張平松，孫斌楊，許時昂

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.全國煤炭行業(yè)礦井水害綜合防治工程研究中心，安徽 淮南 232001)

基于BOTDR的煤層底板突水溫度場監(jiān)測模擬研究

張平松1, 2，孫斌楊1，許時昂1

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.全國煤炭行業(yè)礦井水害綜合防治工程研究中心，安徽 淮南 232001)

針對采煤工作面底板突水過程中常會引起突水區(qū)域溫度場的異常響應(yīng)，利用分布式光纖測試技術(shù)對溫度場變化捕捉敏感的特性進(jìn)行測試。通過設(shè)計(jì)光纖底板溫度場測試傳感裝置，構(gòu)建測試地質(zhì)地球物理模型，對底板突水所引起的巖層溫度場的變化進(jìn)行測試模擬。結(jié)果表明：分布式光纖測試技術(shù)能很好分辨底板水導(dǎo)升過程中水溫改變所引起的溫度場變化特征，且對突水區(qū)域范圍判斷快速、有效。

隧道工程；巖土工程；底板突水；溫度場；分布式光纖傳感；相似模擬

0 引 言

基于我國能源結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，新形勢下煤炭資源在整體能源消費(fèi)中依然發(fā)揮主導(dǎo)作用。隨著礦井機(jī)械化生產(chǎn)的推進(jìn)，煤炭資源的大規(guī)模開采與深度化發(fā)展使得礦井地質(zhì)環(huán)境發(fā)生較大的變化。此時受地質(zhì)條件的改變，礦井災(zāi)害也呈現(xiàn)出相應(yīng)的復(fù)雜性與多樣性，如礦井水害、煤與瓦斯突出、巖爆、高地溫等。這給礦井的深部化開采帶來較大的威脅，其中采煤工作面底板突水危害最為嚴(yán)重，使得華北巖溶地區(qū)大部分礦井的深部煤層難以正常開采[1]，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和自然資源的浪費(fèi)。

如何實(shí)現(xiàn)對底板突水的快速、有效探測，一直是眾多學(xué)者探究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前在底板突水防治工作中主要采用理論分析和原位測試兩種方法。其中理論方法有“底板相對隔水層”、“突水系數(shù)法”[2]、“下三帶”[3]以及 “關(guān)鍵層”等理論[4-6]。這些理論研究對于底板突水的防治具有一定的指導(dǎo)作用，但是由于理論多基于較為理想化的狀態(tài)，其與實(shí)際工程會有較大的差異。因此目前對于底板水的防治還多依據(jù)原位測試技術(shù)獲得相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。其中常用的測試方法包括高密度電阻率法、三維并行電法、雙巷音頻電透視及礦井瞬變電磁法等[7-8]。這幾種方法對于礦井水害地質(zhì)條件及異常區(qū)的判斷具有良好效果，但在工作面的開采過程控制與監(jiān)測方面仍存在不足，其觀測系統(tǒng)的布置及現(xiàn)場操作較為繁瑣難以靈活應(yīng)用。分布式光纖傳感技術(shù)對光纖各點(diǎn)的溫度、應(yīng)力變化可以進(jìn)行良好探測，已廣泛應(yīng)用于井下管道、隧道、大壩水位以及倉庫火情的監(jiān)測[9-11]，并取得良好成效。綜合考慮光纖本身具有安全性能好、抗電磁強(qiáng)、測量范圍廣、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時遠(yuǎn)距離傳輸其光損較小可以保證數(shù)據(jù)的可靠性，便于礦井實(shí)時和長期監(jiān)測。目前，分布式光纖測溫技術(shù)對于底板突水的溫度場測試研究還比較薄弱，因此其具有較大的應(yīng)用實(shí)踐空間。

采煤工作面底板突水的主要因素包括采動礦壓和水壓兩方面，大致可分為3個階段。為有效預(yù)防突水需進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，主要對突水前期即導(dǎo)水裂隙初步形成和斷裂帶塑性擴(kuò)展階段進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警[12]。筆者以淮南某礦區(qū)工作面底板原始地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，構(gòu)建一套底板突水相似模擬裝置，結(jié)合BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)對底板突水進(jìn)行溫度場監(jiān)測，研究了光纖在煤層底板巖層中的布設(shè)及安裝工藝，對突水期間煤層底板溫度場的分布及變化規(guī)律進(jìn)行探究。

1 布里淵光時域反射技術(shù)

布里淵光時域反射技術(shù)(BOTDR)是分布式光纖傳感技術(shù)的一種[13]。通過檢測光纖中布里淵散射頻移的變化，根據(jù)變化量隨溫度和應(yīng)變呈線性變化的關(guān)系來分析探測體物理性質(zhì)的改變。其工作原理如圖1[14-17]。

圖1 BOTDR工作原理Fig.1 Working principle of BOTDR

圖1中，利用測試儀在光纖的一端輸入脈沖光后，其內(nèi)部介質(zhì)之間的相互作用會發(fā)生布里淵背向散射，當(dāng)光纖的某一點(diǎn)或某一區(qū)域的原始狀態(tài)發(fā)生改變時，原始光路也會隨之改變即布里淵散射的頻率發(fā)生變化，且變化量只與溫度和軸向應(yīng)變有關(guān)。

利用布里淵頻移(υB)，光纖溫度(T)和軸向應(yīng)變(ε)的關(guān)系，通過測量ΔυB進(jìn)而得到光纖沿線各點(diǎn)T和ε的分布。T與υB之間的數(shù)值關(guān)系可用式(1)表達(dá)為：

T=CT(υB-υB0)+T0

(1)

式中：T為光纖溫度；CT為常數(shù)，即頻移與溫度的相關(guān)系數(shù)；υB為布里淵頻移；υB0和T0分別為自然狀態(tài)下初始布里淵頻移量和溫度值。

實(shí)驗(yàn)所采用測試儀器為AV6419光纖應(yīng)變分布測試儀，其量程范圍0.5～80 km，空間分辨率1 m，采樣間隔最小可達(dá)5 cm，對于溫度檢測具有0.5 ℃的分辨測試能力。底板突水相似模擬實(shí)驗(yàn)采用基于BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)，可以對煤層底板溫度場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生突水時測試儀可有效探測破壞區(qū)域和溫度場的變化，以及水位上升溫度場分布的演化過程，滿足工程實(shí)踐判斷的基本要求。

2 底板突水溫度場監(jiān)測相似模擬

我國華北石炭系煤層多形成于濱海、湖泊等海相沉積環(huán)境，含煤巖系中存在大量的灰?guī)r層，致使其基底巖溶發(fā)育，賦存大量的承壓水，給深部石炭系煤層的開采帶來極大的危害。筆者主要以兩淮煤田淮南某礦工作面底板為研究對象，設(shè)計(jì)和構(gòu)建煤層底板突水相似模擬實(shí)驗(yàn)[18]。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

底板突水相似模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)礦井相關(guān)資料，經(jīng)過合理的簡化，以1∶100比例搭建長、寬、高均為0.4 m的平面應(yīng)力模型，如圖2。構(gòu)建模型的圍壓較低，但是由于測試中水頭相對較高，因此并不影響模擬突水事件的發(fā)生及后期底板溫度場的監(jiān)測。

圖2 相似模擬裝置Fig.2 Equipment of similar simulation

結(jié)合模擬材料配比實(shí)驗(yàn)研究成果，確定模型材料的配比方案，并利用式(2)對各分層材料用量進(jìn)行計(jì)算(表1)。模型中各巖性分層采用砂子、石膏、石灰、水泥等分別以不同比例加入適量的水分層鋪設(shè)并壓實(shí)固結(jié)而成，搭載整個實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸残枰白?1.25 kg，石灰4.61 kg，水泥2 kg，石膏3.77 kg。

G=lbhγm

(2)

式中：G為模型分層材料總重(不包括含水量)；l為模型長度；b為模型寬度；h為模擬巖層各分層高度；γm為模擬巖層各分層容重。

表1 相似模擬材料配比方案

2.2 光纖的布設(shè)及安裝

模擬實(shí)驗(yàn)傳感光纖為NZS-DSS-C07聚氨酯緊套光纜，其為單模光纖，光纜截面尺寸為2.0 mm，重量為2 kg/km。為提高AV6419光纖應(yīng)變分布測試儀的空間分辨率，將傳感光纜以螺旋式的形式纏繞在PVC管外壁，共纏繞135圈加上光纖跳線總長為15 m(圖3)，期間采用黏結(jié)劑使之與PVC管外壁更好地耦合。

圖3 傳感光纜布設(shè)、安裝示意Fig.3 Layout and installation of sensing optical fiber cable

在鋪設(shè)模擬材料之前，將傳感光纜連同PVC管傾斜放置于平面模型中，然后分層鋪設(shè)模擬材料。材料填充完畢后，在模擬煤層的上表面均勻施加外力使其搗固成型，介質(zhì)、光纜、PVC管這3者之間的耦合性將大大提高。本次模擬實(shí)驗(yàn)光纜安裝工藝與現(xiàn)場施工有所不同，礦井實(shí)測時會在底板施工鉆孔，然后利用鉆孔安裝技術(shù)將光纜植入到孔中，后期進(jìn)行注漿耦合。但是由于模擬試驗(yàn)尺度較小無法達(dá)到施工鉆孔要求，只能前期預(yù)埋設(shè)光纜再鋪設(shè)巖層使之其與實(shí)際工況基本相符。

2.3 模擬實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)采用分層加水的方式，水溫總體控制在55 ℃左右，每次注水高度為2.5 cm。期間為了使得水流能夠從底板巖層均勻地上升，人工施加一定的水壓，將輸水軟管抬至2.5 m的高度，相當(dāng)于0.025 MPa的水頭。模型搭載完畢，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置儀器參數(shù)。首先在未注水條件下采集巖體空間背景溫度值，然后按注水間隔2.5 cm高度采集一次數(shù)據(jù)，共擬采集16組數(shù)據(jù)。由于突水的突發(fā)性及難以控制性，在第7次注水時水流已完全覆蓋整個煤層工作面，實(shí)驗(yàn)共采集10組數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行煤層工作面底板突水相似模擬實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)光纖的布里淵頻移與溫度之間存在相關(guān)關(guān)系[19-20]，由式(1)可計(jì)算出不同布里淵頻移所對應(yīng)的巖體溫度值，從而可獲取整個突水過程中底板巖層內(nèi)部溫度場的變化及分布情況。

3.1 突水過程分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得突水過程中的水位上升曲線，如圖4；突水時光纖各段溫度分布，如圖5。

圖4 水位上升曲線Fig.4 Curve of water level rises

圖5 突水時光纖各段溫度分布Fig.5 Temperature distribution in the fiber of the water inrush

圖4中，突水界面將煤層底板巖石分為3個層次。其一為上部未受突水影響原始狀態(tài)的巖層(圖4中Ⅰ區(qū)域)；其二為每次注水結(jié)束后穩(wěn)定狀態(tài)下的水源界面，判別原因是灰?guī)r承壓水沿著裂隙帶導(dǎo)升時，周圍巖石介質(zhì)會由于水溫高于自身的溫度而發(fā)生溫度突變，使得高于上部原始狀態(tài)的巖石溫度(圖4中Ⅱ區(qū)域)；其三為已被承壓水貫穿的下部巖層，二者充分接觸使得巖體溫度明顯高于上部各個巖層的值(圖4中Ⅲ區(qū)域)。

圖4中的Ⅱ區(qū)域水位上升曲線主要是由7次注水后的突水界面拼接而成，較為真實(shí)地反映出整個動態(tài)突水過程。同時，圖4和圖5中第7次突水都出現(xiàn)了陡增的現(xiàn)象，原因在于此時底板巖層中已富含大量的承壓水，并且?guī)r性為砂、泥巖，其孔隙度較大于底部的灰?guī)r層，因此以相同的水量和水壓注入底板時出現(xiàn)上述情形。

3.2 溫度場變化及定位分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，連同PVC管一起植入巖體內(nèi)部的光纜會由于溫度場的變化受影響，而裸露在外部的則不會發(fā)生布里淵頻移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：BOTDR對溫度場的變化有良好的探測效果(圖5)，溫度最終測量值基本都處于50～60 ℃之間，與實(shí)際注入的55 ℃水源在相對誤差允許范圍內(nèi)(55±5.5)℃基本吻合。

分布式光纖傳感技術(shù)不但能夠靈敏地探測溫度場變化，而且可以有效定位破壞區(qū)域。由圖5可知，每次突水曲線的首個抬高點(diǎn)即突水區(qū)域零界點(diǎn)都不一樣，正符合于分層注水情況。選取第4次突水曲線做定量分析可得，突水后水源穩(wěn)定界面大致位于-32 cm，與實(shí)際注水高度10 cm(注水界面達(dá)到-30 cm)基本相符。

綜上，基于BOTDR的分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于采煤工作面底板突水的監(jiān)測，可以直觀地反映底板溫度場狀態(tài)并準(zhǔn)確地定位突水水源位置，可對煤層工作面底板突水的預(yù)防提供技術(shù)參數(shù)。

4 結(jié) 語

鑒于BOTDR的先進(jìn)性，筆者研究了用于監(jiān)測煤層工作面底板突水的傳感光纜布設(shè)方式及安裝工藝，并開展相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)探究BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于底板突水監(jiān)測的有效性。

研究結(jié)果表明：分布式光纖測試方法能夠有效分辨模型突水過程中溫度場的相關(guān)參數(shù)變化，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可有效圈定溫度場變化區(qū)域及溫度變化范圍。通過對比測試結(jié)果，光纖測試數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)實(shí)際結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)吻合度較高，同時底板光纖測試施工工藝簡單、易操作，其測試方法和結(jié)果能為底板突水防治提供有效的技術(shù)指導(dǎo)。與傳統(tǒng)測試方法相比，基于BOTDR的分布式光纖傳感具有一定的優(yōu)越性，其應(yīng)用前景十分廣闊，但具體的實(shí)踐應(yīng)用需進(jìn)一步深入研究。

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Simulation Research on BOTDR-based Monitoring over Temperature Field of Water Inrushing from Coal Floor

ZHANG Pingsong1, 2, SUN Binyang1, XU Shi’ang1

(1. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, P.R.China; 2. Engineering Research Center of Mine Water Disaster Comprehensive Control of Nationwide Mining Industry, Huai’nan 232001, Anhui, P.R.China)

During the process of floor water inrushing on coal face, abnormal responses of corresponding temperature field occured. Therefore, the sensitiveness of distributed fiber testing technology was used to test the changed temperature field. Through designing the sensor for detecting optical fiber floor temperature field, a geo-physical model was developed to test the geology and the earth a simulation test was conducted to simulate and analyze the rock stratum temprature field variation induced by inrush on coal face. The result indicates that the distributed fiber testing technology can well identify the temperature variations induced by water temperature change in process of floor water rising and can determine water bursting area quickly and effectively.

tunnel engineering; geotechnical engineering; floor water bursting; temperature filed; distributed optical fiber sensing; similar simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.07

2015-09-15；

2015-11-13

中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(MTKJ2014-223)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510361126)

張平松(1971—)，男，安徽六安人，教授，博士，主要從事地球物理探查技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用方面的研究。E-mail:pszhang@sohu.com。

孫斌楊(1992—)，男，安徽淮南人，碩士研究生，主要從地球物理勘探方面的研究。E-mail:binyangsun1993@163.com。

U453.6+1；TD15

A

1674-0696(2016)05-028-04