复用既有工程的工作面多层立体光纤监测方法与流程

本发明属于煤矿冲击地压监测、采动覆岩演化监测，具体涉及复用既有工程的工作面多层立体光纤监测方法。

背景技术：

1、冲击地压矿井常采用顶板定向水力压裂进行卸压治理，施工大量高位走向定向长钻孔。压裂工序结束后，该类钻孔普遍闲置废弃，工程资源未能充分利用。随着煤矿井下水力压裂施工要求日益提高，压裂设备整体摆放长度不断增大，设备频繁在两巷之间搬家成为制约施工效率的主要瓶颈。为此，常在工作面两巷之间施工倾向贯穿两巷的顶板定向钻孔，用于联通两巷压裂管道，实现压裂设备跨工作面连续作业，减少设备搬家次数，减少压裂钻场的重复开设。该类倾向贯穿钻孔在压裂施工结束后同样闲置废弃，成为潜在的监测通道资源。此外，工作面两巷巷道空间本身即可作为浅部围岩光纤监测的天然敷设通道，无需额外施工监测钻孔。

2、当前工作面das光纤监测存在如下问题：1.单独施工监测钻孔，工程量大、成本高；浅部围岩监测需额外布设传感器，重复投入严重；2.监测体系大多单层布置，难以区分浅部围岩、中部关键层、高位覆岩破裂信息，无法实现分层监测；3.监测系统布设位置多处于工作面两巷超前影响区域，受采动扰动易损坏，运维风险高；4.缺少依托既有高位压裂钻孔、倾向贯穿钻孔及两巷巷道空间构建多层立体监测体系的成套方案。

3、现有技术中，仅利用das光纤监测水力压裂过程裂缝扩展，属短期临时监测，无法支撑工作面长期掘进、回采全周期监测。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供复用既有工程的工作面多层立体光纤监测方法，解决了现有监测体系单独施工钻孔成本高、重复投入大、单层无法区分层位且布设于采动区易损坏、缺少利用既有工程构建立体监测成套方案的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，复用既有工程的工作面多层立体光纤监测方法，包括以下步骤：

3、s1、依据工作面既有工程条件划分出包括两巷直埋段浅部、中部顶板贯穿钻孔和高位压裂钻孔的监测层位；

4、s2、对中部顶板贯穿钻孔和高位压裂钻孔进行清孔排渣处理，对两巷直埋段进行清理整备；

5、s3、向中部顶板贯穿钻孔和高位压裂钻孔内布设das光纤，在两巷直埋段布设浅部监测光纤；

6、s4、依托各层位监测通道构建多层立体光纤监测网络；

7、s5、采集各层位岩层声学信号，识别不同层位微破裂事件；

8、s6、依据多层监测数据研判覆岩运移规律，开展冲击地压危险预警。

9、本发明的特点还在于：

10、s1中，两巷直埋段浅部监测层位具体为：在工作面两巷巷道帮部或顶板浅孔内直埋敷设das光纤的层位，用于监测浅部围岩松动及巷道变形；中部顶板贯穿钻孔的监测层位具体为：已施工的倾向贯穿两巷的顶板定向钻孔，用于联通两巷压裂管道、减少压裂设备搬家次数，终孔高度为煤层顶板以上0～20m，用于监测基本顶及中部关键层破断；高位压裂钻孔的监测层位具体为：已施工的顶板水力压裂走向定向长钻孔，终孔高度为煤层顶板以上30～120m，用于监测高位厚硬岩层破断及大能量矿震前兆。

11、各层位监测通道的覆盖能力取决于既有钻孔的实际分布状况：在钻孔分布密集区段，相邻通道的监测范围可实现部分搭接或全覆盖；在钻孔分布稀疏区段，监测通道以区域性层位信号拾取与层位识别为主；对于不具备既有钻孔的层位或区段，可专项施工补充钻孔或专项敷设直埋光纤；各层位的钻孔分布密度由原工程目的决定，钻孔数量有限、分布间距较大，以区域性层位监测为主要功能定位。

12、s2中，对中部顶板贯穿钻孔和高位压裂钻孔进行清孔排渣处理具体为：采用高压水通过钻杆向孔内注入冲洗孔道，冲洗压力根据孔内沉渣情况和钻孔深度确定，冲洗过程中观察孔口返水情况，返水由浊变清且无岩屑返出时视为冲孔完成，保证孔道通畅满足das光纤下入条件；对两巷直埋段进行清理整备具体为：清除敷设路径上的杂物和尖锐物，确保光纤敷设条件满足要求。

13、s3中，das光纤在中部顶板贯穿钻孔和高位压裂钻孔的钻孔段采用柔性护管一体式推送工艺下入孔内，das光纤穿入柔性护管内部，在护管前端安装导向堵头，借助推送机具将内置das光纤的柔性护管整体向钻孔内部推送，避免光纤在推送过程中因孔壁摩擦、岩块挤压导致破损；在两巷直埋段采用直埋敷设方式，将das光纤直接敷设于巷道帮部或顶板浅孔内；各通道光纤布设时预留松弛变形余量，用于缓冲围岩变形带来的光纤拉伸荷载；钻孔孔口及巷道内出线端做好密封防护。

14、s3中，各层位das光纤的布设时机依据各自工程条件的形成时间确定：两巷直埋段浅部监测光纤在巷道掘进期间随掘进同步布设，可完整覆盖掘进扰动、顶板压裂、工作面回采全过程，或在巷道成型后择机补设；中部顶板贯穿钻孔监测光纤在贯穿钻孔完成压裂管道联通功能后布设，主要覆盖工作面回采阶段；高位压裂钻孔监测光纤在对应压裂钻孔施工及压裂作业完成后布设，可监测该孔周边后续压裂施工的扰动效应及工作面回采全过程；三层监测通道时序衔接实现从掘进到回采的全程覆盖。

15、s4中，两巷直埋段浅部监测光纤、中部顶板贯穿钻孔内光纤、高位压裂钻孔内光纤形成自巷道空间至高位覆岩的垂向分层监测阵列，分别对应浅部围岩、中部关键层、高位覆岩三个层位：两巷直埋段浅部监测光纤用于监测浅部围岩松动、巷道变形及直接顶活动；中部顶板贯穿钻孔监测光纤对应煤层顶板以上0～20m范围的中部关键层位，用于监测基本顶及中部关键层的周期破断与运移；高位压裂钻孔监测光纤对应煤层顶板以上30～120m范围的高位覆岩层位，用于监测高位厚硬岩层的破断与大能量矿震前兆；三个层位的监测通道依据各自既有工程条件的实际分布状况构建，在钻孔密集区段实现空间上不同层位的协同监测，在钻孔稀疏区段以层位信号识别为主。

16、s5中，通过分析不同层位das光纤信号的时频特征和能量分布区分不同层位的破裂事件：浅部围岩松动信号频率较高、能量较低、持续时间短；中部关键层破断信号频率中等、能量中等、具有周期性特征；高位覆岩运移信号频率较低、能量较高、持续时间长、低频成分占比大；通过三层信号的差异特征，实现不同层位覆岩破裂事件的精准识别与层位归属判定；各层位光纤布设完成后即纳入统一监测网络，持续采集所在阶段的岩层震动信号，实现从掘进到回采的全程覆盖。

17、s6中，结合多层监测数据识别大能量微破裂事件的垂向层位和空间位置，当监测到大能量事件在某一层位聚集或出现关键层破断前兆信号时，根据事件发生的层位和能量等级开展冲击地压危险性分级预警；分级预警包括黄色、橙色、红色三级，黄色预警对应监测到异常事件但未形成聚集趋势，橙色预警对应事件聚集或关键层出现破断前兆，红色预警对应大能量事件频发或关键层即将发生宏观破断。

18、多层立体光纤监测网络与工作面巷道内其他光纤监测系统数据联动融合：区域性多层监测网络负责覆岩不同层位的大范围事件捕捉和层位识别，工作面巷内光纤负责采掘空间局部精细化监测，二者数据融合实现覆岩破裂事件的垂向层位判定与水平空间定位，提升微破裂定位精度；对于不具备既有中部顶板贯穿钻孔或高位压裂钻孔的层位或区段，可专项施工补充定向钻孔并布设das光纤，构建对应层位的监测通道；补充施工的钻孔和直埋光纤纳入同一多层立体监测网络，与既有工程通道协同工作，共同形成完整的垂向分层监测体系。

19、本发明的有益效果是：

20、（1）资源化复用已施工的各类顶板钻孔及两巷巷道空间，避免大量新建监测钻孔和重复布设浅部传感器，节约工程投资，实现“一孔多用、巷道复用”。

21、（2）实现巷道空间、中部顶板、高位覆岩的分层监测，能够识别破裂发生的垂向层位，即便各层位钻孔分布不均、密度不足，仍可通过分层信号的特征差异区分不同层位的破裂事件，解决单层监测无法区分覆岩破坏位置的难题。

22、（3）三层监测通道依据各自工程条件的形成时间分期布设，两巷浅部监测光纤可覆盖掘进→压裂→回采全周期，高位压裂孔监测光纤覆盖压裂后→回采，中部贯穿孔监测光纤覆盖回采阶段，三层时序衔接实现从掘进到回采的长期连续监测。

23、（4）方案兼容性强，监测层位覆盖巷道直埋（浅部）、倾向贯穿钻孔（中部，0～20m）、高位压裂钻孔（高位，30～120m）三种既有工程条件，既可利用既有工程，也可专项施工补充实施。