CN113775377B - 基于botda的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***及方法 - Google Patents

基于botda的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及矿业工程技术领域，公开了基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***，包括分布式光纤传感监测***，包括感知对象及传感元件、解调及信号调制***和数据分析及信号传输***；其中，所述感知对象及传感元件包括矿井采区变电所光缆交接柜和感知岩体，所述感知岩体内设有倾向方向钻孔和走向方向钻孔，所述倾向方向钻孔、走向方向钻孔内均设有PVC管，两个PVC管的外壁均排布有两个分布式传感光缆，且矿井采区变电所光缆交接柜和分布式传感光缆之间通过传输光缆连接。本发明可对复杂条件下保护层开采下伏煤岩体卸压范围进行分析，可实现卸压范围分布式、长距离实时动态监测。

Description

基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***及 方法
技术领域
本发明涉及矿业工程技术领域，尤其涉及基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***及方法。
背景技术
保护层开采技术是煤层群开采防治冲击地压最有效、最经济的区域性措施之一，该技术方法可最大限度的避免与冲击性煤层直接“短兵相接”的状态，提高了冲击地压防治技术措施的安全性。随着保护层开采防治冲击地压技术的推广及应用，保护层开采卸压范围直接影响了卸压效果及被保护层工作面布置方式，保护层开采下伏煤岩体就是感知岩体。因此，对保护层开采煤岩体卸压范围的实时监测具有非常重要的意义。
保护层开采煤岩体卸压范围监测方法比较的单一，主要通过被保护层的采动应力大小来确定，多使用传统的电阻式、液压式压力计或者压力盒，这些监测传感器及方法已大量使用，并已有成熟的技术。但对于矿业工程地下开采，这些传感器仍存在防潮、防水、抗干扰性能差、不能分布式感知监测等缺点，不能很好满足矿业工程的实时监测需要。而且整个监测过程数据采集复杂、周期较长、设备安装极其繁琐，无法对整个过程进行长期有效的检测。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在防潮、防水、抗干扰性能差，不能分布式感知监测的缺点，而提出的基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***及方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，应用如基于 BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***实现，包括分布式光纤传感监测***，包括感知对象及传感元件、解调及信号调制***和数据分析及信号传输***；
其中，所述感知对象及传感元件包括矿井采区变电所光缆交接柜和感知岩体，所述感知岩体内设有倾向方向钻孔和走向方向钻孔，所述倾向方向钻孔、走向方向钻孔内均设有PVC管，两个PVC管的外壁均排布有两个分布式传感光缆，且矿井采区变电所光缆交接柜和分布式传感光缆之间通过传输光缆连接，所述分布式传感光缆用于全部接入矿用传输光缆中，最终连接至采区变电所光纤交接柜中，实现分布式光纤传感光缆接入井下工业环网，最终实现矿井地面监测监控中心实时采集光纤传感信号；
其中，所述解调及信号调制***和数据分析***及信号传输电性连接，所述解调及信号调制***包括光开关和BOTDA动态解调仪，且光开关和 BOTDA动态解调仪电性连接，所述BOTDA动态解调仪用于采集应变数据；
所述PVC管的底端固定连接有导头，所述导头的外壁设有呈十字排布的两个光缆槽，且两个分布式传感光缆分别排布在光缆槽内，所述光缆槽的外壁设有两个呈十字排布的金属挡片，且金属挡片与光缆槽相对应，所述导头远离金属挡片的一端延伸至PVC管内，所述PVC管和分布式传感光缆的外壁缠绕有电工胶带，所述PVC管的外壁设有两个弧形管，两个所述的外壁缠绕有两个扎带，所述PVC管的外壁设有多个花孔，具体包括以下步骤：
S1、钻孔定位，为了监测保护层开采下伏煤岩体卸压范围，分别沿走向和倾向方向布设钻孔；
S2、钻孔施工：
S21、钻孔孔径应大于等于110mm；
S22、钻孔的定焦偏斜不得超过1°；
S23、钻井过程中，防止钻孔坍塌，保证钻井质量；
S24、在钻孔成孔后，应对钻孔进行一次扫孔处理；
S3、分布式传感光缆回转导头安装，将两根分布式传感光缆沿导头预留的光缆槽布设，两者呈“十字”交叉型，并用金属挡片安装在分布式传感光缆外侧，将光缆槽内的分布式传感光缆从外侧引出，并用扎带和电工胶带固定， PVC管管口与导头连接处进行保护；
S4、分布式传感光缆组装，将定点式分布式传感光缆沿着50mm直径的 PVC管外侧径向布设，在PVC管两通连接位置处加密绑扎固定；
S5、分布式传感光缆植入岩体，向钻孔植入分布式传感光缆，1人负责分布式传感光缆，1人负责续接PVC管和连接两通，2人负责绑扎扎带和缠电工胶带，1人负责拿稳PVC管，用力向钻孔推入；
S6、分布式传感光缆钻孔注浆，分布式传感光缆下放至孔底后开始进行注浆，注浆工艺流程为：拌和、搅拌、浆液加压、浆液注入；
S7、尾纤熔接及保护，注浆结束后，将孔口多余的PVC管用钢锯截掉，然后将穿入钢丝管的光缆沿底板槽布设，并用混泥土浆液涂覆保护；
S8、分布式光纤传感监测***连接，采用光纤熔接机将钻孔中的分布式光纤传感光缆全部熔接到矿用传输光缆上；
S9、分布式光纤传感监测***精度分析及空间定位，光纤传感监测***参数设置好后，将测量模式调试为连续测量，对钻孔的分布式光纤传感***进行一次连续性测量，测得20组测量数据，将仪器采集到的应变数据与实际空间位置进行对应；将仪器采集到的应变数据经过以下公式计算，感知岩体最大破坏垂直距离即为卸压范围，感知岩体最大破坏垂直距离Smax为：
Figure GDA0003976529020000031
式中，σc—煤层单轴抗压强度，MPa；H—埋深，m；k—感知岩体超前支承压力集中系数，可由光纤监测数据获得；Km—与内摩擦角相关的系数，m—煤层采高；
Figure GDA0003976529020000032
为感知岩体内摩擦角；γ为岩石平均容重；
感知岩体会发生不同程度的覆岩变形，可利用钻孔中的分布式传光缆的应变值对感知岩体的变形进行表征，感知岩体产生大变形时，分布式传光缆的应变大；
由式(2)可以计算得到感知岩体超前支承压力集中系数，即通过前后两次测的应变值差表征岩层的变形程度，即当光纤应变变化度越大，岩层运动越剧烈，感知岩体超前支承压力集中系数由分布式光纤监测应变数据求得：
Figure GDA0003976529020000041
式中，Dmax为第i次煤层开采时的光纤平均应变变化度；D0为煤层开采前的光纤平均应变变化度；nf表示光纤上的测试点总数，εi为第i次煤层开采时的应变值，εi-1是第i-1次煤层开采时的应变值；
通过煤矿实际地质资料，获知煤矿保护层煤厚m，煤体内聚力C，岩石平均容重γ，采深H，感知岩体内摩擦角
Figure GDA0003976529020000042
与内摩擦角相关的系数Km以及由基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***获得的光纤监测数据，代入式(2)求得感知岩体超前支承压力集中系数，然后将上述参数代入公式(1)就可以计算得到保护层开采感知岩体最大破坏垂直距离，感知岩体最大破坏垂直距离即为卸压范围；
通过采用上述步骤可以实现保护层开采下伏煤岩体卸压范围的评估，进而实现对保护层开采下伏煤岩体卸压范围的监测。
进一步的，所述感知对象及传感元件和解调及信号调制***电性连接，解调及信号调制***和数据分析***及信号传输电性连接。
进一步的，所述数据分析***及信号传输包括服务器、第一监测终端和第二监测终端，且第一监测终端和第二监测终端均与服务器电性连接。
进一步的，所述花孔的直径为4mm-6mm。
进一步的，所述PVC管的直径为50mm-100mm，所述PVC管的长度为1900mm-2100mm。
进一步的，所述金属挡片远离导头的一侧设有螺栓，且螺栓靠近导头的一端与导头螺纹连接，通过螺栓能够将金属挡片固定在导头上，防止金属挡片从导头上脱离。
进一步的，所述分布式传感光缆沿着PVC管的外侧呈径向排布，且多个扎带等距缠绕在PVC管的外壁，通过扎带将分布式传感光缆固定在PVC管的外壁。
进一步的，所述金属挡片位于分布式传感光缆的外侧，通过光缆槽和金属挡片的配合能够将分布式传感光缆覆盖，避免将导头放入走向方向钻孔和倾向方向钻孔的过程中受周边钻孔摩擦阻力的影响而发生磨损或滑脱。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明中，为复杂条件下保护层开采卸压范围的长期、有效的监测提供可能，保护层开采多处于矿井具有冲击地压灾害等复杂条件下，传统监测设备很难对保护层开采煤岩体变形进行长期、有效的监测；然而对于分布式光纤传感器来说，它具有的各种特性，可在各种恶劣的自然环境下，有效工作达十年以上，可以实现监测的长期耐久性。
2、本发明中，实现保护层开采煤岩体卸压范围的长距离分布式监测，能够有效的解决现有的监测方法在长期监测中稳定性比较差、不能实现远距离实时信号传输、分布式测量，且监测过程中受外界影响因素的干扰较大造成其结果的误差较大的局限性，分布式光纤传感技术以其自身特点，实现了保护层卸压范围及范围长距离、准分布式、实时监测。
3、本发明中，首次通过分布式光纤应变监测数据获取到保护层开采感知岩体最大破坏垂直距离，实现保护层开采煤岩体卸压范围的评估。
4、通过在分布式光纤传感底端设置导头，将两根分布式传感光缆沿导头预留的光缆槽布设，两者呈“十字”交叉型，并用金属挡片安装在分布式传感光缆外侧，将光缆槽内的分布式传感光缆从外侧引出，并用扎带和电工胶带固定，PVC管管口与导头连接处进行保护，能够将为分布式传感光缆的弯折提供大的弯折半径，避免在PVC管折断打结，更好的保护分布式传感光缆，进而更好的实现应变数据的采集。
本发明中，通过使用分布式光纤传感技术能够对保护层开采煤岩体变形进行长期、有效的监测，且能够对不同情况的保护层开采煤岩体变形进行监测，另外还可以对保护层开采煤岩体卸压范围的长距离进行分布式监测，还可对复杂条件下保护层开采下伏煤岩体卸压范围进行分析，可实现卸压范围分布式、长距离实时动态监测。
附图说明
图1是本发明的保护层开采煤岩体卸压范围监测的分布式光纤传感监测***结构框架图。
图2是本发明的PVC管的三维图。
图3是本发明的分布式传感光缆、导头与PVC管连接结构的三维图。
图4是本发明的分布式传感光缆、导头与PVC管连接结构主视剖视图。
图5是本发明的分布式光纤传感光缆组装结构示意图。
图6是本发明的光纤孔注浆工艺流施工图。
图7是本发明的其中一个分布式传感光缆监测精度数据分析图。
图8是本发明的另一个分布式传感光缆监测精度数据分析图。
图9是分布式传感光缆应变数据测试结果示意图。
图中：1、感知对象及传感元件；2、解调及信号调制***；3、数据分析及信号传输***；4、走向方向钻孔；5、倾向方向钻孔；6、PVC管；7、分布式传感光缆；8、导头；9、花孔；10、感知岩体；11、传输光缆；12、矿井采区变电所光缆交接柜；13、光开关；14、BOTDA动态解调仪；15、服务器；16、第一监测终端；17、第二监测终端；18、光缆槽；19、弧形管；20、扎带；21、电工胶带；22、金属挡片；23、螺栓。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本公开的一个示例性实施例提供了，基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***，如图1-9所示，包括感知对象及传感元件1、解调及信号调制***2和数据分析及信号传输***3；感知对象及传感元件1和解调及信号调制***2电性连接，解调及信号调制***2和数据分析及信号传输***3电性连接。
其中，感知对象及传感元件1包括矿井采区变电所光缆交接柜12和感知岩体10，感知岩体10就是保护层开采下伏煤岩体，感知岩体10是位于开采煤岩体的保护层与被保护层之间的部分，感知岩体10内设有倾向方向钻孔5 和走向方向钻孔4，倾向方向钻孔5、走向方向钻孔4内均设有PVC管6，两个PVC管6的外壁均排布有两个分布式传感光缆7，且矿井采区变电所光缆交接柜12和分布式传感光缆7之间通过传输光缆11连接，分布式传感光缆7 用于全部接入矿用传输光缆11中，最终连接至矿井采区变电所光纤交接柜12 中，实现分布式光纤传感光缆7接入井下工业环网，最终实现矿井地面监测监控中心实时采集光纤传感信号；PVC管6的直径为50mm-100mm，PVC管 6的长度为1900mm-2100mm；
其中，解调及信号调制***2和数据分析及信号传输***3电性连接，解调及信号调制***2包括光开关13和BOTDA动态解调仪14，且光开关 13和BOTDA动态解调仪14电性连接，BOTDA动态解调仪14用于采集应变数据，光开关13是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，光开关13基本的形式是2X2即入端和出端各有两条光纤，倾向方向钻孔5和走向方向钻孔4的 PVC管6内的分布式光纤传感光缆7的两端分别通过四根传输光缆11连接在 2X2的光开关13上，然后通过两根光缆连接到BOTDA动态解调仪14上。
数据分析及信号传输***3包括服务器15、第一监测终端16和第二监测终端17，且第一监测终端16和第二监测终端17均与服务器15电性连接， BOTDA动态解调仪14将采集的应变数据通过服务器15传输到第一监测终端 16和第二监测终端17，其中，第一监测终端16为煤矿井上控制室内控制台，第二监测终端17为煤矿井下工作人员手机。
PVC管6的底端固定连接有导头8，导头8的外壁设有呈十字排布的两个光缆槽18，且两个分布式传感光缆7分别排布在光缆槽18内，光缆槽18 的外壁设有两个呈十字排布的金属挡片22，且金属挡片22与光缆槽18相对应，导头8远离金属挡片22的一端延伸至PVC管6内，PVC管6和分布式传感光缆7的外壁缠绕有电工胶带21，PVC管6的外壁设有两个弧形管19，两个的外壁缠绕有两个扎带20，PVC管6的外壁设有多个花孔9；花孔9的直径为4mm-6mm，通过设置的导头8能够使得整根分布式传感光缆7在PVC 管6底端弯折时，为分布式传感光缆7的弯折提供大的弯折半径，避免在PVC 管6折断打结，更好的保护分布式传感光缆7，进而更好的实现应变数据的采集。
金属挡片22远离导头8的一侧设有螺栓23，且螺栓23靠近导头8的一端与导头8螺纹连接，通过螺栓23能够将金属挡片22固定在导头8上，防止金属挡片22从导头8上脱离。
分布式传感光缆7沿着PVC管6的外侧呈径向排布，且多个扎带20等距缠绕在PVC管6的外壁，通过扎带20将分布式传感光缆7固定在PVC管 6的外壁。
金属挡片22位于分布式传感光缆7的外侧，通过光缆槽18和金属挡片 22的配合能够将分布式传感光缆7覆盖，避免将导头8放入走向方向钻孔4 和倾向方向钻孔5的过程中受周边钻孔摩擦阻力的影响而发生磨损或滑脱。
通过采用上述技术方案：通过在分布式光纤传感7底端设置导头8，将1 根分布式传感光缆7沿导头8预留的光缆槽18布设，放置在十字排布的任意一个光缆槽18中，并用金属挡片22安装在分布式传感光缆7外侧，将光缆槽18内的分布式传感光缆7从外侧引出，并用扎带20和电工胶带固定，PVC 管6管口与导头8连接处进行保护，能够将为分布式传感光缆7的弯折提供大的弯折半径，避免在PVC管6折断打结，更好的保护分布式传感光缆7，进而更好的实现应变数据的采集。
基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，具体包括以下步骤：
S1、钻孔定位，为了监测保护层开采下伏煤岩体卸压范围，分别沿走向和倾向方向布设钻孔；
S2、钻孔施工：
S21、钻孔孔径应大于等于110mm；
S22、钻孔的定焦偏斜不得超过1°；
S23、钻井过程中，防止钻孔坍塌，保证钻井质量；
S24、在钻孔成孔后，应对钻孔进行一次扫孔处理；
S3、分布式传感光缆7回转导头8安装，将1根分布式传感光缆7沿导头8预留的光缆槽18布设，放置在十字排布的任意一个光缆槽18中，并用金属挡片22安装在分布式传感光缆7外侧，将光缆槽18内的分布式传感光缆7从外侧引出，并用扎带20和电工胶带固定，PVC管6管口与导头8连接处进行保护；进一步的，在进行测试时可以根据需要选择一根或者两根分布式传感光缆7进行安装，当需要两根分布式传感光缆7时，可以将两根分布式光纤传感光缆中点位置沿金属导头8预留的光缆槽18布设，两者呈“十字”交叉型；
具体的，如图2-4所示，选取一根设有花孔9的PVC管6，将金属导头8 穿入PVC管6一端管口中，并用螺丝与卡件进行固定；再将1根分布式光纤传感光缆中点位置沿金属导头8预留的光缆槽18布设，放置在十字排布的任意一个光缆槽18中，然后将导头8上配套的光缆槽18金属挡片22安装在光缆外侧，用以保护前段光纤在钻孔内下放过程中受周边钻孔摩擦阻力的影响而发生磨损或滑脱；然后将金属导头8光缆槽18的光缆从外侧引出，将光缆沿PVC管6外侧布设，并用扎带20和防水胶带固定；再对PVC管6管口与导头8连接处进行保护，将PVC管6两通从中间一切两半，套在PVC管6 管口与导头8连接处，并用扎带20进行固定，在用电工胶带21缠绕进行保护，并起到减小摩擦的作用，至此整个导头8安装完毕；金属导头8的作用是在孔底形成光纤回路，保护下放时前端光缆减小损伤，作为铅锤作用利于 PVC管6下放，同时可以防止其它杂物进入PVC管6内部，影响后期管内注浆；
S4、分布式传感光缆7组装，将定点式分布式传感光缆7沿着50mm直径的PVC管6外侧径向布设，在PVC管6两通连接位置处加密绑扎固定；
具体的，如图5所示，将定点式分布式光纤光缆沿着50mm直径的PVC 管6外侧径向布设，并对光缆施加一定预应力以保证光缆平直布设，每间隔一定距离用阻燃扎带20绑扎固定光缆在PVC管6外侧，在PVC管6两通连接位置处加密绑扎固定，且光缆应安置在PVC管6的上侧，以减小光缆安装过程中与围岩摩擦而受损，安装过程中光纤的预应力由专人负责施加，必须均匀施加预应力，同时用防水胶带将扎带20位置进行绑扎缠绕，进行二次固定；
S5、分布式传感光缆7植入岩体，向钻孔植入分布式传感光缆7，1人负责分布式传感光缆7，1人负责续接PVC管6和连接两通，2人负责绑扎扎带 20和缠电工胶带21，1人负责拿稳PVC管6，用力向钻孔推入；
S6、分布式传感光缆7钻孔注浆，分布式传感光缆7下放至孔底后开始进行注浆，注浆工艺流程为：拌和、搅拌、浆液加压、浆液注入；
具体的，如图6所示，注浆时注意保护孔口光纤装置，以免损坏分布式光纤传感器；要求水灰比控制在3:1～2:1，使水泥浆达到粘稠的流体；首先用定制的注浆套管与露在孔外的PVC管6连接，然后开始带压0.5～1MPa注浆，必须连续不间断注浆，以防止水泥凝固，即一次性注满封闭全孔；注浆一定量后，PVC管6外壁与孔壁之间开始有气体及返浆浆液流出，一开始是浓度很稀的水泥浆，之后浓度逐渐增加直至出现和注浆浓度一致的浆液时，停止注浆工作；由于注浆钻孔为下伏孔，为了保证钻孔全段注浆的质量，待钻孔内浆液沉淀凝固一段时间后，开始进行二次注浆，直至钻孔内壁浓稠浆液再次反出即停止注浆；
S7、尾纤熔接及保护，注浆结束后，将孔口多余的PVC管6用钢锯截掉，然后将穿入钢丝管的光缆沿底板槽布设，并用混泥土浆液涂覆保护；
S8、分布式光纤传感监测***连接，采用光纤熔接机将钻孔中的分布式光纤传感光缆全部熔接到矿用传输光缆11上；
具体的，如图1所示，采用光纤熔接机将钻孔中的分布式光纤传感光缆全部熔接到矿用传输光缆11上；熔接前先评估熔接难度、操作场地及保护方式；架设设备接续，接续完成后检查熔接质量，每个熔接点的光损控制在 0.01dB；再用热缩保护熔接点，熔接点需要采用套管、接续盒等装置进行保护，保护前后均需采用激光笔或者OTDR测试线路状态，确认保护光路无问题，在一些不可逆步骤实施前需要测试一下，待确认无误后再操作；保护所用的所用保护管盒、集线箱、ODF光纤交接箱等设备抗破环强度一定要高，安装固定牢固，且前后光纤绑扎固定，不得松动；最终实现将光纤钻孔口的传感光缆全部接入矿用传输光缆11中，并采用保护措施对接头进行保护，最终连接至采区变电所光纤交接柜中，实现分布式光纤传感光缆接入井下工业环网，最终实现矿井地面监测监控中心实时采集光纤传感信号；
S9、分布式光纤传感监测***精度分析及空间定位，如图7和图8所示，是通过BOTDA动态解调仪14采集到的，光纤传感监测***参数设置好后，将测量模式调试为连续测量，对钻孔的分布式光纤传感***进行一次连续性测量，测得20组测量数据，将BOTDA动态解调仪14采集到的应变数据与实际空间位置进行对应；将仪器采集到的应变数据经过以下公式计算，得到感知岩体的最大破坏深度，也就是卸压范围，一般认为感知岩体最大破坏垂直距离即为卸压范围，感知岩体最大破坏垂直距离Smax为：
Figure GDA0003976529020000121
式中，σc—煤层单轴抗压强度，MPa；H—埋深，m；k—感知岩体超前支承压力集中系数，可由光纤监测数据获得；Km—与内摩擦角相关的系数，m—煤层采高；
Figure GDA0003976529020000122
为感知岩体内摩擦角；γ为岩石平均容重；
感知岩体会发生不同程度的覆岩变形，可利用钻孔中的分布式传光缆的应变值对感知岩体的变形进行表征，感知岩体产生大变形时，分布式传光缆的应变大；
由式(2)可以计算得到感知岩体超前支承压力集中系数，即通过前后两次测的应变值差表征岩层的变形程度，即当光纤应变变化度越大，岩层运动越剧烈，感知岩体超前支承压力集中系数由分布式光纤监测应变数据求得：
Figure GDA0003976529020000131
式中，Dmax为第i次煤层开采时的光纤平均应变变化度；D0为煤层开采前的光纤平均应变变化度；nf表示光纤上的测试点总数，εi为第i次煤层开采时的应变值，εi-1是第i-1次煤层开采时的应变值；
通过煤矿实际地质资料，获知煤矿保护层煤厚m，煤体内聚力C，岩石平均容重γ，采深H，感知岩体内摩擦角
Figure GDA0003976529020000132
与内摩擦角相关的系数Km以及由基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***获得的光纤监测数据，代入式(2)求得感知岩体超前支承压力集中系数，然后将上述参数代入公式(1)就可以计算得到保护层开采感知岩体最大破坏垂直距离，一般认为感知岩体最大破坏垂直距离即为卸压范围；
已知某煤矿保护层煤厚m＝2.5m，煤体内聚力C＝1.25MPa，岩石平均容重γ＝25kN/m3，采深H＝640m，感知岩体10内摩擦角
Figure GDA0003976529020000133
与内摩擦角相关的系数Km＝0.13代入式(1)，就可以计算得保护层开采感知岩体10最大破坏垂直距离为25.5m，与工程现场感知岩体10最大破坏垂直距离的实际探测深度基本一致；便于推广应用；
通过采用上述步骤可以实现保护层开采下伏煤岩体卸压范围的评估，进而实现对保护层开采下伏煤岩体卸压范围的监测；
其中，由于测量时间间隔较短，可以忽略温度引起的频移变化；且传感光纤距离工作面较远，不受开采扰动影响；所以在重复测量中按不可预见方式变化的测量误差的分量即为***误差；对比分析重复测量的20组中心频率数据和频移数据，如图9所示，重复测量中心频移误差在±4MHz，金属基索状光缆应变系数为0.04998MHz/με，则重复测量光纤传感应变误差在±80με。
进一步的，分布式光缆布设完成后，需要将仪器采集到的应变数据与实际空间位置进行对应，即空间定位。空间定位精准与否将直接影响到数据分析和事件定位。空间定位的方法可以采用实际距离丈量法、差异应变段法、差异纤芯法、微弯事件法。
而现有技术中，现有的保护层开采煤岩体卸压范围监测方法比较的单一，主要通过被保护层的采动应力大小来确定，多使用传统的电阻式、液压式压力计或者压力盒，这些监测传感器及方法已大量使用，并已有成熟的技术。但对于矿业工程地下开采，这些传感器仍存在防潮、防水、抗干扰性能差、不能分布式感知监测等缺点，不能很好满足矿业工程的实时监测需要。而且整个监测过程数据采集复杂、周期较长、设备安装极其繁琐，无法对整个过程进行长期有效的检测。
本发明提出了基于BOTDA的保护层开采煤岩体卸压范围光纤传感技术监测***及方法，可实现对保护层开采下伏煤岩体卸压范围进行分析；
同时，本发明中，为复杂条件下保护层开采卸压范围的长期、有效的监测提供可能，保护层开采多处于矿井具有冲击地压灾害等复杂条件下，传统监测设备很难对保护层开采煤岩体变形进行长期、有效的监测；然而对于分布式光纤传感器来说，它具有的各种特性，可在各种恶劣的自然环境下，有效工作达十年以上，可以实现监测的长期耐久性；
本发明中，实现保护层开采煤岩体卸压范围的长距离分布式监测，能够有效的解决现有的监测方法在长期监测中稳定性比较差、不能实现远距离实时信号传输、分布式测量，且监测过程中受外界影响因素的干扰较大造成其结果的误差较大的局限性，分布式光纤传感技术以其自身特点，实现了保护层卸压范围及范围长距离、准分布式、实时监测；
本发明中，首次通过分布式光纤应变监测数据获取到保护层开采感知岩体最大破坏垂直距离，实现保护层开采煤岩体卸压范围的评估；
其中，通过将BOTDA动态解调仪14采集到的应变数据与实际空间位置进行对应，仪器只能测到应变，然后我们再进行后处理，把应变经过公式计算，得到感知岩体10最大破坏深度，也就是卸压范围，一般认为感知岩体10 最大破坏垂直距离即为卸压范围，感知岩体10最大破坏垂直距离Smax为：
Figure GDA0003976529020000151
式中，σc—煤层单轴抗压强度，MPa；H—埋深，m；k—感知岩体超前支承压力集中系数，可由光纤监测数据获得；Km—与内摩擦角相关的系数，m—煤层采高；
Figure GDA0003976529020000152
为感知岩体内摩擦角；γ为岩石平均容重；
感知岩体会发生不同程度的覆岩变形，可利用钻孔中的分布式传光缆的应变值对感知岩体的变形进行表征，感知岩体产生大变形时，分布式传光缆的应变大；
由式(2)可以计算得到感知岩体超前支承压力集中系数，即通过前后两次测的应变值差表征岩层的变形程度，即当光纤应变变化度越大，岩层运动越剧烈，感知岩体超前支承压力集中系数由分布式光纤监测应变数据求得：
Figure GDA0003976529020000153
式中，Dmax为第i次煤层开采时的光纤平均应变变化度；D0为煤层开采前的光纤平均应变变化度；nf表示光纤上的测试点总数，εi为第i次煤层开采时的应变值，εi-1是第i-1次煤层开采时的应变值；通过图9的光纤监测数据，通过公式(2)可以得到感知岩体10超前支承压力集中系数为k＝3.17。
已知某煤矿保护层煤厚m＝2.5m，煤体内聚力C＝1.25MPa，岩石平均容重γ＝25kN/m3，采深H＝640m，感知岩体10内摩擦角
Figure GDA0003976529020000161
与内摩擦角相关的系数Km＝0.13代入式(1)，就可以计算得保护层开采感知岩体10最大破坏垂直距离为25.5m，与工程现场感知岩体10最大破坏垂直距离的实际探测深度基本一致；便于推广应用；
通过采用上述步骤可以实现保护层开采煤岩体卸压范围的评估，进而实现对保护层开采下伏煤岩体卸压范围进行分析。
综上所述，本发明中，通过使用分布式光纤传感技术能够对保护层开采煤岩体中感知岩体10进行长距离、长期、有效的监测，可实现保护层开采煤岩体卸压范围分布式、长距离实时动态监测。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，应用如基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***实现，包括分布式光纤传感监测***，包括感知对象及传感元件、解调及信号调制***和数据分析及信号传输***；
其中，所述感知对象及传感元件包括矿井采区变电所光缆交接柜和感知岩体，所述感知岩体内设有倾向方向钻孔和走向方向钻孔，所述倾向方向钻孔、走向方向钻孔内均设有PVC管，两个PVC管的外壁均排布有两个分布式传感光缆，且矿井采区变电所光缆交接柜和分布式传感光缆之间通过传输光缆连接，所述分布式传感光缆用于全部接入矿用传输光缆中，最终连接至采区变电所光纤交接柜中，实现分布式光纤传感光缆接入井下工业环网，最终实现矿井地面监测监控中心实时采集光纤传感信号；
其中，所述解调及信号调制***和数据分析***及信号传输电性连接，所述解调及信号调制***包括光开关和BOTDA动态解调仪，且光开关和BOTDA动态解调仪电性连接，所述BOTDA动态解调仪用于采集应变数据；
所述PVC管的底端固定连接有导头，所述导头的外壁设有呈十字排布的两个光缆槽，且两个分布式传感光缆分别排布在光缆槽内，所述光缆槽的外壁设有两个呈十字排布的金属挡片，且金属挡片与光缆槽相对应，所述导头远离金属挡片的一端延伸至PVC管内，所述PVC管和分布式传感光缆的外壁缠绕有电工胶带，所述PVC管的外壁设有两个弧形管，两个所述的外壁缠绕有两个扎带，所述PVC管的外壁设有多个花孔，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、钻孔定位，为了监测保护层开采下伏煤岩体卸压范围，分别沿走向和倾向方向布设钻孔；
S2、钻孔施工：
S21、钻孔孔径应大于等于110mm；
S22、钻孔的定焦偏斜不得超过1°；
S23、钻井过程中，防止钻孔坍塌，保证钻井质量；
S24、在钻孔成孔后，应对钻孔进行一次扫孔处理；
S3、分布式传感光缆回转导头安装，将两根分布式传感光缆沿导头预留的光缆槽布设，两者呈“十字”交叉型，并用金属挡片安装在分布式传感光缆外侧，将光缆槽内的分布式传感光缆从外侧引出，并用扎带和电工胶带固定，PVC管管口与导头连接处进行保护；
S4、分布式传感光缆组装，将定点式分布式传感光缆沿着50mm直径的PVC管外侧径向布设，在PVC管两通连接位置处加密绑扎固定；
S5、分布式传感光缆植入岩体，向钻孔植入分布式传感光缆，1人负责分布式传感光缆，1人负责续接PVC管和连接两通，2人负责绑扎扎带和缠电工胶带，1人负责拿稳PVC管，用力向钻孔推入；
S6、分布式传感光缆钻孔注浆，分布式传感光缆下放至孔底后开始进行注浆，注浆工艺流程为：拌和、搅拌、浆液加压、浆液注入；
S7、尾纤熔接及保护，注浆结束后，将孔口多余的PVC管用钢锯截掉，然后将穿入钢丝管的光缆沿底板槽布设，并用混泥土浆液涂覆保护；
S8、分布式光纤传感监测***连接，采用光纤熔接机将钻孔中的分布式光纤传感光缆全部熔接到矿用传输光缆上；
S9、分布式光纤传感监测***精度分析及空间定位，光纤传感监测***参数设置好后，将测量模式调试为连续测量，对钻孔的分布式光纤传感***进行一次连续性测量，测得20组测量数据，将仪器采集到的应变数据与实际空间位置进行对应；将仪器采集到的应变数据经过以下公式计算，感知岩体最大破坏垂直距离即为卸压范围，感知岩体最大破坏垂直距离Smax为：
Figure FDA0003976529010000021
式中，σc—煤层单轴抗压强度，MPa；H—埋深，m；k—感知岩体超前支承压力集中系数，可由光纤监测数据获得；Km—与内摩擦角相关的系数，m—煤层采高；
Figure FDA0003976529010000031
为感知岩体内摩擦角；γ为岩石平均容重；
感知岩体会发生不同程度的覆岩变形，可利用钻孔中的分布式传光缆的应变值对感知岩体的变形进行表征，感知岩体产生大变形时，分布式传光缆的应变大；
由式(2)可以计算得到感知岩体超前支承压力集中系数，即通过前后两次测的应变值差表征岩层的变形程度，即当光纤应变变化度越大，岩层运动越剧烈，感知岩体超前支承压力集中系数由分布式光纤监测应变数据求得：
Figure FDA0003976529010000032
式中，Dmax为第i次煤层开采时的光纤平均应变变化度；D0为煤层开采前的光纤平均应变变化度；nf表示光纤上的测试点总数，εi为第i次煤层开采时的应变值，εi-1是第i-1次煤层开采时的应变值；
通过煤矿实际地质资料，获知煤矿保护层煤厚m，煤体内聚力C，岩石平均容重γ，采深H，感知岩体内摩擦角
Figure FDA0003976529010000033
与内摩擦角相关的系数Km以及由基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测***获得的光纤监测数据，代入式(2)求得感知岩体超前支承压力集中系数，然后将上述参数代入公式(1)就可以计算得到保护层开采感知岩体最大破坏垂直距离，感知岩体最大破坏垂直距离即为卸压范围；
通过采用上述步骤可以实现保护层开采下伏煤岩体卸压范围的评估，进而实现对保护层开采下伏煤岩体卸压范围的监测。
2.根据权利要求1所述的基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，其特征在于，所述感知对象及传感元件和解调及信号调制***电性连接，解调及信号调制***和数据分析***及信号传输电性连接。
3.根据权利要求1所述的基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，其特征在于，所述数据分析***及信号传输包括服务器、第一监测终端和第二监测终端，且第一监测终端和第二监测终端均与服务器电性连接。
4.根据权利要求1所述的基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，其特征在于，所述花孔的直径为4mm-6mm。
5.根据权利要求1所述的基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，其特征在于，所述PVC管的直径为50mm-100mm，所述PVC管的长度为1900mm-2100mm。
6.根据权利要求1所述的基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，其特征在于，所述金属挡片远离导头的一侧设有螺栓，且螺栓靠近导头的一端与导头螺纹连接，通过螺栓能够将金属挡片固定在导头上，防止金属挡片从导头上脱离。
7.根据权利要求1所述的基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，其特征在于，所述分布式传感光缆沿着PVC管的外侧呈径向排布，且多个扎带等距缠绕在PVC管的外壁，通过扎带将分布式传感光缆固定在PVC管的外壁。
8.根据权利要求1所述的基于BOTDA的保护层开采下伏煤岩体卸压范围监测方法，其特征在于，所述金属挡片位于分布式传感光缆的外侧，通过光缆槽和金属挡片的配合能够将分布式传感光缆覆盖，避免将导头放入走向方向钻孔和倾向方向钻孔的过程中受周边钻孔摩擦阻力的影响而发生磨损或滑脱。
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