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3D-DIC技术：煤层开采瓦斯防治的精准监测解决方案

news 来源：原创 2025/9/3 3:57:40

3D-DIC非接触式三维全场应变测量系统是基于数字图像相关算法（DIC）的一种光学测定应变、变形的方法。由CCD相机、光源、支架、数据采集器和DIC软件组成。

一、DIC技术瓦斯防治应用

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，通过两个工业相机采集图像，识别被测物表面特征变化，然后通过DIC软件计算得到3D位移场、应变场、3D变形场数据。

将XTDIC三维全场应变测量系统与矿井瓦斯防治与利用方向结合，有以下几个方面的应用展望：

1）煤层致裂增透，裂缝起裂；

2）温度场与应变场耦合分析；

3）钻孔封孔材料的性能测定。

在当今智能化高强度开采条件下，特厚煤层矿井瓦斯涌出量不断增大，逐渐成为制约矿井安全的高效生产的重大隐患之一，进行卸压瓦斯抽采成为解决这一问题的关键手段。3D-DIC非接触式全场应变测量系统可在瓦斯防治领域发挥重要作用。

3D-DIC非接触式全场应变测量系统现已被广泛应用于诸多科学及工程领域，尤其是力学性能表征方面，下面为大家介绍DIC技术在特厚煤层钻孔瓦斯抽采方面的典型应用。

二、煤层覆岩采动裂隙演化模拟实验

实验背景

为了解决特厚煤层综放开采条件下采空区瓦斯涌出量大的问题，开展覆岩裂隙演化物理相似模拟实验，以此为基础设计试验工作面采空区瓦斯抽采钻孔的合理层位，以实现更科学、合理的卸压瓦斯抽采效果。

实验系统及设备

试验沿煤层走向开采进行模拟，得到工作面开采过程中煤层底板应力变化规律、覆岩采动变形破裂规律及采场三带高度分布规律等。试验系统由无线应力传感系统、新拓三维XTDIC-CONST型非接触式全场应变测量系统、二维平面试验平台等组成。

物理相似模拟试验台

三、覆岩裂隙分布特征

工作面来压步距分析

随着工作面回采，物理相似模拟实验开挖过程中共经历10次周期来压，平均来压步距23．6 m。

当工作面推进110 m，顶板发生第 1 次周期来压，来压步距20 m，垮落高度距煤层顶板20 m，空洞高度3 m，离层裂隙距煤层顶板最远35 m。当工作面推进316 m，发生第8 次周期来压，来压步距24 m，离层裂隙高度为煤层顶板上140 m。

工作面推进距与来压步距统计

覆岩垮落形态分析

工作面推进至最后，顶板垮落的情况如图所示。当煤层开采后，在采空区上方的覆岩由弹性状态逐渐向塑性状态转变。

当工作面推进到一定距离时，其上覆岩体发生移动、破断及冒落，形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。在冒落带岩层断裂成块状，在裂隙带岩层产生变形、断裂和裂隙，在弯曲带岩层整体结构基本上未受到破坏。

覆岩垮落最终形态

四、采动覆岩变形特征

通过XTDIC三维全场应变系统对采动模型变形测量可知，位移云图同样总是呈现梯形，当工作面推进至 316 m 时，相似模型覆岩应变监测结果如图所示：

XTDIC三维全场应变测量系统监测结果

由最大主应变云图可知，随着工作面推进距离的变长，“梯形”应变区也随之变大，上部离层应变进一步上升至模型顶部。但与此同时，模型中应变量最大的区域仍处于采场两端。

通过分形维数进行采场裂隙分布规律定量化表征，计算覆岩裂隙分形维数与工作面推进距离关系如下所示：

分形维数同推进距的关系

分形维数各阶段拟合结果

分形维数随着工作面推进长度逐渐增大，且增长量随推进距增大而减小。分析可知，距煤层顶板10～70 m范围内离层率最大且呈现出驼峰形分布，其中该层位内距切眼20～295 m处离层率最大，采场中部的离层率最低。

距煤层顶板70～130m范围内离层率同样呈驼峰分布，离层率最大值向采场中部靠近，峰值位于距切眼60m及100m处。而距煤层顶板130～190m范围内离层分布变为凸形，峰值位于距切眼280m处。

五、实验结论

(1) 通过物理模拟实验，采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，可测量工作面覆岩裂隙动态演化特征，更科学地分析工作面冒落带高度，冒采比，裂隙带发育情况，裂采比。

(2) 结合试验工作面采动裂隙发育情况和现场顶板情况，有助于确定顶板高位钻孔，用于治理上隅角集聚瓦斯与采空区裂隙带高浓度瓦斯。

(3) 通过分析采空区裂隙发育情况，以钻孔瓦斯抽采浓度为考察指标，有助于比较和分析对比普通钻孔与定向长钻孔的瓦斯抽采效果，进行更科学合理的卸压瓦斯抽采。

案例摘自：【李振兴，陕西陕煤铜川矿业有限公司玉华煤矿，特厚煤层综放开采定向长钻孔瓦斯抽采技术】