采动覆岩变形分布式光纤检测方法技术

本发明专利技术涉及一种采动覆岩变形分布式光纤检测方法，该方法根据采动岩层变形特点，回采工作面上方的地面或回采工作面的进风巷和回风巷顶板中布置钻孔，在钻孔中埋设传感光纤后采用混凝土浆液由里向外进行封孔，并对各钻孔中预留的传感光纤进行串联之后通过传输光缆引到监测室。采动前先对覆岩岩体进行初值测试，随着回采工作面向监测孔推进或远离，测量因采动引起的岩层变形，并把每一频次的监测数据减去初始值作为不同时间段覆岩的变化值。通过监测数据分析，得到覆岩变形的应变分布，确定采动引起的覆岩变形破坏高度和受力状况。该方法具有分布式、精度高、安装简便及成本低廉等优点，适用于各种采动引起的岩土体变形监测领域。

【技术实现步骤摘要】
采动覆岩变形分布式光纤检测方法
本专利技术涉及煤矿采场岩层移动检测方法，特别是一种采动覆岩变形分布式光纤检测方法。主要用于煤层采动时，对岩层变形进行分布式光纤检测，确定采动引起的覆岩变形破坏高度和受力状况。
技术介绍
随着地下煤层的开采，覆岩岩体的应力将发生改变，当其内部拉应力超过岩层的极限抗拉强度时，岩层将出现断裂、滑移和离层等现象，影响巷道安全和地面稳定。因此，准确地检测采动引起的覆岩应变量值和变形破坏高度，对评价巷道安全和地层维护具有重要意义。现有覆岩变形检测技术和方法方面，主要有井下彩色电视系统、地面钻孔超声成像技术、钻孔分段注水法及传感器监测方法等。井下彩色电视系统是把一自带光源的防水摄像探头放入地下钻孔中，根据图像的形态、颜色及光亮等信息，识别岩性、裂隙、空洞、软弱夹层等情况，得到采动裂缝的发育特征。地面钻孔超声成像技术是布置在覆岩的钻孔中发射超声波脉冲，测量回波幅度和传播时间，通过观测采动影响前后孔壁岩性、裂隙、层理等几何形状的变化，得到采动引起的导水裂隙发育高度。钻孔分段注水法是在井下向上布置任意仰角的钻孔，然后进行分段注(放)水，根据注(放)水量判定采动冒裂带高度。传感器监测方法是通过钻孔提前把传感器植入覆岩内部，当采动而岩体发生变形时，会带动传感器同步变形，通过测量传感器的波长、电阻等变化量得到传感器位置处的应力或应变量。以上方法中井下彩色电视系统和地面钻孔超声成像技术在使用中当钻孔淋湿时返回信息模糊、穿过松软层时易塌孔而仪器损坏。钻孔分段注水法存在着测量误差大、检测范围有限等问题，而传统传感器监测方法属于点式监测法，采集的信息在时间和空间上不连续，容易发生漏检。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有采动覆岩变形检测中存在的问题，基于分布式光纤传感技术的长距离、耐久性好、成活率高、抗干扰强和与被测物协调性能好等优点，提供一种方法简单、操作方便、安全可靠的采动覆岩变形分布式光纤检测方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种采动覆岩变形分布式光纤检测方法，其特征在于，包括传感光纤的铺设、采动覆岩变形监测及数据处理等方法，其步骤如下：1)传感光纤的铺设：1.1)布置监测孔，沿采煤回采方向在回采工作面设置钻孔；1.2)铺设传感光纤，将传感光纤呈U字形铺设于监测孔内，其具体步骤为：1.2.1)为钻杆配设配重，配重的纵截面为U形，其顶口设有能够与钻杆内径相吻合插接的连接头，配重的侧壁对称设有凹槽；1.2.2)将传感光纤沿配重的凹槽铺设，通过环氧树脂和固化剂把传感光纤粘贴在配重之中，并把配重安装在钻杆的最前端，而传感光纤沿钻杆外部两侧向远离配重的一端延伸；1.2.3)通过钻杆的推力把传感光纤输送到监测孔的预定埋深，将传感光纤铅直铺设在钻孔内，并在监测孔外部预留传感光纤；1.3)灌浆封孔，通过钻杆向监测孔内注入混凝土浆液，在注浆压力下配重将与钻杆脱离，配重固定于钻孔底部，随着钻杆由内而外的抽出，传感光纤铺设于监测孔内；1.4)传感光纤连到监测室，每个监测孔的预留传感光纤与相邻监测孔的预留传感光纤进行熔接串联为一根，并将通过传输光缆把传感光纤引到监测室；2)采动覆岩变形监测方法与数据处理方法：2.1)根据钻孔埋深、监测距离和采动影响范围，设定仪器的测试范围、频率、精度等参数；2.2)采动前先对覆岩岩体进行初值测试ε0，随着工作面的推进，测量各监测孔处因采动引起的岩层变形量εi(i＝1,2,...,n)，并把每一频次的监测数据减去初值作为某频次采动引起的覆岩变化值Δε＝εi-ε0；2.3)利用传感光纤对应变的敏感特性，当传感光纤与覆岩地层协调变形时，其发生的应变大小认为是覆岩地层的变形量；2.4)基于布里渊频移与传感光纤应变之间的线性关系，通过BOTDR/BOTDA实时监测埋设在覆岩中传感光纤的变形，通过公式：Z＝c·T/2n计算得到传感光纤线路某受力点到BOTDR/BOTDA入射端的距离Z，式中：c为真空中的光速，T/2为发出脉冲光至接收光纤某受力点返回的布里渊散射光的一半时间间隔，n为光纤的折射系数；2.5)当覆岩因采动而发生变形时，通过岩体中布置的传感光纤，得到监测孔沿线的应变分布，分析采动引起的覆岩变形拉应力和超前压应力，确定采动引起的覆岩变形破坏高度和受力状况；2.6)根据回采工作面与监测孔之间距离、覆岩变形特征，设置每天监测采样频次。所述监测孔钻孔方式分为两种：一)是监测孔的孔口位于地面，由上至下钻孔，钻孔深度为地面至回采工作面顶板之间，其布置方式为：沿工作面回采方向每隔10～50m自上而下铅直布置监测孔；二)是监测孔的孔口位于巷道，在巷道顶板处由下至上钻孔，钻孔方向与垂线一致或与垂线呈α角，钻孔深度为巷道上方至导水裂隙带的理论计算高度之间，其布置方式为：对于走向长壁采煤工作面，在回采工作面的进风巷和回风巷巷道顶板，由下而上垂直或沿垂线一定角度布置监测孔，每孔间隔为10～50m。当监测孔方向与垂线一致时，根据传感光纤所受的应变值和地层分布，确定岩层扰动区域；当井下监测孔方向与垂线成α角时，有关岩层扰动区域范围为d＝L·cosα，式中L为钻孔中岩层扰动深度。在钻孔的过程中，采动引起的覆岩中导水裂隙带高度的经验公式为(m)或式中M为开采厚度。所述根据连接要求，监测孔外预留5～30m的传感光纤。所述配重中设置凹槽的宽度和深度分别为7～8mm。所述监测孔为变直径孔，其直径由外向里分阶段缩孔，孔径的变化范围为110～200mm。在步骤1.2.3中，使传感光纤的放置速度与钻杆的移动速度相一致，并对传感光纤给予一定的预应力，确保传感光纤铅直铺设于岩体内部。在步骤1.3中，采用高标号水泥中添加细骨料和速凝剂进行灌浆，灌浆时根据孔径和孔深调整注浆压力和抽出钻杆的速度，以防注浆过程中对传感光纤的损坏。当覆岩变形量大时，采用松套传感光纤或定点式应变感测光缆作为传感器，当采动引起的覆岩变形量小时，采用紧套单模光纤作为传感器。本专利技术的有益效果：本专利技术在回采工作面上方布置钻孔，将传感光纤通过钻杆输送到岩体内部，采用混凝土浆液由里向外进行注浆直至注满孔口，使传感光纤与周围岩体融为一体并同步协调变形，当煤层采动而工作面上方岩体发生变形时，通过整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的变化量进行连续测量，得到后向布里渊散射光频率的漂移量，根据布里渊频移与传感光纤应变之间的线性关系，得到钻孔长度方向采动引起的岩体应变量值，确定采动引起的覆岩变形破坏高度和受力状况，实现采动岩体的有效监测。该方法具有分布式、精度高、安装简便及成本低廉等优点，适用于各种采动引起的覆岩变形监测，在本
内具有广泛的实用性。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的地面布置钻孔分布式光纤检测方法示意图。图2是本专利技术的图1纵剖面图。图3是本专利技术的配重中安装传感光纤示意图。图4是本专利技术的井下布置钻孔分布式光纤检测方法示意图。图5是本专利技术的图4纵剖面图。图6是利用本专利技术地面布置钻孔分布式光纤检测方法获得的采动覆岩应变示意图。图中：1-钻孔，2-传感光纤，3-混凝土浆液，4-传输光缆，5-回采工作面，6-进风巷，7-回风巷，8-钻杆，9-配重。具体实施方式实施例一1)传感光纤2的铺设：1.1)布置监测孔，沿工作面回采方向每隔10～5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采动覆岩变形分布式光纤检测方法，其特征在于，包括传感光纤的铺设、采动覆岩变形监测及数据处理等方法，其步骤如下：1)传感光纤的铺设：1.1)布置监测孔，沿采煤回采方向在回采工作面设置钻孔；1.2)铺设传感光纤，将传感光纤呈U字形铺设于监测孔内，其具体步骤为：1.2.1)为钻杆配设配重，配重的纵截面为U形，其顶口设有能够与钻杆内径相吻合插接的连接头，配重的侧壁对称设有凹槽；1.2.2)将传感光纤沿配重的凹槽铺设，通过环氧树脂和固化剂把传感光纤粘贴在配重之中，并把配重安装在钻杆的最前端，而传感光纤沿钻杆外部两侧向远离配重的一端延伸；1.2.3)通过钻杆的推力把传感光纤输送到监测孔的预定埋深，将传感光纤铅直铺设在钻孔内，并在监测孔外部预留传感光纤；1.3)灌浆封孔，通过钻杆向监测孔内注入混凝土浆液，在注浆压力下配重将与钻杆脱离，配重固定于钻孔底部，随着钻杆由内而外的抽出，传感光纤铺设于监测孔内；1.4)传感光纤连到监测室，每个监测孔的预留传感光纤与相邻监测孔的预留传感光纤进行熔接串联为一根，并将通过传输光缆把传感光纤引到监测室；2)采动覆岩变形监测方法与数据处理方法：2.1)根据钻孔埋深、监测距离和采动影响范围，设定仪器的测试范围、频率、精度等参数；2.2)采动前先对覆岩岩体进行初值测试ε0，随着工作面的推进，测量各监测孔处因采动引起的岩层变形量εi(i＝1,2,...,n)，并把每一频次的监测数据减去初值作为某频次采动引起的覆岩变化值Δε＝εi‑ε0；2.3)利用传感光纤对应变的敏感特性，当传感光纤与覆岩地层协调变形时，其发生的应变大小认为是覆岩地层的变形量；2.4)基于布里渊频移与传感光纤应变之间的线性关系，通过布里渊光时域发射仪/布里渊光时域分析仪(简称BOTDR/BOTDA)实时检测埋设在覆岩中传感光纤的变形，通过公式：Z＝c·T/2n计算得到传感光纤线路某受力点到BOTDR/BOTDA入射端的距离Z，式中：c为真空中的光速，T/2为发出脉冲光至接收光纤某受力点返回的布里渊散射光的一半时间间隔，n为光纤的折射系数；2.5)当覆岩因采动而发生变形时，通过岩体中布置的传感光纤，得到监测孔沿线的应变分布，分析采动引起的覆岩变形拉应力和超前压应力，确定采动引起的覆岩变形破坏高度和受力状况；2.6)根据回采工作面与监测孔之间距离、覆岩变形特征，设置每天监测采样频次。...

【技术特征摘要】
1.一种采动覆岩变形分布式光纤检测方法，其特征在于，包括传感光纤的铺设、采动覆岩变形监测及数据处理方法，其步骤如下：1)传感光纤的铺设：1.1)布置监测孔，沿采煤回采方向在回采工作面设置钻孔，所述监测孔钻孔方式分为两种：一)是监测孔的孔口位于地面，由上至下钻孔，钻孔深度为地面至回采工作面顶板之间，其布置方式为：沿工作面回采方向每隔10～50m自上而下铅直布置监测孔；二)是监测孔的孔口位于巷道，在巷道顶板处由下至上钻孔，钻孔方向与垂线一致或与垂线呈α角，钻孔深度为巷道上方至导水裂隙带的理论计算高度之间，其布置方式为：对于走向长壁采煤工作面，在回采工作面的进风巷和回风巷巷道顶板，由下而上垂直或沿垂线一定角度布置监测孔，每孔间隔为10～50m；1.2)铺设传感光纤，将传感光纤呈U字形铺设于监测孔内，其具体步骤为：1.2.1)为钻杆配设配重，配重的纵截面为U形，其顶口设有能够与钻杆内径相吻合插接的连接头，配重的侧壁对称设有凹槽；1.2.2)将传感光纤沿配重的凹槽铺设，通过环氧树脂和固化剂把传感光纤粘贴在配重之中，并把配重安装在钻杆的最前端，而传感光纤沿钻杆外部两侧向远离配重的一端延伸；1.2.3)通过钻杆的推力把传感光纤输送到监测孔的预定埋深，将传感光纤铅直铺设在钻孔内，并在监测孔外部预留传感光纤；1.3)灌浆封孔，通过钻杆向监测孔内注入混凝土浆液，在注浆压力下配重将与钻杆脱离，配重固定于钻孔底部，随着钻杆由内而外的抽出，传感光纤铺设于监测孔内；1.4)传感光纤连到监测室，每个监测孔的预留传感光纤与相邻监测孔的预留传感光纤进行熔接串联为一根，并通过传输光缆把传感光纤引到监测室；2)采动覆岩变形监测方法与数据处理方法：2.1)根据钻孔埋深、监测距离和采动影响范围，设定布里渊光时域发射仪/布里渊光时域分析仪的测试范围、频率、精度；2.2)采动前先对覆岩岩体进行初值测试ε0，随着工作面的推进，测量各监测孔处因采动引起的岩层变形量εi(i＝1,2,...,n)，并把每一频次的监测数据减去初值作为某频次采动引起的覆岩变化值Δε＝εi-ε0；2.3)利用传感光纤对应变的敏感特性，当传感光纤与覆岩地层协调变形时，其发生的应变大小认为是覆岩地层的变形量；2.4)基于布里渊频移与传感光纤应变之间的线性关系，通过布里渊...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴春德，施斌，魏光庆，袁骏，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32