張平松,孫斌楊,許時昂,吳榮新1,,付茂如,甘圣豐,劉 暢

(1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院, 安徽 淮南 232001;3.安徽省皖北煤電集團有限責任公司, 安徽 宿州 234000)

我國煤炭資源相對豐富，但是由于地處歐亞板塊結合部，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、構造復雜”等現(xiàn)象。因此煤炭在滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的同時，也導致了地表沉陷、水土流失、植被破壞等一系列日益凸顯的生態(tài)環(huán)境問題。其中，煤系上覆地層破壞是指煤炭開采過程中，地層原巖應力重新分布，導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)律是對相關開采措施制定、保水采煤方案設計及煤炭開采安全性分析與評價的重要參數(shù)，是實現(xiàn)煤炭資源安全開采與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎。

縱觀采煤史，以“煤層采動上覆地層結構演化特征與破壞規(guī)律”為切入點，進行了全方位、多角度的研究，提出了多種代表性經(jīng)典理論和假說。國外應用較為廣泛的主要有拱形冒落論、壓力拱假說、懸臂梁假說、預成裂隙理論和冒落巖塊鉸接論等；國內(nèi)有代表性并應用廣泛的理論眾多，劉天泉院士就煤層開采后的覆巖變形、運動和破壞特征提出的覆巖破壞學說以及“上三帶”理論，成為我國研究水體下采煤及頂板突水機理的重要理論基礎；高延法提出巖移“四帶”論，對分析導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上覆巖層的“砌體梁”結構模型及“關鍵層”理論，形成一套完整的采場礦山壓力與巖層控制理論；許家林等基于“砌體梁”結構模型和“關鍵層”理論分別建立了不同賦存、開采地質(zhì)條件下的關鍵層破斷塊體的“砌體梁”結構模型，進一步豐富了采場覆巖結構理論；宋振騏院士創(chuàng)建了以巖層運動為中心的“傳遞巖梁理論”，實現(xiàn)了采場礦山壓力由定性到定量研究的突破。此外，其他學者在上述經(jīng)典理論研究的基礎上做了許多卓有成效的工作，共同推動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，提出了初次來壓的非對稱“三鉸拱”結構和周期來壓的“短砌體梁”“臺階巖梁”結構的假說；左建平等提出了充分采動覆巖整體移動的內(nèi)外“類雙曲線”模型，認為巖層“類雙曲線”的焦點位于主關鍵層位置，描述了煤層上覆巖層整體移動規(guī)律；郭文兵等認為覆巖破壞為2個階段：非充分采動階段和充分采動階段，并得到了充分采動時的覆巖破壞高度理論表達式與覆巖“兩帶”破壞模式的判別式；王云廣等提出了高強度開采覆巖運移的“彈性薄板”+“平行壓力拱”復合機理模型，揭示了覆巖運移過程和機理。上述研究成果基本闡明了典型煤層開采上覆地層的運動規(guī)律，對煤礦開采過程中的礦壓控制、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意義。

原位測試一直是研究采場上覆地層運動規(guī)律的重要手段之一，其中對覆巖破壞高度的精準探測是保水采煤、煤與瓦斯共采、矸石減排、減沉開采與環(huán)境修復等綠色采煤任務的主要突破口。當前對于采動引起的上覆地層破壞發(fā)育高度探測的主要方法有地面鉆孔觀測法、鉆孔電視法、井下鉆孔法、地球物理探測法、光纖傳感技術及微震監(jiān)測等。張玉軍和張志巍認為覆巖破壞實測方法已由傳統(tǒng)的單一技術向著鉆探和物探等多手段聯(lián)合方向發(fā)展。楊達明等綜合運用鉆孔注水漏失量觀測、鉆孔電視和數(shù)值模擬 3種手段對采空區(qū)上覆巖層導水裂隙帶高度進行觀測，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；崔峰等運用鉆孔電視、微震監(jiān)測系統(tǒng)與離散元軟件相結合的分析方法，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、光纖傳感技術以及示蹤氣體法測定等新技術和新方法也被廣泛應用到現(xiàn)場實測中，但觀測精度還有待進一步深入研究。

近年，由于深部礦井、高強度開采以及西部特殊的地質(zhì)環(huán)境，致使礦井巖層的運移機制日益復雜化，現(xiàn)行的煤系上覆巖層破壞的經(jīng)驗公式與現(xiàn)場實測值往往有很大差異。針對煤礦安全高效開采技術存在的一系列問題，目前的監(jiān)測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)場監(jiān)測效果不佳，嚴重制約了煤礦安全高效開采技術的實施和發(fā)展。如工作面超前采動支承壓力作用下難以對整個采動進行全過程的監(jiān)控，不能反應采動的全過程，也不能對上覆巖層的運動規(guī)律進行精確的測量，其觀測精度和適用性已經(jīng)不能完全適應目前高強度生產(chǎn)的要求。如何基于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、通信等先進技術，建立一套高精度、智能化的監(jiān)測技術與手段，從而提高煤系上覆地層巖體裂縫發(fā)育和破壞特征監(jiān)測的智能化程度。

光纖傳感測試技術作為一種新型的感測技術，于20世紀70年代率先由歐美等發(fā)達國家開展測試研究，我國于20世紀80年代逐步進行光纖測試相關基礎理論和應用研究。光纖傳感測試技術由于其自身兼具“傳”“感”功能，且具有長距離、體積小、精度高、無源、易組網(wǎng)等優(yōu)勢，目前已成為結構體健康安全監(jiān)測的首選技術。近年來，隨著光纖感測理論逐漸成熟，其應用范圍也在不斷擴大，在礦井圍巖體變形監(jiān)測方面貢獻了巨大的力量，其不但彌補了傳統(tǒng)點式傳感器的不足，還填補了目前無法良好表征巖體內(nèi)部形變的空缺。筆者基于光纖測試的采場圍巖變形進展總結了相關技術的感測原理及優(yōu)缺點，針對煤系地層采動條件下變形破斷監(jiān)測系統(tǒng)構建進行討論，通過鉆孔多場多參數(shù)監(jiān)測技術體系構建中的施工工藝、鉆孔充填、表征方法、互聯(lián)網(wǎng)+多源屬性監(jiān)測等內(nèi)容闡述，以及陜西招賢礦區(qū)煤系地層采動覆巖監(jiān)測工程實踐分析，系統(tǒng)分析了鉆孔全斷面多參數(shù)監(jiān)測過程和技術特征，力求為同類技術應用提供參考。

1 礦井光纖測試技術現(xiàn)狀分析

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

圖1 礦井光纖測試技術應用領域

1.1 光纖傳感評價方法

光纖測試技術應用中，由于被測對象與光纖材料力學性質(zhì)不同，實際結果與測試評價參數(shù)具有差異。圍繞光纖測試技術研發(fā)與應用，眾多科研工作者開展了大量的工作，引入不同數(shù)學模型，如圖2所示，其中，為微彎空間周期；為測線長度；為法向長度；為初始方位角；Δ為相對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；為原始長度；為圓弧半徑；為采樣點總數(shù)；為弧度；為多個采樣點應變；為常數(shù)；為弧長；，分別為應變發(fā)生裝置的橫坐標；為時間。西安科技大學柴敬團隊提出光纖光柵周期微彎理論和裂縫傳感微彎調(diào)制機制；同時深入討論研究分布式光纖礦井應用，提出光纖頻移變化度數(shù)學表達模型和離層裂隙光纖感測機制；南京大學施斌團隊對埋設土條光纖測量提出基于圓弧曲線、Logistic生長曲線的2種土體剪切轉(zhuǎn)換模型；中國礦業(yè)大學侯公羽團隊以布里淵散射應變監(jiān)測技術為研究基礎，提出應變與巷道頂板沉降3種數(shù)學模型(圓弧模型、拋物線模型、三角形模型)，對評價頂板覆巖變形提供重要理論支持；安徽理工大學張平松團隊基于分布式光纖實測應用提出采動作用下巖體變形應變數(shù)值和變化速率雙參數(shù)評價方法。不同評價模型為光纖傳感測試技術在礦山領域應用與推廣奠定了良好的基礎。

圖2 光纖表征的數(shù)學模型[37-41]

1.2 應變傳遞與耦合效果研究

表1 光纖測試耦合效果評價模型[38-39,42-44,46-47]

1.3 技術難題發(fā)展

光纖傳感測試技術由于其分布式特性，極大地提高了監(jiān)測效率，并且穩(wěn)定性和存活率較高，能很好地適應惡劣的礦井測試環(huán)境。但其在測試中依然存在以下難題，需進一步研究和突破。

(1)礦山大變形監(jiān)測傳感光纜適配性需要提升。礦山應變場具有高地應力和強擾動特征，現(xiàn)階段傳感光纜的抗剪強度均低于巖體的剪應力，尤其在采場覆巖、底板及礦壓原位實測中，存在大變形、高應力的特點。巖體破斷容易導致光纜錯斷，對光纜封裝工藝提出了極高的要求。針對上述問題，可從以下3個方面考慮解決：① 研制礦山大變形專用光纜?？煽紤]使用柔性材料對光纜進行全封裝，增強韌性；同時可增大光纜直徑，增加自身的抗剪強度。目前，蘇州南智傳感科技有限公司已研制出直徑18 mm的定點式傳感光纜，相較于常規(guī)型號光纜的抗剪強度明顯改善。② 科學布設光纖監(jiān)測系統(tǒng)。以煤層頂板監(jiān)測為例，在地面布設垂直鉆孔的同時，于井下垂直位置布設傾斜仰孔，形成井上下全斷面監(jiān)測系統(tǒng)。其中，井下監(jiān)測傾斜仰孔主要捕捉下段巖層移動變形信息，地面垂直鉆孔主要獲取中上段巖層移動變形信息，從而井上、井下監(jiān)測系統(tǒng)可形成有效互補。③ 結合人工智能、大數(shù)據(jù)等先進技術進行數(shù)據(jù)填補。可考慮基于克里金插值、BP神經(jīng)網(wǎng)絡、3次樣條插補、最小二乘支持向量機等方法對缺失段光纖數(shù)據(jù)進行預測、填補。

(2)傳感光纜與鉆孔圍巖耦合工藝優(yōu)化。礦山光纖測試技術均以鉆孔為基礎，利用鉆孔植入技術將光纜置于圍巖體內(nèi)。不同巖體力學性質(zhì)同樣具有差異，為了最大程度恢復圍巖體原巖力學環(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)相應層位巖層厚度、力學參數(shù)及鉆孔孔徑進行計算。分段注漿材料以細砂、碳酸鈣、石膏為主，根據(jù)不同的配比方案得到與原巖1∶1的力學特性。

(3)光纖監(jiān)測大數(shù)據(jù)表征研究需要深入。隨著光纖傳感測試技術的不斷研發(fā)，監(jiān)測周期內(nèi)其數(shù)據(jù)點將達到百萬量級，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、準確地展示光纖監(jiān)測大數(shù)據(jù)，是值得思考的問題。筆者認為在傳統(tǒng)應變量分析基礎上，采用擬地震化數(shù)據(jù)處理方法，進行多維多角度全程信息處理，從而對巖層變形與破壞特征進行有效判斷。同時可結合人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術，研發(fā)基于云計算及深度機器學習的光纖大數(shù)據(jù)處理與分析軟件，實現(xiàn)多類型場源的實時反演，進一步提高異常自動定位及前兆信息主動識別精度。

(4)光纖+其他地球探測方法融合及智能化平臺建設需要強化。煤礦動力災害是在外部荷載及內(nèi)部構造共同作用下的多物理場耦合致災過程，災害孕育演化機理一直是煤炭科技工作者的重點研究對象。筆者認為應將礦井光纖傳感測試技術與其他常規(guī)的地球物理探測手段進行結合，發(fā)揮各自的優(yōu)點，實現(xiàn)技術的互補，由線狀測試向面、體狀發(fā)展，并逐步完善礦山監(jiān)測技術體系，提高測試精度。目前僅在測試系統(tǒng)上進行綜合監(jiān)測，后續(xù)應深入研究多源屬性數(shù)據(jù)融合方法及關鍵技術，構建智能化平臺，建立面向需求的礦山巖層移動變形監(jiān)測及災害預警服務體系，實現(xiàn)災害預測前兆信息的主動感知、自動分析、動態(tài)圈定，如圖3所示。

圖3 巖體破裂表征識別分析與智能化平臺搭建

2 鉆孔全斷面多元信息監(jiān)測技術體系

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

圖4 鉆孔全斷面多元信息監(jiān)測技術體系

2.1 多元信息感知系統(tǒng)

前述已對礦井光纖監(jiān)測應用領域進行分類討論，常用的監(jiān)測手段主要有光纖傳感及鉆孔電阻率，除井筒變形監(jiān)測利用涂覆的形式布設傳感光纜外，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)，從而有效感知待測對象內(nèi)部信息。以采場覆巖變形監(jiān)測為例，可在工作面兩巷實施頂板超前傾斜鉆孔，也可在工作面正上方實施地表垂直鉆孔，鉆孔內(nèi)大多布設金屬基索狀應變感測光纜、定點式應變感測光纜和準分布式電阻率傳感單元。對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于串接管件外壁，保證光纜布設不發(fā)生扭曲和纏繞，設定固定間距為1.5 m(可根據(jù)鉆孔整體長度進行調(diào)整)；其次通過串接裝置固定光纜，將光纜植入鉆孔設計的目標深度；最后封閉孔口進行全孔注漿。注漿時自里向外(井下仰孔自外向里)分段對應，注入與各個巖層力學參數(shù)相對應的配比材料，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光纜的拉力，防止光纜植入鉆孔過程中發(fā)生偏折。將金屬基索狀應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，注漿管與配重導頭保持定距同步植入鉆孔，光纜達到目標層后，實施孔口保護。光纜植入到鉆孔內(nèi)后，利用配制的材料對鉆孔進行注漿、封孔，整個流程如圖5(b)所示。

圖5 鉆孔全斷面監(jiān)測感知單元安裝

2.2 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

傳感單元作為感知端需要經(jīng)過相應的調(diào)制解調(diào)器將光信號等轉(zhuǎn)換成所需物理量。其主要有波長調(diào)制型(光纖光柵)和頻率調(diào)制型(布里淵散射型)，加以相應的解調(diào)技術即形成調(diào)制解調(diào)儀，如圖4中的BOTDR，BOTDA，BOFDA和FBG。同時，在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(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)絡的通暢性，對于單孔內(nèi)多個傳感光纜或電纜，目前主要利用光控開關和監(jiān)測分站將所有接口并入，通過程序控制對各個線纜進行自由切換與調(diào)制解調(diào)儀連接。而對于電力輸出系統(tǒng)，考慮工況環(huán)境的偏遠，主要通過太陽能電池板、蓄電池和逆變器進行供電。

對于地表垂直鉆孔巖層變形監(jiān)測，筆者課題組已初步設計完成應變、位移、電位、電流、電阻率等多元參數(shù)構成的在線遠程調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。

2.3 信號傳輸系統(tǒng)

互聯(lián)網(wǎng)+在煤炭工業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要角色，全國各地區(qū)礦井均在實施煤礦智能化工作面，對于鉆孔全斷面多源監(jiān)測系統(tǒng)理應順應時代潮流，實施在線遠程監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)中對于信號的傳輸十分重要，其對于異常區(qū)判定及在線預警意義非凡。信號傳輸包括兩大部分，一部分是信號的發(fā)射端，將調(diào)制解調(diào)儀采集的數(shù)據(jù)實時上傳至云端，另一部分則是信號接收端，將發(fā)射端傳輸?shù)男盘栠M行下載并存儲至工作站。目前，5G傳輸?shù)母咝н\轉(zhuǎn)使得上述信號傳輸系統(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)測大數(shù)據(jù)對巖層變形進行重構反演，實現(xiàn)智能化、三維立體化展示，是后期研究的熱點和難點。目前，相關高校和科研院所已經(jīng)初步實現(xiàn)光纖數(shù)據(jù)的集成化處理，但是隨著多場耦合監(jiān)測的發(fā)展，鉆孔數(shù)據(jù)更加多維化，應結合大數(shù)據(jù)和人工智能，研發(fā)多場多參量聯(lián)合反演方法，真正做到多場源聯(lián)合監(jiān)測。筆者認為關鍵點是將應變場數(shù)據(jù)擬地震化處理，從而在傳統(tǒng)的震-電聯(lián)合反演基礎上實現(xiàn)對模型的修正、計算與反演。

2.5 遠程監(jiān)控與預警處理系統(tǒng)

礦山巖層移動變形監(jiān)測及災害預警體系如圖6所示。針對研究對象，主要利用綜合指數(shù)法和多參量耦合分析法，將波長、布里淵頻移、地電場、聲波場等前兆信息融合，深入研究巖體變形破壞全程多源參數(shù)動態(tài)演化特征，結合巖體破裂判別參數(shù)閾值數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對圍巖體變形精準監(jiān)測及災害預警。同步將監(jiān)測信息實時傳送至專家移動客戶端，實現(xiàn)人機環(huán)管的高效運轉(zhuǎn)。

圖6 多場多參量耦合監(jiān)測及預警體系架構

3 煤系地層覆巖變形監(jiān)測工程實踐

筆者課題組在兩淮、陜蒙、山東等礦區(qū)進行了大量的工程實踐，實施50余個井下、地面監(jiān)測斷面，獲取了不同巖層變形破壞、移動等特征參數(shù)，為巖層移動控制等研究提供了基礎?，F(xiàn)以陜西招賢礦區(qū)地面施工鉆孔監(jiān)測斷面為例，對監(jiān)測工程實踐進行闡述。

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，從而導致離層空間發(fā)育，同時安定組內(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)育較長時間，滿足可積水離層的條件，進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因素。招賢井田一采區(qū)煤水空間關系及地層分布示意如圖7所示。

圖7 煤水(含水層-隔水層)空間關系示意

3.2 鉆孔全斷面多場多參數(shù)測試系統(tǒng)

針對高位離層水害及巨礫巖下覆巖破斷問題，其致災機理復雜，防治難度大，且研究基礎較為薄弱。因此，需對該礦區(qū)覆巖變形破壞時空演化規(guī)律及離層演化特征進行精細化分析，為全面研究覆巖破斷規(guī)律，采用在地面布設垂直鉆孔，植入金屬基索狀應變感測光纜和大直徑定點式應變感測光纜以及準分布式電阻率傳感單元，如圖8所示。

圖8 鉆孔全斷面多場多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

3.3 監(jiān)測結果綜合分析

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

圖9 鉆孔全斷面多參數(shù)監(jiān)測成果

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，當監(jiān)測鉆孔位于工作面前方時，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)為壓應變，由于此時巖層以彈性壓縮為主，未發(fā)生明顯的裂隙，因此電阻率大多無明顯變化。當工作面剛跨過監(jiān)測鉆孔時，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?，導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)拉應變，同理由于橫向裂隙發(fā)育導致電阻率增大。由于巖層的突然垮落等，測試線纜極易在此階段發(fā)生錯斷。當監(jiān)測鉆孔位于工作面后方且逐漸遠離時，此時采空區(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)域巖體的拉應變將有明顯降低趨勢。

如圖9所示，當工作面逐步靠近監(jiān)測孔，傳感光纜的應變值逐漸擴大，反應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一步增大，覆巖發(fā)生變形破壞，出現(xiàn)應變極值等現(xiàn)象。當工作面跨過孔口后，局部層位壓應變逐漸轉(zhuǎn)換成拉應變，并持續(xù)增大。當直接頂不規(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，當達到極限后，基本頂垮落，導致傳感光纜的破斷，在相應位置出現(xiàn)斷點。

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，說明監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可以作為后續(xù)分析判斷的依據(jù)。與應變結果一致，當工作面位于鉆孔前方時，此階段煤層上覆巖體相對較為完整，電阻率變化較小。當工作面位于鉆孔后方時，此階段煤層覆巖將經(jīng)歷多種形式的巖層移動，亞關鍵層失穩(wěn)使得主關鍵層下方巖層發(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。工作面剛跨過鉆孔的一段時間內(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層的垮落導致上覆巖體發(fā)生變形破壞，形成一定的應力集中區(qū)，使得電阻率增大。

綜上，鉆孔多場多參數(shù)綜合監(jiān)測可對覆巖變形破壞全過程進行有效的監(jiān)測，測試結果可良好刻畫巖體由完整至變形破壞再到穩(wěn)定的過程。

3.4 “兩帶”高度確定及離層發(fā)育特征

根據(jù)監(jiān)測鉆孔光纖和電阻率法的應變分布及電性剖面結果，隨著工作面的持續(xù)推進，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間不同層位發(fā)生拉壓變化、彎折及破斷。基于應變分布特征、斷點及電阻率剖面、電流特征等，結合3煤覆巖地質(zhì)資料，可對導水裂縫帶、垮落帶及離層發(fā)育等進行分析判斷。

由圖9可得，監(jiān)測周期內(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)育等導致。金屬光纜1號斷點位于孔深-418.10 m位置，此時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)生錯斷，使得上部巖層下沉變形，進一步將光纜拉斷。定點光纜1號斷點位于孔深-453.58 m位置，此時工作面位于鉆孔前方46.91 m，光纜發(fā)生錯斷的主要原因是由于采動超前壓力的影響，使得安定組厚砂質(zhì)泥巖上部發(fā)生剪切變形。定點光纜2號斷點與金屬光纜1號斷點位置基本一致，2根光纜的斷點分布均呈現(xiàn)“臺階式”向上發(fā)展，最終斷點位于主關鍵層宜君組礫巖下部，分別為-368.21和-367.69 m。電纜的斷點與2根光纜的3號斷點位置持平，位于孔深-370 m。

可見，3類線纜的斷點集聚在孔深-350～-450 m，結合地質(zhì)剖面及巖性分布綜合分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域位于主關鍵層(宜君組巨厚礫巖)與亞關鍵層(安定組厚砂質(zhì)泥巖)之間。隨著采空區(qū)的逐步擴大，上覆亞關鍵層突然失穩(wěn)發(fā)生破斷，致使上部泥巖等軟巖層發(fā)生劇烈擾動、變形，光纜同步受到擾動，產(chǎn)生應變極值等現(xiàn)象。而主關鍵層由于力學強度較大，懸空極限破斷距離較長，在整個過程中保持一定的完整性。因此該區(qū)域應變變化較為穩(wěn)定，且均一性較好；同時電阻率剖面前后一致性較好，說明該區(qū)域巖層未產(chǎn)生較大擾動變形。同時，由于主關鍵層的穩(wěn)定性，其下部將形成一定的離層空間，離層縱向發(fā)育空間超過光纜、電纜抗拉極限后線纜將產(chǎn)生破斷。綜合應變、電阻率及覆巖巖性分析，認為3煤(埋深-625 m)導水裂隙帶發(fā)育高度達到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)，取最大實測值256.79 m為導水裂隙帶高度。測試結果與文獻[49]給出的經(jīng)驗公式計算值(209.13 m)較為接近，因經(jīng)驗公式考慮因素較為局限，復雜地質(zhì)條件下其計算結果偏小。同時，與鄰近礦區(qū)相似地質(zhì)資料工作面實測導高進行類比分析，如圖10所示。類比結果表明鉆孔全斷面多參數(shù)測試結果具有科學性和可靠性，對生產(chǎn)具有重要的指導作用。

圖10 導水裂隙帶發(fā)育高度實測結果對比一覽

對于垮落帶分析，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)對中下部電性特征進行反演。如圖11所示。當工作面位于鉆孔前方時，孔內(nèi)電阻率分布相對較為均一。當工作面剛跨過鉆孔，位于其后方0.29 m時，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致，同時煤層直接頂巖層也顯現(xiàn)局部的高阻特征。當工作面位于鉆孔后方20.29 m時，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。當工作面位于鉆孔后方25.09 m時，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。當工作面持續(xù)推進后，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，垮落帶發(fā)育至最高點，隨后下降并逐漸趨于穩(wěn)定。當工作面位于鉆孔后方75 m左右時，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果

3.5 特征點分析與討論

為了分析采動影響超前及滯后距離，提取鉆孔內(nèi)電極電流值進行分析。其中，1號電極位于孔深-589 m 位置，96號電極位于孔深-17 m位置。監(jiān)測周期內(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致使巖層移動變形影響，同時各電極所在位置可以反應接地電阻的變化，而接地電阻與巖石電阻率成正比，因此電極電流的變化進一步反應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，各個電極點電流在整個監(jiān)測周期內(nèi)發(fā)生了不同程度的變化，大致可以分為4個階段，見表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)，然后再恢復至原始狀態(tài)，說明受采動作用較小。第2階段電流先快速下降，而后僅恢復到原電流的90%，說明鉆孔附近巖層受采動影響，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下降，降幅約10%，說明工作面跨過鉆孔前后時巖層的穩(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。對第4階段前期電流分析認為工作面滯后垮落距離約15 m，當工作面跨過鉆孔25 m時深部電極在發(fā)生斷裂。同時，根據(jù)鉆孔上部電極電流發(fā)現(xiàn)，當工作面位于鉆孔后方42 m時，電流值發(fā)生再一次急劇下降，分析是由于巖層垮落導致。隨后采空區(qū)發(fā)生壓實，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 采動全程覆巖電流表征

為了進一步分析采動超前影響距離，提取鉆孔內(nèi)特征點應變進行動態(tài)分析，如圖13所示。同理，將鉆孔內(nèi)特征點應變進行分段分析，第1階段：當工作面距離鉆孔水平距離較遠(>42 m)，特征點應變整體變化較小，說明受采動超前影響較小。第2階段：當工作面距離鉆孔水平距離介于42～16 m時，特征點應變顯著增大，且增長速率較大，說明此時鉆孔附近巖層受采動影響較為明顯，即采動超前影響距離約為42 m。

圖13 特征點應變變化曲線

綜合電流及應變動態(tài)變化曲線特征，認為3煤采動超前影響距離達到42～46 m，工作面滯后垮落距離約15 m。

4 結 論

(1)根據(jù)光纜應變分布特征、電阻率剖面、鉆孔超前探反演剖面及3煤覆巖地質(zhì)資料，認為3煤采動覆巖垮落帶發(fā)育高度為47 m，導水裂隙帶發(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)結合鉆孔內(nèi)特征點應變、電流對超前應力及覆巖滯后垮落等綜合分析，認為3煤采動超前影響距離達到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)進行前兆信息的感知、傳輸及多元融合識別是發(fā)展的主流?？梢越Y合智慧礦山建設進一步提升其應用范圍，在采動條件下重構動態(tài)地質(zhì)條件及地質(zhì)災害預警中發(fā)揮重要作用。

受技術方法所限，后續(xù)還需要結合不同區(qū)域地質(zhì)條件，加強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，以及光纖和地電場數(shù)據(jù)融合利用等方面技術研究與開發(fā)，實現(xiàn)對圍巖條件的動態(tài)感知、遠程監(jiān)測、精準預警、云端管控，為礦山安全精準綠色開發(fā)提供重要的技術支撐。