基于分布式光纖監測的煤礦地下水庫層間覆巖裂隙發育規律研究

李雪佳，池明波，吳寶楊，鞠志勇

(1.國能神東煤炭集團有限責任公司煤炭技術研究院，陜西省榆林市，719315；2.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京市昌平區，102200；3.國能神東煤炭集團有限責任公司烏蘭木倫煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017209)

神東礦區位于我國西部，是我國主要能源基地之一，但當地水資源匱乏，高強度的煤炭開發加速礦區生態環境惡化，使本就匱乏的地下水資源發生更嚴重的破壞[1-2]。顧大釗院士提出的煤礦地下水庫技術不但保護了礦區內的水資源，還為神東礦區提供了穩定的水資源，特別是分布式煤礦地下水庫是解決西部礦區水資源短缺的有效途徑之一。分布式煤礦地下水庫建設的原則是在上下2個煤層內分別建設煤礦地下水庫，因此上下煤層間采動裂隙發育影響是煤礦地下水庫安全性的核心[3-4]。研究多煤層開采作用下覆巖裂隙發育特征是評估分布式煤礦地下水庫建設的關鍵因素。

前人通過相似模擬、數值模擬等手段，在采動裂隙發育方面開展了大量試驗研究，為煤礦安全生產及水資源保護提供了支撐。大量研究表明，采動裂隙是誘發水資源破壞的根本原因之一，因此覆巖裂隙也是影響分布式煤礦地下水庫安全運行的重要指標。相似模擬試驗是研究覆巖及層間裂隙發育規律的可靠方法之一，是指導現場工程實踐的重要研究手段，合理的監測手段是影響試驗結果的基礎，相似模擬過程中合理的監測方法可以得到較為準確的試驗結果。以往試驗過程中傳統的監測方法只能對巖層單一點的應變狀態進行監測，采用的監測設備大多為壓力盒，由于尺寸效應和監測范圍的影響，試驗結果會有一定的誤差，而利用分布式光纖監測方法可以對巖層水平區域內一條線范圍內裂隙發育進行監測[5-6]。因此，筆者利用分布式光纖監測技術，通過相似模擬試驗，分析煤層間裂隙發育狀態及規律，為分布式煤礦地下水庫安全運行提供基礎支撐。

1 試驗工程背景

2 試驗目的和布置方案

為了研究2-2和3-1煤層間覆巖裂隙發育規律，傳統的方法只能做到局部點監測，本次試驗采用Φ0.9 mm高傳遞緊包應變感測光纖進行監測，利用光纖分布式的特點能監測一整條線的煤層間覆巖的應變，進而分析其裂隙發育規律。

2.1 試驗設備與模型

試驗采用OSI-C超高精度分布式光纖傳感設備，該設備基于光頻域反射(OFDR)技術，傳感精度為1.0 με，空間分辨率可在50 m和100 m傳感范圍內分別達到1 mm和10 mm，廣泛應用于高分辨率、高精度傳感領域[7]。此次試驗采用Φ0.9 mm高傳遞緊包應變感測光纖監測模擬煤巖層變形。

2.2 分布式光纖布置方案

1號和2號應變感測光纖沿相似模型橫向方向平行布設在2-2煤層和3-1煤層之間的巖層當中，單根光纖的長度均為210 cm。1號光纖距3-1煤層頂板9 cm，2號光纖距2-2煤層底板25 cm。2根光纖起點和終點分別在相似模型兩側，相距32 cm，光纖整體布置方案如圖1所示。

圖1 相似模型分布式光纖布置方案

布置光纖前應記錄光纖各節點的位置，以便使光纖與各個點的應變數據對應。每次開采和加載后，通過OFDR分布式光纖解調儀記錄并分析光纖各個點的應變數據。應變數據為正值[8]，表示正應變(拉應變)，代表光纖受到了拉長；應變數據為負值，表示負應變(壓應變)，代表光纖被縮短。

3 層間巖層應變監測數據分析

3.1 2-2煤層開采巖層應變監測

相似模型鋪設完成后，實際模型如圖2所示，本設備共設計了7個加載油缸，圖中數字對應相應油缸號。

圖2 實際相似模型

3.1.1 巷道和工作面開采后豎向加載過程中巖層應變監測

1號光纖布設在3-1煤層上方9 cm處，可監測3-1煤層上方9 cm的巖層變化情況。分別開挖巷道1、巷道2和工作面1，完成后進行中間3、4、5號油缸垂向加壓至上覆巖層斷裂。中間豎直加載1號光纖應變情況如圖3所示，圖中灰、藍、橙色線表示不同監測時間監測到的應變數據。

由圖3可知，中間油缸加載后應變在沿光纖長度方向的0～61 cm和166～207 cm范圍內為正值，光纖受拉應變，61～166 cm范圍內為負值，光纖受壓應變。且隨著時間增長，光纖的正應變和負應變區域數值增大，兩端正應變的最大值增大至210 με和290 με，中間負應變的值增大至-100 με附近。

圖3 中間豎直加載1號光纖應變情況

1號光纖所監測的巖層的變化與光纖的應變變化相對應。沿1號光纖長度方向0～61 cm和166～207 cm范圍內的光纖受到了拉伸，可以分析出這部分的巖層由于中間油缸的加壓產生了整體擴張；而61～166 cm范圍內的光纖均受到不同程度的縮短，可以推出這部分的巖層受到整體壓縮呈現緊實的現象。且由于沒有小范圍內的局部正應變突變，可以認為沒有局部位置處的巖層分離，巖層內暫時沒有裂縫的產生。

3.1.2 右側油缸豎向加載過程中巖層應變監測

中間油缸豎向加壓至上覆巖層斷裂后，右側6、7號油缸按位移加壓直到煤柱破壞，1號光纖各點應變情況如圖4所示。

圖4 右側豎直加載1號光纖應變情況

右側油缸加載后，沿1號光纖長度方向166～207 m范圍內的光纖所受正應變最高值上升至5 661 με，光纖所受的拉伸逐步增加。100～166 m范圍內的負應變上升至-2 000 με，光纖所受的壓縮也逐步增加，但是增加的幅度不及光纖拉伸的幅度。

分析可知，隨著右側6、7號油缸的加壓，1號光纖166～207 cm范圍內巖層整體擴張的程度加劇。100～166 cm處的巖層整體受壓縮程度也在逐步上升。

3.1.3 左側油缸豎向加載過程中巖層應變監測

右側油缸按位移加壓直到煤柱破壞后，左側1、2號油缸開始加壓至4 500 kg，右側保持在4 500 kg，1號光纖各點應變情況如圖5所示。

圖5 左側豎直加載1號光纖應變情況

左側油缸加載后，沿光纖長度的0～55 cm范圍內光纖正應變逐漸提高，最大值增至4 511 με；55～100 cm范圍內光纖的負應變逐漸提高，最大值可達-2 500 με。光纖起點處的正應變提升最為明顯，可能受起點處光纖埋置固定影響，由于加壓導致拉伸而造成的正應變。右側100～210 cm處的光纖應變隨時間推移幾乎沒有變化。

隨著左側1、2號油缸的加壓，0～55 cm范圍內光纖附近的巖層發生整體擴張， 55～100 cm范圍內光纖附近的巖層整體壓縮。

3.2 3-1煤層開采后水平加載巖層應變監測

分別開挖3-1煤層工作面2和工作面3，完成后進行8、9號油缸水平側向加壓，直至煤柱失穩破壞。

水平加壓前將1號光纖的狀態設為初始狀態，初始狀態各點應變為0。1號光纖各點應變所對應的巖層變化如圖6所示。沿1號光纖長度方向25 cm處有局部正應變突變，正應變達113 με，光纖受到局部拉伸；42～100 cm范圍內光纖整體有正應變，光纖受到整體拉伸，正應變最高達535 με；113 cm處有局部負應變，最高達-898 με，光纖受到局部壓縮；170～210 cm范圍內光纖整體有負應變，光纖受到整體壓縮，負應變最高達-200 με。

圖6 水平加載1號光纖應變

由于局部正應變突變，25 cm處光纖附近巖層可能出現裂縫，而42～100 cm范圍內巖層呈現整體向外擴張，113 cm處巷道3上方巖層局部向巷道中間收縮，170～210 cm處巖層整體壓縮。

2號光纖埋置在距3-1煤層上方41 cm處，用于監測3-1煤層上方41 cm的巖層變化。水平加載前2號光纖的初始狀態也設置為0，2號光纖各點應變如圖7所示。沿2號光纖長度方向82 cm處出現40 με微小的局部正應變，136 cm處光纖出現613 με較大的局部正應變，70、126、148、168 cm處都出現了不同程度的負應變。

圖7 水平加載2號光纖應變

分析可知，沿2號光纖長度方向82 cm和136 cm處附近的巖層可能出現裂縫，70、126、148、168 cm處巖層出現不同程度的收縮。

3.3 破壞性加載過程巖層應變監測

所有豎直油缸進行破壞性加壓，迫使工作面2和工作面3塌陷。

1號光纖各點加載破壞特征如圖8所示，沿長度方向48～84 cm處光纖的應變為較為均勻的正應變，光纖受到較為均勻的拉伸，在1 600 με左右；沿長度方向84～130 cm處光纖的應變為大范圍的負應變，光纖受到整體壓縮，最大在-1 650 με左右。164 cm處光纖的應變為局部正應變，呈現尖峰狀，最高值達4 021 με。光纖在164 cm附近受到兩側巖層的拉伸。隨時間的累計應變逐漸增大，隨后光纖的應變急劇上升。

圖8 破壞性加載1號光纖應變

分析可知，在豎直破壞性加載下，48～84 cm范圍內光纖附近的巖層整體擴張，84～130 cm范圍內光纖附近的巖層整體壓縮，164 cm處的巖層可能出現裂縫，隨后裂縫急劇擴大。

在豎直破壞性加載下，2號光纖各點應變如圖9所示，相比于水平加載下的應變，沿2號光纖長度方向82 cm處的微小局部正應變已經上升至2 491 με，136 cm處的局部正應變已經上升至4 213 με，70、168 cm處的負應變增加的幅度較大，126 cm處和148 cm處有較小的負應變。

圖9 破壞性加載2號光纖應變

分析可知，沿2號光纖長度方向82、136 cm處附近巖層的裂縫逐漸擴大，70、168 cm處的巖層收縮幅度較大，126、148 cm處有微小的巖層壓縮。

通過以上分析可知，煤層開采過程中，隨著工作面的不斷推進，裂隙逐漸向上部發展，在2個工作面間形成采動裂隙，光纖監測結果顯示，光纖應變變化特征可以較好地反應出裂隙發育特征，并在相應的位置推測出裂隙發育高度等基本信息。

4 層間巖層應變監測圖像化分析

4.1 2-2煤層開采巖層應變圖像化分析

2-2煤層巷道1、巷道2和工作面1完成開采后，油缸豎向加載過程中，1號光纖處在工作面下方的巖層當中，巖層變化如圖10所示，巖層并無較大的移動，監測到的應變均為模型范圍內的整體應變，代表著巖層的整體擴張和壓縮，并沒有裂縫的出現。僅在右側油缸豎向加載過程中，沿1號光纖長度中間部位正應變變化加大，巖層移動程度加劇。

圖10 中間豎直加載1號光纖對應巖層變化

4.2 3-1煤層開采巖層應變圖像化分析

3-1煤層工作面2和工作面3開挖，并進行側向加壓到豎直加壓破壞性試驗過程中，1號和2號光纖所處巖層產生較大的移動，監測到局部的正應變突變，代表著裂縫的產生和擴展。

(1)側向水平加載過程中，巖層變化如圖11和圖12所示。

圖11 水平加載1號光纖對應巖層變化

圖12 水平加載2號光纖對應巖層變化

由此分析，沿1號光纖長度方向25 cm處有局部正應變突變，42～100 cm范圍內光纖整體為正應變，0.25 m處光纖附近巖層可能出現裂縫，而42～100 cm范圍內巖層呈現整體向外擴張；沿2號光纖長度方向82 cm處出現微小的局部正應變，136 cm處光纖出現較大的局部正應變，82 cm和136 cm處附近的巖層出現裂縫。

(2)豎直破壞性加壓過程中1號光纖和2號光纖對應巖層變化如圖13和圖14所示。

圖13 破壞性加載1號光纖對應巖層變化

圖14 破壞性加載2號光纖對應巖層變化

由此分析，沿1號光纖長度方向48～84 cm范圍為正應變，對應巖層整體擴張，164 cm處應變為局部正應變，巖層出現裂縫。48～84 cm范圍內光纖整體為負應變，附近的巖層出現下沉。隨時間的累計應變逐漸增大，隨后應變急劇上升，巖層裂縫急劇擴大；沿2號光纖長度方向82 cm處和136 cm處局部正應變巖層出現裂縫。隨時間的累計應變逐漸增大，光纖的應變急劇上升，82 cm和136 cm處附近巖層的裂縫急劇擴大。

5 結論

(1)相似模擬試驗過程中，分布式光纖監測比傳統應變監測范圍更廣，通過分析應變數據正負可分析光纖受到了拉應變還是壓應變。

(2)基于光柵監測結果表明，上灣煤礦2-2煤層開采過程中裂隙發育隨著工作面推進出現張開和閉合顯現，表現為光柵監測結果應變正負交替出現；水平加載過程中光柵應變表明，煤礦地下水庫煤柱壩體在水平應力作用下達到一定極限后會發生破壞。

(3)結合圖像化分析結果表明，在垂向加載過程中巖層間裂隙發育規律可由光柵內應變變化特征進行表征，下煤層開采過程中，巖層裂隙主要為裂隙張開與閉合交替出現。

(4)分布式光纖上的點對應試驗模型中的具體位置，由此可將每個點數據圖像化處理，形成沿光纖對應的巖層應變變化圖，并可根據應變正負判斷附近區域為擴張還是壓縮，根據數值大小判斷裂隙開度。分布式光纖監測方法對煤礦井下水庫層間巖層裂隙發育研究有重要意義。