采動覆巖變形分布式光纖檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，該方法根據(jù)采動巖層變形特點，回采工作面上方的地面或回采工作面的進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷頂板中布置鉆孔，在鉆孔中埋設(shè)傳感光纖后采用混凝土漿液由里向外進(jìn)行封孔，并對各鉆孔中預(yù)留的傳感光纖進(jìn)行串聯(lián)之后通過傳輸光纜引到監(jiān)測室。采動前先對覆巖巖體進(jìn)行初值測試，隨著回采工作面向監(jiān)測孔推進(jìn)或遠(yuǎn)離，測量因采動引起的巖層變形，并把每一頻次的監(jiān)測數(shù)據(jù)減去初始值作為不同時間段覆巖的變化值。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到覆巖變形的應(yīng)變分布，確定采動引起的覆巖變形破壞高度和受力狀況。該方法具有分布式、精度高、安裝簡便及成本低廉等優(yōu)點，適用于各種采動引起的巖土體變形監(jiān)測領(lǐng)域。
【專利說明】采動覆巖變形分布式光纖檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤礦采場巖層移動檢測方法，特別是一種采動覆巖變形分布式光纖檢 測方法。主要用于煤層采動時，對巖層變形進(jìn)行分布式光纖檢測，確定采動引起的覆巖變形 破壞高度和受力狀況。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著地下煤層的開采，覆巖巖體的應(yīng)力將發(fā)生改變，當(dāng)其內(nèi)部拉應(yīng)力超過巖層的 極限抗拉強(qiáng)度時，巖層將出現(xiàn)斷裂、滑移和離層等現(xiàn)象，影響巷道安全和地面穩(wěn)定。因此，準(zhǔn) 確地檢測采動引起的覆巖應(yīng)變量值和變形破壞高度，對評價巷道安全和地層維護(hù)具有重要 意義。
[0003] 現(xiàn)有覆巖變形檢測技術(shù)和方法方面，主要有井下彩色電視系統(tǒng)、地面鉆孔超聲成 像技術(shù)、鉆孔分段注水法及傳感器監(jiān)測方法等。井下彩色電視系統(tǒng)是把一自帶光源的防水 攝像探頭放入地下鉆孔中，根據(jù)圖像的形態(tài)、顏色及光亮等信息，識別巖性、裂隙、空洞、軟 弱夾層等情況，得到采動裂縫的發(fā)育特征。地面鉆孔超聲成像技術(shù)是布置在覆巖的鉆孔中 發(fā)射超聲波脈沖，測量回波幅度和傳播時間，通過觀測采動影響前后孔壁巖性、裂隙、層理 等幾何形狀的變化，得到采動引起的導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度。鉆孔分段注水法是在井下向上布 置任意仰角的鉆孔，然后進(jìn)行分段注（放）水，根據(jù)注（放）水量判定采動冒裂帶高度。傳 感器監(jiān)測方法是通過鉆孔提前把傳感器植入覆巖內(nèi)部，當(dāng)采動而巖體發(fā)生變形時，會帶動 傳感器同步變形，通過測量傳感器的波長、電阻等變化量得到傳感器位置處的應(yīng)力或應(yīng)變 量。
[0004] 以上方法中井下彩色電視系統(tǒng)和地面鉆孔超聲成像技術(shù)在使用中當(dāng)鉆孔淋濕時 返回信息模糊、穿過松軟層時易塌孔而儀器損壞。鉆孔分段注水法存在著測量誤差大、檢測 范圍有限等問題，而傳統(tǒng)傳感器監(jiān)測方法屬于點式監(jiān)測法，采集的信息在時間和空間上不 連續(xù)，容易發(fā)生漏檢。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有采動覆巖變形檢測中存在的問題，基于分布式光纖傳感 技術(shù)的長距離、耐久性好、成活率高、抗干擾強(qiáng)和與被測物協(xié)調(diào)性能好等優(yōu)點，提供一種方 法簡單、操作方便、安全可靠的采動覆巖變形分布式光纖檢測方法。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其 特征在于，包括傳感光纖的鋪設(shè)、采動覆巖變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理等方法，其步驟如下：
[0007] 1)傳感光纖的鋪設(shè)：
[0008] I. 1)布置監(jiān)測孔，沿采煤回采方向在回采工作面設(shè)置鉆孔；
[0009] 1. 2)鋪設(shè)傳感光纖，將傳感光纖呈U字形鋪設(shè)于監(jiān)測孔內(nèi)，其具體步驟為：
[0010] 1.2. 1)為鉆桿配設(shè)配重，配重的縱截面為U形，其頂口設(shè)有能夠與鉆桿內(nèi)徑相吻 合插接的連接頭，配重的側(cè)壁對稱設(shè)有凹槽；
[0011] I. 2. 2)將傳感光纖沿配重的凹槽鋪設(shè)，通過環(huán)氧樹脂和固化劑把傳感光纖粘貼在 配重之中，并把配重安裝在鉆桿的最前端，而傳感光纖沿鉆桿外部兩側(cè)向遠(yuǎn)離配重的一端 延伸；
[0012] 1. 2. 3)通過鉆桿的推力把傳感光纖輸送到監(jiān)測孔的預(yù)定埋深，將傳感光纖鉛直鋪 設(shè)在鉆孔內(nèi)，并在監(jiān)測孔外部預(yù)留傳感光纖；
[0013] 1. 3)灌漿封孔，通過鉆桿向監(jiān)測孔內(nèi)注入混凝土漿液，在注漿壓力下配重將與鉆 桿脫離，配重固定于鉆孔底部，隨著鉆桿由內(nèi)而外的抽出，傳感光纖鋪設(shè)于監(jiān)測孔內(nèi)；
[0014] 1. 4)傳感光纖連到監(jiān)測室，每個監(jiān)測孔的預(yù)留傳感光纖與相鄰監(jiān)測孔的預(yù)留傳感 光纖進(jìn)行熔接串聯(lián)為一根，并將通過傳輸光纜把傳感光纖引到監(jiān)測室；
[0015] 2)采動覆巖變形監(jiān)測方法與數(shù)據(jù)處理方法：
[0016] 2. 1)根據(jù)鉆孔埋深、監(jiān)測距離和采動影響范圍，設(shè)定儀器的測試范圍、頻率、精度 等參數(shù)；
[0017] 2. 2)采動前先對覆巖巖體進(jìn)行初值測試ε ^，隨著工作面的推進(jìn)，測量各監(jiān)測孔處 因采動引起的巖層變形量ε i (i = 1，2, ...，η)，并把每一頻次的監(jiān)測數(shù)據(jù)減去初值作為某 頻次采動引起的覆巖變化值Δ ε = Ei-Etl;
[0018] 2. 3)利用傳感光纖對應(yīng)變的敏感特性，當(dāng)傳感光纖與覆巖地層協(xié)調(diào)變形時，其發(fā) 生的應(yīng)變大小認(rèn)為是覆巖地層的變形量；
[0019] 2. 4)基于布里淵頻移與傳感光纖應(yīng)變之間的線性關(guān)系，通過B0TDR/B0TDA實時監(jiān) 測埋設(shè)在覆巖中傳感光纖的變形，通過公式：Z = c ·Τ/2η計算得到傳感光纖線路某受力點 到B0TDR/B0TDA入射端的距離Ζ，式中：c為真空中的光速，Τ/2為發(fā)出脈沖光至接收光纖某 受力點返回的布里淵散射光的一半時間間隔，η為光纖的折射系數(shù)；
[0020] 2. 5)當(dāng)覆巖因采動而發(fā)生變形時，通過巖體中布置的傳感光纖，得到監(jiān)測孔沿線 的應(yīng)變分布，分析采動引起的覆巖變形拉應(yīng)力和超前壓應(yīng)力，確定采動引起的覆巖變形破 壞高度和受力狀況；
[0021] 2. 6)根據(jù)回采工作面與監(jiān)測孔之間距離、覆巖變形特征，設(shè)置每天監(jiān)測采樣頻次。
[0022] 所述監(jiān)測孔鉆孔方式分為兩種：一）是監(jiān)測孔的孔口位于地面，由上至下鉆孔，鉆 孔深度為地面至回采工作面頂板之間，其布置方式為：沿工作面回采方向每隔10?50m自 上而下鉛直布置監(jiān)測孔；二）是監(jiān)測孔的孔口位于巷道，在巷道頂板處由下至上鉆孔，鉆孔 方向與垂線一致或與垂線呈α角，鉆孔深度為巷道上方至導(dǎo)水裂隙帶的理論計算高度之 間，其布置方式為：對于走向長壁采煤工作面，在回采工作面的進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷巷道頂板， 由下而上垂直或沿垂線一定角度布置監(jiān)測孔，每孔間隔為10?50m。
[0023] 當(dāng)監(jiān)測孔方向與垂線一致時，根據(jù)傳感光纖所受的應(yīng)變值和地層分布，確定巖層 擾動區(qū)域；當(dāng)井下監(jiān)測孔方向與垂線成α角時，有關(guān)巖層擾動區(qū)域范圍為d = L · cos α， 式中L為鉆孔中巖層擾動深度。
[0024] 在鉆孔的過程中，采動引起的覆巖中導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗公式為

【權(quán)利要求】
1. 一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，包括傳感光纖的鋪設(shè)、采動覆 巖變形監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理等方法，其步驟如下： 1) 傳感光纖的鋪設(shè)： 1.1) 布置監(jiān)測孔，沿采煤回采方向在回采工作面設(shè)置鉆孔； 1.2) 鋪設(shè)傳感光纖，將傳感光纖呈U字形鋪設(shè)于監(jiān)測孔內(nèi)，其具體步驟為： 1.2. 1)為鉆桿配設(shè)配重，配重的縱截面為U形，其頂口設(shè)有能夠與鉆桿內(nèi)徑相吻合插 接的連接頭，配重的側(cè)壁對稱設(shè)有凹槽； 1. 2. 2)將傳感光纖沿配重的凹槽鋪設(shè)，通過環(huán)氧樹脂和固化劑把傳感光纖粘貼在配 重之中，并把配重安裝在鉆桿的最前端，而傳感光纖沿鉆桿外部兩側(cè)向遠(yuǎn)離配重的一端延 伸； 1. 2. 3)通過鉆桿的推力把傳感光纖輸送到監(jiān)測孔的預(yù)定埋深，將傳感光纖鉛直鋪設(shè)在 鉆孔內(nèi)，并在監(jiān)測孔外部預(yù)留傳感光纖； 1. 3)灌漿封孔，通過鉆桿向監(jiān)測孔內(nèi)注入混凝土漿液，在注漿壓力下配重將與鉆桿脫 離，配重固定于鉆孔底部，隨著鉆桿由內(nèi)而外的抽出，傳感光纖鋪設(shè)于監(jiān)測孔內(nèi)； 1. 4)傳感光纖連到監(jiān)測室，每個監(jiān)測孔的預(yù)留傳感光纖與相鄰監(jiān)測孔的預(yù)留傳感光纖 進(jìn)行熔接串聯(lián)為一根，并將通過傳輸光纜把傳感光纖引到監(jiān)測室； 2) 采動覆巖變形監(jiān)測方法與數(shù)據(jù)處理方法： 2. 1)根據(jù)鉆孔埋深、監(jiān)測距離和采動影響范圍，設(shè)定儀器的測試范圍、頻率、精度等參 數(shù)； 2.2) 采動前先對覆巖巖體進(jìn)行初值測試％，隨著工作面的推進(jìn)，測量各監(jiān)測孔處因采 動引起的巖層變形量e , (i = 1，2,. . .，n)，并把每一頻次的監(jiān)測數(shù)據(jù)減去初值作為某頻次 采動引起的覆巖變化值A(chǔ) e = e r e ^ ; 2. 3)利用傳感光纖對應(yīng)變的敏感特性，當(dāng)傳感光纖與覆巖地層協(xié)調(diào)變形時，其發(fā)生的 應(yīng)變大小認(rèn)為是覆巖地層的變形量； 2. 4)基于布里淵頻移與傳感光纖應(yīng)變之間的線性關(guān)系，通過布里淵光時域發(fā)射儀/布 里淵光時域分析儀（簡稱BOTDR/BOTDA)實時檢測埋設(shè)在覆巖中傳感光纖的變形，通過公 式：Z = c ? T/2n計算得到傳感光纖線路某受力點到BOTDR/BOTDA入射端的距離Z，式中：c 為真空中的光速，T/2為發(fā)出脈沖光至接收光纖某受力點返回的布里淵散射光的一半時間 間隔，n為光纖的折射系數(shù)； 2. 5)當(dāng)覆巖因采動而發(fā)生變形時，通過巖體中布置的傳感光纖，得到監(jiān)測孔沿線的應(yīng) 變分布，分析采動引起的覆巖變形拉應(yīng)力和超前壓應(yīng)力，確定采動引起的覆巖變形破壞高 度和受力狀況； 2. 6)根據(jù)回采工作面與監(jiān)測孔之間距離、覆巖變形特征，設(shè)置每天監(jiān)測采樣頻次。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，所述監(jiān) 測孔鉆孔方式分為兩種：一）是監(jiān)測孔的孔口位于地面，由上至下鉆孔，鉆孔深度為地面至 回采工作面頂板之間，其布置方式為：沿工作面回采方向每隔10?50m自上而下鉛直布置 監(jiān)測孔；二）是監(jiān)測孔的孔口位于巷道，在巷道頂板處由下至上鉆孔，鉆孔方向與垂線一 致或與垂線呈a角，鉆孔深度為巷道上方至導(dǎo)水裂隙帶的理論計算高度之間，其布置方式 為：對于走向長壁采煤工作面，在回采工作面的進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷巷道頂板，由下而上垂直或 沿垂線一定角度布置監(jiān)測孔，每孔間隔為10?50m。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，當(dāng)監(jiān)測 孔方向與垂線一致時，根據(jù)傳感光纖所受的應(yīng)變值和地層分布，確定巖層擾動區(qū)域和受力 大小；當(dāng)井下監(jiān)測孔方向與垂線成a角時，有關(guān)巖層擾動區(qū)域范圍為d = L*c〇s a，式中L 為鉆孔中巖層擾動深度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，采動引 起的覆巖中導(dǎo)水裂隙帶高度的經(jīng)驗公式戈
式 中M為開采厚度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，根據(jù)連 接要求，監(jiān)測孔外預(yù)留5?30m的傳感光纖。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，所述配 重中設(shè)置凹槽的寬度和深度分別為7?8mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，所述監(jiān) 測孔為變直徑孔，其直徑由外向里分階段縮孔，孔徑的變化范圍為110?200_。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，在步驟 1. 2. 3中，使傳感光纖的放置速度與鉆桿的移動速度相一致，并對傳感光纖給予一定的預(yù)應(yīng) 力，確保傳感光纖鉛直鋪設(shè)于巖體內(nèi)部。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，在步驟 1. 3中，采用高標(biāo)號水泥中添加細(xì)骨料和速凝劑進(jìn)行灌漿，灌漿時根據(jù)孔徑和孔深調(diào)整注漿 壓力和抽出鉆桿的速度，以防注漿過程中對傳感光纖的損壞。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種采動覆巖變形分布式光纖檢測方法，其特征在于，當(dāng)覆巖 變形量大時，采用松套傳感光纖或定點式應(yīng)變感測光纜作為傳感器，當(dāng)采動引起的覆巖變 形量小時，采用緊套單模光纖作為傳感器。
【文檔編號】G01B11/16GK104315988SQ201410530675
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】樸春德, 施斌, 魏光慶, 袁駿 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)