课题组2015年发表的学术论文入选“领跑者5000——中国精品科技期刊顶尖学术论文”

发布时间:2021-12-29来源:地灾感知与能源地下结构课题组浏览次数:287

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论文简介:

张丹, 张平松, 施斌, 王宏宪, 李长圣. 采场覆岩变形与破坏的分布式光纤监测与分析. 岩土工程学报, 2015, 37(5): 952-957.

DOI10.11779/CJGE201505023


目的:垮落带和导水裂缝带的发育高度是合理确定防隔水煤(岩)柱厚度的重要参数,准确得到该参数是保障煤矿安全生产的前提。但是,现有的覆岩变形破坏观测方法还存在不足,如量化程度不够高,难以精确动态地反映采动影响下覆岩变形和破坏的全过程等。垮落带和导水裂缝带是煤层上覆岩体应力、应变状态变化的结果。因此,准确、全面、定量化地掌握覆岩的变形分布及其演化特征对于矿压理论的研究具有重要的理论意义和应用价值。


方法:自风巷向工作面施工2个仰倾超前监测钻孔。1#监测孔用于监测顶板覆岩近竖直方向的变形特征,其仰角为55°,孔深为63 m,控制垂高为51.6 m,控制平距为36.1 m2#监测孔用于监测覆岩近水平方向的变形特征,其仰角为15°,孔深68 m,控制垂高为17.6 m,控制平距为65.7 m。监测钻孔中植入经过机械增强的紧套应变传感光缆,孔口封闭后进行全孔注浆,使传感光缆与围岩同步变形。根据工作面回采进度,采用BOTDR分布式光纤传感技术定期监测钻孔内传感光缆的应变分布,通过分析光缆的应变分布特征、变化规律以及光缆断点位置,得到顶板覆岩的变形和破坏特征,进而推算垮落带和导水裂缝带的高度。

 

结果:随着工作面逐步靠近监测孔,1#监测孔传感光缆总体呈压应变,反映了覆岩受采动影响沿近竖向发生整体压缩,光缆的应变分布与地层具有很好的对应关系。2#监测孔传感光缆总体呈拉应变,拉应变值受采动影响逐渐增大,反映了顶板覆岩有向工作面发生近水平向变形的趋势。随着工作面的推进,顶板覆岩逐步发生变形、破坏、垮落等现象,传感光缆的拉应变量和压应变量逐渐增大,并在覆岩破坏相应位置发生弯折,甚至断裂。根据传感光缆的应变分布特征、光损耗较大的点或者断点所处的层位,结合地层岩性资料,可以推断导水裂缝带的发育高度位于粉砂岩和泥岩的界面处,约为40.0 m,垮落带的发育高度约为12.5 m。导水裂缝带和垮落带的发育高度与根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式得到的高度基本一致。

 

结论:传感光缆的应变分布是不均匀的,处于模量较高的砂岩中的光缆应变变化较小,而处于模量较低的泥岩中的应变较大,传感光缆的应变可以准确反映覆岩的变形特征;经机械增强的紧包应变传感光缆具有很好的感测性能,可以实现在煤层回采过程中对覆岩的变形、破坏过程进行全过程监测;根据传感光缆的应变分布特征、变化过程以及光缆断点的最高位置,结合顶板地层的岩性及组合情况,可以判断垮落带和导水裂缝带的发育高度,为矿压理论研究和工程应用提供了新的技术手段。