同家梁矿工作区底板破裂监测与治理研究

杨志明

（大同煤矿集团有限责任公司 同家梁矿，山西 大同037025）

1 底板变形破坏动态监测

随着开采工作的不断推进，煤矿开采工作面底板会受到压力的作用，出现不同程度的变形破坏。底板破坏呈现3个过程，分别是采前应力集中区、采后膨胀卸压区和采空压缩稳定区。随着采煤工作面的不断推进，地下采空区范围不断变大，采空区周围的围岩受到的集中应力不断增大，底板岩体卸压膨胀后出现底鼓现象，再承受顶板的周期压力使得顶板垮塌掉落，采空区被逐渐填充，达到稳定状态。

光波在光纤中传播会受到温度和压力的影响，发生布里渊频移，使用BOTDR系统对煤层底板动态破坏进行监测。结果显示，在回采过程中，底板岩层从上到下呈现出“压—拉—压”的应变过程。针对岩层开采过程中底板破裂变形情况，应用布里

渊光时域反射技术原理进行动态测量。

1.1 布里渊光时域反射技术原理

布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射2种形式表现出来[1]，如图1所示。发生布里渊散射的原因是单频光和声波发生耦合，光纤中的固有频率使得布里渊光的频率发生未知散射。

图1 布里渊散射光频谱Fig.1 Spectrum of Brillouin scattered light

在入射波长保持不变的情况下，一种规格的光纤对应一个布里渊频移植，并且这个频移植还会受到外界温度环境的影响。当布里渊频移植所受环境温度变化小于2℃时，在理论研究过程中可以忽略这种影响。所以光纤的布里渊频移fB(O)与应变呈正相关，数学表达式为：

式中：ε为光纤的应变；fB(O)为光纤在没有应变时的布里渊频移；CS为光纤布里渊频移的应变系数。

根据BOTRD系统，测得光纤的应变分布，如图2所示。

图2 BOTDR系统应变监测原理Fig.2 Principle of strain monitoring in BOTDR system

1.2 分布式光纤监测方案

测试区域选择在同家梁矿，矿区的水文地质条件和工程地质条件为中等，环境地质条件为不良，开采条件较为困难。选择8-F矿井工作面作为研究对象，该工作面位于同家梁矿109采区。煤层倾斜角平均为5°，煤层的平均厚度为3.6 m，底板的平均厚度为2.4 m。

传感介质选用金属基索状分布式感测光缆，由4层组成，分别是石英裸纤、涂层、金属加强件和塑料保护层，如图3所示。

图3 金属基索状分布式感测光缆Fig.3 Distributed sensing optical cable with metal base wire shape

BOTDR系统的特点是利用光散射，是光在介质中传播时发生的一种普遍现象,是光与物质相互作用的一种表现形式。光在光纤中传播时产生的背向散射主要有瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。基于布里渊散射的分布式光纤温度和应变传感技术，是利用探测脉冲光在光纤中发生的布里渊散射效应来实现对光纤温度和应变的分布式测量。

1.3 监测系统的安装

在矿井工作面的正下方瓦斯抽排巷道内的顶板上，钻2个孔作为监测孔，方位角都为89°，两孔相距70 m，孔深分别为35 m和42 m。第1个孔在断层破碎带的底板岩层内，第2个孔在完整的底板岩层内，如图4所示。

图4 煤层底板应变监测系统Fig.4 Strain monitoring system of coal seam floor

安装过程：钻孔、将监测光缆固定在PVC管壁上制成预埋件、埋设传感预埋件、封孔并埋设注浆管、注浆。

BOTDR监测系统得到的应变数据如图5所示。其中煤层底板岩层的应变初始值作为固定值，每天的采集数据作为动态值，将动态值与固定值做差，得到应变数据。监测范围在孔1测点前80 m到孔2测点后50 m。

图5 底板岩层应变监测曲线Fig.5 Strain monitoring curve of floor strata

2 煤层底板破裂规律

通过预埋金属基索状分布式感测光纤实测数据，更加精细化的揭示了煤层开采底板破断的时空演化特征及底板破坏规律[6]。

随着采煤工作面的不断推进，采空区不断增大，采空区底板会出现凸起，根据底板岩层强度不同，底板凸起的高度也不同。由于采空区底板岩层受到竖直向上的应力作用，底板工作面受到水平应力的作用，所以采空区会产生向上的挤压力。

假设煤层底板岩层在竖直方向上存在挠度，并且采空区底板岩层也存在竖直向上方向的挠度，当底板岩层的挠度大于采空区底板岩层的极限破坏挠度值时，采空区底板发生失稳断裂破坏。根据以上假设，建立煤矿底板力学模型，如图6所示。假设断裂膨胀区两边受均布压力Px，并且膨胀区的四周为简支的矩形板。

图6煤矿底板力学模型Fig.6 Mechanical model of coal mine floor

图6 （a）中矩形板边长分别为a和b，建立直角坐标系，则应满足的边界条件为：

整理得到该力学模型的绕曲-断裂的临界应力σC表达式为：

式中：φ=b/a，a、b分别是矩形板边长；A为矩形板面积；h为煤层厚度；D为杨氏模量。

在煤炭开采过程中，煤矿底板岩层破坏顺序应是从工作面前方的引力集中去开始破坏，达到应力平衡后，断裂向采空区传递，使得采空区底板岩层堆叠变形。再根据BOTDR系统对工作区底板变形进行监测。监测结果如图7所示。可以明显看出，在开采前的38.47 m时，底板岩层应力增加，在29.07 m时达到拉伸断裂应力值，底板工作面开始断裂。随着开采工作的不断进行，底板断裂越来越大，到达采后13.93 m左右，底板岩层应变到达峰值，随后采空区底板发生坍塌。随着塌落的岩石导致岩层应变逐渐降低，最后达到稳定状态。

图7 煤层底板破裂变化Fig.7 Change of seam floor fracture

3 煤层底板破裂治理

由于煤矿底板破裂，导致隔水层破坏，使得地下高承压水涌出。针对这种危害，提出对含水层和底板破裂同时治理的方案。该方案区别于传统充液注浆的方法，单一的充液注浆由于不能保证足够的压力，会使得注浆液扩散范围小和巷道漏浆等问题。本文采用钻孔探查及含水层和导水协同治理相结合的方法。

（1）钻孔探查。通过钻孔的方式对底板含水层富水性进行勘察，得到含水层特水区域的分布情况和底板破裂治理区域的各项参数。

（2）含水层和导水协同治理。通常井下钻孔总是垂直于底板，对竖向隐患治理效果有限。采用定向钻孔，使每个注浆主孔附带很多个分支孔，能够有效探查到更多的隐患，并且可以通过注浆液和漏失量作为指标判断周围是否存在陷落柱和断层等隐患。通过调整注浆压力可以封堵导水构造物，隔断开采工作面和含水层之间的联系。同时向多个分支孔注浆可以加固周围岩体，注浆效果更加明显，并将目的层改造成隔水层。

4 结 论

（1）通过对煤矿底板变形进行动态监测，得到不同时刻不同位置底板岩石的应变情况。在底板数学模型中分析不同开采过程中受到的应力，可以准确得到底板的变形破裂规律。

（2）采用含水层和底板破裂同时治理的方法，有效地避免了在充液注浆过程中井下注浆小、注浆液扩散范围小、返浆和巷道漏浆等情况。尤其可以扩大底板注浆区加固范围和增加隔水层，保证井下正常生产和人员安全。