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基于FBG-BOTDA聯(lián)合感測的巖層運動試驗研究*

柴敬1，2，孫亞運1，錢云云1，宋軍1，馬偉超1，李毅1，2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

摘要：為研究采場上覆巖層運動過程中的應(yīng)力應(yīng)變，將準分布式布拉格光纖光柵技術(shù)(FBG)和基于脈沖預(yù)泵浦布里淵光時域分析的分布式光纖傳感技術(shù)(PPP-BOTDA)聯(lián)合應(yīng)用于相似材料模型試驗的測試中。在2 m平面應(yīng)力模型內(nèi)埋設(shè)2根分布式傳感光纖和2個光纖光柵應(yīng)變傳感器，模型尺寸2 000 mm×180 mm×1 700 mm，幾何相似比1∶250，測試主關(guān)鍵層由彎曲下沉發(fā)育至斷裂的變形運動過程。試果表明，2煤開采過程中分布式傳感光纖應(yīng)變曲線體現(xiàn)了巖層的連續(xù)變形下沉，曲線中間位置出現(xiàn)應(yīng)力集中；3煤開采過程中分布式傳感光纖應(yīng)變曲線體現(xiàn)了發(fā)生斷裂的巖層運動，斷裂后的巖層應(yīng)力得到釋放；連續(xù)變形下沉的巖層FBG傳感器應(yīng)變曲線呈寬緩峰狀，應(yīng)變值達到4 367.48 με；斷裂的巖層曲線呈尖峰狀，最大應(yīng)變值達到4 892.82 με.實現(xiàn)了模型試驗中主關(guān)鍵層由連續(xù)體轉(zhuǎn)變?yōu)榘脒B續(xù)體過程的實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：模擬試驗；溫度補償；FBG-BOTDA聯(lián)合感測；巖層運動

0引言

相似材料模擬實驗最早是20世紀30年代由前蘇聯(lián)庫茲涅佐夫提出的，此方法以相似理論、因次分析為依據(jù)，至今已成為采礦工程、巖土工程問題研究的一種主要方法[1]。隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多先進的測試技術(shù)被引進到相似材料模擬實驗中。鐘道昌在相似材料模型實驗中利用全站儀和百分表測量測點坐標的變化，得到巖層運動規(guī)律[2]；柴敬將光纖傳感器埋入2 m相似材料模型實驗中，實現(xiàn)了巖梁內(nèi)部的微觀變形的監(jiān)測[3]；王懷文將光學(xué)測量技術(shù)數(shù)字散斑方法引入到試驗中，得到上覆巖層下沉量的等高線云圖[4]；劉軍在振動臺模擬試驗中用邊坡粒子圖像測試技術(shù)測得邊坡變形直至破壞的完整過程[5]。然而，相似材料模型試驗中巖層內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變測試一直是阻礙著相似材料模型試驗結(jié)果由定性向定量發(fā)展[6-8]。

光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代提出的新一代檢測技術(shù)，準分布式布拉格光纖光柵技術(shù)(FBG)具有高靈敏度、穩(wěn)定性高和可實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點[9]，目前廣泛應(yīng)用于隧道[10]、橋梁[11]、試樁[12]和模型實驗[13-14]等領(lǐng)域。基于脈沖預(yù)泵浦布里淵光時域分析的分布式光纖傳感技術(shù)(PPP-BOTDA)技術(shù)采用獨創(chuàng)的脈沖預(yù)泵浦技術(shù)，成功地使測量空間分辨率和精度都得到了飛躍般的提高[15]。與FBG相比，分布式光纖傳感技術(shù)不僅具有一般光纖傳感器的優(yōu)點，而且能在沿光纖路徑上同時得到被測量場在時間和空間上的連續(xù)分布信息，克服了準分布式光纖傳感器中光纖只“傳”不“感”的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)物的分布式長期監(jiān)測[16-18]。文中提出了基于FBG-BOTDA光纖傳感技術(shù)的聯(lián)合監(jiān)測方法，對相似材料模型試驗中主關(guān)鍵層的整體和關(guān)鍵部分應(yīng)力應(yīng)變進行聯(lián)合監(jiān)測，研究主關(guān)鍵層由連續(xù)體變?yōu)榘脒B續(xù)體過程中的變形特征。

1測試原理

1.1　FBG原理

一束光射入光纖后，若滿足光纖布拉格條件就會產(chǎn)生有效的光反射，反射光的峰值波長稱為布拉格波長，該反射光的中心波長與光柵所受到的軸向應(yīng)變和溫度呈線性關(guān)系[19]，即

(1)

式中λB為光柵初始中心波長；ΔλB為光纖光柵中心波長的漂移量，pm；Δε，ΔT分別為光柵所受的應(yīng)變、溫度變化量；Kε，KT分別為光纖光柵的應(yīng)變、溫度標定系數(shù)，其值約為0.87和6.67×10-6℃.試驗中埋設(shè)一個陶瓷封裝的溫度傳感器作溫度補償。剔除溫度變化ΔT的影響即可以得出光柵應(yīng)變變化Δε大小。

1.2　PPP-BOTDA原理

PPP-BOTDA是BOTDA系統(tǒng)的升級技術(shù)，是在導(dǎo)入脈沖光(泵浦光)之前，加載適當(dāng)?shù)拿}沖預(yù)泵浦光(Dpre)，預(yù)先激發(fā)聲子，預(yù)泵浦式脈沖光PPP-BOTDA實現(xiàn)了高分辨率(<10cm)與高測量精度(<±20×10-6)。當(dāng)被測物體應(yīng)變及溫度發(fā)生變化時，布里淵頻移的變化量可表示為[20]

ΔVB=CvTΔT+CvεΔε.

(2)

式中ΔVB為布里淵頻移量；CvT為布里淵頻移溫度系數(shù)；Cvε為布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)，其值為1.07MHz/℃和0.049 7MHz/με；ΔT為溫度變化量；Δε為應(yīng)變變化量。式中布里淵頻移結(jié)果受到溫度和應(yīng)變的共同作用，固定光纖的一段使之不產(chǎn)生變形，可以對光纖測試結(jié)果進行溫度補償。

在鋪設(shè)過程中將光纖埋入巖層內(nèi)部，隨巖層一起被壓實，因此認為光纖的應(yīng)變即為巖塊產(chǎn)生的應(yīng)變。

2相似材料模擬試驗

2.1　相似材料模型

根據(jù)某煤礦實際地質(zhì)條件，有2個煤層，其中2煤層平均厚度2.57m，3煤層平均厚度7.51m，兩層煤平均間距46.85m，煤層埋藏深度425.5m.采用2m平面應(yīng)力模型試驗架，制作長為2.0m，寬為0.18m，高為1.7m的平面應(yīng)力相似材料模型。幾何相似比250，容重相似比1.6，應(yīng)力相似比400.相似材料以河砂為骨料，以大白粉和石膏為膠結(jié)物，以云母粉為分層材料。模型模擬高度346.5，79m松散層粘土用鐵砂代替。相似材料模型及上覆巖性如圖1所示，共含有2個關(guān)鍵層，由上而下分別是主關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層。

2.2　FBG-BOTDA聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)

在模型主關(guān)鍵層位置垂直埋設(shè)2個光纖Bragg光柵傳感器，均采用聚烯烴(POE)封裝，編號為FBG01，F(xiàn)BG02，在模型邊界埋設(shè)1個溫度補償光纖Bragg光柵傳感器，編號FBG03.在主關(guān)鍵層水平布置分布式傳感光纖L1，采用緊套光纖，直徑900μm，在傳輸光纖段設(shè)定10cm光纖V1作為溫度補償段。傳感光纖形成回路，采用BOTDA儀器NBX-6055監(jiān)測，儀器空間分辨率5cm，采樣間隔1cm，應(yīng)變測量精度為±15με.同時，在主關(guān)鍵位置水平布置17個全站儀測點，監(jiān)測主關(guān)鍵層的下沉量。聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)布置圖Fig.1　Layout of joint monitoring system

2.3　試驗過程

采用鐵砂加載方式模擬頂部松散層，鐵砂的直徑為1 mm，鐵砂容納袋為聚酯纖維滌綸一體設(shè)計，為保證載荷均勻性分成10份。模型左右各留設(shè)20 cm煤柱，每次開挖3 cm，先采2煤，采高1 cm，再采3煤，采高3 cm.分別開挖53次，工作面推進160 cm.

2煤工作面推進到75 cm時，亞關(guān)鍵層隨著工作面推進而垮落，垮落寬度68 cm，工作面第1次周期來壓，如圖2(a)所示，2煤推進160 cm過程中，共出現(xiàn)6次周期來壓，主關(guān)鍵層緩慢下沉。3煤工作面推進到84 cm時，主關(guān)鍵層斷裂，工作面后方裂隙向上發(fā)育，如圖2(b)所示，3煤推進160 cm過程中，共出現(xiàn)7次周期來壓。2煤開采完成后，主關(guān)鍵層及上覆巖層處于彎曲下沉帶中，呈連續(xù)狀態(tài)。3煤開采過程中，主關(guān)鍵層隨著工作面的推進斷裂后形成鉸接結(jié)構(gòu)，最終形成斷裂帶，即為呈半連續(xù)狀態(tài)。

圖2　工作面推進Fig.2　Advance of mining face(a)2煤推進75 cm　(b)3煤推進84 cm

3試驗結(jié)果分析

3.1　溫度補償測試結(jié)果對比分析

模型兩層煤共開挖5 d，工作面推進過程中模型中的溫度是隨著室內(nèi)溫度改變而改變的曲線如圖3所示，圖3(a)中FBG03溫度監(jiān)測曲線顯“階梯”形態(tài)，最大應(yīng)變量達到38.47 με，最小應(yīng)變量-7.92 με，對應(yīng)的溫度變化為4°；圖3(b)由于BOTDA空間分辨率的影響，曲線具有“波動性”，監(jiān)測點在±15 με范圍內(nèi)波動，最大應(yīng)變196.78 με，最小應(yīng)變-61.46 με。光纖V1測試曲線和FBG03測試曲線形態(tài)具有一致性，對FBG03測試數(shù)據(jù)和溫度補償光纖V1測試數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析得出兩者相關(guān)系數(shù)為0.874 5，屬于強相關(guān)。通過后續(xù)試驗數(shù)據(jù)分析可知，溫度改變引起的應(yīng)變分別是2，3煤開采過程中垂直光柵和水平光纖最大應(yīng)變的1%，1.7%和12.7%，4.4%，因此進行光纖測試溫度補償是必要的，以排除溫度對試驗結(jié)果的影響，進一步減小測試誤差。

圖3　溫度補償測試結(jié)果Fig.3　Temperature compensation results(a)FBG03溫度補償光柵測試結(jié)果　(b)溫度補償光纖V1測試結(jié)果

3.2　主關(guān)鍵層變形

圖4　主關(guān)鍵層下沉變形Fig.4　Main key strata subsidence deformation

模型開挖過程中，全站儀測試的主關(guān)鍵層變形曲線如圖4所示。2煤開挖后主關(guān)鍵層左右邊界煤柱20 cm處下沉量達到-1 mm，主關(guān)鍵層中間位置最大下沉量達到9 mm，主關(guān)鍵層連續(xù)變形處于彎曲下沉帶中。3煤開挖后主關(guān)鍵層下沉量中間大，左右邊界小，中間位置下沉量達到30 mm，主關(guān)鍵層左右邊界破斷并處于斷裂帶中。

3.3　BOTDA監(jiān)測結(jié)果分析

2煤工作面推進過程中，具有初始預(yù)應(yīng)力的水平光纖L1應(yīng)變變化如圖5(a)所示。水平光纖L1受到上覆巖層壓力作用產(chǎn)生約580 με的軸向拉伸應(yīng)變，使得水平光纖L1具有初始預(yù)應(yīng)力。工作面推進到75 cm，主關(guān)鍵層下位亞關(guān)鍵層垮落，工作面第1次周期來壓，曲線分別在22.6，89.2 cm處出現(xiàn)最小峰值199.87，-38.29 με；在工作面推進到114 cm，亞關(guān)鍵層周期性垮落，工作面第4次周期來壓，曲線分別在22.6，122 cm處出現(xiàn)最小峰值-15.73，-13.13 με；工作繼續(xù)推進到160 cm，主關(guān)鍵層受上覆巖層載荷作用下沉，工作面第6次周期來壓，曲線分別在21，169.2 cm處出現(xiàn)最小峰值121.38，171.77 με.2煤開采過程中主關(guān)鍵層處于“三帶”中的彎曲下沉帶，主關(guān)鍵層下沉曲線如圖4所示，模型左右邊界20 cm處主關(guān)鍵層下沉量為-1 mm，對應(yīng)巖塊背離采空區(qū)向上移動形成類似于“翹板”結(jié)構(gòu)，即靠近工作面巖層向采空區(qū)移動，開采邊界巖層背離采空區(qū)向上移動。開采邊界的巖層背離采空區(qū)向上移動而產(chǎn)生軸向壓力，由于初始預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生580 με大小拉伸應(yīng)變的原因，水平光纖在左右邊界應(yīng)變減小(AB，CD段)。工作面上方巖層隨著工作面推進而下沉，水平光纖隨巖層一起下沉導(dǎo)致拉應(yīng)變增大(BC段)。曲線在D點以后應(yīng)變基本不發(fā)生改變，因此認為D點為開采影響邊界。主關(guān)鍵層整體變形小且連續(xù)，水平光纖L1應(yīng)變曲線呈“單凸峰”形態(tài)。3煤工作面推進過程中，具有初始預(yù)應(yīng)力的水平光纖L1應(yīng)變變化如圖5b所示，3煤開采過程中，水平光纖應(yīng)變變化曲線呈“雙凸峰”形態(tài)，在巖層的左右斷裂邊界處，斷裂巖層迅速下沉引起光纖所受拉力達到最大，因此曲線在左右斷裂邊界范圍出現(xiàn)明顯的峰值(B，C點)。位于采空區(qū)的巖層垮落穩(wěn)定后應(yīng)力得到釋放最終導(dǎo)致光纖拉應(yīng)變小于左右峰值。3煤工作面推進到84 cm，主關(guān)鍵層斷裂，斷裂寬度56.6 cm，曲線分別在27.7和86.2 cm處出現(xiàn)最大峰值1 906.5，1 477.16 με，兩峰之間的距離為58.5 cm.工作面推進132 cm，主關(guān)鍵層斷裂，斷裂寬度113 cm，曲線在分別在28.7和146.7 cm處出現(xiàn)最大峰值5 452.99，2 204.17 με，兩峰之間的距離為119 cm.工作面推進到160 cm，主關(guān)鍵層斷裂，斷裂寬度140 cm，曲線分別在29.7 cm和170.3 cm處出現(xiàn)最大峰值5 854.1，4 557.98 με，兩峰之間的距離為140.6 cm.光纖測試的峰值B點對應(yīng)模型的垮落邊界和模型實際垮落邊界的差值平均為1.35 cm，峰值C點平均為1.65 cm.因此，巖層斷裂邊界以光纖測試邊界加平均誤差表示。

圖5　水平光纖L1應(yīng)變變化Fig.5　Strain of level optical fiber L1(a)2煤推進水平光纖L1應(yīng)變變化(b)3煤推進水平光纖L1應(yīng)變變化

主關(guān)鍵層連續(xù)變形時光纖應(yīng)變曲線呈單凸峰，體現(xiàn)了連續(xù)變形的巖層中間位置應(yīng)力集中，左右邊界巖層與采空區(qū)上位巖層移動方向相反的特征；主關(guān)鍵層發(fā)生斷裂時光纖應(yīng)變曲線呈雙凸峰，說明了發(fā)生斷裂的巖層在左右斷裂邊界處應(yīng)力集中，斷裂穩(wěn)定后模型中部的巖層應(yīng)力得到釋放的現(xiàn)象。

3.4　FBG傳感器監(jiān)測結(jié)果分析

FBG01傳感器的應(yīng)變量隨工作面推進的變化曲線如圖6(a)所示，F(xiàn)BG01傳感器位于工作面40 cm處。2煤工作面推進3～39 cm，傳感器應(yīng)變量在0左右波動(AB段)，說明傳感器所監(jiān)測巖塊出現(xiàn)拉壓應(yīng)力交互狀態(tài)；工作面推進78 cm，傳感器應(yīng)變量達到峰值2 691.69 με(C點)，對應(yīng)主關(guān)鍵層處受上覆巖層載荷作用彎曲下沉量達到最大；工作面推進84 cm，主關(guān)鍵層下位巖層垮落，工作面第2次周期來壓，傳感器應(yīng)變量由2 610.99減小到1 338.87 με(D點)；工作面推進96～160 cm，F(xiàn)BG01傳感器對應(yīng)主關(guān)鍵層下位巖層基本穩(wěn)定，傳感器應(yīng)變量最終穩(wěn)定在560 με.3煤工作面推進3～42 cm，傳感器應(yīng)變量由448.66 με緩慢增加到488.8 με(A′B′段)，逐漸受到采動影響；工作面推進78 cm，對應(yīng)主關(guān)鍵層與下位巖層離層距離達到最大值2.3 cm，傳感器應(yīng)變量達到峰值4 892.82 με(C′點)；工作面推進到84 cm，對應(yīng)主關(guān)鍵層巖塊斷裂，傳感器應(yīng)變量由4 313.29 με減小到1 238.43 με(D′點)；工作面推進到160 cm，主關(guān)鍵層受上覆巖層載荷作用與下位巖層接觸導(dǎo)致離層閉合，傳感器對應(yīng)巖層所受壓力增加，傳感器應(yīng)變量減小到-259.54 με(E′點)。2煤推進過程中主關(guān)鍵位于彎曲下沉帶中，F(xiàn)BG01傳感器應(yīng)變量曲線連續(xù)且平緩；3煤推進過程中FBG01傳感器對應(yīng)巖塊發(fā)生斷裂，傳感器應(yīng)變量曲線呈尖峰狀。

圖6　垂直埋設(shè)FBG01,FBG02應(yīng)變量變化Fig.6　Strain changes of verticalburied FBG01and FBG02(a)FBG01　(b)FBG02

FBG02傳感器的應(yīng)變量隨工作面推進的變化曲線如圖6(b)所示，F(xiàn)BG02傳感器位于工作面80 cm處。2煤工作面推進3～72 cm過程中，基本不受采動影響(AB段)；工作面繼續(xù)推進到105 cm時，主關(guān)鍵層隨著亞關(guān)鍵層的垮落而下沉，應(yīng)變量達到峰值3 473.53 με(C點)；工作面推進到160 cm，垮落巖層受上覆巖層載荷作用充分壓實，傳感器應(yīng)變量最終減少到-527.29 με(DE段)。3煤工作面推進3～66 cm過程中，受2煤開采的影響，傳感器應(yīng)變量在-517 με左右(A′B′段)，對應(yīng)巖層逐漸受到采動影響，傳感器對應(yīng)巖塊呈水平狀態(tài)；工作面推進到69 cm時，亞關(guān)鍵層垮落，上覆巖層對主關(guān)鍵的載荷增加，傳感器對應(yīng)巖層所受壓力增大，傳感器應(yīng)變量減小到-748.66 με(B′點)；工作面推進到108 cm，應(yīng)變量達到峰值4 367.48 με(C′點)，是2煤推進時FBG02傳感器應(yīng)變量的1.41倍，傳感器對應(yīng)巖塊呈傾斜狀態(tài)；工作面推進到132～160 cm，巖層運動達到穩(wěn)定狀態(tài)，主關(guān)鍵層受到覆巖載荷作用進一步壓實，應(yīng)變量穩(wěn)定在-115 με左右(D′F′段)，對應(yīng)巖塊回轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)。3煤推進過程中FBG02傳感器對應(yīng)巖塊雖然出現(xiàn)裂縫但整體為連續(xù)，傳感器應(yīng)變量曲線連續(xù)平緩呈寬峰狀。

4結(jié)論

1)FBG光柵和BOTDA光纖測試中溫度改變引起的應(yīng)變分別占到1.0%～1.7%，4.4%～12.7%，BOTDA更大。需要采用溫度補償方法對FBG光柵、和BOTDA光纖測試進行補償；

2)BOTDA測試，連續(xù)變形的巖層其中間位置應(yīng)力集中，發(fā)生斷裂的巖層在斷裂處應(yīng)力集中，符合梁彎曲變形和受力規(guī)律；

3)FBG測試，連續(xù)變形的層狀巖塊出現(xiàn)裂隙式的破壞，曲線呈連續(xù)平緩的寬峰狀，最大應(yīng)變值達到4 367.48 με；出現(xiàn)斷裂式的破壞，曲線呈尖峰狀，最大應(yīng)變值達到4 892.82 με；

4)PPP-BOTDA分布式光纖感測技術(shù)能很好的監(jiān)測巖層整體的運動規(guī)律和發(fā)展趨勢，F(xiàn)BG傳感器可以監(jiān)測巖層關(guān)鍵點的運動情況，兩者形成互補，可為模型試驗中多尺度、連續(xù)和半連續(xù)巖層運動監(jiān)測提供借鑒。

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Strata movement testing based on FBG-BOTDA combined sensing technology in similar model

CHAI Jing1，2，SUN Ya-yun1，QIAN Yun-yun1，SONG Jun1，MA Wei-chao1，LI Yi1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

Abstract：For the study of stress and strain in the process of mining overburden movement，the quasi-distributed fiber Bragg grating(FBG)and the brillouin scattering optical time-domain analysis based on pre-pumping technique(PPP-BOTDA)are applied to similar material model test together.Two sensing fibers and two fiber Bragg grating strain sensors were embedded in the 2 m plane stress physical model，the model size 2 000 mm×180 mm×1 700 mm and geometric similarity ratio 1∶250，for analyzing the stress and strain of the main key strata from the process of flexural settlement development to fracture.The results of the study show that 2#coal mining of horizontal strain optical fiber’s curve reflects the continuous deformation of the strata in the middle position of the stress concentration.In the process of 3#coal seam mining，horizontal strain optical fiber’s curve shows that a stress release phenomenon occurred while the model was stable.FBG sensor strain curves shows a broad peak while the continuous deformation of the layered rock fissure appears，and the maximum strain value is 4 367.48 με.The fracture type of the layered rock is failure，and the curve is a spike like，the maximum strain value to 4 892.82 με.This experiment realizes the real-time monitoring of key strata，which the whole and the part of the process of continuous changing to a semi continuous.

Key words：simulation test；temperature compensation；FBG-BOTDA combined sensing；strata movement

中圖分類號：TD 325；TP 212

文獻標志碼：A

通訊作者：柴敬(1964-)，男，寧夏平羅人，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：chaij@xust.edu.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(41027002)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20126121110003)

收稿日期：*2015-10-22責(zé)任編輯：李克永

文章編號：1672-9315(2016)01-0001-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0101