基于分布式光纤技术的采动影响下覆岩变形演化规律试验研究

为了解决在实际工程中岩层变形难以用常规测试方法进行监测的问题,采用BOFDA分布式光纤技术,根据现场的煤层采动过程,在试验室建立4 200 mm×250 mm×1 600 mm（长×宽×高）的采场覆岩模型,通过预埋于模型内部的4条水平传感光纤和5条垂直传感光纤,对模型开挖过程中的覆岩变形特征进行测试。将光纤测试结果与近景摄影数字图像处理技术获得的岩层位移进行对比,揭示了光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系,获得了基于光纤频移值的两带发育、演化范围的表征方法。研究表明,使用BOFDA分布式光纤技术监测采动覆岩活动特征与矿压显现规律是可行的,试验结果为分布式光纤测试技术在现场监测煤矿上覆岩层“两带”变形提供了理论依据与试验保障。     

基于分布式光纤技术的采动影响下覆岩变形演化规律试验研究

为了解决在实际工程中岩层变形难以用常规测试方法进行监测的问题,采用分布式光纤传感技术的布里渊频域分析技术(BOFDA)和布里渊频移(BFS)分析技术,根据现场的煤层采动过程,在试验室建立4 200 mm×250 mm×1 600 mm(长×宽×高)的采场覆岩模型,通过预埋于模型内部的4条水平传感光纤和5条垂直传感光纤,对模型开挖过程中的覆岩变形特征进行测试。将光纤测试结果与近景摄影数字图像处理技术获得的岩层位移进行对比,揭示了光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系,获得了基于光纤频移值的两带发育、演化范围的表征方法。研究表明,使用BOFDA分布式光纤技术监测采动覆岩活动特征与矿压显现规律是可行的,试验结果为分布式光纤测试技术在现场监测煤矿上覆岩层"两带"变形提供了理论依据与试验保障。     

采动覆岩分布式光纤感测模型试验及沉降预测方法研究

煤层采动覆岩沉降提前于地表,可作为地表稳定性的预警指标。针对煤层开采引起的覆岩沉降预测问题,采用分布式光纤感测技术,通过制作大柳塔煤矿采动覆岩相似材料试验模型,研究了煤层开采引起的覆岩变形特征,基于灰色理论和Knothe时间函数,建立了基于实测应变的采动覆岩沉降预测模型,探讨了预测精度,并取得了如下研究成果：有关分布式光纤感测技术的覆岩应变分布,准确反映了垮落带和导水裂缝带的发育特征,基于GM(1, 1)模型和新陈代谢模型的覆岩沉降预测精度较好但限于短期预测;当相对残差最大值与相对残差和均取最小值时,Knothe时间函数中获得较为准确的参数c值和τ值并提高了预测精度,建立了大柳塔煤层覆岩动态沉降预测模型的表达式,其预测模型适用于覆岩沉降的前期阶段和后期阶段。     

光纤传感技术在覆岩“两带”高度探测中的应用

为准确地掌握工作面采动过程中顶板岩层破规律及其特征,获得相应的技术参数,消除突水威胁、保障煤层安全开采等煤矿防治水工作。运用分布式光纤监测技术可以在其长度范围内连续监测覆岩在开采过程中应力应变的分布及大小,获得煤层覆岩的变形规律。结果表明,这种监测方法的突出优点就是改变了传统的点式监测方式,弥补了点式监测的不足,实现了实时、长距离和分布式的监测目标。该技术在内蒙古某煤矿"两带"高度探测中取得结果和并行电法监测相互验证,证明了该方法的可行性。     

基于分布式光纤传感技术的采动覆岩变形监测

采用基于布里渊背向散射的分布式光纤传感技术（BOTDR）,监测煤层采动过程中覆岩的变形情况。以淮南矿区某工作面为例,在煤层开采之前,通过钻孔安装工艺将分布式传感光缆植入到覆岩中,然后进行封孔注浆,使传感光缆与围岩变形协调。随着工作面的逐步推进,通过获取和分析传感光缆的应变分布特征及其动态变化过程,得到了煤层采动过程中覆岩的变形及破坏状态。最大拉应变位于孔深5m处,应变量是8350με;最大压应变位于孔深37m,应变量约为-550με。光缆应变与地层具有很好的对应关系,在岩性相对较软的地层（如泥岩）中,拉应变值相对较大,而在岩性相对较硬的地层（如砂岩）中,应变量较小且多为压应变。根据光缆的应变分布得到的沿钻孔方向地层的最大变形量为34mm,巷道围岩松动圈范围约为6m。研究结果表明,BOTDR分布式光纤传感技术能够准确地获取覆岩的变形分布及其变化情况,该技术的应用可以为深部煤层的安全高效开采提供可靠的依据。     

煤矿区卸压瓦斯地面井破坏机理研究

卸压瓦斯地面井抽采是矿区瓦斯治理的新方向,但受煤层采动影响,在工作面推过地面井一定位置后井孔迅速发生破坏,制约了其发展与应用推广。以淮南矿区抽采井变形破坏工程调查为基础,从工程地质学和采动岩体力学出发,探讨了矿区地质条件和煤层采动背景与抽采井变形破坏的关系。认为变形和错断是井身结构破坏的主要形式,该区地面卸压抽采井采动变形破坏具有时间快速性、空间集中性、破坏层位的层控性和破坏位置的岩性特殊性等四大特点。研究表明:卸压瓦斯抽采钻井的变形错断是在采动条件下,关键层诱导覆岩周期断裂致使覆岩移动,松散层中的特殊岩性层位或基岩段岩层的弯曲或断裂诱发的水平剪切破坏与岩层弯曲下沉引发垂向拉压综合作用的结果,并以前一种为主,而非单一剪断或拉断模式。另外,结合相似模拟实验结果分析,研究了开采条件下不同位置不同岩性地层的位移情况,证实了研究结论与观点,揭示了卸压瓦斯地面井井孔变形破坏机理。     

传感光纤-砂土界面力学性质的试验研究

近年来分布式光纤感测技术在岩土与地质工程领域的应用研究已成为一个研究热点,但工程实践表明,埋入式传感光纤与被测岩土体之间的变形协调性会对监测结果产生显著的影响,该问题一直制约着光纤感测技术在工程监测中的推广。本文通过一系列室内拉拔试验,对比了3种预埋于砂土中的单模光纤在不同上覆压力的作用下的拉拔力-拉拔位移曲线,并建立了一个用于描述光纤-砂土界面力学性质的三段式的拉拔模型,分析峰值拉拔力、残余拉拔力、有效拉拔位移和残余拉拔位移4个参数在不同上覆压力作用下的变化情况。分析结果揭示传感光纤-砂土界面的力学特性和应力传递规律,为分布式光纤传感技术在岩土体变形监测中的应用,尤其在变形监测光纤的选用标准方面,提供了参考依据。     

基于BOFDA的地面塌陷变形分布式监测模型试验研究

地面塌陷变形作为一种分布广泛的地质灾害已成为目前城市发展中亟待解决的一个问题。文章使用布里渊光频域分 析（BOFDA）技术对地面塌陷变形进行分布式监测模型实验研究。利用自制的地面塌陷物理模型,对不同类型、不同厚度 土体在塌陷过程中的变形进行分布式光纤监测,并对其试验结果进行对比分析。结果表明：基于BOFDA分布式光纤传感技 术可有效捕捉到地面塌陷变形的发生和发展过程,并较为准确地反映出地面的塌陷变形规律。研究结果为该技术在地面塌 陷变形监测的推广应用提供一定的参考依据。     

光纤和砂土界面耦合性能的分布式感测试验研究

地质与岩土工程领域中，变形监测一直是评价岩土体稳定性的一个重要指标，其时空演化规律可为工程设计与施工 技术参数优化、地质灾害预警阈值设定提供科学的依据。随着光电感测技术的不断发展，其在地质与岩土工程变形监测中 的作用越来越重要，然而分布式感测光纤与岩土体之间的耦合性对监测结果有显著影响，阐明两者间的作用机理成为该技 术应用的关键环节。文章在综合分析当前地质与岩土工程变形监测技术的基础上，开展了基于BOTDA感测技术的光纤—砂 土界面耦合性能拉拔试验，从试验结果和感测光纤特性两方面分析了感测光纤与砂土的耦合性及二者间的应变传递规律。 试验结果表明：除第一级拉拔外，数据拟合R2均在0.99以上，显示了光纤实测应变分布具有良好的规律性；由试验数据反 算得出的光纤弹性模量约为0.35 GPa，与给定值基本一致；通过感测光纤的F-S端和F-S尾关系，得出光纤—土界面作用过程 可分为全耦合、半耦合和相对滑动三个阶段。上述研究结果为分布式感测技术在各类地质与岩土工程变形监测中的应用提 供指导，同时为开展各类室内模型试验提供参考依据。     

光纤和砂土界面耦合性能的分布式感测试验研究

地质与岩土工程领域中,变形监测一直是评价岩土体稳定性的一个重要指标,其时空演化规律可为工程设计与施工 技术参数优化、地质灾害预警阈值设定提供科学的依据。随着光电感测技术的不断发展,其在地质与岩土工程变形监测中 的作用越来越重要,然而分布式感测光纤与岩土体之间的耦合性对监测结果有显著影响,阐明两者间的作用机理成为该技 术应用的关键环节。文章在综合分析当前地质与岩土工程变形监测技术的基础上,开展了基于BOTDA感测技术的光纤-砂 土界面耦合性能拉拔试验,从试验结果和感测光纤特性两方面分析了感测光纤与砂土的耦合性及二者间的应变传递规律。 试验结果表明：除第一级拉拔外,数据拟合R2均在0.99以上,显示了光纤实测应变分布具有良好的规律性;由试验数据反 算得出的光纤弹性模量约为0.35 GPa,与给定值基本一致;通过感测光纤的F-S端和F-S尾关系,得出光纤-土界面作用过程 可分为全耦合、半耦合和相对滑动三个阶段。上述研究结果为分布式感测技术在各类地质与岩土工程变形监测中的应用提 供指导,同时为开展各类室内模型试验提供参考依据。     

岩层变形与破坏电法测试系统研究

利用井下钻孔电阻率法可以动态获得煤层采动过程中上覆岩层变形与破坏发育规律,根据采动进度测取不同时期岩层电场变化特征,可对岩层变形与破坏规律进行全面的分析研究。受现场测试条件所限,顶板单一钻孔所测得的数据具有全空间效应,因此,对岩层破坏定位存在一定的影响,从而降低了对覆岩破坏发育规律的认识能力。通过模型试验及现场测试效果对比,改进单孔电阻率测试方法,采用孔-巷间电阻率CT测试系统,进一步提升了原单一钻孔电法系统数据采集约束性,为电阻率分布反演及“两带”高度判定奠定基础。实际应用结果表明,孔巷电阻率CT测试图像清楚,对岩层受采动影响的破坏特征反应灵敏,提升了对岩层变形与破坏发育的解释能力。     

巷道断面空间岩层变形与破坏演化特征光纤监测研究

煤层开采过程中巷道围岩会发生变形、移动与破坏,其动态变化特征对巷道设计、支护等技术参数的选择具有重要的参考意义。论文结合淮南矿区某工作面回采进程,在煤巷中布设测试断面,通过钻孔布置分布式光纤传感器,对煤岩层变形与破坏过程中产生的应变参数进行实测与分析,讨论断面空间岩层变形发育规律及其采动影响特征。井下2个监测钻孔的16组监测数据分析结果表明:工作面回采过程中,底板岩层受采动影响发生变形产生位移特征明显,且受岩层界面控制,变形位置多自层面开始逐渐发育,探查区底板岩层破坏的最大深度达14.1 m,与电阻率CT结果基本一致,且超前应力显现明显,整体监测效果良好。认为分布式光纤测试技术可精确分辨采动作用下岩层的变形演化过程,有利于研究不同条件下岩层受力后发生变形及破裂的规律。     

厚表土层深井卸压开采地面钻井变形破坏及其预防——以淮南顾桥矿为例

以顾桥矿工程实践为基础,结合物理模拟实验和现场监测结果,研究了厚表土层深井卸压开采地面钻井变形破坏及其预防。结果表明:钻井破坏是地面卸压瓦斯抽采失败的关键,采动影响下地面瓦斯抽采井破坏以变形和错断为主,破坏深度不一,主要集中在松散层中下部和基岩中上部;在钻井完好情况下,将钻井终孔位置布置于断层附近、“O”型圈范围内更有利于卸压瓦斯抽采。采动引起的上覆岩层离层、应力集中、竖向破断以及厚表土层“杠杆效应”造成地面瓦斯抽采井破坏,其由下至上多次出现是导致地面井多处变形破坏的主要原因。煤层采动对工作面前方巷帮应力、顶板应力的影响范围分别可达320 m、350 m,对轨顺相对位移影响范围可达工作面前方50m和后方200m,采场中部覆岩与地表之间的相对位移量远大于采场边缘附近,更容易导致井孔破坏。采用“抗”和“让”相结合的井身结构、“上止下泄”固井–完井施工工艺以及合理的井位布置等措施,可有效防止卸压开采地面钻井变形破坏,实现瓦斯稳定高效抽采。      

煤层顶板导水裂缝带高度综合探查技术

新建矿井应进行顶板"两带"实测。采用井下上仰钻孔注水测漏法、井-地联合微震监测法以及UDEC软件数值模拟,综合探查高家堡矿井首采面顶板导水裂缝带发育高度。利用这3种方法获得的工作面停采线附近的导水裂缝带高度数值基本一致,分别为88.03 m、86.54 m和87.00 m,与实际情况相符合。与地面钻孔冲洗液法或井下上仰钻孔注水测漏法探查结果结合起来,井-地联合微震监测具有突出优势,可实现煤层顶板覆岩破坏与变形的时-空动态四维监测,是研究顶板"两带"发育高度及其变化规律的重要方法。      

采空塌陷区管道成灾机理分析及工程防治措施

由地下采空造成地面突然塌陷而构成对管道工程的危害是最严重的管道地质灾害之一。通过对地下采空产生的地表移动和变形对管道的影响和损害的讨论,分析了采空塌陷对管道的危害特征。在分析矿区地表移动与覆岩的破坏规律和采场采动影响下覆岩破坏规律的基础上,研究了采空塌陷区管道成灾机理及影响因素。然后提出了采空区输气管道安全保护措施,对采空塌陷区的油气管道完整性管理工作具有指导意义。     

山区下开采覆岩移动规律及破断机制研究

以海石湾矿山地下开采为背景,借助基于连续介质力学的离散元方法--CDEM数值模拟计算方法,对山区下煤层开采过程中不同采动影响模式下覆岩的移动和破坏进行了模拟分析,并结合相似模拟试验与现场岩移监测所得结果,得到了顺坡推动式采动影响模式及逆坡牵引式采动影响模式下,覆岩的移动和破坏形式,并从数值分析和实际观测上验证了高顺坡开采转低逆坡开采时覆岩悬臂梁结构的存在,解释了坡底局部隆起的现象。研究表明,在相同地质条件下,顺坡开采坡顶易发生张拉及剪切破坏,坡底有剪切蠕滑的可能,因此,较逆坡开采对边坡稳定性影响更大。所以在实际生产中宜将上工业广场建于低矮的坡体较完整的逆坡上。     

浅埋近距离煤层群开采覆岩与地表移动破坏规律研究

为掌握浅埋近距离煤层群下行开采覆岩破坏及裂隙带发育规律,以红柳林煤矿浅埋近距离煤层群开采为例,采用相似材料模拟和数值模拟研究,对浅埋近距离煤层群下行开采的覆岩破坏特征及裂隙带发育高度进行研究,结果表明：2^-2煤开采的初次来压步距约为60m,周期来压步距约为15m; 2^-2煤覆岩关键层破断后,导水裂隙带高度增长速度变大,并直达地表,高度达165m,裂采比大于27.5;多煤层开采下,3^-1、4^-2煤层导水裂隙带高度发育至上覆煤层底板后均发生突增并直达地表,最终导水裂隙带高度为175m,煤层的重复采动使得地表移动和变形值增大,破坏程度增加;多煤层重复采动导致工作面两侧应力释放,较单煤层开采最大应力值变小。研究结果可为近距离多煤层的安全高效开采提供参考。     

高陡临空面附近地下采空区覆岩破坏响应研究

近年来,山区煤矿地下开采诱发地质灾害的问题日益突出。本文以贵州省兴仁市彭家洞高陡采动斜坡为原型,利用离散元数值模拟,研究煤矿开采对斜坡的影响,并分析该类斜坡的覆岩变形破坏特征及损伤规律。研究结果表明：高陡临空斜坡煤层地下开采引起覆岩下部产生的变形以垂直变形为主,且变形近似呈对称状分布,但在覆岩上部的斜坡陡崖部位,由于覆岩不完整,变形传递到该部位时会逐渐产生向临空面方向的水平位移;采空区覆岩损伤产生的裂纹主要为拉张裂缝,且裂纹在覆岩中近似呈“倒梯形”分布,在上山和下山方向的影响边界角分别为56°和68°;该类斜坡地下采空引起的覆岩损伤变形由下至上可分为三个带：冒落带、裂隙带和弯曲带。     

基于覆岩结构效应的导水裂隙带发育特征

为探讨黄陇煤田煤层采动引起的顶板水害问题，以煤层顶板不同覆岩结构采动导水裂隙为研究对象，概化了煤-软-硬-软-硬（组合一）、煤-软-软-硬-硬（组合二）、煤-硬-软-硬-软（组合三）及煤-硬-硬-软-软（组合四）4种典型的岩性组合结构，运用数值模拟和理论计算等方法，分析了不同覆岩组合采动破坏特征和覆岩导水裂隙与覆岩结构之间的相关关系，研究了覆岩结构对导水裂隙发育高度（简称“导高”）的影响规律。研究结果显示:在相同的采高条件下，煤-软-硬-软-硬型覆岩结构导高最小，煤-硬-硬-软-软型覆岩结构导高最大；工程实例表明，黄陇煤田煤层开采导高与采高之间并非简单线性关系，利用覆岩结构效应预测的导高更接近实测值。      

地面变形分布式光纤监测模型试验研究

地面变形监测在防治地面塌陷、地面沉降和地裂缝等危害中有着极其重要的地位。本文采用气囊法对地面变形的发育过程展开了分布式光纤监测模型试验研究,详细介绍了分布式光纤监测的技术原理和试验方案,并对不同工况条件下分布式光纤监测结果进行了对比研究。研究结果表明:分布式光纤监测技术能够有效地捕捉不同条件下土体的变形情况,其马鞍型应变分布曲线能够清晰地定位底部拱形的形成区域以及地面变形可能发育的位置,该技术可应用于地面变形发育过程中土体的变形监测。