一种煤层采动覆岩沉降状态辨识方法与流程

本发明涉及煤层开采引起的覆岩沉降状态辨识方法，特别是基于分布式光纤感测技术的覆岩沉降状态辨识方法。

背景技术：

煤层开采将引发上部岩土体发生变形、破坏并向采空区移动，覆岩中逐渐形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。煤层及工作面的走向、倾向及埋深等因素将影响覆岩的变形范围、破坏程度。因此，确定煤层开采覆岩沉降随时间变化量值，识别覆岩变形破坏状态，对于煤层采动覆岩岩层控制和采空区开发治理具有重要的意义。

现有的煤层开采覆岩沉降监测方法，主要利用全站仪、gps技术、sar技术、insar技术具有的高空间定位、高形变敏感度及高空间分辨率优点，监测煤矿煤层开采区域地表连续沉降，得到煤层开采覆岩沉降分布，但这类方法主要是测量煤层开采区域地面沉降，难以掌握覆岩内部变形状况。采用时域反射计tdr技术和地下氡浓度探测技术的煤层开采覆岩沉降计算研究方面，量测精度的准确性存在一定的误差。煤矿的煤层埋藏深度一般达到几百米，甚至超过上千米，基于位移计、钢筋应力计等点式传感器的测量方法，因埋设传感器的数量有限，容易出现漏检、精度低及易受电磁干扰等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有煤层开采引起的覆岩沉降计算中存在的问题，基于分布式光纤感测技术的覆岩应变分布，提供一种覆岩分带计算、计算模型简便及实时监测的采动覆岩沉降计算方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤层采动覆岩沉降状态辨识方法，包括如下步骤：

步骤1：将传感光纤垂直布置在煤矿煤层之上覆岩内部，并与分布式光纤测试仪器相连，得到覆岩沉降过程中沿监测断面的应变分布；

步骤2：根据覆岩监测断面的应变分布，计算覆岩应变随断面深度的应变梯度，得到煤层开采引起的传感光纤所受剪切应力；

步骤3：根据传感光纤所受剪切应力、覆岩应变分布，判断煤层开采覆岩的导水裂缝带高度，根据经验公式计算综合判别垮落带的发育高度；

步骤4：分别构建垮落带、裂隙带及弯曲下沉带岩土体的沉降计算模型；

步骤5：将采动覆岩应变量值，按覆岩各分带所处位置，代入相对应沉降计算模型，得到煤层开采覆岩沉降量随时间变化曲线，判别沉降稳定状况。

进一步的，步骤2中，根据煤层采动覆岩应变分布，计算传感光纤所受的应变梯度和剪切应力；

有关传感光纤所受剪切应力的计算公式为

式中为由地表沿煤层垂直方向计算传感光纤的应变梯度；

e为传感光纤的弹性模量；

d为传感光纤的直径。

进一步的，步骤3中，剪切应力符号由正转负的最高点对应位置，确定为覆岩中导水裂缝带高度；所述经验公式为“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范”中附表4-1厚煤层分层开采的垮落带高度计算公式。

进一步的，步骤4中，分别构建垮落带、裂隙带及弯曲下沉带岩土体的沉降计算模型；

(1)垮落带岩体的沉降计算模型为

式中，wb(h1)为垮落带高度为h1时岩体沉降；n为垮落带高度h1内光纤监测点个数；λ为分布式光纤测试仪器的采样间距；εm为通过传感光纤所测的垮落带应变测量值；d为岩石损伤因子；为岩石块体间接触参数；k0为初始碎胀系数；

(2)裂隙带岩体的沉降计算模型为

式中，wd(h2)为裂隙带高度为h2时岩体沉降；m为裂隙带高度为h2内光纤监测点个数；σi为应力强度；εi为塑性应变强度；e为岩石弹性模量；

(3)弯曲下沉带及之上岩土体的沉降计算模型为

式中，wc(h3)为弯曲下沉带及之上高度为h3时岩土体沉降；p为弯曲下沉带及之上高度为h3内光纤监测点个数。

进一步的，步骤5中，将各分带的应变量代入相应的计算模型，得到覆岩各分带沉降量，或将各分带沉降量进行累加，得到地面沉降量。将采动覆岩中岩土体沉降随时间的变化率作为稳定性评价标准，判断煤层开采引起的上部中任一段岩土体沉降量随时间的演化规律和稳定状况。

有益效果：本发明通过布置垂直钻孔的方式将传感光纤安装在煤层开采覆岩内部，监测煤层开采过程中覆岩随时间的应变分布，计算传感光纤所受的应变梯度和剪切应力，结合覆岩应变量值和“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范”判识，得到覆岩中垮落带、裂隙带及弯曲下沉带的发育特征。通过构建覆岩各分带沉降计算模型，得到垮落带、裂隙带、弯曲下沉带及之上岩土体的沉降量，结合煤层开采过程和煤矿采空区覆岩各分带沉降量随时间变化率和煤层开采区域地表沉降量随时间变化率，实现覆岩沉降的稳定评价。该方法具有分布式监测、流程简便、识别精度高等优点，适用于掌握煤层开采过程和煤矿采空区覆岩沉降随时间的演化规律和判别沉降稳定性，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2(a)为煤层开采过程中覆岩应变分布图，图2(b)为基于剪切应力的导水裂隙带高度确定，结合“规范”方法确定垮落带高度。

图3为煤层采动覆岩沉降计算流程图。

具体实施例

本发明提供的煤层开采过程和煤矿采空区覆岩沉降计算方法，包括采动覆岩垮落带、裂隙带及弯曲下沉带的划分方法、采动覆岩分区沉降计算模型和沉降演化特征识别方法。

1、采动覆岩覆岩垮落带、裂隙带及弯曲下沉带的划分方法，包括如下步骤：

1.1、传感光纤垂直布置在煤层上覆岩层内，得到煤层开采覆岩变形过程中沿监测断面的应变分布。

(1)煤层开采覆岩监测点进行钻孔开挖后，在地面将传感光纤铅直安装到煤层顶板的覆岩监测深度，再配置与周围岩石强度接近的混凝土浆液进行填充。

(2)将地面预留的传感光纤与分布式光纤解调设备相连，监测煤层采动覆岩随时间的应变量值。

1.2、根据覆岩监测断面的应变分布，计算采动覆岩变形过程中传感光纤所受的应变梯度，得到传感光纤所受的剪切应力。有关传感光纤所受的剪切应力计算公式为

式中e为传感光纤的弹性模量；d为传感光纤的直径；为由地表沿煤层垂直方向传感光纤的应变梯度。

(1)当岩层之间发生离层时，离层上下界面传感光纤所受的剪切应力为相向；当岩层之间发生压缩的时候，压缩面上下界面剪切应力为向背。

(2)根据传感光纤所受的剪切应力分布图，由下而上确定剪切应力方向由正向负改变点所对应的最高位置，当该位置岩层变形处于破坏或临界破坏状态时标记为导水裂缝带高度。根据“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范”中附表4-1厚煤层分层开采的垮落带高度计算公式确定覆岩垮落带高度。

现有技术中导水裂缝带高度根据“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范”中附表4-2厚煤层分层开采的导水裂缝带高度计算公式进行确定。在实际应用中，受煤矿的地质条件、覆岩结构及开采工艺等差异，“规范”推荐的导水裂缝带高度经验公式提供了一定量值范围，难以计算准确高度。下表为大柳塔煤矿导水裂缝带高度的确定对比，由表可见，本实施例提供的计算方法与实测值更接近，而“规范”经验公式计算值包含了实测值和本实施例提供的计算方法。

大柳塔煤矿导水裂缝带高度确定对比表

2、采动覆岩分区沉降计算模型，包括垮落带、裂隙带、弯曲下沉带及之上岩土体的沉降计算模型。

2.1、垮落带岩体的沉降计算模型推导过程为

根据垮落带应力应变关系的经验公式，应变监测点处岩体的应力应变关系为

式中为垮落带岩体垂直应变；e为岩石弹性模量；εm为传感光纤所测的应变；εmax为岩体在轴向方向的最大应变，可由垮落带初始碎胀系数k0计算。

垮落带岩体为破碎状态存在，其压缩变形主要有两种形式。一是岩石块体本身的压缩变形，另一个是岩石与岩石之间排列分布变化引起的空间结构体积压缩。基于此，将垮落带岩体垂直应变与光纤监测应变εm之间的关系为

式中，d为岩石损伤因子；为岩石块体间接触参数，与两个块体之间摩擦面夹角与粗糙程度有关；θ为岩石块体间滑动摩擦面的切线与水平方向的夹角；μ为岩石块体间摩擦系数。

垮落带岩体垂直应变包含了垮落带岩体的连续变形和非连续变形。

垮落带岩体的沉降可由该监测点处应变值与下部岩体所受应变值累加得到，即垮落带岩体中任意高度的沉降计算模型为

式中，wb(h1)为垮落带高度为h1时岩体沉降；n为垮落带高度h1内光纤监测点个数；λ为分布式光纤测试仪器的采样间距。

2.2、裂隙带岩体的沉降计算模型的推导过程为

将损伤区岩体假设为连续变形的弹塑性体，则

式中为监测点岩体的垂直弹性应变；为监测点岩体的垂直塑性应变。

假设煤层开采覆岩损伤区岩体变形符合全量理论，则

根据损伤区岩体弹性应变和损伤岩体的本构方程，得到损伤区岩体应变与损伤区监测点应变εm之间的关系，即

式中σi为应力强度；εi为塑性应变强度；e为岩石弹性模量。

有关裂隙带任意高度岩体的沉降计算模型为

式中，wd(h2)为裂隙带高度为h2时岩体沉降；m为裂隙带高度为h2内光纤监测点个数。

2.3、弯曲下沉带及之上岩土体监测点处应变与真实应变相等，则有关弯曲下沉带及之上岩土体的沉降计算模型为

式中，wc(h3)为弯曲下沉带及之上高度为h3时岩土体沉降；p为弯曲下沉带及之上高度为h3内光纤监测点个数。

3、采动覆岩沉降演化特征识别方法，主要包括覆岩分层沉降和地面总沉降。

3.1根据煤层采动覆岩分带沉降计算公式，计算分带中任一段范围内岩层的沉降量，将各分带沉降量进行累加之后，得到地面总沉降。

3.2覆岩中岩土体沉降的变化率作为稳定性评价标准如下：

(1)当采动覆岩中岩土体沉降变化率逐渐减小，并趋于0的时候，此段处于稳定阶段；

(2)当采动覆岩中岩土体沉降变化率保持不变，此段处于均匀沉降阶段；

(3)当采动覆岩中岩土体沉降变化率逐渐增大时，此段加速沉降阶段。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。