东滩煤矿西风井地层沉降光纤Bragg光栅监测研究.pdf

论文题目东滩煤矿西风井地层沉降光纤 Bragg 光栅监测研究* 专 业采矿工程 硕 士 生李 旭 娟 签名 指导教师柴 敬 签名 摘 要 兖州矿区东滩矿邻近的鲍店、兴隆庄煤矿曾多次出现井壁破裂现象，至今唯有东滩 煤矿井壁没有破裂。但资料显示，西风井井壁的竖直附加应力在逐年增大，并随着矿井 开采强度和范围的逐年加大，同时第四系含水层水位亦有所下降，井壁变形持续增加。 采用光纤 Bragg 光栅监测系统预测井壁变形的方法，能够满足矿山远距离、分布式和长 期性的技术要求，同时可以实现在线传输和实时分析。 本文依据光纤 Bragg 光栅传感的基本原理，分析了钻孔埋入光纤 Bragg 光栅的应变 传递理论和中间层水泥砂浆的弹性模量和泊松比对平均应变传递率的影响。采用松散地 层失水沉降理论计算模型，建立了层位变形量与地表沉降量的关系。研究了适于东滩煤 矿西风井地层沉降的光纤 Bragg 光栅监测系统方案，并借助 3G 网络无线传输，实现了 数据的远距离分享。通过光纤 Bragg 光栅监测地层沉降应变传递影响参数实验和西风井 地层沉降与光纤 Bragg 光栅波长漂移量对应关系的相似模拟，得出了光栅监测封孔用水 泥砂浆最有利配比，地层沉降与光纤 Bragg 光栅波长漂移量的线性关系；得出了现场封 孔砂浆配比的力学参数，并计算出了各封孔段的光纤光栅应变传递率，为现场施工和数 据分析提供有力条件。 基于理论研究，顺利完成了西风井地层沉降光纤 Bragg 光栅监测系统的安装，并对 安装过程和后期的监测数据进行了分析。光纤 Bragg 光栅监测系统受第一次注浆影响较 为明显， 系统稳定后大部分光纤 Bragg 光栅传感器中心波长回落到接近初值状态。 同时， 光纤 Bragg 光栅监测系统也实现矿井抽水、注水试验的实时监测，缓解了松散地层失水 沉降状态。依据长期的监测数据，对西风井的井壁变形做了初步预测。 关 键 词光纤 Bragg 光栅；地层沉降；水泥砂浆试件；应变传递；注水治理；实时监 测；变形预测 研究类型应用研究 *本文得到了国家自然科学基金（41027002）的资助 Subject Study on Fiber Bragg Grating Monitoring of Stratum Subsidence in the West Airshaft of Dongtan Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Li Xu-juan Signature InstructorChai Jing Signature ABSTRACT Dongtan coal mine nearby Baodian and Xinglongzhuang coal mine which belongs to Yanzhou mining area, appeared wall crack repeatedly, but to this days, Shaft lining has been not rupturing in Dongtan coal mine. However, observation shows that vertical additional stress of wall in the west airshaft increased with the mining intensity and range year by year, decreased of water level in the Quaternary aquifer, made the wall deation increases. The monitoring of the FBG sensors system prediction of wall deation, which can satisfy the requirements of mine remote, distribution and long-term technology, and realize the on-line transmission and real-time analysis. In this paper, according to the basic principle of fiber Bragg grating sensor, analyzed the effect of borehole embedded fiber Bragg grating strain trans theory and the modulus of elasticity and poissons ratio of the middle layer cement mortar on the average Strain Trans Coefficient. By the theoretical of unconsolidated strata dehydration subsidence calculation model, established the strata deation and surface subsidence. Studied the optimal west airshaft strata subsidence monitoring system scheme in Dongtan coal mine by fiber Bragg grating, and with the aid of 3G wireless transmission, achieves data sharing over a long distance. Through strata subsidence of fiber Bragg grating monitoring strain transfer parameter experiments and the west airshaft strata subsidence with optical fiber Bragg grating corresponding relationship of simulation, the grating monitoring hole sealing is obtained with the best ratio of cement mortar, ground subsidence and the amount of fiber Bragg grating drift linear relationship; Concluded that the ratio of the hole sealing mortar mechanical parameters, and calculated the various sealing hole section of the fiber Bragg grating strain transfer rate, provide strong conditions for site construction and data analysis. Based on theoretical research, the successful completion of the west airshaft fiber Bragg grating monitoring stratum settlement system installation, and the monitoring data during the installation and the later is analyzed, the monitoring system of fiber Bragg grating by first grouting effect is obvious, the system stability after the part of the central wavelength down to the initial state. At the same time, monitoring system of fiber Bragg grating also has achieved monitoring the mine pumping, and the water injection test, relieves the unconsolidated ation dehydration subsidence status. Based on long-term monitoring data, preliminarily predicted the deation of the west airshaft wall. Keywords Fiber Bragg Grating；Stratum Subsidence；Cement Mortar Sample；Strain Transfer；Water Injection Governance；Real-Time Monitoring；Deation Prediction Thesis Application Study 目 录 I 目 录 1 绪论绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ................................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ................................................................................................................... 1 1.2 立井井壁破裂的规律及研究现状 .................................................................................. 2 1.2.1 立井井壁破裂的基本特征及规律 ........................................................................... 2 1.2.2 松散地层井壁破裂机理的地质研究 ....................................................................... 3 1.3 光纤传感检测岩层变形的研究现状 .............................................................................. 5 1.3.1 光纤传感在岩石力学实验中的研究现状 ............................................................... 5 1.3.2 光纤传感在物理模型监测中的研究现状 ............................................................... 7 1.3.3 光纤传感在岩土工程监测中的应用现状 ............................................................... 8 1.4 论文研究内容和方法 ...................................................................................................... 9 1.4.1 论文研究内容 ........................................................................................................... 9 1.4.2 论文研究方法 ........................................................................................................... 9 2 光纤光纤 Bragg 光栅监测松散地层沉降理论光栅监测松散地层沉降理论 ...........................................................................11 2.1 光纤 Bragg 光栅传感的基本原理 .................................................................................11 2.2 钻孔埋入式光纤 Bragg 光栅应变传递分析................................................................. 12 2.3 埋入式光纤 Bragg 光栅应变传递影响参数分析 ......................................................... 15 2.3.1 中间层弹性模量的影响 ......................................................................................... 15 2.3.2 中间层泊松比的影响 ............................................................................................. 16 2.4 松散地层失水沉降理论计算模型分析 ........................................................................ 17 2.5 本章小结 ....................................................................................................................... 18 3 西风井地西风井地层沉降光纤层沉降光纤 Bragg 光栅监测系统及安装光栅监测系统及安装 .......................................................... 19 3.1 西风井地层概况 ............................................................................................................ 19 3.1.1 西风井概况 ............................................................................................................. 19 3.1.2 西风井地层概况 ..................................................................................................... 19 3.2 西风井地层沉降光纤 Bragg 光栅监测系统................................................................. 20 3.2.1 西风井地层沉降变形光栅监测设计 ..................................................................... 20 3.2.2 西风井光栅监测数据无线传输系统 ..................................................................... 22 目 录 II 3.3 西风井光纤 Bragg 光栅监测系统安装及分析 ............................................................. 25 3.3.1 西风井光纤 Bragg 光栅监测系统安装 ................................................................. 25 3.3.2 光纤 Bragg 光栅监测系统安装过程监测结果分析 .............................................. 26 3.4 本章小结 ........................................................................................................................ 28 4 地层沉降地层沉降光栅监测光栅监测应变传递影响参数应变传递影响参数实验实验 ...................................................................... 29 4.1 水泥砂浆模拟实验 ........................................................................................................ 29 4.1.1 材料选取及试件制备 ............................................................................................. 29 4.1.2 光纤 Bragg 光栅传感器 ......................................................................................... 30 4.1.3 实验装置及测试方法 ............................................................................................ 31 4.1.4 实验过程 ................................................................................................................ 31 4.1.5 实验结果分析 ......................................................................................................... 31 4.2 现场封孔材料取样实验 ................................................................................................ 36 4.2.1 试件制备、养护 ..................................................................................................... 36 4.2.2 实验装置和测试方法 ............................................................................................. 37 4.2.3 实验结果分析 ......................................................................................................... 37 4.3 本章小结 ........................................................................................................................ 39 5 注水治理光纤注水治理光纤 Bragg 光栅监测效果分析光栅监测效果分析 .......................................................................... 41 5.1 注水钻孔结构及布置 .................................................................................................... 41 5.2 抽水试验 ........................................................................................................................ 43 5.3 注水试验 ........................................................................................................................ 44 5.4 正式注水 ........................................................................................................................ 45 5.4.1 Q上-Z的水位变化与相关层位应变量对比 ............................................................ 45 5.4.2 Q中-4的水位变化与相应层位应变量对比 ............................................................ 46 5.4.3 Q下-1的水位变化与相应层位应变量对比 ............................................................ 47 5.4.4 注水期间注水层位及邻近层位的应变变化 ......................................................... 47 5.5 本章小结 ........................................................................................................................ 48 6 西风井地层沉降光纤西风井地层沉降光纤 Bragg 光栅监测结果分析光栅监测结果分析 .............................................................. 49 6.1 光纤 Bragg 光栅监测西风井地层沉降相似模拟实验 ................................................. 49 6.1.1 模拟实验准备 ......................................................................................................... 49 6.1.2 实验主要测试方法 ................................................................................................. 50 6.1.33上煤层上覆岩层下沉变形结果分析 ..................................................................... 52 6.2 松散层岩性描述及应变监测 ........................................................................................ 56 目 录 III 6.3 西风井松散地层的沉降变形 ........................................................................................ 62 6.4 西风井松散地层温度变化 ............................................................................................ 63 6.5 本章小结 ........................................................................................................................ 64 7 结论结论 ...................................................................................................................................... 66 7.1 本论文主要结论 ............................................................................................................ 66 7.2 展望 ................................................................................................................................ 67 致致 谢谢 .................................................................................................................................. 68 参考文献参考文献 .................................................................................................................................. 69 附附 录录 ...................................................................................................................................... 73 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国华东地区的淮南、淮北、大屯、徐州、兖州等矿区出现了非采动引起的地表沉 降，先后使百余个立井井壁先后发生了不同程度的破坏。这样大范围大数量的井壁破坏 是国际采矿史上罕见的地质灾害[12]， 不仅使煤矿企业承受了巨大的经济损失， 而且也给 煤矿安全生产带来了严重的隐患。 二十多年来，国内外的建井及地质等相关领域的专家学者及工程技术人员对井壁破 裂的原因进行了调查和科学试验，先后从不同的角度提出了新构造运动说、井壁施工质 量说、渗流变形说、负摩擦力说、三因素综合说、井壁附加应力说等来解释井壁破裂的 原因。其中，井壁附加应力说认为，产生井壁破裂的因素有底部含水层疏水、季节温度 变化以及冻结井壁的冻融等，其中第四系含水层的水位降低，补给不充分的底部含水层 的疏排水固结沉降，是造成华东地区众多井壁破坏的主要原因[3 ～5]。 目前，针对松散地层沉降变形观测的方法有分层沉降计法、钻孔伸长仪钻孔测斜 仪法、埋设沉降标法、Sondex沉降仪法等。井筒变形监测方法主要有井筒三维变形监 测法、倒锤法、钢丝基准线法、压缩木法、位移法、埋入传感器法等，这些方法有一个 共同的缺点就是不能实现井筒变形的安全实时监测。 光纤传感技术作为现代通信产物， 越来越广泛地被应用于多个领域。 自从 1978 年加 拿大渥太华通信研究中心的 K.O. Hill 等人[6]首次在掺锗石英光纤中，发现了光纤的光敏 效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅，光纤光栅的应用领域得到了最大 限度的拓展[7]。光纤光栅作为传感器可以用于应力、应变、温度等物理量的传感测量， 具有较好的灵敏性和较宽的测量范围[8]，可以满足矿山安全性、分布式、远距离和长期 性的技术要求，同时也可以实现在线传输和实时分析，为预防待测物变形事故发生提供 前瞻性预测。 1.1.2 研究意义 随着国家改革进程的不断推行和经济的持续增长，煤炭需求量也在不断增加，矿山 及地下工程的安全问题不得不引起人们的关注，比如，近些年频繁发生的矿山开采引起 的事故、地表沉陷、岩土工程结构的坍塌[9]。大量的矿山及岩土工程结构由于服务年限 较长，在长期载荷、疲劳效应、腐蚀效应、材料老化等因素的影响下，结构不可避免地 西安科技大学硕士学位论文 2 产生损伤累积和抗力衰减， 从而抵抗自然灾害的能力下降， 陆续进入了维修期和老化期； 加上地震、洪水和台风等自然灾害对工程设施的不同程度的损伤[1011]。因此，采用有效 的监测手段，对矿山及岩体工程结构的安全状况、修复和控制损伤进行有效的评定，预 测工程结构的稳定性以减少灾害的发生有着重要的作用。 长期实践研究表明，矿山及岩土工程监测具有时效性、环境复杂性、监测对象的时 空限制性、施工环境制约性等特点。传统的传感器，如差动电阻式、钢弦式、电阻应变 计式和电感式传感器等，普遍存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性等较差的缺点，难以 适应现代工程监测的要求[12]。而光纤光栅传感器，不仅具有本质安全性，而且还可用在 水体下、潮湿、易燃易爆、电磁干扰、高能辐射等环境中。 针对我国华东地区具有的第四系深厚松散层的矿井井筒破坏严重的现状，本文依据 光纤光栅传感技术原理和第四系松散层井壁破裂机理，研究东滩煤矿西风井地层沉降变 形观测方法，及时预测和发现第四系含水松散层沉降变形，为东滩煤矿采取合理的治理 措施，及时有效防治井筒破坏提供有力依据。 1.2 立井井壁破裂的规律及研究现状 1.2.1 立井井壁破裂的基本特征及规律 事物的本质是通过现象反映的。因此，弄清井壁破裂的基本特征及发育规律，对于 研究井壁破裂机理，采取相应的治理方法和措施是重要的基础工作。长期的现场调查和 分析表明，煤矿立井井壁破裂具有以下特征和规律[1314] ① 地域集中性。从破裂井壁的区域分布上看，我国煤矿立井井壁破裂均集中在我 国华东地区一带。破坏最严重的是大屯、兖州和淮北矿区。 ② 破裂地质条件相近性。井壁破坏主要发生在表土层厚度较大的华东地区，松散 土层厚度一般为200600m，而且有数层含水砂砾层，特别是深部有高压含水层。 ③ 破裂时间的集中性。 20世纪6070年代为第一阶段， 立井井壁变形破坏很少发生， 只有零星报道；80年代为第二阶段，在华东各矿区接连发生立井变形破坏，破坏次数急 剧增加；90年代为第三阶段，立井变形破坏有所发生，但次数和规模均小于80年代。 井筒的变形破坏均发生在每年的410月份，多集中在79月份。 ④ 破裂位置的集中性。井壁破坏位置大部分集中出现在新生代沉积物同下伏含煤 地层的交界处附近。其岩性主要为松散未胶结的砂砾层、可塑性的粘土层和风化、强膨 胀性粘土岩等。 ⑤ 地下大量排水，地表明显下沉。破坏井壁一般均有从地下排出大量地下水或有 上部表土层进行疏干和井壁破坏区松散地层底部含水层水位大幅下降的历史。破坏矿井 的工业广场的地面下沉幅度多为250500mm。 1 绪论 3 ⑥ 破裂形态的相似性。破裂井壁均呈现压裂状态，井壁内壁的混凝土呈楔形剥落、 掉块，破裂处可见渗水、淋水现象，甚至涌砂；破裂带呈近似水平环状，井壁内侧纵向 钢筋向井内外凸出弯曲，环向钢筋间距减小。 ⑦ 破裂多发生在用冻结法施工的双层井壁，其内外井壁结合紧密。 ⑧ 重复破裂。治理后的井壁出现重复破裂或严重变形现象。 1.2.2 松散地层井壁破裂机理的地质研究 煤矿立井井壁发生破裂以后，不少专家、学者及其工程技术人员展开了大量的研究 工作，先后提出了新构造运动说、施工质量说、渗流变形说、负摩擦力说、三因素综合 说、井壁附加应力说等多种井壁破裂理论，经过多年的研究实践表明，竖直附加应力说 更具有说服力，并在实际工程治理中作为设计方案的理论依据。 1988 年中国矿业大学特殊凿井实验室利用大型多功能竖井模拟实验平台， 以张双楼 副井为原型，首次用物理模拟方法研究了井壁破裂的机理。实验结果表明，不论深部还 是浅部， 随着含水层水位的下降， 井壁外表面均有向下的竖直附加荷载附加应力作用。 竖直附加应力随着疏水层水压的线性下降而呈现线性增长，在含水层水压下降 0.8MPa 时，最大的竖直附加应力达到了 70kPa。在该情况下，若按竖直附加应力沿井筒深度呈 线性分布推算，张双楼副井井筒在 230m 深处所受的总竖直附加应力达到 337617kN，约 是井壁自重、井塔自重之和的 1.6 倍。仅按单轴抗压强度计算，在竖直附加应力、井壁 自重和井塔自重的作用下，在 230m 深处的井壁的竖向应力就达到了 19MPa，大大地超 过了井壁的允许主力值，从而导致井壁破裂，因此竖直附加应力是导致井壁破裂的主要 因素[15]。 在