治理。通常井下鉆孔總是垂直于底板,對(duì)豎向隱患治理效果有限。采用定向鉆孔,使每個(gè)注漿主孔附帶很多個(gè)分支孔,能夠有效探查到更多的隱患,并且可以通過注漿液和漏失量作為指標(biāo)判斷周圍是否存在陷落柱和斷層等隱患。通過調(diào)整注漿壓力可以封堵導(dǎo)水構(gòu)造物,隔斷開采工作面和含水層之間的聯(lián)系。同時(shí)向多個(gè)分支孔注漿可以加固周圍巖體,注漿效果更加明顯,并將目的層改造成隔水層。

        4 結(jié) 論

        (1)通過對(duì)煤礦底板變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),得到不同時(shí)刻不同位置底板巖石的應(yīng)變情況。在底板數(shù)學(xué)模型中分析不同開采過程中受到的應(yīng)力,可以準(zhǔn)確得到底板的變形破裂規(guī)律。

        (2)采用含水層和底板破裂同時(shí)治理的方法,有效地避免了在充液注漿過程中井下注漿小、注漿液擴(kuò)散范圍小、返漿和巷道漏漿等情況。尤其可以擴(kuò)大底板注漿區(qū)加固范圍和增加隔水層,保證井下正常生產(chǎn)和人員安全。

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