許華麗

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

基于BOTDR的采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力場(chǎng)的研究

許華麗

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

光纖自興起后，應(yīng)用范圍廣泛，涉及軍事、煤炭、工程等各個(gè)領(lǐng)域;基于布里淵光時(shí)域反射計(jì)（BOTDR），以某礦為例，研究了采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，根據(jù)光纖的應(yīng)變曲線得出在采動(dòng)過程中圍巖的變形狀態(tài)，證明了光纖在采動(dòng)空間中監(jiān)測(cè)的可行性。

光纖; 布里淵光時(shí)域反射計(jì); 圍巖; 應(yīng)變

1 引言

目前，越來越多的學(xué)者、專家專注于研究采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，這對(duì)煤礦安全生產(chǎn)以及工程施工都有著重大的意義。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采動(dòng)應(yīng)力的主要技術(shù)有鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)、電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)、微震測(cè)試技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等[1]。其中，光纖傳感技術(shù)是以光纖的導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ)，光從光纖射出時(shí)，光的特性得到調(diào)制，通過對(duì)調(diào)制光的檢測(cè)，便能感知外界的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理量的測(cè)量。在國(guó)際上，光纖技術(shù)是70年代后期才迅速發(fā)展起來的，而在巖土工程及土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用是在90年代以后才開始興起。光纖傳感技術(shù)包括有光纖光柵、瑞利散射光時(shí)域反射、喇曼光時(shí)域反射、布里淵光時(shí)域反射等[2]。本文基于布里淵光時(shí)域反射，以某礦為例研究了采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，驗(yàn)證了光纖在采動(dòng)空間中監(jiān)測(cè)的可行性。

2 BOTDR的技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 BOTDR的原理

布里淵光時(shí)域反射計(jì)，簡(jiǎn)稱BOTDR（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer），它是建立在布里淵散射光的特性的基礎(chǔ)之上進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的。布里淵是由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場(chǎng)低頻聲子的相互作用而產(chǎn)生的，其頻率與入射光相差幾十吉赫茲，散射光相對(duì)于入射光產(chǎn)生頻移，頻移變化量與光纖所受的軸向應(yīng)變和溫度變化呈線性關(guān)系[3-7]。

根據(jù)光纖的應(yīng)變量與布里淵頻移量之間的關(guān)系，可根據(jù)（1）式求得光纖的應(yīng)變量

（1）

其中，vb（ε）為有應(yīng)變時(shí)光纖布里淵頻率的漂移量；vb（0）為無應(yīng)變時(shí)光纖布里淵頻率的漂移量；dvb（ε） /dε為比例系數(shù)，約為0.5 GHz/% （應(yīng)變）；ε為光纖的軸向應(yīng)變量。

再根據(jù)（2）式求得由某一點(diǎn)返回的布里淵散射光到BOTDR的距離

（2）

其中，Z為某一點(diǎn)與BOTDR接收器的距離；C為真空中的光速；n為光纖的折射系數(shù)；T為發(fā)出脈沖光至接收到散射光的時(shí)間間隔。

由（1）式和（2）式得出BOTDR可以沿著光纖傳播方向進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè)，并可以對(duì)發(fā)生應(yīng)變的部位進(jìn)行定位。

2.2 BOTDR的特點(diǎn)

BOTDR相比較于傳統(tǒng)的光纖傳感器，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。其體積小，質(zhì)量輕，電絕緣性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，抗生物化學(xué)腐蝕，防水防潮，易彎曲耦合性好，穩(wěn)定性好，分辨率高，可以達(dá)到30με/1°c，測(cè)量距離長(zhǎng)，覆蓋面積大，可以實(shí)現(xiàn)全分布式測(cè)量，同時(shí)容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，是一款集傳播和感應(yīng)于一體的功能型光纖傳感器。

3 工程案例

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

圖1為某煤礦的煤層回風(fēng)上山（簡(jiǎn)稱煤上山）監(jiān)測(cè)斷面的鉆孔剖面圖。該斷面共包括3個(gè)監(jiān)測(cè)孔，其中1#孔為仰孔，仰角40°，方位角97°，設(shè)計(jì)孔深100m，實(shí)際安裝深度為100.8m；2#孔為俯孔，俯角-40°，方位角97°，位于巷道底板，設(shè)計(jì)孔深為100m，光纜實(shí)際安裝深度為97.3m；3#孔為近水平孔，傾角為+6°，設(shè)計(jì)孔深為100m，實(shí)際安裝深度為80.3m。由鉆孔資料可知該斷面巖性主要為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖。孔中裝有鋼繩式光纜，通過鉆孔注漿，使傳感光纜和圍巖耦合為一體，確保二者協(xié)調(diào)變形。監(jiān)測(cè)鉆孔相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)于2014年1月14日全部安裝完畢。儀器監(jiān)控站位于鉆孔后20m處，并對(duì)測(cè)試電纜進(jìn)行了有效保護(hù)。

圖1 回風(fēng)上山斷面監(jiān)測(cè)孔剖面圖

待鉆孔中水泥漿固結(jié)后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)采用布里淵光時(shí)域反射光纖應(yīng)變/溫度測(cè)量?jī)xAV6419采集數(shù)據(jù)。該斷面每天推進(jìn)5～6m，監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度為2014年3月7日至2014年5月17日，在這兩個(gè)多月時(shí)間內(nèi)，一共進(jìn)行了13次定期監(jiān)測(cè)，分別為3月27日、3月29日、3月31日、4月3日、4月5日、4月7日、4月9日、4月11日、4月12日、4月14日、4月19日、4月27日、5月17日，并將2014年3月7日監(jiān)測(cè)值作為觀測(cè)初始值，為后期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供對(duì)比依據(jù)[8]。通過測(cè)量光纜的應(yīng)變分布及變化情況，得到圍巖相應(yīng)方向上的應(yīng)變分布及變化情況，進(jìn)而分析圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，為采動(dòng)條件下采場(chǎng)周邊頂板圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的研究以及頂板支護(hù)提供依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

通過數(shù)據(jù)整理，得到傳感光纜在采動(dòng)過程中的應(yīng)變分布曲線，以煤上山斷面1#仰孔傳感光纜的應(yīng)變分布為例進(jìn)行研究，如圖2所示。其中圖a是整個(gè)監(jiān)測(cè)過程的全部應(yīng)變分布曲線，可以看出：每個(gè)時(shí)間段在相應(yīng)位置上的應(yīng)變趨勢(shì)整體上呈一致性，僅在幅度上有差異，應(yīng)變范圍為-700～2 300με。隨著開采時(shí)間的推進(jìn)，同一孔深位置后期的應(yīng)變大于前期的應(yīng)變，說明后期的圍巖松動(dòng)范圍在增大，圍巖裂隙逐漸加寬加長(zhǎng)。從一天的監(jiān)測(cè)記錄上看，不同孔深處的應(yīng)變也不同?？咨?m范圍內(nèi)出現(xiàn)壓應(yīng)變，這與施工階段在孔口安裝的套管有關(guān)；除此之外，其他測(cè)點(diǎn)都幾乎呈現(xiàn)拉應(yīng)變，且孔口至孔深19m、27m、45m和55m處拉應(yīng)變較大。

為了深入的研究采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，現(xiàn)觀察孔深分別為19m、27m、45m、55m和94m處傳感光纜應(yīng)變隨工作面推進(jìn)位置的變化曲線，見圖b?？傮w上可以看出：這 5個(gè)測(cè)點(diǎn)在工作面停采之前（2014年5月4日左右）都呈現(xiàn)拉應(yīng)變，且隨著工作面的推進(jìn)，皆呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這表明隨著工作面的推進(jìn)，受超前支撐壓力和巷道收斂的共同作用，巷道圍巖產(chǎn)生較大的拉伸變形。停采之后，在采動(dòng)應(yīng)力的作用下，采場(chǎng)圍巖產(chǎn)生蠕變變形。因此，各測(cè)點(diǎn)在停采之后的應(yīng)變值都有較大增長(zhǎng)。孔深19m測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變明顯大于其他4個(gè)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率較大，其變形受巷道收斂的影響較大，而其他4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變主要受采動(dòng)影響。另外，從距離工作較近的孔深45m和55m測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化曲線可見，圍巖的應(yīng)變呈現(xiàn)階段式增加的變化規(guī)律，反映了工作面推進(jìn)過程中，采動(dòng)應(yīng)力具有周期性變化的特點(diǎn)。

圖2 煤上山斷面1#仰孔傳感光纜的應(yīng)變分布圖

從煤上山斷面1#仰孔的應(yīng)變變化情況可以看出，在工作面推進(jìn)過程中，超前支撐壓力的影響范圍可達(dá)140m，明顯影響范圍90m左右。

圖3 應(yīng)變分布與地層的對(duì)應(yīng)圖

結(jié)合此煤礦的地質(zhì)資料，做出光纜應(yīng)變分布與地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，如圖3所示。由于主要受巷道收斂變形的影響，位于①處泥巖中的傳感光纜的拉應(yīng)變值較大，在②處細(xì)砂巖的底部和上部分別存在較為顯著的拉應(yīng)變區(qū)域，說明在相應(yīng)層位出現(xiàn)了離層裂隙。另外，在②處細(xì)砂巖和③處泥巖地層界面附近具有階段性變形的變化特征，與工作面頂板不斷垮落，老頂周期來壓有關(guān)。除此之外，②處細(xì)砂巖的頂部和③處泥巖的底部，拉應(yīng)變突變，增大到1 500με，這說明軟巖與硬巖的層面附近可能出現(xiàn)了離層變形。④處的細(xì)砂巖都呈拉應(yīng)變狀態(tài)，但變形量較小，說明此處只產(chǎn)生細(xì)小裂隙，總體比較穩(wěn)定。在⑤處泥巖的底部，光纖存在拉應(yīng)變區(qū)，隨工作面推進(jìn)，拉應(yīng)變值緩慢增大，反映出在超前支撐壓力的作用下⑤處泥巖的底部出現(xiàn)離層裂隙。

4 結(jié)語

通過案例分析可見，應(yīng)力的大小及性質(zhì)與地層的巖性、組合關(guān)系、至工作面的距離以及深度等因素有關(guān)。采用分布式傳感光纜可以得到工作面推進(jìn)過程中，煤層頂板圍巖的變形特征及其變化規(guī)律，為采場(chǎng)空間的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)的分析提供了依據(jù)。由于光纖的優(yōu)越性，可以預(yù)見在以后很長(zhǎng)一段時(shí)間，光纖的應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣。同時(shí)光纖安裝的施工工藝、測(cè)試精度以及數(shù)據(jù)處理軟件的完善等在以后都會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。

[1] 徐文全.采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2012.

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AStudyonMiningSpaceSurroundingRockStressFieldBasedonBOTDR

XUHuali

（SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001）

Fiber has had a wide range of applications since its rise. It involves various fields such as military, coal, engineer and so on. Taking a certain mine as an example, this paper studies the change of mining space surrounding rock stress field based on the Brillouin optical time domain reflectometer. The deformation state of surrounding rock during the mining process can be obtained from the stress strain curve of optical fiber, which proves that optical fiber is feasible in the mining space monitoring.

fiber; Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer; surrounding rock; stress-strain

2016-09-08

許華麗（1991-），女，碩士研究生,研究方向?yàn)榈刭|(zhì)工程與地球物理勘探,電話：18158890142。

TD311

B

1671-4733（2017）01-0027-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2017.01.009