Research on the application of fiber bragg grating monitoring for deformation of coal pillar in sections
-
摘要:
针对近距离煤层下伏工作面过上覆遗留煤柱时，发生动静载叠加诱发强矿压显现，导致区段煤柱发生变形失稳造成人员伤亡和设备破坏。为探索基于光纤光栅实时监测区段煤柱变形发育特征，分析进、出遗留煤柱阶段矿压显现机理，将FBG、光栅应力计的光测方法相结合，结合现场实测的区段煤柱变形应力应变水平参量变化规律，研究煤柱应变空间分布规律及回采过程中工作面前方煤柱内部应变时域响应特征，验证光测方法在煤体应变水平观测的可行性。结果表明：工作面回采经过上覆遗留煤柱期间，区段煤柱顶板受集中应力影响，上部岩层块体破断并发生回转导致煤柱载荷增加，随着工作面推进覆岩断裂进一步向上传递，关键层断裂回转发生导致工作面来压，最终导致区段煤柱变形失稳。根据现场光栅应变增量幅度判断煤柱内局部变形的剧烈程度，在集中应力作用下，区段煤柱变形时发生最大应变为650×10−6，上覆岩层集中应力造成煤柱应变水平峰值位置为煤柱宽度11.5 m，沿煤柱宽度方向应变表现出先增加后减小然后趋于稳定的趋势，内部应变随采动过程中影响范围在5 m左右。综合研究工作面回采经过上覆遗留煤柱时应变对区段煤柱发生变形失稳的特点和规律，以及应变水平变化和煤柱物理力学性质，得到煤柱破坏的前兆特征，在外力作用下达到变形峰值前对煤柱提前进行卸压和防护的安全处理。
Abstract:When the coal mine passes through the overlying coal pillars in close proximity to the coal seam, the superposition of dynamic and static loads induces strong mining pressure, leading to deformation and instability of the coal pillars in the section, resulting in casualties and equipment damage. In order to explore the real-time monitoring of deformation and development characteristics of coal pillars in sections based on fiber Bragg grating, and analyze the mechanism of rock pressure manifestation in the stage of entering and exiting residual coal pillars, the optical measurement methods of FBG and grating stress meters are combined with on-site measurement to study the spatial distribution law of coal pillar strain and the time-domain response characteristics of internal strain of coal pillars in front of the working face during the mining process, Feasibility study on verifying the optical measurement method for observing the strain level of coal bodies. The results indicate that during the process of mining the overlying coal pillars, the roof of the section coal pillars is affected by concentrated stress, and the upper rock block is broken and rotated, resulting in an increase in the load on the coal pillars. As the working face advances, the overlying rock fracture further propagates upwards, and the key layer fracture recurs, causing pressure on the working face. The overlying rock rotates downward, ultimately leading to deformation and instability of the section coal pillars. Based on the amplitude of on-site grating strain increment, the severity of local deformation inside the coal pillar is determined. Under the influence of concentrated stress, the maximum strength that occurs during the deformation of the section coal pillar is 650 με on the left and right sides, the concentrated stress in the overlying strata causes the peak horizontal strain of the coal pillar to be located at the 11.5 m position of the coal pillar width. The strain along the width direction of the coal pillar shows a trend of first increasing, then decreasing, and then stabilizing. The internal strain field has an impact range of about 5 m during the mining process. A comprehensive study is conducted on the characteristics and laws of deformation and instability of coal pillars in the section caused by strain when the mining face passes through the overlying coal pillars. Combined with changes in strain level and physical and mechanical properties of the coal pillars, the precursor characteristics of coal pillar failure are obtained. Before reaching the peak deformation under external force, safety measures are taken to relieve pressure and protect the coal pillars before lifting them.
-
0. 引 言
华北型煤田水文地质条件复杂，具有大埋深、高水压、煤层底板隔水层薄等显著特征，构造对煤层底板隔水层产生强烈破坏，形成裂隙、断层等导水通道，显著降低隔水层阻水性能，突水水源极易沿底板隔水层导水通道进入采区，对矿井生产造成重大威胁。在长期的工程实践中，各矿区经过摸索逐渐形成以井下超前探技术为基础，地震法、直流电法、电磁法等多种方法并行的探查手段[1-2]：微震监测技术在解决煤层底板变形、破裂、渗流、构造活化导致的裂隙、断层等导水通道突水问题方面得到了广泛应用[3-4]；无线电波透视技术仪器轻便灵活，透视距离及抗干扰能力好，已成为探测顶底板导水通道的有效手段[5-7]；地下全空间瞬变电磁技术[8]、扇形探测技术[9]、巷−孔瞬变电磁三分量探测技术[10-11]在探测导水通道方面也取得了良好的效果。综上所述，导水通道探查技术不断更新发展，矿井水害治理水平取得很大进步，但受井下空间、设备、限员规定等条件制约，井下钻探及物探技术存在设备作用范围小、探测距离近等问题，单一技术手段对部分导水通道探测效果不佳，导致后期治理时常常形成覆盖盲区，突水事故仍时有发生，给矿井生产带来不利影响，亟需探寻新的探查技术以满足矿井生产的迫切需求。
近年来，地面区域水害治理工程在华北型煤田各矿区广泛开展，施工中以长距离多分支定向钻探技术为依托，利用多种录井及参数测量手段及时掌握钻孔轨迹和地层异常信息，对断层、裂隙等地质构造有较好的识别效果，并可通过施工多分支钻孔对其进行验证。地面区域水害治理技术突破了设备能力、施工环境的限制，可大范围对目标区域进行超前探查。不少专家学者基于地面区域水害治理工程对导水通道探查判识技术进行了研究，也取得了一定的成果[12-13]。由于地面区域水害治理工程在各矿区开展时间不长，针对导水通道探查判识技术研究尚处起步阶段，判识多依靠定性分析，量化分析尚显不足，技术体系亟待系统化、流程化和定量化。
基于此，以赵固一矿15031工作面为例，依托地面多分支定向钻探技术，构建基于流程分析和模糊综合评价相结合的导水通道判识技术体系，以期为区域超前探查下的导水通道判识提供有益的借鉴。
1. 导水通道探查判识技术流程
1.1 导水通道的分类与判识难点
矿井水害的导水通道主要可分为天然通道和人为通道[14]。其中，人为通道来源较为明确，位置确定及治理难度相对较小；而天然通道多发育于煤层底板，由裂隙或隐伏断层组成的导水通道往往尺度较小，具有位置不明、导水性较好、隐蔽性好、可探测性差等特点[15]，使用井下钻探、物探等单一技术手段进行探测时，受限于井下施工条件和设备技术能力，判识效果往往不够理想，极易产生探查盲区，对矿井下一步治理工作造成不利影响。
1.2 探查判识评价指标的选取
为解决导水通道探查判识技术难题，基于区域超前治理工程，利用多分支钻孔地毯式高密度覆盖的技术优势，通过分析华北型煤田地面区域水害治理工程实例[16-18]，选取以下6个指标作为导水通道超前探查判识的评价指标。
1）钻时录井，又称钻速录井。通过分析钻穿单位厚度岩层所需时间来判断井下岩层性质；钻速快慢反映当前地层的可钻性，与地层孔隙度和岩层的致密程度密切相关。通过观察钻时情况，可以初步判定岩性，划分对比地层，判识裂缝、溶洞等地质情况 [19-20]。
2）钻井液消耗量。钻井液是钻探过程中重要的循环介质，具有携带岩屑、冷却钻头和为井下动力钻具提供能量的作用，钻进时可根据钻井液消耗量判识当前位置是否存在裂隙、断层等导水通道；钻井液漏失速度和大小，可估算导水通道发育程度和导水性高低[21]。
3）γ录井。各矿区可根据当地情况划定伽马值岩性区分标准，为当前地层情况识别提供参考。当钻进时岩性发生改变，或当前井段中存在裂隙，但已被前序封堵作业中的注浆材料等物质所充填时，伽马值均会发生变化，从而为判识导水通道提供帮助[19]。
4）岩屑录井。岩屑录井是根据钻进过程中钻井液循环返出的岩屑，对当前地层的岩性进行分析和对比，为钻探工作提供地质指导；结合岩屑中的次生矿物和前序分支钻孔中扩散而来的注浆材料，可对判识及标定裂隙、断层等导水通道位置提供参考[22-23]。
5）压水试验。压水试验的基本原理是在封隔钻孔试段中，按照规定压力值将水压入隔离后的试验段孔壁中，确定压入流量稳定后的流量值，以求解试验段在规定压力下的渗透率，该数值可作为导水通道裂隙发育情况的测试依据[24]。
6）可注性。可注性是渗入注浆孔段的可能性；根据注浆过程中的注浆压力和注浆流量变化情况，结合注入总量可分析出注浆孔段的可注性，对于分析注浆孔段导水通道的存在与否及裂隙发育情况有较好的参考[25]。
1.3 导水通道探查判识流程
上述6种评价指标在施工过程中可细分为16种工况（图1a）。将这16种工况进行梳理整合，形成导水通道探查判识流程（图1b）。利用该流程图，可对施工中所遇重要点位进行导水通道判识。
![]()
图 1 导水通道评价指标及判识流程Figure 1. Indicators for evaluating hydraulic conduits and process of identifying them由图1a可看到，当探查点位钻时变慢或钻时平稳时，钻遇导水通道可能性较小，当钻时加快乃至钻具放空，其钻遇导水通道可能性随之增大；当探查点位钻井液消耗量、压水试验压注量、注浆量为0时，该点位存在导水通道可能性较小，随着数值的加大，点位存在导水通道的可能性也相应加大。在图1b中，当探查点位符合流程A1/A2→B1→C1→D1→E1→F1时，该通道导水可能性最小；探查点位符合流程A3/A4→B3→C2→D3→E2→F2时，该通道导水的可能性最大。因此，结合实际施工情况，可利用该流程图对探查点位是否导水进行初步的定性判识。
2. 基于模糊综合评价的判识流程的量化
利用图1进行导水通道判识时，6个指标的评判过程具有典型的主观性和模糊性；尤其是钻时录井和岩屑录井，目前大都采用定性描述，评判过程容易出现误判。而模糊综合评价模型可以弥补人为分析和量化的不足，提高评判结果的可信度。
2.1 评价体系的构建
根据预评判点位注浆与否，将评价指标体系分为2类，构建评价体系。注浆状态下，评价指标为6个，未注浆状态下，评价指标为4个（表1）。
表 1 评价指标体系Table 1. Evaluation indicator system状态 目标层 准则层 指标层 注浆 通道导水评价（A） 钻进参数(B1) 钻时录井(C1) 钻井液消耗量(C2) 伽马录井与
岩屑录井(B2)γ录井(C3) 岩屑录井(C4) 注浆参数(B3) 压水试验(C5) 可注性(C6) 未注浆 通道导水评价（A） 钻进参数(B1) 钻时录井(C1) 钻井液消耗量(C2) γ录井与
岩屑录井(B2)γ录井(C3) 岩屑录井(C4) 2.2 评价等级的确定
根据华北型煤田地面区域水害治理工程实例，将导水通道的判识分为 导水可能性“低、中、高”3个等级，分别对应V1 、V2 、V3；评价指标也划分为相应的3个等级（表2）。其中，指标“钻时录井”以探查点位井段平均钻速来量化；指标“岩屑录井”采用非灰岩质量与捞取岩屑总质量之比（以下简称“非灰岩占比”）来量化。
表 2 评价指标评定等级标准Table 2. Criteria for rating evaluation indicators评价指标 量化取值 导水通道评价等级 V1 V2 V3 钻井液消耗量 单位消耗量/（m3·h−1） (0, 10) [10, 30) [30, +∞) 钻时录井 钻速/（m·h−1） (0, 6) [6, 9) [9, +∞) γ录井 γ值 (0, 35) [35, 50) [50, +∞) 岩屑录井 非灰岩占比/% (0, 5) [5, 10) [10, 100) 压水试验 单位压注量/（m3·h−1） (0, 10) [10, 30) [30, +∞) 可注性 注浆量/t (0, 1000 )[ 1000 ,2000 )[ 2000 , +∞)2.3 基于隶属度的单因素评价
利用式（1）—式（3）计算每个因素的隶属度。点位状态为注浆时，评价指标为6个，模糊矩阵为6行3列矩阵$ {\boldsymbol{R}} = {({r_{ij}})_{6 \times 3}} $；点位状态为未注浆时，评价指标为4个，模糊矩阵为4行3列矩阵${\boldsymbol{ R}} = {({r_{ij}})_{4 \times 3}} $。
$$ {r_1}(x) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} 1,\quad\quad\quad &{y \leqslant {x_1}} \\ {\dfrac{{{x_2} - y}}{{{x_2} - {x_1}}}},&{{x_1} \lt y \lt {x_2}} \\ 0,\quad\quad\quad &{y \geqslant {x_2}} \end{array}} \right. $$ (1) $$ {r}_{2}(x)=\left\{\begin{array}{cc} 0, \quad\quad\quad & y\leqslant {x}_{1}或y\geqslant {x}_{3}\\ \dfrac{y-{x}_{1}}{{x}_{2}-{x}_{1}},& {x}_{1} \lt y \lt {x}_{2}\\ \dfrac{{x}_{3}-{y}}{{x}_{3}-{x}_{2}},& {x}_{2} \lt y \lt {x}_{3}\end{array}\right. $$ (2) $$ {r_3}(x) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} 0, \quad\quad\quad &{y \leqslant {x_2}} \\ {\dfrac{{y - {x_2}}}{{{x_3} - {x_2}}}},&{{x_2} \lt y \lt {x_3}} \\ 1, \quad\quad\quad &{y \geqslant {x_3}} \end{array}} \right. $$ (3) 式中：$ {r_1}(x) $、$ {r_2}(x) $、$ {r_3}(x) $为隶属度函数；y为定量评价指标的实测数据；$ {x_1} $、$ {x_2} $、$ {x_3} $为将定义域划分为若干模糊子集而确定的临界值。
2.4 评价指标权重的确定
确定评价因素权重的方法很多，常用的方法有AHP、网络层次分析法（ANP）和超标加权法等。由于AHP与ANP在确定权重过程中，更多的是依赖专家的经验，且对不同点位权重固定；而在实际施工过程中，点位发生改变时，评价指标的权重往往也会发生变化，所以，AHP和ANP不适用于多点位导水通道判识指标权重的确定。若探查点位各指标取值都已确定，更适合采用超标加权法确定权重[26]，其具体公式如下：
$$ {W_i}{\text{ = }}{{\frac{{{x_i}}}{{{s_i}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\dfrac{{{x_i}}}{{{s_i}}}} {\sum\limits_{i = 1}^n {\dfrac{{{x_i}}}{{{s_i}}}} }}} \right. } {\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{x_i}}}{{{s_i}}}} }} $$ (4) 式中：$ {W_i} $为第i个指标权重；$ {s_i} $为指标分级中最优临界值；$ {x_i} $为第i个指标的实测数据。
根据探查点位状态不同，由Wi组成的矩阵分别为指标权重集$ {\boldsymbol{W}} = {({w_{ij}})_{1 \times 6}} $与$ {\boldsymbol{W}} = {({w_{ij}})_{1 \times 4}} $。
2.5 综合评价
将因子权重集W与模糊矩阵R进行复合运算，便得到综合评价结果U，即：
$$ {U_{1 \times 3}} = W \circ R = {({u_{ij}})_{1 \times 3}} $$ (5) 式中：$ {u_{ij}} = \mathop \vee \limits_{j = 1}^m ({w_j} \wedge {r_{jk}}) = \mathop {\max }\limits_{1 \leqslant j \leqslant m} \{ \min ({w_j},{r_{jk}})\} ,k = 1,2,3 $。
得到综合评价结果U之后，根据最大隶属度原则即可确定该点位导水可能性的级别。
3. 应 用
3.1 工程概况
赵固一矿位于焦作矿区东部，主采煤层为二1煤层。15031工作面二1煤层平均厚度5.8 m左右，煤层倾角1°～4°。；L8灰岩厚度10.60～11.49 m，上距二1煤层底板27.09～27.16 m，水压5.3～5.4 MPa，存在较大的突水危险。
为提高15031工作面二1煤层底板一定厚度范围内岩层的完整性，增加煤层底板与L8灰岩含水层底面之间的岩层抗压强度，降低采掘期间水害威胁几率及程度，于该工作面实施地面区域水害治理工程，共完成6个主要分支钻孔；施工过程中对实时工况进行监测，选定13个点位进行导水通道可能性判识（图2）；各点位指标具体数据见表3。
表 3 各点位评判指标取值Table 3. Statistical table of data for each point点位序号 点位状态 点位深度/m 钻井液单位消耗量/
（m3·h−1）钻速录井/
（m·h−1）γ录井 岩屑录
井/%单位压注量/
（m3·h−1）注浆干料
质量/t1 注浆 1080 37.6 7 70 2 37.6 1341.2 4 1164 42.0 7 60 2 42.0 1969.8 5 1255 18.8 8 55 3 18.8 1269.7 6 1351 60.0 8 30 1 60.0 2256 7 1310 10.8 7 40 2 10.8 3328 10 1412 ～1431 18.0 8 55 3 18.0 2786 2 未注浆 1022 ～1024 0 12 48 15 3 1177 ～1197 0 10 30 13 8 1293 0 10 57 12 9 1360 ～1380 0 11 43 15 11 1245 ～1255 0 5 45 3 12 1022 ～1024 0 4 30 2 13 1285 ～1295 0 5 28 2 3.2 探查点位综合流程分析
依据各点位指标的实际取值（表3），利用流程图（图1b）分析，得到上述13个点位导水可能性的定性判识结果（表4）。
表 4 基于流程图的点位导水定性判识Table 4. Statistical of identification results of points序号 点位状态 流程路径 定性判识 序号 点位状态 流程路径 定性判识 1 注浆 A3→B3→C2→D1→E2→F1 可能性大 2 未注浆 A3→B1→C2→D3 可能性大 4 注浆 A3→B3→C2→D1→E2→F1 可能性大 3 未注浆 A3→B1→C1→D3 可能性大 5 注浆 A3→B3→C2→D1→E2→F1 可能性大 8 未注浆 A3→B1→C2→D3 可能性大 6 注浆 A3→B3→C1→D1→E2→F2 可能性大 9 未注浆 A3→B1→C2→D3 可能性大 7 注浆 A3→B3→C2→D1→E2→F2 可能性大 11 未注浆 A2→B1→C2→D1 可能性小 10 注浆 A3→B3→C2→D1→E2→F2 可能性大 12 未注浆 A2→B1→C1→D1 可能性小 — — — — 13 未注浆 A2→B1→C1→D1 可能性小 3.3 模糊综合评价
1）以点位1（注浆点位）、点位11（未注浆点位）为例，利用式（1）—式（3）分别计算指标隶属度，得到模糊矩阵：
$$ \begin{split} & {\boldsymbol{R}}_1 = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 0&0&1 \\ 0&{0.67}&{0.33} \\ 0&0&1 \\ {0.6}&{0.4}&0 \\ 0&0&1 \\ 0&{0.66}&{0.34} \end{array}} \right] \\&{\boldsymbol{R}}_{11} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0&0 \\ {0.17}&{0.83}&0 \\ 0&{0.33}&{0.67} \\ {0.4}&{0.6}&0 \end{array}} \right] \end{split} $$ 2）利用式（4）分别计算点位1和点位11各因素的权重集：
$$ \begin{split} {\boldsymbol{W}} _{ \mathrm{1}} &=(0.302\;55\text{，}0.093\;88\text{，}0.160\;93\text{，}0.032\;19\text{，}\\&\quad\quad\quad 0.302\;55\text{，}0.107\;92) \end{split} $$ $$ {\boldsymbol{W}} _{ \mathrm{11}} \mathrm{=(0\text{，}0.306\;48\text{，}0.472\;85\text{，}0.220\;67)} $$ 3）将因子权重集与模糊矩阵代入式（5）进行复合运算，得到综合评价结果U；利用最大隶属度原则得到最终的判识结果（表5）。
表 5 各点位模糊综合评价结果Table 5. Statistical table of fuzzy comprehensive evaluation results for each point点位序号（注浆） 评价结果 导水性 点位序号（未注浆） 评价结果 导水性 低 中 高 低 中 高 1 0.019 0.147 0.834 高 2 0 0.032 0.968 高 4 0.018 0.073 0.909 高 3 0.023 0.144 0.833 高 5 0.028 0.449 0.523 高 8 0 0 1 高 6 0.017 0.073 0.910 高 9 0 0.095 0.905 高 7 0.029 0.461 0.509 高 11 0.140 0.543 0.317 中 10 0.024 0.299 0.676 高 12 0.301 0.699 0 中 — — — — — 13 0.266 0.734 0 中 4）导水通道探查判识结果分析。点位1—10在施工过程中根据经验初步判定为疑似导水点位，进而利用综合流程分析和模糊综合评价进行判识，其结果均显示点位1—10导水可能性为高。点位11—13在施工过程中，根据施工经验初步判定不具有导水可能性，但这3个点位与疑似导水点位距离较近（图2），将其作为对比点位一同纳入导水通道探查判识技术体系中进行分析，既可验证该技术体系判识结果的准确性，也可为后续推测导水通道位置走向提供参考。点位11—13通过综合流程分析与模糊综合评价进行判识，其结果显示这3个点位导水可能性均不为高。
3.4 研究区导水通道分析标定
根据以上评判结果，结合各点位距离及位置关系，以及部分点位中出现的前序分支注浆工程扩散而来的注浆材料（图3），对导水通道位置及走向进行标定： 1号导水通道：通过点位1、2、3标定，其分别位于9-4、9-6、9-2分支孔；2号导水通道：通过点位4、5、6标定，其分别位于9-4、9-3、9-1分支孔；3号导水通道：通过点位7、8、9、10标定，其分别位于9-4、9-5、9-3、9-1分支孔（图4）。
点位11、12、13均位于上述3条导水通道的延伸方向上，但通过对导水通道探查判识技术体系评价结果及现场工况综合分析，上述3个点位不存在导水可能性，但可为技术体系评价结果及导水通道位置推测的准确性提供佐证及参考。因此，本文提出的导水通道探查判识技术具有较强的科学性与准确性，可在传统施工经验判识基础上提升导水通道的探查判识效果。
4. 讨 论
模糊综合评价法是一种应用模糊数学原理对多种因素所影响的事物或现象进行综合评价的方法，其优点在于对模糊信息的量化且充分考虑了多个评价指标间的相互影响。目前，基于地面定向钻进技术的导水通道判识存在较多的判识指标，且有些指标是通过人为定性来描述的，具有模糊性和主观性，所以可采用模糊综合评价法对导水通道进行判识。要使判识结果更加客观且符合实际，关键在于评价指标的选择、量化、分级和权重的确定是否合理。
1）评价指标选择。研究表明，在地面定向钻进探查导水通道过程中揭露地层起伏或构造时，岩屑、钻时、钻井液漏失量等直观指标和压水试验透水率、注浆参数等验证性指标均与正常地层条件下有显著差异[13]。所以选择钻时录井、钻井液消耗量、γ录井、岩屑录井、压水试验和可注性作为导水通道判识的6个指标是合理的。
2）评价指标的量化。以上6个指标中，钻井液消耗量和γ录井2个指标可以直接采用数值来描述；压水试验和可注性2个指标可采用单位压注量和注浆量来量化。而钻时录井和岩屑录井目前多以定性描述来刻画，无法进行模糊运算。钻时与钻速存在对映关系，所以钻时录井可采用探查点位井段平均钻速来量化；岩屑录井反映的是钻进过程中钻井液循环返出的岩屑，采用非灰岩质量与捞取岩屑总质量之比（非灰岩占比）来量化是可行的。这样，6个指标都用数值来量化，为模糊综合评价奠定了基础。
3）评价指标的分级。参考华北型煤田地面区域水害治理工程实例和相关文献[13]，对钻井液消耗量、γ录井、单位压注量和注浆量的分级相对容易。
就钻速而言，通过测算各分支孔钻进数据，综合定向钻进/复合钻进工况，统计出钻孔在灰岩中正常钻进平均钻速均少于6 m/h，在此工况背景下钻遇导水通道概率低；当井段平均钻速在9 m/h以上时，井段往往在岩屑录井中出现大量注浆材料等异常成分，在此工况背景下钻遇导水通道概率极大。因此，将钻速按6 m/h和9 m/h划分为3个区间来刻画钻时录井是合理的。
就岩屑录井而言，当钻孔在灰岩中正常钻进时，岩屑中几乎不含注浆材料，其余岩屑成分也较少，岩屑构成较为单一，通过对该情况下井段岩屑质量进行测算，非灰岩岩屑质量占比一般小于5%。而出现导水通道时，后续分支孔钻进过程中，岩屑中往往存在由前序分支孔注浆作业扩散而来的注浆材料（图3），此注浆材料成为岩屑录井中非灰岩岩屑的主要成分。通过对不同井段录井岩屑的统计分析，当岩屑中开始出现注浆材料（其质量占比一般为5%～10%）时，该点位往往存在裂隙较小的导水通道；当岩屑中开始大量出现注浆材料（其质量占比一般大于10%）时，该点位往往存在较大导水通道。因此，将非灰岩占比按5%和10%划分为3个区间来刻画岩屑录井是合理的。
4）评价指标的权重。在实际施工过程中，点位发生改变时，评价指标的权重往往也会发生变化。而超标加权法（式（4））就是在不同点位，利用指标的不同取值进行比较来确定权重的，点位不同，指标权重也不同。所以，超标加权法更加适用于导水通道判识指标权重的确定。
通过在赵固一矿15031工作面的实例分析与验证，说明上述6个导水通道判识指标的选择、量化、分级和权重的确定是合理的。
5. 结 论
1）以多分支定向长钻孔超前探查为基础，利用综合分析流程图对样点是否导水进行定性判识；利用模糊理论构建了导水通道三级定量判识的技术体系。
2）导水通道模糊综合评价过程中，对选取的6个判识指标分别采用钻速、钻井液消耗量、γ值、非灰岩占比、单位压注量和注浆量来量化，并对指标进行了低、中、高3个等级的划分；利用超标加权法确定指标权重；利用模糊算子和最大隶属度原则对导水通道进行综合判识。
3）利用该技术对赵固一矿15031工作面13个点位进行了综合流程分析和模糊综合评价，最终成功标定了3条导水通道的具体位置。该技术构建了导水通道的判识指标体系，并对其进行量化分级与综合评估，提高了煤层底板导水通道的判识度。
-
![]()
图 4 煤柱光测系统布置及监测实物
Figure 4. Layout and monitoring physical of coal pillar optical measurement system
![]()
图 5 遗留煤柱下区段煤柱应力分布
Figure 5. Stress distribution of coal pillars in lower section of remaining coal pillars
![]()
图 6 区段煤柱测试钻孔布置平面示意
Figure 6. Layout plan of drilling holes for section coal pillar testing
![]()
图 7 区段煤柱FBG应变测试钻孔布置示意
Figure 7. Schematic of borehole layout for strain testing of section coal pillars
![]()
图 11 上覆遗留煤柱变形失稳模型
Figure 11. Deformation and instability model of overlying residual coal pillars
![]()
图 13 回采期间2–1F号FBG应变变化曲线
Figure 13. Strain variation curve of No. 2–1F FBG during mining
![]()
图 14 2–1号测孔FBG应变梯度及应立计变形响应
Figure 14. No. 2–1 measuring hole FBG and strain gauge deformation response
![]()
图 16 回采期间1–1F号应变曲线
Figure 16. Strain curves for different hole depths of No. 1–1F during mining
![]()
图 17 钻孔深度11.7 m测点1–1F号应变曲线
Figure 17. Strain curve of measuring point No. 1–1F at a drilling depth of 11.7 m
![]()
图 18 过煤柱期间1–1F号应变曲线
Figure 18. No. 1–1F strain change curve during coal pillar crossing
表 1 光测传感器精度
Table 1 Precision of optical sensor
钻孔编号 类型 FBG 光栅应力计 1–1号 波长/pm ±2 ±3 应变/10−6 ±1.69 — 应力/MPa — ±0.075 允许波长误差范围/pm ±5 ±5 2–1号 波长/pm ±2 ±2 应变/10−6 ±1.69 — 应力/MPa — ±0.05 允许波长误差范围/pm ±5 ±5 
下载: 导出CSV
-
[1] 齐庆新,潘一山,舒龙勇,等. 煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构[J]. 煤炭学报,2018,43(7):1801−1810. QI Qingxin,PAN Yishan,SHU Longyong,et al. Theory and technical framework of prevention and control with different sources in multi- scales for coal and rock dynamic disasters in deep mining of coal mines[J]. Journal of China Coal Society,2018,43(7):1801−1810.
[2] 窦林名,何 江,曹安业,等. 煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治[J]. 煤炭学报,2015,40(7):1469−1476. DOU Linming,HE Jiang,CAO Anye,et al. Rock burst prevention methods based on theory of dynamic and static combined load induced in coal mine[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(7):1469−1476.
[3] 姜耀东,潘一山,姜福兴,等. 我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J]. 煤炭学报,2014,39(2):205−213. JIANG Yaodong,PAN Yishan,JIANG Fuxing,et al. State of the art review on mechanism and prevention of coal bumps in China[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(2):205−213.
[4] 吴文达,柏建彪,王襄禹,等. 煤柱群下回采工作面强矿压显现机理研究[J]. 采矿与安全工程学报,2023,40(3):563−571, 577. WU Wenda,BAI Jianbiao,WANG Xiangyu,et al. Study on mechanism of strong pressure behaviors in working face under residual coal pillars[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2023,40(3):563−571, 577.
[5] 姜福兴,张 翔,朱斯陶. 煤矿冲击地压防治体系中的关键问题探讨[J]. 煤炭科学技术,2023,51(1):203−213. JIANG Fuxing,ZHANG Xiang,ZHU Sitao. Discussion on key problems in prevention and control system of coal mine rock burst[J]. Coal Science and Technology,2023,51(1):203−213.
[6] 蔡 武,窦林名,王桂峰,等. 煤层采掘活动引起断层活化的力学机制及其诱冲机理[J]. 采矿与安全工程学报,2019,36(6):1193−1202. CAI Wu,DOU Linming,WANG Guifeng,et al. Mechanism of fault reactivation and its induced coal burst caused by coal mining activities[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2019,36(6):1193−1202.
[7] 于 斌. 多煤层上覆破断顶板群结构演化及其对下煤层开采的影响[J]. 煤炭学报,2015,40(2):261−266. YU Bin. Structural evolution of breaking roof group of multiple coal seams and its influence on lower coal seam mining[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(2):261−266.
[8] JU Jinfeng,XU Jialin,ZHU Weibing. Longwall chock sudden closure incident below coal pillar of adjacent upper mined coal sea m under shallow cover in the Shendong coalfield[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2015,77:192−201. doi: 10.1016/j.ijrmms.2015.04.004
[9] 岳喜占,涂 敏,李迎富,等. 近距离煤层开采遗留边界煤柱下底板巷道采动附加应力计算[J]. 采矿与安全工程学报,2021,38(2):246−252, 259. YUE Xizhan,TU Min,LI Yingfu. et al. Study on the mechanism of strong strata behavior influenced by overlying coal pillar and control technology of ground fracturing[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2021,38(2):246−252, 259.
[10] 赵 猛,张晓明,王 楠,等. 深部坚硬顶板厚煤层开采冲击矿压规律及防治技术[J]. 煤矿安全,2020,51(1):89−93. ZHAO Meng,ZHANG Xiaoming,WANG Nan,et al. Research on rock burst laws and prevention in deep hard roof coal seam mining[J]. Safety in Coal Mines,2020,51(1):89−93.
[11] 张华磊,王连国,秦 昊. 回采巷道片帮机制及控制技术研究[J]. 岩土力学,2012,33(5):1462−1466. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2012.05.029 ZHANG Hualei,WANG Lianguo,QIN Hao. Study of spalling mechanism and control techniques of mining roadway[J]. Rock and Soil Mechanics,2012,33(5):1462−1466. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2012.05.029
[12] 王家臣,王兆会,孔德中. 硬煤工作面煤壁破坏与防治机理[J]. 煤炭学报,2015,40(10):2243–2250. WANG Jiachen,WANG Zhaohui,KONG Dezhong. Failure and prevention mechanism of coal wall in hard coal seam[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(10):2243–2250.
[13] 于远祥,柯 达,王京滨,等. 基于弹性理论的煤帮极限平衡区宽度确定方法探讨[J]. 煤炭学报,2019,44(11):3340−3348. YU Yuanxiang,KE Da,WANG Jingbin,et al. Discussion on determination method of the limit equilibrium zone width based on the deformation analysis of coal wall[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(11):3340−3348.
[14] 孙利辉,杨贤达,张海洋,等. 强动压松软煤层巷道煤帮变形破坏特征及错注加固试验研究[J]. 采矿与安全工程学报,2019,36(2):232–239. SUN Lihui,YANG Xianda,ZHANG Haiyang,et al. Experimental research on characteristics of deformation and failure of roadway ribs in soft coal seams under strong dynamic pressure and bolt-grouting reinforcement[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2019,36(2):232–239.
[15] 贾后省,潘 坤,刘少伟,等. 采动巷道煤帮变形破坏规律与控制技术[J]. 采矿与安全工程学报,2020,37(4):689−697. JIA Housheng,PAN Kun,LIU Shaowei,et al. The deformation and failure mechanism and control technology of mining influenced roadway sides[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2020,37(4):689−697.
[16] 柴 敬,韩志成,雷武林,等. 回采巷道底鼓演化过程的分布式光纤实测研究[J]. 煤炭科学技术,2023,51(1):146−156. CHAI Jing,HAN Zhicheng,LEI Wulin,et al. Distributed optical fiber measurement of floor heave evolution in mining roadway[J]. Coal Science and Technology,2023,51(1):146−156.
[17] 柴 敬,刘永亮,袁 强,等. 矿山围岩变形与破坏光纤感测理论技术及应用[J]. 煤炭科学技术,2021,49(1):208−217. CHAI Jing,LIU Yongliang,YUAN Qiang,et al. Theory-technology and its application of optical fiber sensing on de formation and failure of mine surrounding rock[J]. Coal Science and Technology,2021,49(1):208−217.
[18] 顾春生,袁 骏. 基于光纤光栅传感技术的覆岩破坏模型试验[J]. 煤炭技术,2016,35(3):84−86. GU Chunsheng,YUAN Jun. Model test of overlying rock failure based on fiber bragg grating sensing technology[J]. Coal Technology,2016,35(3):84−86.
[19] 梁敏富,方新秋,薛广哲,等. FBG锚杆测力计研制及现场试验[J]. 采矿与安全工程学报,2017,34(3):549−555. LIANG Minfu,FANG Xinqiu,XUE Guangzhe,et al. Development of anchor dynamometer of FBG and its field test[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2017,34(3):549−555.
[20] 梁敏富,方新秋,陈宁宁,等. 正交试验设计的FBG测力锚杆结构封装优化及应用[J]. 煤炭学报,2022,47(8):2950–2960. LIANG Minfu,FANG Xinqiu,CHEN Ningning,Structure packaging optimization and application of FBG dynamometry boltsbased on the orthogonal test design[J]. Journal of China Coal Society,2022,47(8):2950–2960.
[21] 李丽君,张 旭,唐 斌,等. 一种微型光纤光栅矿压传感器[J]. 煤炭学报,2013,38(11):2084–2088. LI Lijun,ZHANG Xu,TANG Bin,et al. A kind of mirco-fiber Bragg grating mine pressure sensor[J]. Journal of China Coal Society,2013,38(11):2084–2088.
[22] 卢 毅,施 斌,魏广庆. 基于BOTDR与FBG的地裂缝定点BOTDR传感监测技术研究[J]. 中国地质灾害与防治学报,2016,27(2):103–109. LU Yi,SHI Bin,WEI Guangqing. BOTDR and FBG fixed-point distributed optical fiber sensor monitoring technology for ground fissures[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2016,27(2):103–109.
[23] 张丁丁,李淑军,张 曦,等. 分布式光纤监测的采动断层活化特征实验研究[J]. 采矿与岩层控制工程学报,2020,2(1):013018. ZHANG Dingding,LI Shujun,ZHANG Xi, et al. Experimental study on mining fault activation characteristics by a distributed optical fiber system[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering,2020,2(1):013018.
[24] 王志强,武 超,罗健侨,等. 特厚煤层巨厚顶板分层综采工作面区段煤柱失稳机理及控制[J]. 煤炭学报,2021,46(12):3756−3770. WANG Zhiqiang,WU Chao,LUO Jianqiao,et al. Instability mechanism and control of section coal pillar in fully mechanized mining face with super thick roof and extra thick seam[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(12):3756−3770.
[25] 陈冬冬,武毅艺,谢生荣,等. 弹–塑性基础边界一侧采空基本顶板结构初次破断研究[J]. 煤炭学报,2021,46(10):3090−3105. CHEN Dongdong,WU Yiyi,XIE Shengrong,et al. Study on the first fracture of the main roof plate structure with one side goaf and elastic-plastic foundation boundary[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(10):3090−3105
[26] 涂 敏,林远东,张向阳,等. 大空间孤岛采场覆岩结构演化与区段煤柱合理宽度研究[J]. 采矿与安全工程学报,2021,38(5):857−865. TU Min,LIN Yuandong,ZHANG Xiangyang,et al. Evolution of overburden structure and reasonable width of section coal pillar in large space isolated island stope[J]. Journal of Mining & Safety Engineering,2021,38(5):857−865.
-
期刊类型引用(7)
1. 魏加富, 刘慧波, 刘浩然, 邓小亮, 汪沛. 基于AHP-CRITIC模糊综合评价的湖南省中小水电调能评估方法. 湖南电力. 2025(03) 
百度学术
2. 王冲, 张钰锋, 于得龙, 陈斌, 李建林. 华北高陡岩质边坡生态修复的植物优化配置. 中国水土保持科学(中英文). 2025(03) 百度学术
3. 车欣. 基于WSR的供水企业运营管理评价研究. 水上安全. 2025(10) 百度学术
4. 孙文斌, 孙志辉, 刘红强, 褚怡心. 基于A-Star算法的深部煤层开采含断层底板突水路径智能识别研究. 采矿与岩层控制工程学报. 2025(03) 百度学术
5. 张舒欣，贾紫璇，方涛，刘一凡，赵微，王荣，昌海超，罗芳丽，朱耀军，于飞海. 植物抗逆能力评价方法研究进展. 生物多样性. 2025(02): 106-118 . 百度学术
6. 王求，丁小英. 结合BIM技术与模糊综合评价的精细化建筑施工策略设计. 黑龙江工业学院学报(综合版). 2024(08): 123-128 . 百度学术
7. 郭瑞. 基于钻孔物探的煤矿导水通道精准探查研究——以不连沟煤矿为例. 能源与环保. 2024(12): 153-159 . 百度学术
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 217
- HTML全文浏览量: 34
- PDF下载量: 122
- 被引次数: 8
