基于BOTDR的煤层底板突水温度场监测模拟研究

张平松，孙斌杨，许时昂

(1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.全国煤炭行业矿井水害综合防治工程研究中心，安徽 淮南 232001)

基于BOTDR的煤层底板突水温度场监测模拟研究

张平松1, 2，孙斌杨1，许时昂1

(1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.全国煤炭行业矿井水害综合防治工程研究中心，安徽 淮南 232001)

针对采煤工作面底板突水过程中常会引起突水区域温度场的异常响应，利用分布式光纤测试技术对温度场变化捕捉敏感的特性进行测试。通过设计光纤底板温度场测试传感装置，构建测试地质地球物理模型，对底板突水所引起的岩层温度场的变化进行测试模拟。结果表明：分布式光纤测试技术能很好分辨底板水导升过程中水温改变所引起的温度场变化特征，且对突水区域范围判断快速、有效。

隧道工程；岩土工程；底板突水；温度场；分布式光纤传感；相似模拟

0 引 言

基于我国能源结构的独特性，新形势下煤炭资源在整体能源消费中依然发挥主导作用。随着矿井机械化生产的推进，煤炭资源的大规模开采与深度化发展使得矿井地质环境发生较大的变化。此时受地质条件的改变，矿井灾害也呈现出相应的复杂性与多样性，如矿井水害、煤与瓦斯突出、岩爆、高地温等。这给矿井的深部化开采带来较大的威胁，其中采煤工作面底板突水危害最为严重，使得华北岩溶地区大部分矿井的深部煤层难以正常开采[1]，造成巨大的经济损失和自然资源的浪费。

如何实现对底板突水的快速、有效探测，一直是众多学者探究的重点和难点。目前在底板突水防治工作中主要采用理论分析和原位测试两种方法。其中理论方法有“底板相对隔水层”、“突水系数法”[2]、“下三带”[3]以及 “关键层”等理论[4-6]。这些理论研究对于底板突水的防治具有一定的指导作用，但是由于理论多基于较为理想化的状态，其与实际工程会有较大的差异。因此目前对于底板水的防治还多依据原位测试技术获得相应的技术参数。其中常用的测试方法包括高密度电阻率法、三维并行电法、双巷音频电透视及矿井瞬变电磁法等[7-8]。这几种方法对于矿井水害地质条件及异常区的判断具有良好效果，但在工作面的开采过程控制与监测方面仍存在不足，其观测系统的布置及现场操作较为繁琐难以灵活应用。分布式光纤传感技术对光纤各点的温度、应力变化可以进行良好探测，已广泛应用于井下管道、隧道、大坝水位以及仓库火情的监测[9-11]，并取得良好成效。综合考虑光纤本身具有安全性能好、抗电磁强、测量范围广、重量轻等优点，同时远距离传输其光损较小可以保证数据的可靠性，便于矿井实时和长期监测。目前，分布式光纤测温技术对于底板突水的温度场测试研究还比较薄弱，因此其具有较大的应用实践空间。

采煤工作面底板突水的主要因素包括采动矿压和水压两方面，大致可分为3个阶段。为有效预防突水需进行实时监测，主要对突水前期即导水裂隙初步形成和断裂带塑性扩展阶段进行监测和预警[12]。笔者以淮南某矿区工作面底板原始地质资料为基础，构建一套底板突水相似模拟装置，结合BOTDR分布式光纤传感技术对底板突水进行温度场监测，研究了光纤在煤层底板岩层中的布设及安装工艺，对突水期间煤层底板温度场的分布及变化规律进行探究。

1 布里渊光时域反射技术

布里渊光时域反射技术(BOTDR)是分布式光纤传感技术的一种[13]。通过检测光纤中布里渊散射频移的变化，根据变化量随温度和应变呈线性变化的关系来分析探测体物理性质的改变。其工作原理如图1[14-17]。

图1 BOTDR工作原理Fig.1 Working principle of BOTDR

图1中，利用测试仪在光纤的一端输入脉冲光后，其内部介质之间的相互作用会发生布里渊背向散射，当光纤的某一点或某一区域的原始状态发生改变时，原始光路也会随之改变即布里渊散射的频率发生变化，且变化量只与温度和轴向应变有关。

利用布里渊频移(υB)，光纤温度(T)和轴向应变(ε)的关系，通过测量ΔυB进而得到光纤沿线各点T和ε的分布。T与υB之间的数值关系可用式(1)表达为：

T=CT(υB-υB0)+T0

(1)

式中：T为光纤温度；CT为常数，即频移与温度的相关系数；υB为布里渊频移；υB0和T0分别为自然状态下初始布里渊频移量和温度值。

实验所采用测试仪器为AV6419光纤应变分布测试仪，其量程范围0.5～80 km，空间分辨率1 m，采样间隔最小可达5 cm，对于温度检测具有0.5 ℃的分辨测试能力。底板突水相似模拟实验采用基于BOTDR分布式光纤传感技术，可以对煤层底板温度场进行实时监测，当发生突水时测试仪可有效探测破坏区域和温度场的变化，以及水位上升温度场分布的演化过程，满足工程实践判断的基本要求。

2 底板突水温度场监测相似模拟

我国华北石炭系煤层多形成于滨海、湖泊等海相沉积环境，含煤岩系中存在大量的灰岩层，致使其基底岩溶发育，赋存大量的承压水，给深部石炭系煤层的开采带来极大的危害。笔者主要以两淮煤田淮南某矿工作面底板为研究对象，设计和构建煤层底板突水相似模拟实验[18]。

2.1 实验模型设计

底板突水相似模拟实验根据矿井相关资料，经过合理的简化，以1∶100比例搭建长、宽、高均为0.4 m的平面应力模型，如图2。构建模型的围压较低，但是由于测试中水头相对较高，因此并不影响模拟突水事件的发生及后期底板温度场的监测。

图2 相似模拟装置Fig.2 Equipment of similar simulation

结合模拟材料配比实验研究成果，确定模型材料的配比方案，并利用式(2)对各分层材料用量进行计算(表1)。模型中各岩性分层采用砂子、石膏、石灰、水泥等分别以不同比例加入适量的水分层铺设并压实固结而成，搭载整个实验模型共需要砂子71.25 kg，石灰4.61 kg，水泥2 kg，石膏3.77 kg。

G=lbhγm

(2)

式中：G为模型分层材料总重(不包括含水量)；l为模型长度；b为模型宽度；h为模拟岩层各分层高度；γm为模拟岩层各分层容重。

表1 相似模拟材料配比方案

2.2 光纤的布设及安装

模拟实验传感光纤为NZS-DSS-C07聚氨酯紧套光缆，其为单模光纤，光缆截面尺寸为2.0 mm，重量为2 kg/km。为提高AV6419光纤应变分布测试仪的空间分辨率，将传感光缆以螺旋式的形式缠绕在PVC管外壁，共缠绕135圈加上光纤跳线总长为15 m(图3)，期间采用黏结剂使之与PVC管外壁更好地耦合。

图3 传感光缆布设、安装示意Fig.3 Layout and installation of sensing optical fiber cable

在铺设模拟材料之前，将传感光缆连同PVC管倾斜放置于平面模型中，然后分层铺设模拟材料。材料填充完毕后，在模拟煤层的上表面均匀施加外力使其捣固成型，介质、光缆、PVC管这3者之间的耦合性将大大提高。本次模拟实验光缆安装工艺与现场施工有所不同，矿井实测时会在底板施工钻孔，然后利用钻孔安装技术将光缆植入到孔中，后期进行注浆耦合。但是由于模拟试验尺度较小无法达到施工钻孔要求，只能前期预埋设光缆再铺设岩层使之其与实际工况基本相符。

2.3 模拟实验过程

实验采用分层加水的方式，水温总体控制在55 ℃左右，每次注水高度为2.5 cm。期间为了使得水流能够从底板岩层均匀地上升，人工施加一定的水压，将输水软管抬至2.5 m的高度，相当于0.025 MPa的水头。模型搭载完毕，根据现场实验条件设置仪器参数。首先在未注水条件下采集岩体空间背景温度值，然后按注水间隔2.5 cm高度采集一次数据，共拟采集16组数据。由于突水的突发性及难以控制性，在第7次注水时水流已完全覆盖整个煤层工作面，实验共采集10组数据。

3 实验数据分析

在BOTDR分布式光纤传感技术进行煤层工作面底板突水相似模拟实验过程中，根据光纤的布里渊频移与温度之间存在相关关系[19-20]，由式(1)可计算出不同布里渊频移所对应的岩体温度值，从而可获取整个突水过程中底板岩层内部温度场的变化及分布情况。

3.1 突水过程分析

根据监测数据获得突水过程中的水位上升曲线，如图4；突水时光纤各段温度分布，如图5。

图4 水位上升曲线Fig.4 Curve of water level rises

图5 突水时光纤各段温度分布Fig.5 Temperature distribution in the fiber of the water inrush

图4中，突水界面将煤层底板岩石分为3个层次。其一为上部未受突水影响原始状态的岩层(图4中Ⅰ区域)；其二为每次注水结束后稳定状态下的水源界面，判别原因是灰岩承压水沿着裂隙带导升时，周围岩石介质会由于水温高于自身的温度而发生温度突变，使得高于上部原始状态的岩石温度(图4中Ⅱ区域)；其三为已被承压水贯穿的下部岩层，二者充分接触使得岩体温度明显高于上部各个岩层的值(图4中Ⅲ区域)。

图4中的Ⅱ区域水位上升曲线主要是由7次注水后的突水界面拼接而成，较为真实地反映出整个动态突水过程。同时，图4和图5中第7次突水都出现了陡增的现象，原因在于此时底板岩层中已富含大量的承压水，并且岩性为砂、泥岩，其孔隙度较大于底部的灰岩层，因此以相同的水量和水压注入底板时出现上述情形。

3.2 温度场变化及定位分析

在实验过程中，连同PVC管一起植入岩体内部的光缆会由于温度场的变化受影响，而裸露在外部的则不会发生布里渊频移。实验结果表明：BOTDR对温度场的变化有良好的探测效果(图5)，温度最终测量值基本都处于50～60 ℃之间，与实际注入的55 ℃水源在相对误差允许范围内(55±5.5)℃基本吻合。

分布式光纤传感技术不但能够灵敏地探测温度场变化，而且可以有效定位破坏区域。由图5可知，每次突水曲线的首个抬高点即突水区域零界点都不一样，正符合于分层注水情况。选取第4次突水曲线做定量分析可得，突水后水源稳定界面大致位于-32 cm，与实际注水高度10 cm(注水界面达到-30 cm)基本相符。

综上，基于BOTDR的分布式光纤传感技术应用于采煤工作面底板突水的监测，可以直观地反映底板温度场状态并准确地定位突水水源位置，可对煤层工作面底板突水的预防提供技术参数。

4 结 语

鉴于BOTDR的先进性，笔者研究了用于监测煤层工作面底板突水的传感光缆布设方式及安装工艺，并开展相关模拟实验探究BOTDR分布式光纤传感技术应用于底板突水监测的有效性。

研究结果表明：分布式光纤测试方法能够有效分辨模型突水过程中温度场的相关参数变化，通过监测数据可有效圈定温度场变化区域及温度变化范围。通过对比测试结果，光纤测试数据与实验实际结果在误差允许范围内吻合度较高，同时底板光纤测试施工工艺简单、易操作，其测试方法和结果能为底板突水防治提供有效的技术指导。与传统测试方法相比，基于BOTDR的分布式光纤传感具有一定的优越性，其应用前景十分广阔，但具体的实践应用需进一步深入研究。

[1] 胡耀青.我国带压开采研究现状及其展望[J].太原理工大学学报,2002,33(6):594-600. HU Yaoqing. The development and application situation on aquifer in China[J].JournalofTaiyuanUniversityofTechnology, 2002, 33(6): 594-600.

[2] 施龙青.底板突水机理研究综述[J].山东科技大学学报(自然科学版),2009,29(3):17-22. SHI Longqing. Summary of research on mechanism of water-inrush from seam floor[J].JournalofShandongUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience), 2009, 29(3): 17-22.

[3] 荆自刚,李白英.煤层底板突水机理的初步探讨[J].煤田地质与勘探,1980(2):27-29. JING Zigang, LI Baiying. Preliminary study about water-inrush from floor[J].CoalfieldGeologyandExploration, 1980(2): 27-29.

[4] 钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报,1996,21(3):44-47. QIAN Minggao, MIAO Xiexing, XU Jialin. Theoretical study of key stratum in ground control[J].JournalofChinaCoalSociety, 1996, 21(3): 44-47.

[5] 王作宇,张建华,刘鸿泉,等.承压水上近距煤层重复采动的底板岩体移动规律[J].煤炭科学技术,1995,23(2):9-12. WANG Zuoyu, ZHANG Jianhua, LIU Hongquan, et al. Strata movement law of repeat mining close coal layer[J].CoalScienceandTechnology, 1995, 23(2): 9-12.

[6] 施龙青,韩进.开采煤层底板“四带”划分理论与实践[J].中国矿业大学学报,2005,34(1):16-23. SHI Longqing, HAN Jin. Theory and practice of dividing coal mining area floor into four-zone[J].JournalofChinaUniversityofMining&Technology, 2005, 34(1): 16-23.

[7] 付茂如,张平松,王大设,等.矿井工作面底板水害综合探查技术研究[J].矿业安全与环保,2013,40(2):92-95. FU Maoru, ZHANG Pinsong, WANG Dashe, et al. Study on integrated detection for face floor water hazards[J].MiningSafety&EnvironmentalProtection, 2013, 40(2): 92-95.

[8] 吴荣新,刘盛东,张平松.双巷并行三维电法探测煤层工作面底板富水区[J].煤炭学报,2010,35(3):454-457. WU Rongxin, LIU Shengdong, ZHANG Pingsong. The exploration of two-gateways parallel 3-D electrical technology for water-rich area within coal face floor[J].JournalofChinaCoalSociety, 2010, 35(3): 454-457.

[9] 蒋奇.分布式光纤温度传感技术在隧道监测中的应用[J].应用光学,2005,26(3):20-22. JIANG Qi. Application of fiber-optic distributed temperature sensor to tunnel monitoring system[J].JournalofAppliedOptics, 2005, 26(3): 20-22.

[10] 何宁,丁勇,吴玉龙,等.基于分布式光纤测温技术的堤坝渗漏监测[J].水利水运工程学报,2015(1):20-27. HE Ning, DING Yong, WU Yulong, et al. Experimental study of distributed optical fiber temperature measurement technology for measuring leakage in embankment dam[J].Hydro-ScienceandEngineering, 2015(1): 20-27.

[11] 程宗泽,李奔锋.分布式光纤感温报警系统在矿井火灾的监测研究[J].煤矿机电,2013(5):45-48. CHENG Zongze, LI Benfeng. Research on distributed fiber temperature sensing alarm system for monitoring of ming fire[J].CollieryMechanical&ElectricalTechnology, 2013(5): 45-48.

[12] 张长文,付斌,徐毅.矿井突水问题的研究[J].煤炭技术,2004,23(5):65-66. ZHANG Changwen, FU Bin, XU Yi. Research on gushing water in coal-mine[J].CoalTechnology, 2004, 23(5): 65-66.

[13] 周柏兵,万永波,徐国龙,等.分布式光纤监测系统在混凝土坝的研究与应用[J].水利信息化,2010(6):32-36. ZHOU Baibing, WAN Yongbo, XU Guolong, et al. Research in and application of distributed optical fiber monitoring system at concrete dam[J].WaterResourcesInformatization, 2010(6): 32-36.

[14] 刘杰,施斌,张丹,等.基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究[J].岩土力学,2006,27(7):1224-1228. LIU Jie, SHI Bin, ZHANG Dan, et al. Experimental study of foundation pit monitoring using BOTDR-based on distributed optical fiber sensor[J].RockandSoilMechanics, 2006,27(7):1224-1228.

[15] 施斌,徐洪钟,张丹,等.BOTDR应变监测技术应用在大型基础工程健康诊断中的可行性研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(3):493-499. SHI Bin, XU Hongzhong, ZHANG Dan, et al. Feasibility study on application of BOTDR to health monitoring for large infrastructure engineering[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2004, 23(3): 493-499.

[16] 隋海波,施斌,张丹,等.基于BOTDR的锚杆拉拔试验研究[J].岩土工程学报,2008,30(5):755-759. SUI Haibo, SHI Bin, ZHANG Dan, et al. BOTDR-based pull-out tests on anchor bolts[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2008, 30(5): 755-759.

[17] 黄民双,陈伟民,黄尚廉,等.基于Brillouin散射的分布式光纤拉伸应变传感器的理论分析[J].光电工程,1995,22(4):11-16. HUANG Minshuang, CHEN Weimin, HUANG Shanglian, et al. The theoretical analysis of distributed optic fiber strain sensor based on Brillouin scatter[J].Opto-ElectronicEngineering, 1995, 22(4): 11-16.

[18] 高峰,胡蓉,谭绪凯.隧道注浆加固模型试验研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2014,33(4):44-46. GAO Feng, HU Rong, TAN Xukai. Model test of tunnel grouting reinforcement[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2014, 33(4): 44-46.

[19] 张丹,张平松,施斌,等.采场覆岩变形与破坏的分布式光纤监测与分析[J].岩土工程学报,2015,37(5):952-957. ZHANG Dan, ZHANG Pingsong, SHI Bin, et al. Monitoring and analysis of overburden deformation and failure using distributed fiber optic sensing[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2015, 37(5): 952-957.

[20] XU Shiang, ZHNAG Pingsong, ZHANG Dan, et al. Simulation study of fiber optic monitoring technology of surrounding rock deformation under deep mining conditions[J].JournalofCivilStructuralHealthMonitoring, 2015, 5(5): 563-571.

Simulation Research on BOTDR-based Monitoring over Temperature Field of Water Inrushing from Coal Floor

ZHANG Pingsong1, 2, SUN Binyang1, XU Shi’ang1

(1. School of Earth and Environment, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, P.R.China; 2. Engineering Research Center of Mine Water Disaster Comprehensive Control of Nationwide Mining Industry, Huai’nan 232001, Anhui, P.R.China)

During the process of floor water inrushing on coal face, abnormal responses of corresponding temperature field occured. Therefore, the sensitiveness of distributed fiber testing technology was used to test the changed temperature field. Through designing the sensor for detecting optical fiber floor temperature field, a geo-physical model was developed to test the geology and the earth a simulation test was conducted to simulate and analyze the rock stratum temprature field variation induced by inrush on coal face. The result indicates that the distributed fiber testing technology can well identify the temperature variations induced by water temperature change in process of floor water rising and can determine water bursting area quickly and effectively.

tunnel engineering; geotechnical engineering; floor water bursting; temperature filed; distributed optical fiber sensing; similar simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.07

2015-09-15；

2015-11-13

中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目(MTKJ2014-223)；安徽省大学生创新创业训练计划项目(201510361126)

张平松(1971—)，男，安徽六安人，教授，博士，主要从事地球物理探查技术开发与应用方面的研究。E-mail:pszhang@sohu.com。

孙斌杨(1992—)，男，安徽淮南人，硕士研究生，主要从地球物理勘探方面的研究。E-mail:binyangsun1993@163.com。

U453.6+1；TD15

A

1674-0696(2016)05-028-04