CN109884055B - 基于光纤的采场覆岩离层监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

基于光纤的采场覆岩离层监测方法

技术领域

本发明涉及一种土壤环境监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤的采场覆岩离层监测方法。

背景技术

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CN103510986 B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。

发明内容

本发明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，本发明采用下述技术方案：

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H_D5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H_D4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H_D3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H_D2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H_D1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h_D5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h_D4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h_D3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h_D2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h_D1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H_D5-h_D5；

4条定点光纤D₁，D₂，D₃，D₄完好时，离层最终发育高度为H_D4-h_D4；

3条定点光纤D₁，D₂，D₃完好时，离层最终发育高度为H_D3-h_D3；

2条定点光纤D₁，D₂完好时，离层最终发育高度为H_D2-h_D2；

1条定点光纤D₁完好时，离层最终发育高度为H_D1-h_D1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明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、本发明基于“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、本发明是基于光纤技术，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、本发明方法的实施简单快捷，探测结果分析准确方便。

5、本发明方法经济实用，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为本发明基于光纤的采场覆岩离层监测方法流程示意图；

图2为本发明“二分法”定点光纤监测设计图；

图3a-图3e为本发明覆岩离层发育监测分析图；

图3a为本发明5条光纤覆岩离层发育监测分析图；

图3b为本发明4条光纤覆岩离层发育监测分析图；

图3c为本发明3条光纤覆岩离层发育监测分析图；

图3d为本发明2条光纤覆岩离层发育监测分析图；

图3e为本发明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发明进一步说明。

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，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供了一种基于光纤的采场覆岩离层监测方法，包含以下步骤，

步骤一、如图2所示，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、如图2所示，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；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、如图3a-图3e所示，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，最大高度H_D5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，最大 高度H_D4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H_D3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H_D2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H_D1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h_D5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h_D4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h_D3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h_D2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h_D1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H_D5-h_D5；

4条定点光纤D₁，D₂，D₃，D₄完好时，离层最终发育高度为H_D4-h_D4；

3条定点光纤D₁，D₂，D₃完好时，离层最终发育高度为H_D3-h_D3；

2条定点光纤D₁，D₂完好时，离层最终发育高度为H_D2-h_D2；

1条定点光纤D₁完好时，离层最终发育高度为H_D1-h_D1。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

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。

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，所述步骤六中，定点光纤被岩层拉断的位置即离层的发育位置。

5.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，所述步骤六中，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，最大高度H_D5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，最大高度H_D4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H_D3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H_D2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H_D1可由D₁定点光纤拉 伸变形量得出。

6.如权利要求5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，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h_D5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h_D4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h_D3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h_D2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h_D1可由D₁定点光纤压缩变形量得出。

7.如权利要求6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，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H_D5-h_D5；

4条定点光纤D₁，D₂，D₃，D₄完好时，离层最终发育高度为H_D4-h_D4；

3条定点光纤D₁，D₂，D₃完好时，离层最终发育高度为H_D3-h_D3；

2条定点光纤D₁，D₂完好时，离层最终发育高度为H_D2-h_D2；

1条定点光纤D₁完好时，离层最终发育高度为H_D1-h_D1。