济三矿风井厚松散层沉降变形光纤光栅监测方法.pdf

第 38卷第 5期煤 炭 科 学 技 术Vol138 No15 2010年5月Coal Science and TechnologyM ay 2010 济三矿风井厚松散层沉降变形光纤光栅监测方法柴 敬1,董 梁1,李 毅1,刘金瑄1,朱 磊2,张广文3,杨建华3(11 西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054;21 中煤西安设计工程有限责任公司,陕西 西安 710054;31兖州煤业股份有限公司,山东 邹城 272100)摘 要:为了准确预测深厚松散层深部层位因失水压缩变形,分析总结了松散层不同深度黏土层和砂层的失水特征、压缩变形特性,采用松散层钻孔植入式光纤光栅监测系统,对济三矿风井处第四系松散地层 104)180 m段埋设的 18个光纤光栅传感器进行了长期的实时监测,由光栅传感器监测的松散层应变得出了各层位的压缩变形量。监测结果表明,松散层下组的厚砂砾层是产生主要压缩变形层,可塑状态的厚黏土层也有较大压缩变形,其余层位压缩变形小。下组厚砂砾层和厚黏土层是重点监测层位,为深钻孔植入式光纤光栅监测系统监测设计提供了依据。关键词:松散层沉降变形;砂层;黏土层;光纤光栅中图分类号:TP212 文献标志码:A 文章编号:0253-2336(2010)05-0013-04M onitoring andM easuringM ethod with OpticalFiber and OpticalGrating for Thick Loose Strata Subsidence and Deformation inM ine Ventilation Shaft of JisanM ineCHAI Jing1,DONG Liang1,LI Yi1,L IU Jin-xuan1,ZHU Lei2,ZHANG Guang-wen3,YANG Jian-hua3(1.School of Energy,X i.an University of Science and Technology,X i.an 710054,China;2.China CoalX i.an Design EngineeringCorporation Li mited,Xi.an 710054,China;3.Yanzhou CoalM ining Group Corporation L i mited,Zoucheng 272100,China)Abstract:In order to accurately predict the compacted defor mation due to water lost in the deep layer of the thick loose strata,the paperanalyzed and summarized thewater lost features and co mpacted defor mation features of the differentdepth clay layer and sand layer of theloose strata.The optical fiber and optical grating monitoring system in the borehole of the loose strata was applied to the long ter m real-ti memonitoring andmeasurementwith 18 optical fiber and opticalgrating sensors set in the 104)180m section of the Quaternary syste mloose strata at them ine ventilation shaft of JisanM ine.The opticalgrating sensorswouldmonitor andmeasure the co mpacted defor mationsat each layer of the strains in the loose strata.The monitoring and measuring results showed that the thick gravel layer-lo w group of theloose strata was themain co mpacted defor mation layer occurred,the plastic state thick clay layer had a high compacted defor mation andthe rest layers had a small compacted defor mation.The low group,including the thick graveland thick clay layerwas the keymonitoringand measuring layers,which could provide the references to the design of the optical fiber and optical grating monitoring and measuringsyste m in the deep borehole.K ey words:loose strata subsidence and defor mation;sand layer;clay layer;optical fiber and opticalgrating基金项目:国家自然科学基金资助项目(50774060);陕西省重点实验室科研资助项目(08JZ42)1 概 述 我国华东地区淮北、淮南、大屯、徐州、兖州、永夏等矿区普遍具有深厚新生界松散地层,自20世纪 80年代以来,这些区域的矿井相继有上百个井筒发生了变形破坏,周围松散层失水后产生固结压缩是造成井筒变形破坏的主要原因 1-2。这种地质灾害,轻者造成井壁变形破裂、渗水,重者造成卡罐、涌水涌砂,甚至停产(如张双楼矿、海孜矿、临涣矿均停产 2 8个月),给煤矿生产带来了严重的安全隐患,成为我国建井界建国以来遇到的最大的、影响最深远的技术难题之一。认识不同层位的失水压缩变形规律,选择合理的立井井壁破坏监测层位非常重要。许多学者通过现场实测、土工试验和模拟试验等多种方法对厚松散层进行了研究,分析了深部土层的物理及力学特性,得出深132010年第 5期煤 炭 科 学 技 术第 38卷部黏土层具有与浅部不同的压缩特性,以及厚松散层底部含水砂层为主压缩层等基本结论 3-4。在已有研究的基础上,采用最新研制的深钻孔植入式光纤光栅传感监测系统实施监测,获得长期、连续、实时高精度的原位监测数据,验证了松散层深部砂砾层、黏土层等不同层位的压缩变形特性,并证明了方法的可行性。2 济三矿风井松散岩层结构 济三矿位于山东省济东煤田南部,井田内第四系地层厚 116167 255190m,平均 184157m,按岩性及其结构变化可分为上组(Q上)和中下组(Q中+下)两段。风井处松散层结构如下:上组+中组(Q上+Q中)段深度 115183 m,上组主要由表土层、黏性土层和砂层组成,含水量由大气降水地表水或者区域承压水径流控制;中组主要由黏性土层组成,透 水性弱,为相对隔 水层组;下 组(Q下)段深度 115183)176150 m,下段下组由不同成分和厚度的浅灰绿色细砂、浅灰绿色夹褐黄色砂质黏土、浅灰绿色-灰白色砂砾、褐黄色含黏土质粉砂、褐黄色中粗砂及褐黄色夹浅灰绿色黏土等土层组成。风井处松散层自上而下岩性结构见表 1。表 1 风井处松散层岩性结构层号岩层层厚/m层深/m层号岩层层厚/m层深/m层号岩层层厚/m层深/m1无芯981819818114细砂015011718327细砂01501571502砂浆黏土01199910015砂砾层319412117728中粗砂01501581003黏土砂01709917016砂质黏土019012216729砂砾层21701601704黏土014010011017砂砾层1214813511530细砂01401611105砂砾层014010015018黏土710514212031黏土质砂11001621106砂质黏土017010112019黏土质砂015014217032细砂11101631207黏土砂119110311120细砂017014314033黏土粉砂01601631808黏土015010316121中粗砂017014411034砂砾层11101641909黏土质砂017210413322砂砾层210014611035含砾黏土116016615010砂砾层312610715923黏土013514614536中粗砂017216712211黏土415611211524砂砾层313614918137砂质黏土016816719012砂浆黏土316811518325黏土515915514038黏土816017615013砂质黏土115011713326砂质黏土116015710039辉长岩21991791493 砂层和黏土层失水压缩特性311 不同深度砂层、黏土层失水特征 位于厚松散层不同深度的砂层、黏土层,在井下开采疏排水后引起的失水特征也不相同。兖州矿区杨村矿在立井井筒发生破裂情况下,上组含水层历年水位基本变化不大,中组为相对隔水层,下组含水层的水位变化较大,下组从 1996)2000年 4年期间水压的损失量达到 20 m 5;兖州矿区兴隆庄矿 2001年 9月 30日观测的松散层含水层水位也表明,由于中组厚黏土层的阻隔,上组水位长期稳定,仅在埋深标高为+312 m(地面标高+4410m)的含水层有小波动,而埋深在-15614 m 的下组含水层水位持续下降 6。济三矿松散层水位观测结果与上述特征类似,2004年 9月 23日 Q下-1孔观测段下部砂层水位为+22175 m,下组水位较精查勘探期间已下降 1217m 左右,水 6号孔抽第四系下段水时,观测相距 3m 的水 3号孔第四系上段(上组)水位不下降,说明松散层下组水位持续下降,上组与下组之间的水力联系不密切。由此可以得出,兖州矿区的厚松散层在井下开采疏排水后,下组含水层水位长期下降,由于中组隔水层较稳定的分布和阻隔水力联系的作用,上组松散层含水量主要由大气降水、地表水或者区域承压水径流控制,中组隔水层和上覆土层水位基本变化不大。312 深部砂层、黏土层压缩特性 浅部砂层、黏土层失水压缩特性主要反映在其组成、结构的特性,一般来说浅部土层失水后,产生压缩变形的主要是黏土层。随着埋深的增加,深部砂层、黏土层失水压缩特性发生较大的变化,对兖州矿区兴隆庄矿松散层下组的大量观测数据得出14柴 敬等:济三矿风井厚松散层沉降变形光纤光栅监测方法2010年第 5期的结果显示 6,砂砾的弹性模量为 2014MPa,粗砂为 2712 MPa,中砂为 30153 MPa,黏土为 7114MPa,这与浅部土层失水后黏土层最易压缩的特征完全相反。深部土体的上覆压力增大,逐渐失水压密,黏土层长期固结,失水后空隙率降低,液性指数呈下降趋势,黏土状态逐渐进入半固态,可压缩性逐渐减小且变化较大;而深部砂层一方面属高承压含水层,孔隙中充满高承压水,与浅部砂层状态相比变化不大,另一方面,兖州矿区深部砂层中通常含有一定量的黏土颗粒,可改变砂砾间骨架密切接触的关系,也使得砂层的压缩性增大。根据深部砂层和黏土层的变形特性可以得出,砂砾层更易发生压缩变形,中粗砂、细砂层孔隙率小于砂砾层其压缩变形程度也小于砂砾层;黏土层长期固结但处于可塑状态,仍具有一定的压缩变形能力。4 松散层变形光纤光栅监测结果分析411 光栅传感器设计层位 在风井处深部松散层距地面 104133)176150m 段内分别在第 10,15,17,21,22,24,29,32,34,38层的 10个位置处设置监测段,共埋入光纤光栅传感器 18个 7。其中,17层为最厚砂砾层,在该层位设置传感器 4个,第 24层设置传感器 2个,第 38层为底部最厚黏土层,在该层位设置传感器 2个。每一监测段的位置和长度均可以根据实际作调整,监测系统中各传感器位置、编号及层次关系见表 2。表 2 光纤光栅传感器布置层位监测层号层位埋深/m层厚/m光栅个数光栅编号岩性岩性描述10104133312620101,0201砂砾层较松散,透水性较好15117183319420301,0206砂砾层较松散,透水性较好171221671214840102,0106,0202,0403砂砾层松散,透水性好,少量黏土质21143140017010205中粗砂较松散,透水性较好22144110210010302砂砾层胶结较好,较松散,透水性好24146145313620105,0203砂砾层粉砂质,较松散,透水性较好29158100217020103,0402砂砾层黏土质,较松散,透水性好32162110111010204细砂少量黏土质,松散,透水性好34163180111010303砂砾层含中砂,较松散,透水性一般38167190816020104,0401黏土夹砂浆块及少量砂质,质纯 钻孔光纤光栅测试方法如图 1所示,右侧图为钻孔及埋入光纤传感器的局部放大,光纤光栅测试系统包括光纤光栅传感器阵列、光纤光栅解调仪和计算机。图 1 钻孔光纤光栅传感测试方法412 松散层沉降变形监测结果 2007年 10月 4日至 2009年 7月 30日,光纤传感器连续自动监测得到波长漂移量数据,经应变图 2 松散层不同层位沉降变形变化数据转化,得出松散层 10个观测段的地层固结沉降变形 8,部分层位的沉降变形如图 2所示,地层压缩为负,拉伸为正,随着时间的推移,变形量呈现增大趋势,最大变形发生在第 24和 38层,截至2009年 7月 30日,地表累计变形为 2144mm,各层位沉降变形量见表 3。152010年第 5期煤 炭 科 学 技 术第 38卷表 3 松散层监测段不同层位沉降变形值层位层厚/m 时间/月波长漂移量/pm变形率/(Lm#m-1)累计变形/mm108178224313842139013715141182219192191460128171313822-6192-6176-010921819522-21138-20189-01192221022-55146-54119-011124317122-208100-203122-0175291112922-1146-1143-01023221122-27154-26191-010634117221916219116010338111622-168169-164181-1191 松散层第 24监测层位随着时间的变化沉降变形呈逐渐增加的趋势,沉降变形较为明显,累积沉降变形为 0175 mm,深度范围 146145)149181 m,厚度 3136 m,为厚砂砾层。第 38层位的松散层沉降变形最为明显,累积沉降变形 1191 mm,埋深范围 167190)176150 m,厚度 8160 m,第 38层位的松散层在初始阶段处于受拉状态,随着时间的推移,变形呈现明显的下降趋势。其余层位沉降变形相对较小,最大变化量达不到第 24层变形量的1/3,第 10和 15层沉降变形出现负值,第 17层沉降变形为 0109 mm。可以判断,井壁最容易发生破坏的位置应该在第 24或第 38层位。5 结 语 松散层压缩变形主要发生在深部的厚砂砾层和与基岩交接处的厚黏土层,压缩变形量分别占23196%和 61102%,其余层位压缩变形量较小;采用基于钻孔植入式光纤光栅传感监测方法,可以及时预测和发现第四系巨厚含水松散层沉降变形,对松散层失水压缩变形监测,下组厚砂砾层、厚黏土层是重点监测层位。参考文献:1 崔广心 1 特殊地层条件竖井井壁破裂机理 J.建井技术,1998,19(1):28-32.2 骆念海,杨维好 1 井壁竖直附加力的影响因素分析 J.煤炭科学技术,2000,28(12):41-43.3 刘希亮 1 深厚表土底底部含水层疏排水沉降规律研究D.徐州:中国矿业大学,2000.4 李文平,于双忠 1 徐淮矿区深部土体工程地质特性及失水变形机理 J.煤炭学报,1997,22(4):355-360.5 刘环宇,陈卫忠,王争鸣 1 兖州矿区立井井筒破坏机制的理论分析 J.岩石力学与工程学报,2007,26(S):2602-2626.6 许延春 1 矿区深厚复合含水松散层的工程力学特性及其应用 D.北京:煤炭科学研究总院,2002.7 柴 敬,朱 磊,魏世明,等,松散地层深部沉降变形的光纤 Bragg光栅监测研究 J.煤炭学报,2009,34(6):741-746.8 柴 敬,邱 标,魏世明,等 1 岩层变形检测的植入式光纤Bragg光栅应变传递分析与应用 J.岩石力学与工程学报,2008,27(12):2551-2556.作者简介:柴 敬(1964-),男,宁夏平罗人,教授,博士生导师,从事采矿工程及安全监测技术的教学和科研工作。Te:l029-85583059,E-mai:lchai jxust1edu1 cn收稿日期:2010-02-12;责任编辑:曾康生(上接第 12页)9 姜福兴,杨淑华,成云海,等.煤矿冲击地压的微地震监测研究 J.地球物理学报,2006,49(5):1511-1516.10 窦林名,何学秋.煤岩冲击破坏模型及声电前兆判据研究 J.中国矿业大学学报,2004,33(5):504-508.11 宋卫东,赵增山,王 浩.断层破碎带与采准巷道围岩作用机理模拟研究 J.金属矿山,2004(2):11-13.12 CA IM,KA ISER P K,MART I N C D.Quantification of RockMass Damage in Underground Excavations from M icroseis m 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