楊志明

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司 同家梁礦，山西 大同037025）

1 底板變形破壞動態(tài)監(jiān)測

隨著開采工作的不斷推進，煤礦開采工作面底板會受到壓力的作用，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，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)對煤層底板動態(tài)破壞進行監(jiān)測。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。針對巖層開采過程中底板破裂變形情況，應(yīng)用布里

淵光時域反射技術(shù)原理進行動態(tài)測量。

1.1 布里淵光時域反射技術(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

在入射波長保持不變的情況下，一種規(guī)格的光纖對應(yīng)一個布里淵頻移植，并且這個頻移植還會受到外界溫度環(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，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)測原理Fig.2 Principle of strain monitoring in BOTDR system

1.2 分布式光纖監(jiān)測方案

測試區(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光纜，由4層組成，分別是石英裸纖、涂層、金屬加強件和塑料保護層，如圖3所示。

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

BOTDR系統(tǒng)的特點是利用光散射，是光在介質(zhì)中傳播時發(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)，是利用探測脈沖光在光纖中發(fā)生的布里淵散射效應(yīng)來實現(xiàn)對光纖溫度和應(yīng)變的分布式測量。

1.3 監(jiān)測系統(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個孔作為監(jiān)測孔，方位角都為89°，兩孔相距70 m，孔深分別為35 m和42 m。第1個孔在斷層破碎帶的底板巖層內(nèi)，第2個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)測系統(tǒng)Fig.4 Strain monitoring system of coal seam floor

安裝過程：鉆孔、將監(jiān)測光纜固定在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)作為動態(tài)值，將動態(tài)值與固定值做差，得到應(yīng)變數(shù)據(jù)。監(jiān)測范圍在孔1測點前80 m到孔2測點后50 m。

圖5 底板巖層應(yīng)變監(jiān)測曲線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光纖實測數(shù)據(jù)，更加精細(xì)化的揭示了煤層開采底板破斷的時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，采空區(qū)不斷增大，采空區(qū)底板會出現(xiàn)凸起，根據(jù)底板巖層強度不同，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，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)兩邊受均布壓力Px，并且膨脹區(qū)的四周為簡支的矩形板。

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；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)對工作區(qū)底板變形進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。可以明顯看出，在開采前的38.47 m時，底板巖層應(yīng)力增加，在29.07 m時達(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。針對這種危害，提出對含水層和底板破裂同時治理的方案。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，會使得注漿液擴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。通過鉆孔的方式對底板含水層富水性進行勘察，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，對豎向隱患治理效果有限。采用定向鉆孔，使每個注漿主孔附帶很多個分支孔，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。同時向多個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）通過對煤礦底板變形進行動態(tài)監(jiān)測，得到不同時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、注漿液擴散范圍小、返漿和巷道漏漿等情況。尤其可以擴大底板注漿區(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。