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申请/专利权人：河海大学

摘要：本发明公开了一种基于分布式光纤的矿山注浆帷幕缺陷识别与修复方法，包括下列步骤：将光纤植入帷幕，与帷幕完全耦合，使光纤变形能够表征帷幕变形；分析含水层抽水后帷幕缺陷的变形机理；建立帷幕缺陷变形力学模型，得到缺陷变形引起的光纤的表征，进而确定缺陷位置、模式；确定缺陷位置后再次注浆，修复帷幕缺陷。本发明所设计的方法易行，操作简单，能够合理、有效的识别帷幕缺陷，能对帷幕缺陷破坏起到预警的作用，为煤层的安全开采提供保障，本发明方法简单、实用、具有广阔的应用前景。

主权项：1.一种基于分布式光纤的矿山注浆帷幕缺陷识别与修复方法，其特征在于，目标帷幕位于矿山土体中的含水层，其两侧分别为抽水含水层和未抽水含水层，针对目标帷幕，执行如下步骤S1-步骤S3，完成目标帷幕的缺陷识别与修复：步骤S1：从地表向帷幕打预设数量的钻孔，各钻孔纵向贯穿帷幕，分别在钻孔内布设光纤，并利用回填料封孔，使光纤与帷幕耦合，完成光纤布设；步骤S2：采集光纤监测数据，分析含水层抽水后注浆缺陷的变形机理，分别针对帷幕的内边缘、外边缘，以及帷幕内部，建立帷幕疏水条件下注浆缺陷受力模型，得到帷幕各位置注浆缺陷的光纤变形表征，基于光纤变形表征识别并定位帷幕注浆缺陷；步骤S2中对注浆缺陷的形成机理的分析包括侧水压力分析和含水层压缩量分析，具体步骤如下：步骤S2.1：将分布于帷幕的内边缘、外边缘，以及帷幕内部的注浆缺陷分别定义为ModelA、ModelB、ModelC，帷幕的内边缘面对抽水含水层，帷幕的外边缘面对未抽水含水层；步骤S2.2：对ModelA、ModelB、ModelC的侧水压力分析如下：侧水压力直接作用于ModelB，作用到ModelA和ModelC的侧水压力为ζqw和ηqw，其中qw为侧水压力荷载，ζ和η为ModelA和ModelC的侧水压力削弱系数，ModelA远离侧水压力，传递到ModelA的侧水压力趋于零，即ζ→0；步骤S2.3：含水层压缩量分析如下式： ；式（1）中，S为含水层压缩量，单位为m，Es为含水层的平均压缩模量，单位为MPa，R为含水层厚度，单位为m，为含水层疏水时土体的有效应力变化；步骤S2中针对ModelA建立注浆缺陷受力模型的过程如下：含水层压缩量计算式（1）中，含水层疏水时土体的有效应力变化的计算如下式： ；式中，为含水层水头变化，单位为m；H为帷幕上游承受水头，h为帷幕下游承受水头，单位为m；注浆缺陷的竖向应变εm如下式： ；以地表位置的光纤为原点向下为z轴，水平方向为y轴，建立坐标系，根据光纤剪切滑移理论，设剪切面上剪切力为λu，是剪切位移u的函数，在注浆缺陷取单位长度dz，根据应变与轴力关系及静力平衡条件得下式： ； ；式中，P为光纤轴力；D为光纤直径；Et为光纤平均弹性模量；根据式（4）、（5）进一步得下式： ；弹性条件下，剪切力与剪切位移成正比： ；式中，K为接触面剪切刚度系数；由式（6）和式（7）得： ； ；式中，A1和A2为常系数；根据应力边界条件： ；式中，P0为交界面位置光纤轴力，z0为交界面纵坐标，L为光纤埋设长度；解得： ；因此得光纤轴力为： ；以光纤轴力P0为ModelA注浆缺陷的光纤变形表征，光纤轴力P0越大，注浆缺陷薄弱程度越高；步骤S2中针对ModelB、ModelC建立注浆缺陷受力模型的过程如下：以注浆缺陷底端为坐标原点，垂向向上为z轴，水平向左为y轴，建立坐标系；将注浆缺陷视为两端固支的岩梁模型，由力系平衡得岩梁的挠度曲线方程如下式： ；式中，ErI为岩梁抗弯刚度；qw为侧水压力荷载；k为弹性系数；ω为岩梁挠度；岩梁的任意一点的转角θ、弯矩M及剪力Q与挠度ω有以下微分关系： ；方程（13）为四阶常系数非齐次线性微分方程，它的解由对应齐次线性微分方程的通解ω1z和特解ω2z组成，则该方程的解为： ；通解为： ；式中，，B1、B2、B3、B4为待定系数；常数项对应的特解如下式： ；则该四阶常系数非齐次线性微分方程的解如下式： ；根据对称性，岩梁在z=0处的挠度和转角为0，在无穷远处的转角也为0；根据式（14），该模型的边界条件用挠度及挠度的导数表示为： ；解得： ；挠度方程为： ；以挠度ω为ModelB、ModelC注浆缺陷的光纤变形表征，挠度ω越大，注浆缺陷薄弱程度越高；针对ModelB、ModelC注浆缺陷，进行进一步辨别，其过程如下：根据达西定律，帷幕宽度由下式估算： ；式中，δ为帷幕宽度，单位为m；H为帷幕上游承受水头，h为帷幕下游承受水头，单位为m；Jφ为帷幕允许渗流梯度；Kφ为帷幕渗透系数，单位为ms；K0为帷幕地层渗透系数；根据帷幕宽度与水压的正比关系，将式（22）转换为下式： ；式中，a为无注浆缺陷的帷幕宽度；为宽度为a的帷幕承受的水压差；根据水位差到达的时间分辨ModelB、ModelC，水位差到达之前，ModelC注浆缺陷不引起光纤变形；步骤S3：基于所定位的注浆缺陷位置，从地表打注浆孔并对注浆缺陷深度区域提取岩芯，对所提取的岩芯做力学试验验证，并对注浆缺陷进行补浆修复。

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