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采動覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育光纖感測與表征模型試驗研究

2021-06-18 06:43杜文剛張丁丁雷武林
煤炭學(xué)報 2021年5期
關(guān)鍵詞:采動覆巖裂隙

杜文剛,柴 敬,張丁丁 ,雷武林

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采與災(zāi)害防治重點實驗室,陜西 西安 710054; 3.西安科技大學(xué) 安全技術(shù)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

我國煤炭資源與水資源呈顯著的逆向分布特點,東部缺煤富水、西北富煤缺水[1]。隨著西北干旱、半干旱地區(qū)煤炭資源大規(guī)模開采,生態(tài)脆弱區(qū)水資源破壞及礦井水害等問題日益嚴(yán)重[2-3]。覆巖導(dǎo)水裂隙是溝通地下含水層與采空區(qū)的涌水通道,及礦井突水事故、地表及地下水體流失、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的直接誘因。科學(xué)、準(zhǔn)確地監(jiān)測采動覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育范圍是預(yù)防礦井突水事故及實現(xiàn)保水采煤、綠色礦山建設(shè)的重要保障。

孫慶先等[4]運用鉆孔沖洗液漏失量觀測法、鉆孔彩色電視及井下瞬變電磁物探法對寧煤紅柳煤礦 “兩帶”高度進行探測?!督ㄖ铩⑺w、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中關(guān)于導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式適用于單層煤采厚在1~3 m,累積采厚不超過15 m的條件[5-7]。隨著陜北礦區(qū)淺埋特厚煤層的大規(guī)模開采,超過7 m特大采高、綜放等高強度開采方式日益普及,引發(fā)的上導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度上限差異顯著[8-9]。楊艷國等[10]采用理論分析和UDEC數(shù)值模擬的方法對位于河流下煤層不同開采順序?qū)?dǎo)水裂隙發(fā)育情況進行分析;楊達明等[11]綜合運用鉆孔注水漏失量觀測、鉆孔電視和數(shù)值模擬3種手段進行觀測,得出采厚6.65 m,軟弱覆巖、厚松散層(102 m)條件斷裂帶發(fā)育高度為45.7~46.7 m,裂采比為6.87~7.02;王文學(xué)等[12]為了研究覆巖裂隙發(fā)育的時間效應(yīng)和為殘煤復(fù)采評價提供依據(jù),采用彩色鉆孔電視、沖洗液漏失量觀測、巖芯RQD指標(biāo)等對厚松散含水層下煤層開采15 a后的裂隙閉合效應(yīng)進行研究。

綜上,當(dāng)前工程上對采動引起的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探測的主要方法為鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔彩色電視及物探法等[13-16]。鉆孔沖洗液漏失量法能一定程度反映實際情況,但在某些原巖裂隙發(fā)育地區(qū)往往不能取得可靠數(shù)據(jù),對把握觀測時機要求較高;超聲成像法在鉆孔中可清楚地觀察覆巖破壞帶間的關(guān)系,但鉆孔內(nèi)部常存在裂隙和破碎區(qū),在漏水的情況下無法得到清晰圖像,受人為操作影響較大;電阻率法根據(jù)電阻率值的時空變化分辨出結(jié)構(gòu)破壞及裂隙發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造、巖石類型、含水差異等因素對測量結(jié)果影響較大。這些方法均存在一定的局限性如探測精度低、可靠性差、相互依存度高等?;诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術(shù)(BOTDA)以光纖為載體光波為介質(zhì),光纖本身既是傳感元件亦是信息輸送通道,具有高精度與靈敏度、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)勢,已廣泛應(yīng)用巖土結(jié)構(gòu)工程測試及試驗等領(lǐng)域[17-21]。

筆者將BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于陜北生態(tài)脆弱區(qū)淺埋煤層開采物理模型試驗。提出傳感光纖與采動巖體的耦合關(guān)系量化指標(biāo)“光纖-巖體耦合系數(shù)”,通過耦合系數(shù)對采動引起的覆巖垂直分帶區(qū)進行合理劃分,并確定導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于采動覆巖變形監(jiān)測為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度探測提供了新的研究思路。

1 覆巖垂直分帶理論及光纖感測機制

1.1 覆巖垂直分帶光纖感測機制

煤層采出后,上覆地層由下往上逐層垮落,距離工作面越遠受采動影響越小。不同高度位置巖體變形程度差異明顯,形成不同的獨立分帶區(qū)。 “三帶”中垮落帶距離工作面最近,由直接頂與低位基本頂破斷后形成的矸石充填,碎裂巖塊間具有大量空隙,無序堆積于底板上;斷裂帶位于垮落帶上方,失穩(wěn)破斷巖塊呈半圓弧狀規(guī)則排列,彼此相互咬合形成砌體梁結(jié)構(gòu),斷裂帶存在大量層間水平離層裂隙與縱向貫通裂隙??迓鋷c斷裂帶合稱為導(dǎo)水裂隙帶,是瓦斯、水體、流沙的主要滲流通道,對“兩帶”高度的精準(zhǔn)探測是解決礦井突水、瓦斯抽采、采空區(qū)注漿充填減沉等任務(wù)的主要突破口。

光纖傳感技術(shù)可實現(xiàn)模型內(nèi)部巖體變形的高精度分布式感測,彌補了傳統(tǒng)測量方法如全站儀、百分表、近景攝影、應(yīng)變片等存在僅能獲取模型表面變形信息或需大量布線的不足。工程現(xiàn)場煤層開采引起的覆巖移動變形是典型的黑箱問題,無法獲得地層移動變形規(guī)律。通過鉆孔將傳感光纖植入地層中,獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)反演地層變形規(guī)律是科學(xué)研究的必然過程。

將光纖植入煤巖體中,不同垂直分帶區(qū)將引起光纖相應(yīng)位置不同的數(shù)據(jù)響應(yīng)特征,可通過識別數(shù)據(jù)響應(yīng)規(guī)律反演覆巖垂直分帶區(qū)范圍。如圖1所示,當(dāng)光纖處于采空區(qū)時,不同分帶區(qū)光纖受力狀態(tài)差異巨大,紅色部分位于主關(guān)鍵層及其上部巖層構(gòu)成的彎曲下沉帶,該區(qū)域典型特征為巖體結(jié)構(gòu)完整,光纖與巖體耦合接觸關(guān)系良好;綠色部分為關(guān)鍵層下方形成的離層空域,區(qū)域內(nèi)光纖與巖體脫離,光纖所測數(shù)據(jù)不能反應(yīng)該處巖體真實變形;黃色區(qū)域為垮落帶與斷裂帶構(gòu)成的斷裂帶范圍,區(qū)域內(nèi)巖體應(yīng)力達到強度極限破壞,破斷巖塊與光纖存在摩擦力與擠壓力。因此,可通過分析不同分帶區(qū)光纖與巖體的耦合接觸關(guān)系反演上覆巖層垂直分帶特征。

圖1 覆巖垂直分帶劃分及光纖感測機理Fig.1 Vertical zoning of overburden and sensing mechanism

1.2 離層裂隙光纖感測機制

含煤地層一般由層狀沉積巖組成,剛度、強度差異較大的層組在沉降時會沿地層自然分界面產(chǎn)生離層,而巖性近似的層組會協(xié)同變形同步沉降。由1.1節(jié)關(guān)鍵層定義可知關(guān)鍵層是上覆巖層中的堅硬巖層,與關(guān)鍵層相鄰的巖層相比巖性較弱,因此關(guān)鍵層下方極易產(chǎn)生離層。光纖在離層位置由于上部巖體穩(wěn)定下部巖體下沉,離層不斷擴展會對光纖產(chǎn)生附加拉拔力引起應(yīng)力集中,從而引起檢測信號突變。光纖與關(guān)鍵層巖體相互耦合作用,光纖在巖體離層作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力集中,根據(jù)拉力作用下光纖-關(guān)鍵層巖體剪切滑移理論,可將離層值看成為左右兩側(cè)光纖與關(guān)鍵層巖體間相對位移之和(圖2)。

圖2 離層裂隙光纖感測機理Fig.2 Sensing mechanism of separated layer fracture

設(shè)光纖在巖體中埋設(shè)長度為L,直徑為d,光纖與關(guān)鍵層剪切滑移體直徑為D,則巖體-光纖總體彈性模量可表示為

Et=[Er(D2-d2)+Eod2]/D2

(1)

其中,Et為光纖-關(guān)鍵層剪切滑移體復(fù)合彈性模量,MPa;Er與Eo分別為與光纖接觸巖體彈性模量及光纖自身彈性模量,MPa。剪切面上剪切力設(shè)為λ(u),是剪切位移u的函數(shù),在離層上下兩側(cè)分別取2個長度單位dx,根據(jù)應(yīng)變與軸力關(guān)系及靜力平衡條件可得

(2)

其中,P為光纖軸力分布。 聯(lián)立式(1),(2)可得

(3)

光纖-巖體剪切面處于彈性狀態(tài)時,光纖與關(guān)鍵層巖體剪切面上的剪應(yīng)力與剪切位移成正比關(guān)系:

λ(u)=Ku

(4)

式中,K為接觸面剪切剛度系數(shù)。式(2)~(4)為二階常系數(shù)微分方程,求解可得

u(x)=A1cosh(βx)+A2sinh(βx)

(5)

其中,A1,A2為常系數(shù)。對離層上下兩側(cè)微元體進行分析,設(shè)離層所在位置光纖軸力為P0,根據(jù)位移邊界條件分別求出A1,A2,則離層上下側(cè)剪切位移分別為

(6)

彈性變形階段關(guān)鍵層下方離層張開值S即為離層上下側(cè)剪切位移之和:

(7)

將式(7)簡化,令

coth(βx0)+coth[β(L-x0)]=M

(8)

則可求解離層位置光纖軸力為

P0=Eoε=πD2βEtS/(4M)

(9)

光纖監(jiān)測應(yīng)變一般為-3%~4%,處于彈性變形階段,即光纖尚未進入塑性變形階段即已失效。根據(jù)胡克定律,相應(yīng)位置光纖應(yīng)變?yōu)?/p>

ε=πD2βEtS/(4MEo)

(10)

由式(10)可知,離層位置光纖所受軸力與離層張開量呈線性關(guān)系,離層張開量越大引起的相應(yīng)位置光纖軸力突變越劇烈。由于光纖監(jiān)測過程中自身能夠承受的最大變形不超過其屈服極限,因而根據(jù)胡可定律可證明離層張量與光纖相應(yīng)位置檢測應(yīng)變呈線性關(guān)系。

采動上覆巖層水平層間離層一般多發(fā)育在巖性差異較大的軟硬巖層交界位置,正由于關(guān)鍵層與其下部巖層巖性差異顯著,因此易于發(fā)育水平離層。水平離層發(fā)育會引起光纖軸力激增,造成檢測布里淵頻移量發(fā)生明顯突變,基于此機理可通過光纖傳感技術(shù)識別覆巖中的離層裂隙。

2 采動覆巖與光纖耦合關(guān)系量化表征

2.1 耦合變形過程光纖受力狀態(tài)分析

對于陜北礦區(qū)賦存的淺埋特厚煤層,大采高工作面一次開采高度能達8 m或以上,采空區(qū)矸石頂部形成的空域面積巨大難以被充填閉合。此特征使得光纖與巖體耦合關(guān)系與普通厚度煤層開采相比差異較大工作面推過后光纖處于采空區(qū)壓實區(qū),光纖從采空區(qū)頂部空域中穿過未接觸任何介質(zhì)。

如圖3所示,取光纖中部A點作受力分析,其下部巖層在采動影響下具有下移趨勢,則巖體施加給光纖向下摩擦力。根據(jù)作用力與反作用力原理,上端未受采動影響的穩(wěn)定巖體施加給光纖向上的反作用力,導(dǎo)致A點處于受拉狀態(tài),在光纖處于巖性差異較大的分層處時受拉程度得到加強。以采空區(qū)中部B點作受力分析,采空區(qū)矸石與光纖直接接觸,若破斷巖塊完整則光纖從其中間穿過,采空區(qū)壓實作用及部分巖塊懸空具有向下移動趨勢,該部分矸石會施加給光纖向下的摩擦力F4,同樣由于作用力與反作用力同時存在,在其上方空頂區(qū)域光纖會受到向上的反作用力F3。正是在F2和F3的共同作用下,使得光纖在頂板懸空位置處于“相對受壓”狀態(tài)。

圖3 采動過程中光纖主要應(yīng)力集中點Fig.3 Main stress concentration points of optical fiber in mining process

巖體運動打破光纖外力平衡狀態(tài),光纖通過自身應(yīng)力分布調(diào)節(jié)重新回歸外力平衡狀態(tài)。因而在巖層發(fā)生垮落等大變形之后,光纖某一點處的受力狀態(tài)可能與其所接觸的介質(zhì)無關(guān),是因其為了達到自身外力平衡而產(chǎn)生的附加應(yīng)力,比如空頂區(qū)域光纖測量的應(yīng)變與其所接觸介質(zhì)(空氣)無關(guān),因而應(yīng)對光纖整體受力狀態(tài)進行綜合分析。

2.2 巖體-光纖耦合性定量化分析

2.2.1耦合關(guān)系量化分析理論模型

光纖與巖體的耦合作用可分為3個階段。第1階段,光纖所在圍巖未產(chǎn)生非連續(xù)變形,巖體結(jié)構(gòu)完整與光纖緊密接觸,光纖與巖體界面間存在摩擦力與黏聚力,光纖與巖體界面未產(chǎn)生相對滑動;第2階段,當(dāng)圍巖開始產(chǎn)生裂隙、離層等非連續(xù)變形后,巖體界面剪切層逐漸發(fā)生剪切破壞與界面剝離。此時光纖與圍巖間的摩擦力與黏聚力相比階段1有所下降,導(dǎo)致光纖應(yīng)力集中程度有所減弱;第3階段,當(dāng)巖體失穩(wěn)垮落后,光纖與巖體界面發(fā)生相對滑動,光纖與巖體間失去黏聚力僅受摩擦力作用,已失穩(wěn)巖塊向下運動壓實過程會引起光纖拉應(yīng)力集聚,理論模型如圖4所示。

圖4 采動過程中光纖主要應(yīng)力集中點Fig.4 Main stress concentration points of optical fiber in mining process

在光纖與巖體耦合性較高階段,光纖主要受巖體內(nèi)部靜壓載荷作用,光纖對壓應(yīng)力敏感度較低因而測量應(yīng)變值一般較小;當(dāng)巖體出現(xiàn)非連續(xù)變形時,光纖與巖體耦合程度降低意味著部分巖體離層開裂與光纖脫離。因此光纖與巖體的耦合系數(shù)大致隨著巖體變形幅度的增大而降低。數(shù)理統(tǒng)計分析中可通過一組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差反應(yīng)數(shù)據(jù)的波動程度,由上述分析知光纖與巖體耦合系數(shù)隨著監(jiān)測應(yīng)變數(shù)據(jù)的波動程度增高而降低,盡管無法定義2者之間的具體函數(shù)關(guān)系,可將其關(guān)系大致簡化為反函數(shù)關(guān)系,通過計算出工作面推進不同過程中的耦合系數(shù)值,可從一定程度上反應(yīng)光纖與采動巖體的耦合程度。事實上,在垂直方向上受采動影響上覆巖層將形成變形程度差異顯著的垂直分帶,如經(jīng)典的“三帶”劃分法將覆巖分為垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。不同分帶間巖體-光纖耦合程度差異巨大,因此必須考慮采動巖體垂直分帶特性。

2.2.2耦合關(guān)系的數(shù)學(xué)表達

針對將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于采動巖體變形監(jiān)測,由于煤層開采后上覆巖層變形尺度范圍大,從微觀變形到宏觀變形其變形尺度差異巨大。定義耦合系數(shù)取值在0~1變化,系數(shù)為1時巖體與光纖耦合程度最高,系數(shù)為0時巖體與光纖完全脫離。

通過求出不同高度位置處,不同開采位置處應(yīng)變與整個開挖過程應(yīng)變均值的相對誤差,再進行均一化處理,實現(xiàn)通過光纖感測應(yīng)變分析光纖與巖體的耦合接觸程度,為合理確定覆巖分帶及階段劃分提供理論基礎(chǔ)。光纖-巖體耦合系數(shù)可表示為

(11)

式中,kj為第j次開挖光纖-巖體耦合系數(shù);x為第j次工作面推進距離,m;f(x)為相應(yīng)推進位置應(yīng)變值;n為整個工作面推采次數(shù);εi為任意次開挖應(yīng)變。

定義耦合系數(shù)為從0~1變化的常數(shù),將由式(11)求得耦合系數(shù)進行歸一化是定量化分析的前提。歸一化是把需要處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后(通過某種算法)限制在需要的特定范圍內(nèi)。其具體作用是歸納統(tǒng)一樣本的統(tǒng)計分布性。常用的數(shù)據(jù)歸一化方法稱為離差標(biāo)準(zhǔn)化,是對原始數(shù)據(jù)進行線性變換,使結(jié)果落至[0,1]區(qū)間上。

3 光纖感測斷裂帶發(fā)育理論模型

采動巖體變形破斷是極其復(fù)雜的問題,巖體材料本身具有各向異性、非均質(zhì)性、變形非連續(xù)性等特性,加上覆巖破斷后與光纖接觸關(guān)系的不確定性,使得光纖檢測數(shù)據(jù)分析異常困難。由于采動引起的上覆地層變形是一個時空演化過程,光纖與巖體的耦合接觸關(guān)系同時受制于橫向工作面推進位置與縱向覆巖層位高度雙因素控制,因而必須控制某一方面變量保持不變而分別求出耦合系數(shù)與推進距離及覆巖高度的關(guān)系,從而實現(xiàn)光纖傳感表征覆巖變形時空演化過程。以本文中物理相似模型試驗中光纖檢測應(yīng)變根據(jù)式(11)分別求出工作面推進21,45,66,84,90,111 cm等位置,在高度分別為120,100,70,50,20 cm時的光纖-巖體耦合系數(shù)如圖5所示。

圖5 覆巖變形演化過程光纖與巖體耦合關(guān)系變化Fig.5 Change of coupling relationship between optical fiber and rock mass during deformation evolution of overburden

從圖5可以將整個推進過程分為4個典型特征階段,耦合系數(shù)首次出現(xiàn)明顯下降為工作面過光纖時;第2次顯著變化為當(dāng)亞關(guān)鍵層第1次失穩(wěn)后,耦合系數(shù)降低至0~0.4,亞關(guān)鍵層破斷引起上覆巖層大范圍移動破壞,部分區(qū)域光纖直接與巖體脫離;第3次顯著變化為推進90 cm第2層關(guān)鍵層整體失穩(wěn)后,可以看出70 cm高度耦合系數(shù)從0.6下降至0.4,其下部破壞區(qū)耦合系數(shù)均明顯上升。主要由于關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)引起采空區(qū)已破壞區(qū)強烈壓實,從而引起其下部區(qū)域耦合系數(shù)上升。分析得出巖體變形光纖傳感響應(yīng)主要受工作面與光纖相對位置及關(guān)鍵層失穩(wěn)影響,因而數(shù)據(jù)分析時需根據(jù)關(guān)鍵層數(shù)目合理進行特征階段劃分。

在隨工作面推采圍巖變形場演化過程中,光纖檢測應(yīng)變曲線分布形態(tài)也不斷隨之變化。對采動巖體變形演化過程光纖應(yīng)變曲線分布形態(tài)進行特征階段劃分是準(zhǔn)確分析巖體變形過程的必要前提。根據(jù)已有研究經(jīng)驗,分布式光纖檢測應(yīng)變曲線分布形態(tài)主要受2方面因素控制:光纖與工作面的空間位置關(guān)系,及關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)完整性及姿態(tài)穩(wěn)定性。不同關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)地層類型應(yīng)變發(fā)展差異顯著,因此階段劃分過程必須緊密結(jié)合關(guān)鍵層數(shù)目、類型以及變形過程?;诖颂岢龉饫w感測導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度理論模型如圖6所示。

圖6 覆巖變形過程光纖監(jiān)測特征階段劃分及導(dǎo)水裂隙帶探測理論模型Fig.6 Stage division of optical fiber monitoring characteristics in overburden deformation process and theoretical model of water flowing fractured zone detection

4 相似模型試驗構(gòu)建及主要現(xiàn)象

4.1 工程背景

神東煤炭公司大柳塔礦5-2煤層厚6.6~7.3 m,平均厚6.94 m,煤層構(gòu)造簡單,傾角1°~3°,煤層埋深184.32 m。52304工作面共計布置取芯鉆孔4個,分別位于輔運巷道83號聯(lián)巷處、回風(fēng)巷道87號聯(lián)巷處、回風(fēng)巷道61號聯(lián)巷處和45號聯(lián)巷處,取芯位置位于工作面不同推進階段,可全面反映整個工作面覆巖巖性情況。將巖芯加工成標(biāo)準(zhǔn)巖樣試件,用于測試抗壓強度的巖樣試件尺寸為直徑50 mm,高度100 mm;用于測試抗拉強度的巖樣試件直徑與高度均為50 mm。通過現(xiàn)場巖芯單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗,得到了不同巖性的頂板巖層抗壓強度和抗拉強度。得到的物理力學(xué)參數(shù)不僅可以為關(guān)鍵層的計算提供數(shù)據(jù),而且可以用于物理相似模型試驗中相似材料的配合比選擇。從測試的結(jié)果可以看出,雖然所取巖樣均為砂巖巖性,但各巖層的強度差別較大,其中屬第7層的細粒砂巖強度最大,平均單軸抗壓強度30.57 MPa,平均抗拉強度4.28 MPa。通過現(xiàn)場取芯測試得到大柳塔礦5-2煤層地質(zhì)柱狀分布情況。距煤層頂板15 m的細粒砂巖是關(guān)鍵層1。距煤層頂板63 m的粉砂巖是關(guān)鍵層2。距煤層頂板109 m處的厚度為13.43 m的中粗砂巖是煤層頂板的關(guān)鍵層3,即為煤層頂板的主關(guān)鍵層,其破斷將直接引起地表沉降。

4.2 相似模型試驗設(shè)計

考慮到模擬的巖層厚度和實驗室模型框架的幾何尺寸,模型的幾何尺寸為1 500 mm(長)×600 mm(寬)×1 300 mm(高)。幾何相似比為1∶150,可模擬地表松散層,無需外荷載補充。

4根垂直光纖名為V1,V2,V3,V4,如圖7所示。其中,模型中V1的有效測試長度為1.29 m,V2為1.29 m,V3為1.28 m,V4為1.28 m,傳感光纖需要通過空間定位確定模型中每根光纖的具體位置坐標(biāo),采用水浴加熱法進行空間定位?;诜植际焦饫w布里淵頻移對溫度和應(yīng)變具有雙靈敏度的特點,可以通過改變光纖自由段的溫度來實現(xiàn)空間定位。

圖7 光纖傳感器布置方式Fig.7 Layout of optical fiber sensor

4.3 煤層開采覆巖運移特征

工作面推進至33 cm(49.5 m)時,基本頂發(fā)生初次破斷,為工作面初次來壓;推進至60 cm(90 m)時,亞關(guān)鍵層下部分巖層初次破斷,破斷過程劇烈。工作面推進至66 cm(99 m)時,亞關(guān)鍵層上部200 mm厚巖層一次性垮落,垮落過程劇烈,形成工作面第3次周期來壓,如圖8所示。此次垮落巖層排列整齊,與之前垮落矸石形成明顯分界,各分層斷裂線相互貫通形成縱向?qū)严?,此區(qū)域為斷裂帶范圍。此時,煤層底板距懸頂高度為437 mm,垮落帶高度為170 mm,斷裂帶高度為200 mm。斷裂帶頂部形成半橢圓狀懸空區(qū)域,空頂區(qū)域高度為67 mm,頂部空域占采煤面積的26%。

圖8 工作面推進至99 m覆巖破斷情況Fig.8 Overburden breaking condition advancing to 99 m

推進至90 cm(135 m)時,覆巖發(fā)生大范圍破斷垮落,形成工作面第5次周期來壓,如圖9所示。斷裂帶高度由494 mm向上發(fā)育至734 mm,近240 mm(工程值為36 m)厚巖層一次性破斷垮落。頂部離層空間進一步壓縮,由推進87 cm時的22 258 mm2減少為推進90 cm時的15 165 mm2。覆巖采動影響區(qū)面積由311 254 mm2擴展至521 725 mm2,增量為210 471 mm2,擴展率為67%。斷裂帶斷裂巖層形成數(shù)條相互貫通的縱向?qū)?、?dǎo)氣通道與采空區(qū)相連,通道的終點即為頂部離層空區(qū)。由于新垮落巖層的沖擊壓實作用,既有垮落帶與斷裂帶壓縮高度超過20 mm(3 m),垮落過程具有強烈沖擊性,容易引起工作面強礦壓事故。

圖9 工作面推進至135 m覆巖破斷情況Fig.9 Overburden breaking condition advancing to 135 m

推進至111 cm(166.5 m)時,覆巖出現(xiàn)較大移動,在既有斷裂線前方形成新的覆巖破斷線。導(dǎo)水裂隙帶高度也由之前的734 mm發(fā)育至790 mm,頂部離層懸頂距由537 mm延伸至675 mm。推進至117 cm模型未變動。整個下層煤回采長度為117 cm(175.5 m),最終導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為790 mm(118.5 m),采動覆巖主要分布在垮落帶和斷裂帶。

5 基于光纖感測的覆巖垂直分帶表征

5.1 光纖檢測覆巖變形時空演化過程

采動巖體變形破斷是非常復(fù)雜的問題,巖體材料本身具有各向異性、非均質(zhì)性、變形非連續(xù)性等特性,加上覆巖破斷后與光纖接觸關(guān)系的不確定性,使得光纖檢測數(shù)據(jù)分析異常困難。只能通過將整個工作面推進過程與光纖空間位置分為幾個典型特征階段,才能提取其中存在的客觀規(guī)律。

從垂直光纖V1數(shù)據(jù)分析中可以發(fā)現(xiàn)垂直光纖隨工作面與其位置的不斷變化,其應(yīng)變分布存在規(guī)律性,如圖10所示(其中,A,B,…,H為應(yīng)變曲線的拐點(特征點)),可分為4個階段:

圖10 覆巖變形演化過程光纖監(jiān)測階段特征Fig.10 Stage characteristics of overburden deformation evolution process detected by optical fiber monitoring

階段1:工作面靠近光纖過程,光纖所在圍巖穩(wěn)定無裂隙發(fā)育,光纖受超前支承壓力影響產(chǎn)生負應(yīng)變,呈單峰狀或臺階狀;

階段2:工作面通過光纖,光纖應(yīng)變由負轉(zhuǎn)正;此階段光纖所在圍巖由完整結(jié)構(gòu)過渡到非完整結(jié)構(gòu),部分光纖處于采空區(qū)矸石中。此階段光纖主要受關(guān)鍵層1下方巖體離層下移而形成拉應(yīng)力集中,應(yīng)變值隨高度降低平穩(wěn)遞增;

階段3:亞關(guān)鍵層失穩(wěn),與光纖接觸的圍巖形成5種典型受力介質(zhì)。此階段光纖在主關(guān)鍵層下方具有下沉趨勢的非穩(wěn)定巖體中與采空區(qū)矸石堆中形成2個拉應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)變分布呈雙峰狀;

階段4:主關(guān)鍵層失穩(wěn),在主關(guān)鍵層上方形成新的應(yīng)變峰值區(qū),其下方全部為已失穩(wěn)的斷裂巖層。至此整個上覆巖層都處于采動影響范圍,地表沉降明顯。應(yīng)變曲線形態(tài)大體呈單峰狀分布。

基于此,可通過分布式光纖檢測應(yīng)變曲線分布形態(tài)對上覆巖層分帶特征進行表征。光纖應(yīng)變曲線分布形態(tài)主要受2方面因素影響:一方面為光纖與工作面的空間位置關(guān)系;另一方面受不同層位關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)影響。從試驗過程分析得出,覆巖垮落高度與關(guān)鍵層失穩(wěn)破斷密切相關(guān),若關(guān)鍵層1結(jié)構(gòu)完整姿態(tài)穩(wěn)定,隨工作面推進覆巖最多垮落至關(guān)鍵層1下方;關(guān)鍵層1失穩(wěn)后進入垮落范圍,覆巖垮落高度直接發(fā)育至關(guān)鍵層2下方;同理,關(guān)鍵層2失穩(wěn)后垮落高度發(fā)育至主關(guān)鍵層下方,直至最終主關(guān)鍵層失穩(wěn)裂隙發(fā)育至地表,整個上覆巖層均受到采動波及影響。如圖11所示。

圖11 光纖檢測上覆巖層變形時空演化過程Fig.11 Temporal and spatial evolution process of overlying strata deformation detected by optical fiber

分析總結(jié)為:導(dǎo)水裂隙帶高度與彎曲下沉帶的本質(zhì)差異在于前者結(jié)構(gòu)失穩(wěn)巖體破裂后積聚的彈性能釋放而后者結(jié)構(gòu)完整可形成應(yīng)力集中;包含垮落帶與斷裂帶在內(nèi)的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度受關(guān)鍵層控制,而光纖應(yīng)變曲線分布形態(tài)亦與關(guān)鍵層密切相關(guān),基于此可建立2者之間內(nèi)在聯(lián)系實現(xiàn)光纖感測表征覆巖分帶特征。由于光纖檢測應(yīng)變分布具有階段性,不同階段其分布形態(tài)差異較大,因此必須基于不同階段建立分帶表征模型。以下僅分析關(guān)鍵層失穩(wěn)后應(yīng)變雙峰形態(tài)形成,即階段3與階段4。

5.2 光纖感測表征覆巖垂直分帶特征

為求得垂直分帶區(qū)各自段光纖與巖體之間的耦合函數(shù)關(guān)系,取每個分帶中具有代表性高度位置應(yīng)變曲線進行擬合。從地表開始往下,分別取120,100,70,50,20 cm處應(yīng)變曲線進行非線性擬合分析。巖體應(yīng)變隨工作面不斷推進呈現(xiàn)動態(tài)變化,同理,巖體與光纖之間的耦合系數(shù)也是動態(tài)變化的。因此,要實現(xiàn)光纖與巖體耦合關(guān)系的定量化表征,必須控制橫向或縱向某一維度變量。應(yīng)變發(fā)生顯著變化位置分別為工作面通過光纖及不同層位關(guān)鍵層首次破斷失穩(wěn)處,表明光纖檢測應(yīng)變曲線發(fā)展主要受2方面因素控制:水平方向受光纖與工作面相對位置影響;垂直方向受關(guān)鍵層失穩(wěn)破斷影響。

垂直方向上不同高度應(yīng)變曲線根據(jù)變化趨勢差異可分為5個帶區(qū),正由于5個不同區(qū)域光纖與巖體耦合關(guān)系差異巨大,引起不同區(qū)域光纖檢測應(yīng)變差異。由上往下,120~129 cm受采動影響微弱,巖體結(jié)構(gòu)完整為光纖上部固定端;90~110 cm為主關(guān)鍵層上部巖體,受主關(guān)鍵層保護在開采初期變形較小,當(dāng)主關(guān)鍵層失穩(wěn)后應(yīng)變急劇增高;60~80 cm為主關(guān)鍵層下方亞關(guān)鍵層上方所夾受采動強烈?guī)r體,其在亞關(guān)鍵層失穩(wěn)后出現(xiàn)應(yīng)變激增;40~50 cm為采空區(qū)垮落矸石頂部與上方穩(wěn)定巖體中間形成的離層空域,該位置光纖懸空未接觸任何介質(zhì);1~30 cm為破壞區(qū)范圍及煤層底板。

綜上所述,可通過光纖巖體耦合系數(shù)對采動上覆巖層垂直分帶進行科學(xué)劃分。計算整個工作面推進過程耦合系數(shù)如圖12所示。從圖12可清楚反映隨采場不斷轉(zhuǎn)移光纖與圍巖接觸關(guān)系演化過程。主要突變位置為工作面過光纖及關(guān)鍵層失穩(wěn)點,從關(guān)鍵層1首次失穩(wěn)引起大周期來壓至關(guān)鍵層2首次失穩(wěn),模型高度40~50 cm耦合系數(shù)降低至0附近,該區(qū)域為采空區(qū)垮落矸石上方形成的半橢圓形空域,光纖與巖體完全脫離。當(dāng)更高層位關(guān)鍵層失穩(wěn)垮落之后,半橢圓形空域逐漸向上位轉(zhuǎn)移,由于巖體破斷后具有碎脹性逐漸充填離層空隙,光纖-巖體耦合系數(shù)有所回升。試驗最終導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至主關(guān)鍵層下方,主關(guān)鍵層2側(cè)發(fā)育輕微貫通裂隙,整個主關(guān)鍵層上方直至地表巖體結(jié)構(gòu)完整未發(fā)生破裂。從圖12可以看出大致95 cm高度以上光纖-巖體耦合系數(shù)云圖呈現(xiàn)橘黃色-紅色,95 cm高度以下耦合系數(shù)云圖呈現(xiàn)綠色-藍色-紫色。以云圖中綠色區(qū)與橘色區(qū)為分界,將耦合系數(shù)0.65作為采動覆巖破裂區(qū)與未破裂區(qū)分界,即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度上限。

圖13為有分布式光纖監(jiān)測得到采動巖體變形時空演化過程。從橫向工作面推進方向看,應(yīng)變分布共形成5級臺階,臺階高度逐步增長。第1級為推進0~45 cm過程,對應(yīng)工作面靠近光纖;第2級為推進45~66 cm過程,對應(yīng)工作面通過光纖后至關(guān)鍵層1失穩(wěn);第3級為推進66~90 cm過程,對應(yīng)關(guān)鍵層1失穩(wěn)至關(guān)鍵層2失穩(wěn)間過程;第4級為推進90~111 cm過程,對應(yīng)關(guān)鍵層2失穩(wěn)至關(guān)鍵層3失穩(wěn)間過程;第5級為推進111 cm后,對應(yīng)關(guān)鍵層3失穩(wěn)至開采結(jié)束間過程。3層關(guān)鍵層的首次失穩(wěn)均引起大周期來壓覆巖運移劇烈,檢測應(yīng)變突變顯著。當(dāng)關(guān)鍵層1失穩(wěn)后,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度位于上部應(yīng)變峰的溝谷處。斷裂帶上部未破裂的完整穩(wěn)定巖體應(yīng)力集中形成凸峰區(qū)。

根據(jù)理論分析中大柳塔煤礦52304工作面采動覆巖裂采比屬于堅硬頂板條件范疇,可保守取導(dǎo)水裂隙帶高度為采高的18~28倍。試驗?zāi)M采厚為8 m,根據(jù)理論計算導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為:128.52~199.92 m。試驗導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至142.5 m。借助光纖傳感監(jiān)測可實現(xiàn)對頂板來壓與覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的準(zhǔn)確預(yù)測。相似模型試驗所用2 mm應(yīng)變感測光纖可適應(yīng)模型覆巖發(fā)生垮落、破斷等大變形強度要求,多次模型試驗均未出現(xiàn)光纖被拉斷或失效等現(xiàn)象?,F(xiàn)場監(jiān)測需對光纖進行加強保護形成直徑在5 mm~2 cm金屬基索光纜,若覆巖變形劇烈而感測光纜被巖體扯斷,則斷點位置即為斷裂帶發(fā)育上限,剩余部分光纖依然可以監(jiān)測其上地層變形運動狀況。

6 結(jié) 論

(1)覆巖全周期變形演化過程光纖應(yīng)變存在4個不同階段特征:階段1工作面靠近光纖受超前支承壓力影響曲線呈單峰狀負應(yīng)變;階段2工作面通過光纖應(yīng)變由負轉(zhuǎn)正;階段3亞關(guān)鍵層失穩(wěn),應(yīng)變分布呈雙峰狀;階段4主關(guān)鍵層失穩(wěn)其上方形成新應(yīng)變峰值區(qū)下方全部為已失穩(wěn)斷裂巖層。

(2)基于光纖感測的5種不同垂直分帶區(qū)巖體結(jié)構(gòu)分別為:區(qū)域1為原巖應(yīng)力區(qū);區(qū)域2為彎曲下沉帶;區(qū)域3和4總和為已破壞區(qū)斷裂帶巖體,即導(dǎo)水裂隙帶范圍內(nèi)巖體;區(qū)域5為煤層底板。2,3,4均屬于采動影響范圍,區(qū)別在于區(qū)域2巖體結(jié)構(gòu)完整未發(fā)生破裂,3與4區(qū)域巖體已達到強度極限而破斷失穩(wěn)。

(3)當(dāng)亞關(guān)鍵層失穩(wěn)而主關(guān)鍵層穩(wěn)定光纖形成雙峰型應(yīng)變分布曲線時,上部峰值與下部峰值連接處拐點即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度上限;當(dāng)主關(guān)鍵層失穩(wěn)光纖檢測應(yīng)變曲線分布呈單峰狀時,單峰曲線拐點處即為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度上限。

(4)可通過光纖-巖體耦合系數(shù)對采動上覆巖層垂直分帶進行科學(xué)劃分。隨采場不斷轉(zhuǎn)移耦合系數(shù)主要突變位置為工作面過光纖及關(guān)鍵層失穩(wěn)點。耦合系數(shù)降低至0附近時,光纖與巖體完全脫離。當(dāng)更高層位關(guān)鍵層失穩(wěn)垮落之后,破斷巖體具有碎脹性逐漸充填離層空隙,光纖-巖體耦合系數(shù)所有回升。將耦合系數(shù)0.65作為采動覆巖破裂區(qū)與未破裂區(qū)分界,即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度上限。

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