基于光纤的采场覆岩离层监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤的采场覆岩离层监测方法，属于土壤环境监测领域，包括步骤：一、预计覆岩离层发育范围；二、预计覆岩离层发育大小；三、采用5条定点光纤，设计基于“二分法”的采场覆岩离层监测的具体方案：四、定点光纤的定制及埋设；五、监测覆岩离层运动；六、分析检测结果，得出覆岩离层的发育位置、大小及发育规律。本发明专利技术是基于光纤技术，光纤既是传感原件又是传输原件，既能监测离层的拉伸形变，又能监测离层的压缩形变，有利于研究离层扩展‑闭合‑稳定的发育过程，且本发明专利技术采用5条基于“二分法”设计的定点光纤，能准确确定出覆岩离层发育位置和大小，有利于离层的注浆减沉，防治地面塌陷，保护土壤环境。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤的采场覆岩离层监测方法
本专利技术涉及一种土壤环境监测
，尤其涉及一种基于光纤的采场覆岩离层监测方法。
技术介绍
随着煤层开采，采空区周围岩体的应力平衡状态被打破，上覆岩层产生垮落、断裂、弯曲等变形运动，由下往上相继形成冒落带、导水裂缝带、弯曲下沉带，当弯曲下沉带中的离层空间闭合，覆岩运动就发育到地表，地面产生塌陷，给人们的生产、生活、交通等带来巨大的损失，影响生态环境和经济可持续发展。采空区塌陷改变了土壤力学性质和化学性质，破坏耕地、草场，造成地面低洼，常年积水，破坏土壤环境，产生或加剧土壤盐渍化。监测采场覆岩离层，能准确预测离层的分布情况、大小及发育过程，有利于离层的注浆减沉，防治地面塌陷，保护土壤环境。光纤传感技术近年来逐渐应用于变形监测研究领域，比如用于监测大坝混凝土构件、道路、边坡土体、隧道围岩、地面沉降等的变形情况，并取得较好的应用效果。利用光纤连续传输、既能传感又能传输信号的特性，可将光纤传感技术应用于采场上覆岩层离层运动的实时连续监测。如中国专利CN103510986B公开了一种基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统及预警方法，包括地面数据处理及控制子系统、井下数据传输通讯子系统、井下传感数据采集子系统三部分，能实时在线动态连续测量顶板离层，对顶板稳定性进行预警。但该专利巷道顶板相对于工作面采空区顶板来说，覆岩运动较小，监测范围小，离层发育简单，离层高度较小，仅对巷道顶板离层稳定性预警，而不能确定出采场覆岩离层大小变化及发育规律。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于光纤的采场覆岩离层监测方法，采用5条基于“二分法”设计的定点光纤进行监测，该方法操作简单，经济实用，监测结果精确，能准确地确定采场覆岩离层的分布情况、大小及发育规律。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种顶板基于光纤的采场覆岩离层监测方法，包含以下步骤，步骤一、预计覆岩离层发育范围：覆岩离层发育范围以地表为顶界，以导水裂缝带为底界。若煤层埋深为H，采高为h，根据导水裂缝带发育高度的实测数据或经验公式计算得出导水裂缝带高度为H1，离层发育深度为0（地表）～H-H1（导水裂缝带）；步骤二、预计覆岩离层发育大小：不考虑导裂带内岩石的碎胀性，理论上的覆岩离层最大发育高度为h，与采高相等；步骤三、采用5条定点光纤，设计基于“二分法”（用二分法是指把区间不断一分为二求零点的方法，将定点光纤长度4次一分为二进而控制离层的位置和大小）的采场覆岩离层监测具体方案：各光纤孔内长度设计为H-H1+20m，矿用定点光纤的抗拉极限为光纤长度的2％，离层最大发育高度为采高h，此时m的定点光纤能保证光纤不被拉断，并监测离层的发育过程，以此类推，为监测覆岩不同位置不同发育高度的离层，采用“二分法”，4次二分离层最大发育高度h为、、、，设计出5条不同抗拉长度的定点光纤；其中，D1光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为h；D2光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为；D3光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为；D4光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为；D5光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为；步骤四、定点光纤的定制及埋设：在煤层开采至覆岩离层监测点之前，定制完成长度均为H-H1+20m的m、m、m、m、m的定点光纤，并完成定点光纤的预先埋设；步骤五、监测覆岩离层运动：在覆岩离层运动稳定之前，利用分布式光纤应变测量仪测量每条定点光纤的变形情况（包括拉伸和压缩）和光纤长度数据，光纤既是传感原件，又是传输原件，当某层位的离层发育达到定点光纤的抗拉极限，离层下部的光纤信号消失，光纤被拉断；步骤六、分析检测结果，得出覆岩离层的发育位置、大小及发育规律：定点光纤被岩层拉断的位置即离层的发育位置；当离层最大发育高度大于定点光纤的抗拉长度时，光纤即被拉断，根据离层发育位置拉伸形变达到最大时所剩定点光纤，即可判断出离层最大发育高度的范围：5条定点光纤D1，D2，D3，D4，D5都完好时，离层最大发育高度的范围（5条光纤都完好，说拉伸量程最小的光纤都没断，即没达到它的变形极限，所以离层高度发育范围就是），最大高度HD5可由D5定点光纤拉伸变形量得出；4条定点光纤D1，D2，D3，D4完好时，离层最大发育高度的范围，（剩4条光纤时，只可能是拉伸长度大的4条，且拉断了D5说明离层肯定比十六分之h大，比八分之h小；剩下的几条同理）最大高度HD4可由D4定点光纤拉伸变形量得出；3条定点光纤D1，D2，D3完好时，离层最大发育高度的范围，最大高度HD3可由D3定点光纤拉伸变形量得出；2条定点光纤D1，D2完好时，离层最大发育高度的范围，最大高度HD2可由D2定点光纤拉伸变形量得出；1条定点光纤D1完好时，离层最大发育高度的范围，最大高度HD1可由D1定点光纤拉伸变形量得出；离层空间发育到最大以后，离层上部坚硬岩层弯曲使得离层空间逐渐闭合，离层发育稳定之前岩层压缩变形量可以由定点光纤得出：5条定点光纤D1，D2，D3，D4，D5都完好时，离层压缩高度hD5可由D5定点光纤压缩变形量得出；4条定点光纤D1，D2，D3，D4完好时，离层压缩高度hD4可由D4定点光纤压缩变形量得出；3条定点光纤D1，D2，D3完好时，离层压缩高度hD3可由D3定点光纤压缩变形量得出；2条定点光纤D1，D2完好时，离层压缩高度hD2可由D2定点光纤压缩变形量得出；1条定点光纤D1完好时，离层压缩高度hD1可由D1定点光纤压缩变形量得出；发育稳定后的离层高度：5条定点光纤D1，D2，D3，D4，D5都完好时，离层最终发育高度为HD5-hD5；4条定点光纤D1，D2，D3，D4完好时，离层最终发育高度为HD4-hD4；3条定点光纤D1，D2，D3完好时，离层最终发育高度为HD3-hD3；2条定点光纤D1，D2完好时，离层最终发育高度为HD2-hD2；1条定点光纤D1完好时，离层最终发育高度为HD1-hD1。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用定点光纤监测离层，有利于离层的注浆减沉，防治地面塌陷，保护土壤环境。2、本专利技术基于“二分法”设计定点光纤，将监测量程进行4次二分，能准确确定出覆岩离层发育位置和大小。3、本专利技术是基于光纤技术，光纤既是传感原件又是传输原件，既能监测离层的拉伸形变，又能监测离层的压缩形变，有利于研究离层扩展-闭合-稳定的发育过程。4、本专利技术方法的实施简单快捷，探测结果分析准确方便。5、本专利技术方法经济实用，能适用于不同的煤厚、煤层埋深、工作面宽度等情况，便于推广。附图说明图1为本专利技术基于光纤的采场覆岩离层监测方法流程示意图；图2为本专利技术“二分法”定点光纤监测设计图；图3a-图3e为本专利技术覆岩离层发育监测分析图；图3a为本专利技术5条光纤覆岩离层发育监测分析图；图3b为本专利技术4条光纤覆岩离层发育监测分析图；图3c为本专利技术3条光纤覆岩离层发育监测分析图；图3d为本专利技术2条光纤覆岩离层发育监测分析图；图3e为本专利技术1条光纤覆岩离层发育监测分析图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种顶板基于光纤的采场覆岩离层监测方法，其特征是，包含以下步骤，步骤一、预计覆岩离层发育范围：覆岩离层发育范围以地表为顶界，以导水裂缝带为底界；若煤层埋深为H，采高为h，根据导水裂缝带发育高度的实测数据或经验公式计算得出导水裂缝带高度为H1，离层发育深度为0～ H‑H1；步骤二、预计覆岩离层发育大小：不考虑导裂带内岩石的碎胀性，理论上的覆岩离层最大发育高度为h，与采高相等；步骤三、采用5条定点光纤，设计基于“二分法”的采场覆岩离层监测具体方案：各光纤孔内长度设计为H‑H1+20m，矿用定点光纤的抗拉极限为光纤长度的2％，离层最大发育高度为采高h，此时

【技术特征摘要】
1.一种顶板基于光纤的采场覆岩离层监测方法，其特征是，包含以下步骤，步骤一、预计覆岩离层发育范围：覆岩离层发育范围以地表为顶界，以导水裂缝带为底界；若煤层埋深为H，采高为h，根据导水裂缝带发育高度的实测数据或经验公式计算得出导水裂缝带高度为H1，离层发育深度为0～H-H1；步骤二、预计覆岩离层发育大小：不考虑导裂带内岩石的碎胀性，理论上的覆岩离层最大发育高度为h，与采高相等；步骤三、采用5条定点光纤，设计基于“二分法”的采场覆岩离层监测具体方案：各光纤孔内长度设计为H-H1+20m，矿用定点光纤的抗拉极限为光纤长度的2％，离层最大发育高度为采高h，此时m的定点光纤能保证光纤不被拉断，并监测离层的发育过程，以此类推，为监测覆岩不同位置不同发育高度的离层，采用“二分法”，4次二分离层最大发育高度h为、、、，设计出5条不同抗拉长度的定点光纤；步骤四、定点光纤的定制及埋设：在煤层开采至覆岩离层监测点之前，定制完成长度均为H-H1+20m的5条定点光纤，并完成定点光纤的预先埋设；步骤五、监测覆岩离层运动：在覆岩离层运动稳定之前，利用分布式光纤应变测量仪测量每条定点光纤的变形情况和光纤长度数据，光纤既是传感原件，又是传输原件，当某层位的离层发育达到定点光纤的抗拉极限，离层下部的光纤信号消失，光纤被拉断；步骤六、分析检测结果，得出覆岩离层的发育位置、大小及发育规律。2.如权利要求1所述的顶板基于光纤的采场覆岩离层监测方法，其特征是，所述步骤三中5条光纤具体为：D1光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为h；D2光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为；D3光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为；D4光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为；D5光纤为m定点，两定点之间最大拉伸长度为。3.如权利要求2所述的顶板基于光纤的采场覆岩离层监测方法，其特征是，所述步骤四中，定制完成长度均为H-H1+20m的m、m、m、m、m的定点光纤。4.如权利要求1所述的顶板基于光纤的采场覆岩离层监测方法，其特征是，所述步骤五中定点光纤的变形情况包括拉伸和压缩。5.如权利要求1所述的顶板基于光纤的采场覆岩离层监测方法，其特征是，所述步骤六中，定点光纤被岩层拉断的位置即...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏久传，牛会功，谢道雷，徐建国，张秋生，尹会永，张伟杰，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37