柴 敬，李淑軍，張丁丁

（1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 教育部西部礦井開采與災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054）

煤礦開采過程中，頂?shù)装鍘r層將發(fā)生移動，對礦井安全生產及地表移動產生重大影響，研究開采影響下的覆巖演化規(guī)律一直是專家學者研究的重要內容[1]，同時確定斷裂帶高度對于防止覆巖含水層涌水有重要意義[2]。然而，由于地質條件的復雜性，覆巖運移的分析存在著許多不確定性，在實際生產中，對上覆巖層的移動變形的監(jiān)測存在費用高、難度高以及監(jiān)測設備受限等因素，構建平面物理相似材料模型就成為試驗研究重要的方法之一。在相似模型中多采用全站儀[3]、百分表、應變片、底板壓力傳感器等對應力、應變進行監(jiān)測，測試精度和靈敏度均較低，同時變形監(jiān)測多只能監(jiān)測模型表面不能實現(xiàn)內部監(jiān)測。

光纖傳感技術可以對外界的應變、應力等參數(shù)的變化做出及時響應，并且光纖本身具有耐久性好、高敏、可實現(xiàn)內部應力應變分布式測量等優(yōu)點，廣泛應用于各個領域。劉中熙等[4]提出了1 種新的方法，通過FBG 傳感器來獲取錨桿所受切向載荷。柴敬等[5]利用分布式光纖對三維模型進行檢測，利用布里淵頻移變化度進行來壓表征，同時傳感光纖測試數(shù)據(jù)比測管位移測試更加精確。朱磊等[6]利用光纖光柵系統(tǒng)監(jiān)測井筒變形，對監(jiān)測變形數(shù)據(jù)進行詳細分析。盧毅等[7]利用BOFDA 對地面塌陷變形進行監(jiān)測，有效捕捉到地面塌陷變形的發(fā)生和發(fā)展過程。李云鵬等[8]基于分布式光纖傳感技術提出了以光纖拉伸應變值及卸壓半徑為指標的卸壓效果評價方法。唐彬等[9]利用BOTDA 對TBM 掘進擾動下圍巖的變形、擾動特性進行了監(jiān)測。為此通過在實驗室開展平面物理相似模型實驗，利用分布式光纖傳感技術對模型開挖過程中的上覆巖層進行監(jiān)測，對覆巖垮落形態(tài)以及來壓規(guī)律進行分析，得出上覆巖層的變形特征。

1 分布式光纖測試原理

基于脈沖預泵浦布里淵光時域分析法 (PPPBOTDA)，是在導入脈沖光（泵浦光）之前，加載適當?shù)拿}沖預泵浦光，預先激發(fā)聲子的1 種分布式光纖傳感技術。與普通的BOTDA 技術相比，該技術的布里淵增益譜的半值全寬更小、頻率分辨率更高、布里淵頻移也更加準確，其對應的分辨率大為提高，可以達到5 cm 的空間分辨率和7.5×10-6的應變測試精度。當被測物體應變及溫度發(fā)生變化時，布里淵頻移變化量可表示為：

式中：△VB為布里淵頻移量，MHz；CVT為布里淵頻移溫度系數(shù)，為1.07 MHz/℃；CVε為布里淵頻移應變系數(shù)，為0.049 MHz/10-6；△T 為溫度變化量，℃；△ε 為應變變化量。

由式（1）可知，布里淵頻移量結果受到溫度和應變的共同作用。試驗表明，模型試驗中由應變引起的布里淵頻移大于100 MHz，因此，溫度變化5 ℃以內時，溫度引起的光纖布里淵頻移即可忽略。本次模型試驗在室內進行，溫度變化量僅為±2 ℃，可忽略溫度對試驗結果的影響，此時認為光纖的應變即為巖塊產生的應變。

2 物理相似模擬試驗

2.1 試驗概況

本次試驗以檸條塔礦1-2煤工作面為工程背景，用河沙、石膏、大白粉為相似材料，選取幾何形似比為 1∶150，密度相似比為 1∶1.56，應力相似比為1∶234，采用 3 m 平面應力模型架，制作了 3 m×0.85 m×0.2 m 的相似模型，模型的相似材料配比，模型鋪設層位表見表1。

按照表1 確定的地層順序和配比將各種相似材料攪拌均勻、鋪裝平整、夯實，自下而上逐層鋪裝模型。模型兩側各留30 cm 邊界煤柱，在距離模型左側邊界30 cm 處掘出開切眼，開切眼長度10 cm，開切眼高度1.3 cm，開挖步距為3 cm，然后自左側逐漸向后側推進，停采線為距右側30 cm 處，共開挖77 次，開挖總長度為241 cm。

表1 模型鋪設層位表Table 1 Model laid layer table

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的布置

光纖監(jiān)測系統(tǒng)布置圖如圖1。

圖1 分布式光纖監(jiān)測布置圖Fig 1 Distributed fiber optic monitoring layout

本次試驗埋設 4 條垂直光線（V1～V4）、1 條水平光纖（H）監(jiān)測覆巖移動、關鍵層破壞時的運動特征。為精準獲取巖層內部變形信息，NBX-6055 應變分析儀參數(shù)設置為：空間分辨率5 cm，平均化次數(shù)2×1016和采樣間隔1 cm。實驗選用的為光纖傳感器直徑2 mm 的單模聚氨酯緊套光纖，其彈性模量為300 kPa，剪切模量為 3.3 kPa，密度為 25 g/cm3。根據(jù)應變標定實驗得出光纖應變標定系數(shù)為CVε為0.049 7 MHz/10-6。

3 試驗結果分析

3.1 水平光纖監(jiān)測結果分析

1-2煤推進過程中，位于關鍵層的H 監(jiān)測光纖結果如圖2。

圖2 水平光纖監(jiān)測結果Fig.2 Results of horizontal fiber optic monitoring

圖2 中左右兩側黑色部分為30 cm 的邊界煤柱。圖2（a）中工作面自開切眼推進至76 cm 過程中，上覆巖層裂隙未發(fā)育離關鍵層較遠，致使監(jiān)測光纖的頻移值基本為0，推進至76 cm 時，工作面的第2 次周期垮落，裂隙發(fā)育向上發(fā)育，關鍵層受到影響，監(jiān)測光纖受到拉應力的作用，產生正向布里淵頻移，出現(xiàn)微小凸峰，布里淵頻移達到7.63 MHz，峰值位置離開切眼36 cm。隨著工作面繼續(xù)向前推進，裂隙逐步向上發(fā)育，如圖2（b）中，推進至100 cm時，工作面第4 次周期來壓，裂隙發(fā)育至關鍵層，裂隙位置光纖產生部分滑移，使得峰值位置偏左，監(jiān)測光纖受到較大的拉應力，布里淵頻移急劇增大，最大達到44.69 MHz，峰值位置距離邊界煤柱6 cm；推進至115 cm，監(jiān)測光纖出現(xiàn)雙凸峰，呈馬鞍形，左側凸峰高度相比推進100 cm 時基本不變，右側凸峰的布里淵頻移達到24.08 MHz，峰值位置距離開切眼111 cm。

圖2（c）中，隨著工作面繼續(xù)向前推進，右側凸峰逐步向右移動，推進至178 cm 時，監(jiān)測光纖在距開切眼171 cm 處出現(xiàn)新的凸峰，布里淵頻移達到22.18 MHz，表明關鍵層在此處產生新的縱向裂隙，工作面繼續(xù)向前推進，縱向裂隙逐步向上發(fā)育；推進至202 cm 時，監(jiān)測光纖的布里淵頻移達到56.98 MHz，表明縱向裂隙逐步貫穿關鍵層。圖2（d）中，工作面繼續(xù)向前推進右側凸峰繼續(xù)向右移動，推進至226 cm 時，位于關鍵層中的監(jiān)測光纖由于局部應力集中，監(jiān)測光纖的布里淵頻移增大至83.84 MHz；推進至241 cm 時，回采結束，右側凸峰布里淵頻移峰值降為64.03 MHz，表明此位置的應力集中程度有所下降，而頻移峰值位置繼續(xù)向右移動。

總體來說，水平監(jiān)測光纖的布里淵頻移為雙凸峰的“馬鞍形”，凸峰峰值位置為關鍵層的縱向裂隙的發(fā)育位置，右側凸峰逐漸向右移動，表明隨著工作面向前推進上覆巖層逐步出現(xiàn)新的縱向裂隙且逐步發(fā)育擴展至關鍵層位置。

3.2 巖層應變的時空演化規(guī)律

1-2煤回采過程中應變分布的變化如圖3，圖中水平軸為回采工作面與V3 監(jiān)測光纖的距離，反映出整個開采過程中的變形發(fā)展。垂直軸為模型高度，表示巖層變形的高度與范圍。壓縮與拉伸區(qū)域由0 曲線分離，大于0 時為拉伸區(qū)域，小于0 時為壓縮區(qū)域。在開采初期，光纖應變基本為0，同時有微小的應變產生，分析是由設備測量系統(tǒng)誤差所致。當工作面推進至距離V3 光纖75 cm（實際距離112.5 m），由于超前支承壓力影響，光纖下部區(qū)域產生負應變，隨著工作面繼續(xù)向前推進，巖層壓縮應變增大，壓縮范圍逐步向上擴展，并達到峰值。當工作面推進至V3 監(jiān)測光纖（圖中工作面距V3 監(jiān)測光纖的距離為0）時，V3 監(jiān)測光纖下部區(qū)域應變達到-452.29×10-6；由于頂板垮落與裂隙的發(fā)育，由于上部穩(wěn)定巖層穩(wěn)定，光纖所在位置圍巖破斷后向下運動，在摩擦力的作用下帶動光纖一起向下移動，致使光纖受拉應力作用，位于煤層頂板上方的光纖由壓縮狀態(tài)轉為拉伸狀態(tài)，光纖應變轉為正應變，最大值達到 3 564.48×10-6。工作面通過 V3 監(jiān)測光纖后，光纖的拉應變隨著工作面的推進逐漸增加，應變峰值的位置也逐步向上發(fā)展，表明隨著工作面繼續(xù)推進覆巖離層裂隙逐漸增大、并向上發(fā)展。當工作面離V3 監(jiān)測光纖的距離為38 cm 時，拉伸應變的范圍與峰值均達到最大，在48～53 cm 范圍內應變達到為7 627.85×10-6。此后隨著工作面繼續(xù)向前推進，逐漸遠離V3 監(jiān)測光纖，光纖應變逐漸由拉伸應變轉為壓縮應變，表明隨著工作面逐漸遠離監(jiān)測光纖，位于采空區(qū)后方的光纖位置的覆巖重新壓實。

圖3 1-2 煤回采過程中應變分布的變化Fig.3 Variation of strain distribution during 1-2 coal mining

3.3 光纖來壓測試結果分析

工作面回采后覆巖層應力重新分布，導致工作面礦壓顯現(xiàn)，使得位于覆巖中的監(jiān)測光纖的布里淵頻移劇烈變化，因此采用布里淵頻移變化度來表征上覆巖層變形狀態(tài)，進而判斷覆巖是否發(fā)生劇烈移動及工作面是否來壓，根據(jù)文獻[10]的方法，將工作面前后2 次推進時的光纖布里淵頻移做差值，并進行均一化得出布里淵頻移變化度：

式中：Dx為工作面開挖距離為x 時光纖測試頻移變化度，MHz；n 為傳感光纖上采樣點個數(shù)；Bj為傳感光纖上每1 個采樣點頻移；j 為工作面的開挖次數(shù)。

1-2煤推進過程中布里淵頻移變化曲線如圖4。

圖4 中布里淵頻移平均變化度曲線共出現(xiàn)14次尖峰，第1 次尖峰為工作面開挖至37 cm 處，且峰值較大，此后工作面推進至58、76、91、109、124、136、151、163、178、190、205、220、235 cm 時產生凸峰，表明工作回采結束時共發(fā)生14 次礦壓顯現(xiàn)，初次來壓步距為37 cm，周期來壓步距為12～21 cm，平均為15.5 cm，來壓時頻移變化度為 12.44～98.69 MHz。

4 結 論

1）水平光纖的“馬鞍形”分布特征反映出工作面回采過程中，覆巖破斷的動態(tài)過程，縱向裂隙由左向右逐漸產生、發(fā)育、擴展。

2）工作面回采過程中，共產生1 次初次來壓與13 次周期來壓現(xiàn)象，布里淵頻移變化度準確實現(xiàn)了工作面的來壓判別，可以作為1 種新的方法進行來壓判別。

3）分布式光纖的時空演化規(guī)律揭示了整個開采過程中相似模型的應變分布與巖層的拉伸、壓縮狀態(tài)。工作面靠近光纖過程中，巖層受到壓應力；通過光纖后，光纖由壓縮狀態(tài)轉為拉伸狀態(tài)，反應出頂板垮落、覆巖離層裂隙發(fā)育；遠離光纖后，由于采空區(qū)重新壓實，光纖再次變?yōu)閴嚎s狀態(tài)。