基于分布式光纤的覆岩变形特征监测试验研究

采动覆岩变形、破坏方式及其内部应力演化规律是采矿工程领域研究的重要问题,通过科学、有效的监测手段对上覆岩层在工作面开采过程中的变形及来压规律进行实时监测至关重要。将分布式光纤水平、垂直埋设在模型内部,监测覆岩变形特征与应力应变状态。结果表明,1-2煤回采过程中,水平传感光纤的"马鞍形"频移曲线反映了覆岩破断的动态变化过程;布里渊频移变化度准确实现了工作面的来压判别;分布式光纤的时空演化规律揭示了整个开采过程中相似模型的应变分布特征。     

分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望

目前国内煤矿普遍采取高强度(大采高)的开采现状，伴随着煤矿开采智能化快速发展，对煤矿安全监测也提出了更高的要求。现有的煤矿巷道一般长达几千米，工作面面积更是能达到几平方千米，很难通过人工方式或使用传统的点态传感器来准确、实时地获取如此大面积的监测信息。由于光纤材质具有易于加工、耐磨性高、耐腐蚀性强、绝缘性好、抵抗地下水和电磁干扰能力强等优点，随着近代光学基础理论及光纤通信的发展，各种光学器件的制造成本也在不断降低，将光纤监测技术用于监测领域是发展的必然结果。而且光纤主要成分为二氧化硅，属于本质安全型传感器，特别适合于在煤矿等高危环境下监测。本文系统总结了各类光纤传感技术的基本原理、优缺点和适用条件，重点介绍了采用光纤光栅及分布式光纤传感技术在煤矿安全监测中进行煤矿立井壁变形、采空区地层沉陷变形、采动覆岩变形、巷道安全及稳定性、煤矿瓦斯监测预警等方面的应用现状，展望了分布式光纤监测技术的应用前景。通过对已有文献的分析，获得了如下结论：光纤传感技术能够满足在不同条件下对煤矿安全监测的基本要求，可以在各种恶劣环境下使用。与现有的传统人工监测、点态传感器等常规测试方式和技术相比，光纤监测技术的...     

采场围岩变形与破坏监测技术研究进展及展望

深部煤炭资源开发面临更多复杂、多变、高难的开采地质问题,采场围岩形态结构是矿井安全生产的重要评价指标之一,开展采场围岩变形与破坏测是判别矿井隐蔽致灾地质问题的重要技术保障。在煤炭工业快速发展的近20余年时间里,围岩体形变监测技术取得了长足的进步,基于矿山采场围岩体变形与破坏的影响因素,按照监测形式对监测技术进行了划分,归纳了当前用于矿山采场围岩变形与破坏监测的钻孔测试技术、地球物理探测技术、光纤监测技术及其他测量技术及其特点,结合煤层顶底板、巷道两帮空间监测的工程应用实例,介绍了不同监测技术的主要进展、优缺点以及适用性,讨论了探测技术的革新趋势和未来矿井安全生产中采场围岩变形与破坏监测技术的发展方向。同时,也认识到现有监测技术虽然已取得显著的监测效果,但是仍不能够满足矿井现代化、智能化生产需要。对于监测技术的进步而言,既需要技术装备的不断优化,更是要跨学科、跨专业科学技术理论的完善与更新。在当前地学大数据、云计算、人工智能新一轮科技创新基础上,今后采场围岩变形与破坏的监测技术必然向多元化、多参数、智慧化、全程监控的方向发展,监测方式也将不断地向可视化、动态化的监测预警模式过渡,融合监测技术发挥多参数的作用将越来越重要。     

采动覆岩全场变形演化过程分布式光纤监测研究

以龙王沟煤矿61601综放工作面为背景,采用分布式光纤传感技术,研究了覆岩变形分布式光纤监测方法,分析了光纤应变曲线变化与采场覆岩变形、破坏、移动过程的对应关系,探讨了采场覆岩导水裂隙带高度和岩层破断角动态发育过程及机理.研究结果表明:光纤应变曲线的变化揭示了各回采阶段上覆岩层的变形过程,曲线的形态主要与光纤和工作面的...     

基于光纤光栅传感技术的覆岩变形演化规律试验研究

为了研究采场覆岩变形和采动压力变化的规律,文章以榆神矿区杭来湾煤矿的地质条件为背景,在实验室搭建3 000 mm×200 mm×1 150 mm物理相似材料模型进行模拟试验,模型中埋设4个光纤光栅传感器,用于实时监测覆岩关键层移动变形和采动支承压力变化的情况。结果表明,光纤光栅传感器位于工作面前方时,其应变曲线与工作面的支承压力有较好的一一对应线性关系;位于工作面后方时,其应变曲线呈波谷状时,而工作面的支承压力呈波峰状,且随着覆岩高度的增大,出现水平错位的现象。结论表明,光纤Bragg光栅传感监测技术在模型试验覆岩关键层内部应变和采动支承压力监测中具有良好的适用性,可为模型试验提供新的监测方法与手段。     

分布式光纤监测的采场巨厚复合关键层变形试验研究

为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律,以义马矿区的地质条件为背景,利用计算机软件(KSPB)判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系,结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模型(3.6 m×2.0 m×2.0 m)进行物理模拟试验,采用压力传感器测试采场支承压力,分布式光纤传感技术(BOTDA)监测覆岩动态变形过程,多点位移计测试岩层内部位移,并将3种测试结果进行综合对比分析。结果表明:复合关键层破断距理论计算值与物理模型试验测量值基本一致,传感光纤频移峰值在数值、位置、形状上的变化可反映覆岩关键层弯曲变形、破断、回转的动态演化过程;当工作面1推进至960 m时,40 m厚亚关键层一细砂岩(煤层上方112 m位置)中的传感光纤V_(11)出现了4次频移峰值,分别为438.98,313.85,304.27和288.97 MHz,发生了4次破断,初次破断距为368 m,周期破断距为186 m,处于垮落带;160 m厚亚关键层二下组巨厚砾岩(煤层上方225 m位置)中的传感光纤V_(12)出现了1次频移峰值,为165.94 MHz,仅发生1次破断,初次破断距为736 m,但结构未失稳,处于裂隙带;250 m厚主关键层上组巨厚砾岩(煤层上方386 m位置)中的传感光纤V_(13)最大频移峰值为38.61 MHz,远远小于光纤V_(11)和V_(12)的频移峰值,仅发生微小弯曲变形,处于弯曲下沉带。工作面2覆岩变形规律与工作面1趋势基本一致,但关键层在工作面1的破断距离比工作面2大。随开采范围增大,巨厚复合关键层自下而上逐步发生破断,会出现同步和非同步破断现象,增大了采场围岩失稳的不确定及控制难度,易诱发矿井动力灾害。     

深井煤矿TBM掘进巷道围岩扰动特性监测研究

以张集煤矿TBM掘进采煤工作面高抽巷为研究对象,采用基于布里渊背向散射的分布式光纤传感技术(BOTDR),监测TBM掘进扰动下围岩的变形、扰动特性。通过在试验巷道前方和侧方施工监测钻孔,安装分布式传感光纤,使传感光纤与围岩变形协调。在TBM掘进过程中,通过监测和分析监测光纤的应变分布特征及其动态变化过程,获得了TBM掘进过程中对围岩的扰动特性。TBM掘进时对掌子面前方的岩石扰动影响范围为5~7 m。在围岩深度4~12 m范围内出现压应变,而在围岩深度12~18 m的范围内出现拉应变,巷道围岩未出现明显的大范围破坏。相较于传统的钻爆法施工,煤矿岩巷TBM法施工掘进效率更高,对围岩扰动更小。     

基于FBG的矿山安全监测传感器特性研究

在FBG传感原理的理论分析基础上,应用FBG传感技术对用于矿山安全监测的光纤中心波长变化特性进行了试验研究。通过采用恒温箱和压力机对安装在岩块上FBG传感器的温度和应变传感特性进行了试验,并对试验结果进行分析。试验结果表明,光纤Bragg光栅的波长随温度和轴向应变的变化呈现出良好的线性关系,且重复性较好。试验验证了光纤Bragg光栅传感技术检测矿山岩块介质温度和应变变化的有效性,为光纤Bragg光栅传感技术在矿山工程结构健康监测提供了理论依据和试验数据,对矿山安全监测具有借鉴作用和重要意义。     

采动力学与岩层控制关键理论及工程应用

研究岩体采动力学响应和岩层控制技术对促进煤炭安全高效开采、保障能源稳定供给具有重要意义,是实现煤炭资源科学开采的理论基础。矿山岩体灾害(围岩变形、冲击地压等)频发,其形成-演化-发生全过程与采动力演化分布、岩层运动、开采扰动和能量演化密切相关。基于实用矿山压力控制理论,提出并阐述了采场岩层控制进展与控制准则,建立了定量分析的力学模型和设计方法,发展了针对性的岩体灾害控制技术,并创新研制了配套试验研究装备。采动力学与岩层控制理论将岩层控制分为采场岩层控制和巷道围岩控制;提出控制或利用采动岩层运动改变致灾条件,给出“给定变形”和“限定变形”准则;调控“3S”因素准则(围岩应力环境、围岩结构属性、围岩支护结构)改变围岩自稳能力。以岩体灾害控制为目标,提出了以“应力主控”为核心的释能主控技术;建立了岩体灾害控制大小原理和弱面判据(安全系数K、冲击危险性系数U);研发了采场矿压机械模拟试验系统、采动力试验系统和蠕变及动力扰动冲击加载试验系统,实现了实验室尺度还原采动力作用下岩体变形-破裂-运动过程,为研究采动力作用下岩体力学响应提供了试验装备;分别从采场岩层控制、地质软岩巷道控制、工程软岩巷道控...     

采动覆岩导水裂隙发育光纤感测与表征模型试验研究

随着国家生态文明建设标准的日益提高,我国西部干旱半干旱地区赋存的浅埋煤层开采引起的生态环境问题愈发严峻。导水裂隙带发育高度探测是与保水开采密切相关的科学问题,是矿山生态损害监测与评价、生态修复策略制定的重要依据。将分布式光纤感测技术应用于相似模型试验,探究采动岩体导水裂隙带发育与光纤检测数据的内在响应关系。针对以往研究中对光纤与采动覆岩在不同开采阶段耦合作用关系分析不足的问题,提出传感光纤与采动岩体的耦合关系量化指标"光纤-岩体耦合系数",通过耦合系数对采动引起的覆岩垂直分带区进行合理划分。研究表明:与光纤接触的不同受力状态岩层介质包括5种:顶部未受采动影响的稳定岩层、稳定关键层上受采动影响存在下移趋势的岩层、离层空域区、采空区矸石区及煤层底板;基于监测数据将覆岩分为4部分:已破坏区、强烈影响区、微弱影响区和未影响区。已破坏区即导水裂隙带,强烈影响区为受采动影响内部应力集中程度极高但结构完整的岩层,即弯曲下沉带。试验得出断裂带与弯曲下沉带分界处耦合系数阈值为0.65;建立了应变曲线形态、导水裂隙带发育高度与关键层活动的内在联系,实现光纤感测表征覆岩分带特征。将光纤传感技术应用于采动引起...     

基于贝叶斯网络的软岩巷道大变形影响因素分析

随着煤炭资源开采的深度和强度的大幅度增加,软岩条件巷道的维护出现了一系列新的控制难题,岩石性质、地应力类型、采场采动、含水层、巷道形状尺寸以及支护方案参数的选择等诸多因素耦合作用影响着软岩的位移量及巷道围岩应力场分布规律。为了实现对巷道围岩状态的实时定量化控制,将巷道监测数据通过全断面扫描仪等传感设备实时传入集控中心,利用贝叶斯神经网络方法进行软岩大变形相关影响因素参数分析,将巷道分段确定导致大变形的最高权重因素,并针对巷道断面形状、支护参数、支护方案以及回采工艺参数四个方面给出及时调整的最优方案。形成监测传感器-设备列车-集控中心-贝叶斯神经网络分析-方案定制-加强支护控制围岩的闭环机电智能化系统。可为类似条件下软岩巷道大变形机理与控制技术研究提供参考。     

超深保护层开采巷道围岩控制技术研究

华丰煤矿1300 m超深保护层回采巷道稳定性控制是影响矿井安全高效生产的关键问题。基于现场地质力学综合测试、围岩非均匀性破坏机理研究,提出了超高强热处理预应力锚杆-锚注联合支护方案。研发了700 MPa级超高强热处理锚杆,其破断强度达850 MPa,冲击吸收功达100 J,并首次在1300 m埋深煤矿巷道进行了工业性试验。开展了巷道锚杆支护力、顶板四点离层与围岩钻孔应力等多参量变化在线监测,分析得出:超深巷道在爆破开挖扰动下,距离掘进工作面80 m后围岩整体变形基本稳定,但围岩深部应力仍然长期蠕变且呈现大幅值增降循环规律。试验结果表明,相比较于同巷顶板全锚索支护方式,锚杆?锚注联合支护下回采超前段巷道变形量整体降低了50%,掘进支护效率提高了20%。     

煤矿动压巷道围岩稳定性协同卸压控制技术研究

煤矿动压巷道围岩的稳定性对矿井安全生产至关重要.为有效控制采动压力影响下的巷道失稳变形,以德通煤矿2201工作面动压巷道为工程背景,对动压巷道破坏现象及围岩应力演化规律等进行分析,结果表明:开采动压周期性叠加使巷道围岩垂直应力集中并呈双峰拱形非对称分布,巷道变形呈抛物线形,应力集中和位移最大区域巷道易失稳.因此,提出以...     

弱胶结软岩巷道围岩应力与位移分布规律及支护技术

针对西部浅埋弱胶结软岩巷道的复杂地质条件,基于X射线衍射试验、电镜扫描、岩石力学物理试验与现场监测,揭示了西部浅埋弱胶结软岩巷道围岩变形破坏失稳机理。根据巷道围岩大变形破坏特征,建立了FLAC3D数值模型,模拟演化了弱胶结软岩巷道的围岩应力位移分布规律和塑性区范围,研究结果表明:弱胶结软岩巷道围岩最大主应力决定了巷道围岩的破坏深度,且随围岩深度近似呈"へ"形分布;巷道围岩不同方向深部变形s与巷道表面距离h呈负指数衰减变化的关系。通过对比分析,数值模拟塑性区范围和地质雷达探测松动圈厚度基本一致,从而为弱胶结软岩巷道围岩稳定性分析及支护加固方案设计提供了科学指导。最后针对弱胶结软岩巷道塑性区范围,提出了"锚网喷主动支护+36U型钢支架+全断面锚注"的联合支护技术,现场监测结果表明改进的支护方案可以有效控制巷道围岩变形及塑性区的扩展,保证了巷道的长期稳定及安全。     

顶煤破坏区采动影响下巷道变形机理与控制技术

为解决顶煤破坏区下破碎围岩巷道变形大、破坏严重的难题，以韩咀矿32103工作面辅运巷为研究对象，采用现场实测及理论分析相结合的方法对巷道围岩应力分布及变形机理进行研究。结果表明：32103辅运巷道顶板存在的顶煤破坏区呈非连续分布，32103辅运巷道围岩应力环境调整及顶煤遗留煤柱与区段煤柱有效承载宽度减小是导致巷道矿压显现明显的主要原因。基于上述探测及理论分析结果，提出以“深浅孔注浆+锚网索”联合支护为主的巷道围岩控制技术及以“架棚+底板卸压”为主的加固技术。现场应用结果表明：采用新支护方案后，32103辅运巷道围岩最大顶底板移近量为70mm，最大两帮收敛量为48mm，支护锚杆未出现破断现象，且锚杆受力与围岩变形均在合理区间，巷道支护效果良好。     

深井高应力巷道围岩强力-分次支护协调控制技术研究

为解决深井高应力巷道围岩变形破坏问题,结合强力支护理论及巷道围岩变形与支护时机关系分析了深井巷道强力-分次支护的力学机制,提出了一次锚网喷、二次全断面锚注配合底板鸟笼锚索相协调的强力-分次支护技术,现场应用实现了深井巷道围岩变形可控。结果表明：随一次强力支护时间延长,深井巷道围岩变形速度先降低后变缓再突然增加,二次支护的最优时机为围岩变形速度变缓阶段。     

回风石门软岩巷道变形破坏机理及其支护对策

针对煤矿回风石门出现严重底臌、折帮和顶沉等非线性大变形破坏现象,且难支护的问题,采用工程地质力学分析、数值模拟和现场试验研究相结合的研究方法,对巷道的变形破坏机理和支护对策进行了深入研究。结果表明,巷道的变形破坏受分子吸水膨胀、胶体膨胀、构造应力、重力、工程偏应力、软弱夹层、层理等多种因素影响,其变形力学机制为IABIIABDIIIBC型。针对该种类型的复合型变形力学机制,提出了相应的转化为单一型的技术对策,数值模拟结果表明该技术对策可有效控制巷道的大变形破坏;提出了恒阻大变形锚杆+金属网+底角注浆锚管+钢纤维混凝土耦合支护方案,现场应用效果良好。     

光纤传感技术在黄金矿山中的应用研究

黄金矿山地下开采时,由于矿区地质条件复杂,地应力比较高等不利因素,给矿山安全生产带来了很大的隐患。对应用光纤传感技术监测岩石应变进行了室内静态试验研究,并对所提监测方法进行了现场应用,取得了良好的应用效果。     

千米深井软岩巷道挤压变形力学特性及控制研究

 为了研究千米深井软岩巷道挤压变形力学特性及控制对策,以淮南朱集煤矿-906m东翼轨道大巷为依托工程开展研究,该巷道为典型的千米深部高地应力软岩巷道,开挖后围岩产生强烈的挤压变形。通过现场地应力测试获取地应力值和室内岩石力学试验获取围岩力学参数,根据Hoek挤压变形等级曲线判断出该巷道变形为非常严重的挤压变形;通过Phase2有限元数值仿真软件分析了该巷道的围岩稳定性,计算结果表明巷道开挖后围岩变形破坏严重,拱顶位移和底臌量大,与现场情况吻合。基于深部岩石巷道围岩稳定性控制理论和“分步联合支护”理念,针对该巷道的挤压变形特点制定了相应的支护方案,其主导思想是增强围岩自身强度和支护结构的抗变形能力,尤其重视底板支护。通过有限元数值软件计算分析和现场监测验证、评价了该支护体系的强度,结果表明所提出的支护方案取得了良好的效果,能够有效的控制围岩挤压变形。