胡 濤， 滕 琳， 趙文忠， 孟祥誼

(1.齊魯理工學(xué)院 土木工程學(xué)院， 濟(jì)南 250200； 2.山東煤炭技術(shù)服務(wù)公司， 濟(jì)南 250032； 3.章丘自然資源局， 濟(jì)南 250020)

0 引 言

煤炭開采造成的巖層移動(dòng)是一個(gè)“黑箱”，目前僅僅在控制原理上得到解釋，達(dá)到“灰箱”程度[1]，雖然出現(xiàn)了很多在實(shí)踐中一直指導(dǎo)生產(chǎn)的重要理論，如錢鳴高院士的砌體梁理論[2]和關(guān)鍵層理論[3]、宋振騏院士的“傳遞巖梁”理論[4]、姜福興教授的“載荷三帶”理論[5]等等，但是仍然不能達(dá)到在具體情況下準(zhǔn)確確定各項(xiàng)參數(shù)的“白箱”要求，只能定性判斷而難以定量確定。主要原因在于煤炭采出后，覆巖內(nèi)部的巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是看不見、摸不著的，只能間接借助其他手段通過特定的研究方式進(jìn)行定性分析。當(dāng)前采動(dòng)巖層變形研究的手段主要有：經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和理論推導(dǎo)[6-7]、相似模擬物理試驗(yàn)[8-9]、數(shù)值模擬[11-12]、現(xiàn)場實(shí)測(cè)[13-15]?，F(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測(cè)是當(dāng)前煤礦生產(chǎn)中的主要手段，但是現(xiàn)場實(shí)測(cè)中采用工業(yè)電視內(nèi)窺法、沖洗液遺失量法和電法等傳統(tǒng)的覆巖變形現(xiàn)場監(jiān)測(cè)方式很難定量和動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)巖層變形破壞的演化過程[16]，具有一定的局限性。

20世紀(jì)80年代,隨著分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)(Distributed Fiber Optic Sensing,DFOS)的出現(xiàn)和發(fā)展，在巖層中植入光纖網(wǎng)絡(luò)，就像是在巖層中布設(shè)了能感知的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[17]，“黑箱”中的巖層變形運(yùn)動(dòng)就可能會(huì)變?yōu)椤鞍紫洹眴栴}，采礦中的巖層各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)就能準(zhǔn)確得到。因此，采用DFOS監(jiān)測(cè)受采動(dòng)影響的巖層變形破壞逐漸成為研究熱點(diǎn)。

我國學(xué)者首先對(duì)于采動(dòng)覆巖變形造成的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨冗M(jìn)行了詳細(xì)的研究，張丹等[16，18]首次應(yīng)用機(jī)械增強(qiáng)的緊套傳感光纖在淮南礦區(qū)進(jìn)行了基于布里淵時(shí)域反射技術(shù)(Brillouin Optic Time Domain Reflector, BOTDR)的導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨鹊姆植际焦饫w動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。Cheng[19]采用GFRP和3種不同的定點(diǎn)光纖進(jìn)行了井下BOTDR導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ч饫w監(jiān)測(cè)。Liu等[20]采用緊套光纜、定點(diǎn)光纜和5 mm鋼絞線光纜對(duì)陜西的侏羅紀(jì)煤系地層導(dǎo)水?dāng)嗔褞нM(jìn)行了BOTDR的監(jiān)測(cè)研究。張平松等[21]應(yīng)用BOTDR采用5 mm鋼絞線光纜對(duì)巷道斷面空間巖層變形與破壞演化特征光纖監(jiān)測(cè)研究。樸春德等[22]采用布里淵時(shí)域分析技術(shù)進(jìn)行了覆巖變形和巖層離層監(jiān)測(cè)研究。以上的分布式光纖現(xiàn)場實(shí)測(cè)證明了在巖層中植入光纖，能隨采動(dòng)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)導(dǎo)水?dāng)嗔褞У膭?dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律。但是，對(duì)于受煤層采動(dòng)，覆巖的整體破壞過程和其全周期運(yùn)動(dòng)規(guī)律的光纖應(yīng)變測(cè)試研究鮮有報(bào)道。

為研究分布式光纖傳感技術(shù)在覆巖運(yùn)動(dòng)變形監(jiān)測(cè)上的有效性和可靠性，筆者以山西蔭營煤礦為例，進(jìn)行了受采動(dòng)影響的覆巖運(yùn)動(dòng)的BOTDR現(xiàn)場監(jiān)測(cè)。在工作面進(jìn)風(fēng)巷頂板打設(shè)鉆孔，鉆孔內(nèi)埋設(shè)傳感光纖，應(yīng)用分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行上覆巖層隨工作面開采變形破壞運(yùn)動(dòng)規(guī)律的監(jiān)測(cè)研究，以求掌握150313工作面15煤頂板巖層采動(dòng)變形的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，適時(shí)優(yōu)化采礦設(shè)計(jì)，保證工作面順利開采。

1 分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)

DFOS是一種以光為載體,光纖為媒介,在空間和時(shí)間上連續(xù)感知和傳輸外界信號(hào)(被測(cè)量)的傳感技術(shù)。因光纖本身由石英材料組成，因此，它具有防水防潮、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐久性好、體積小、重量輕、纖細(xì)柔軟易于布設(shè)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)體和巖土工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，其中BOTDR是當(dāng)前巖土工程現(xiàn)場應(yīng)變監(jiān)測(cè)主要用到的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，它具有單端測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)：即使傳感光纖破斷，仍然可以監(jiān)測(cè)到斷點(diǎn)之前長度的光纖的應(yīng)變變化，不受斷點(diǎn)的影響；它還具有長距離(80 km)、高分辨率(1 m)的獨(dú)特特點(diǎn)[16]，備受現(xiàn)場野外監(jiān)測(cè)工作者的歡迎。BOTDR應(yīng)變測(cè)試原理[23-24]如圖1所示。

圖1 BOTDR測(cè)量原理Fig. 1 Principle of BOTDR strain monitoring

光纖應(yīng)變與光纖中的背向布里淵散射光的頻率成線性關(guān)系。布里淵散射光與其他散射光相比的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是它的頻移變化量與溫度相關(guān)性比應(yīng)變的相關(guān)性要小得多(0.002 %/℃)，因此，當(dāng)測(cè)量與應(yīng)變相關(guān)的布里淵頻移時(shí)，如果溫差小于5 ℃時(shí)，常忽略溫度對(duì)布里淵頻移的影響[23]?，F(xiàn)場井下通過鉆孔布設(shè)光纖進(jìn)行測(cè)試時(shí)，鉆孔內(nèi)巖石的傳導(dǎo)性能差，測(cè)試期間溫度變化不會(huì)超過5 ℃，因此，井下測(cè)試中，可忽略溫度變化因素，通過式(1)可以獲得光纖應(yīng)變[24]為

(1)

式中：vB(ε)——某應(yīng)變下的布里淵頻移；

vB(0)——無應(yīng)變下的布里淵頻移；

Cε——應(yīng)變比例常數(shù)；

ε——應(yīng)變量。

本次實(shí)驗(yàn)的BOTDR分析儀器選用國產(chǎn)中電科思儀公司的AV6419，外觀如圖1a所示。本次現(xiàn)場實(shí)際測(cè)試中，選用的參數(shù)見表1。其中s為測(cè)量量程，l為采樣間隔，t為脈沖寬度，n為累加次數(shù)，f1為初始頻率，f2為終止頻率，f為頻率間隔。

表1 現(xiàn)場測(cè)試中BOTDR參數(shù)的設(shè)置

2 上覆巖層運(yùn)動(dòng)的分布式光纖監(jiān)測(cè)

本次現(xiàn)場試驗(yàn)，在煤礦工作面進(jìn)風(fēng)巷頂板向采場覆巖層內(nèi)施工鉆孔，借助PVC管，在鉆孔內(nèi)注漿埋設(shè)傳感光纜，隨工作面采動(dòng)覆巖變形運(yùn)動(dòng)的BOTDR進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此時(shí)，光纖與所埋設(shè)的巖層耦合協(xié)調(diào)變形。由于光纖應(yīng)變是其單位長度變形量，當(dāng)巖層破裂產(chǎn)生大量內(nèi)部微小裂縫時(shí)，光纖受到裂縫的拉伸作用，產(chǎn)生拉應(yīng)變，應(yīng)變與裂紋大小成正比；當(dāng)埋設(shè)光纖的巖層產(chǎn)生離層，離層位置光纖出現(xiàn)應(yīng)變峰值；當(dāng)巖層發(fā)生垮落，若造成垮落位置光纖的破斷，則相應(yīng)的光纖應(yīng)變信號(hào)消失。因此，根據(jù)巖層中埋設(shè)光纖的應(yīng)變變化，可以進(jìn)行巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反演。

2.1 工程背景

蔭營煤礦位于山西沁水煤田的東北部，主采15號(hào)煤。150313工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面南北向布置，走向長980 m，斜長228 m，進(jìn)、回風(fēng)巷道各一條，回風(fēng)巷道東側(cè)為上一個(gè)采面的采空區(qū)，進(jìn)風(fēng)巷西側(cè)為下一個(gè)未開采工作面的實(shí)體煤，頂?shù)装鍘r性情況見圖2。

圖2 光纖布置及煤層頂?shù)装鍘r層柱狀Fig. 2 Optical fiber layout and roof and bottom rock formations

15號(hào)煤的直接頂板為厚度較大的K2灰?guī)r復(fù)合頂板，它由3個(gè)分層組成；基本頂為泥頁巖和粉砂巖層的復(fù)合頂板；上覆中粒砂巖層和細(xì)砂巖層作為15煤頂板的首個(gè)復(fù)合亞關(guān)鍵層。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

總結(jié)前人的研究成果和文獻(xiàn)資料，選定5 mm鋼絞線(SS)光纜作為主要測(cè)試光纜，2 m 定點(diǎn)(FP)光纜作為備用光纜，采用鉆孔注漿布設(shè)方式植入覆巖層內(nèi)，如圖2所示。

(1)在150313工作面進(jìn)風(fēng)巷698排和697排W鋼帶之間垂直工作面推進(jìn)方向，靠近工作面的煤壁上頂角打設(shè)一個(gè)仰角45°、φ60 mm、70 m長的鉆孔，如圖3a所示。

(2)將5 mm鋼絞線(SS)光纜綁扎在φ40 mm的PVC管的外壁，保持光纖繃直。在PVC管的首個(gè)端頭，將SS光纜和2 m定點(diǎn)(FP)光纜熔接在一起，熔接部位用堅(jiān)硬的錐形外殼進(jìn)行保護(hù)，并將2 m定點(diǎn)光纖綁扎在PVC管的另一側(cè)，如圖3b、c所示。

(3)帶有光纖的PVC管全部送入鉆孔后，用封堵器封堵鉆孔孔口，防止PVC管滑出。再向鉆孔內(nèi)泵注混凝土漿，直至PVC管有漿液流出為止，如圖3d所示。

(4)注漿封孔后，把傳感光纖妥善放置到安全的位置，并將其熔接到巷道內(nèi)的通訊光纖上，再將通訊光纖布設(shè)到監(jiān)測(cè)地點(diǎn)：大巷配電室。整體BOTDR的分布式光纖頂板巖層變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置如圖4所示。巖移觀測(cè)鉆孔長70 m，傾角45°。

圖4 BOTDR頂板巖層移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig. 4 Roof strata movement monitoring system of BOTDR

2.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

混凝土注漿封孔后4個(gè)月，150313工作面開始回采，此時(shí)距離鉆孔300 m，進(jìn)行BOTDR應(yīng)變測(cè)量的初始化測(cè)量。當(dāng)工作面超前鉆孔100 m時(shí)開始應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集；當(dāng)工作面離監(jiān)測(cè)位置較近時(shí)，數(shù)據(jù)密集采集，頻率為每天1～2次。共采集到40組現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)范圍為-80～10 m。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

定義正應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變、負(fù)應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變、無特殊說明，文中光纖應(yīng)變?yōu)闇p除初始應(yīng)變數(shù)值的光纖相對(duì)應(yīng)變。SS光纜和FP光纜在鉆孔中熔接成一個(gè)完整的光纖環(huán)路，定義從SS光纜到FP光纜為測(cè)線①，從FP光纜到SS光纜為測(cè)線②，如圖2所示。兩個(gè)線路的控制通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

通過圖2布設(shè)方式，光纜通過鉆孔注漿錨固就與覆巖層耦合到一起。當(dāng)埋設(shè)光纜的覆巖層從發(fā)生裂紋，到產(chǎn)生裂縫，再到破裂，最后到巖層塊體破斷時(shí)，發(fā)生斷裂位置的光纖受到拉伸量逐漸增大，光纖應(yīng)變逐漸增大[25]；正如煤層開挖的相似模型試驗(yàn)結(jié)果[8]，在光纜沒有破斷的條件下，光纖應(yīng)變變化與覆巖巖層的破裂程度是呈現(xiàn)正比例關(guān)系的連續(xù)變化過程，光纖應(yīng)變變化反映覆巖巖層的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。

3.1 傳感光纖在井下空間位置的標(biāo)定

為達(dá)到光纖應(yīng)變精確反演特定層位巖層變形破壞的規(guī)律，首要工作是進(jìn)行光纖三維空間位置的精確標(biāo)定，通過熱敷法進(jìn)行光纖位置的精確標(biāo)定。為此，在鉆孔孔口位置的SS光纜上熱敷1.5 m長的熱敷貼，熱敷長度的中點(diǎn)位置距離孔口標(biāo)定位置為4 m，如圖5所示。

圖5 井下光纖熱敷法位置標(biāo)定Fig. 5 Location calibration of downhole optical fiber hot deposition method

熱敷貼0.5 h后，開始通過BOTDR對(duì)整條監(jiān)測(cè)光纖線路進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，測(cè)線①和測(cè)線②分別測(cè)試2遍，一組光纖應(yīng)變變化曲線如圖6所示。其中，鋼絞線光纖到定點(diǎn)光纖方向的光纖長度為l。

由應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)得到測(cè)線①的初始孔口位置為光纖長度1 181.32 m處；測(cè)線②的SS光纜孔口初始位置為光纖長度1 346.9 m處，再根據(jù)鉆孔長度和送入鉆孔光纖的長度，可得到精確孔口端的光纖位置，以及光纖和不同巖層層位的對(duì)應(yīng)位置。

圖6 熱敷法光纖空間位置的煤礦井下標(biāo)定Fig. 6 Spatial position calibration of optical fiber in coal mine

3.2 鉆孔光纖應(yīng)變分布及變化特征

鉆孔內(nèi)注漿錨固的光纜的光纖應(yīng)變主要反映了頂板豎直高度49.49 m以內(nèi)的覆巖變形特征，包括了直接頂、基本頂和最近的一層關(guān)鍵層，如圖2所示。

3.2.1 ①號(hào)測(cè)線方向的應(yīng)變變化

圖7為①號(hào)測(cè)試線路的應(yīng)變分布曲線，它的監(jiān)測(cè)順序?yàn)橛煽卓诔跏键c(diǎn)的SS光纜到孔底，轉(zhuǎn)換到FP光纜，再由FP光纜到孔口。

由圖7可見，孔深10 m之內(nèi)在頂煤、偽頂和直接頂位置的光纖在工作面接近的時(shí)候，受超前支架撓動(dòng)、頂煤垮落作用和巷道收斂作用的綜合影響，應(yīng)變曲線在-8×10-6～+5×10-6之間波動(dòng)，變化復(fù)雜；FP光纜應(yīng)變曲線變化長度段基本與SS光纜一致，但是FP光纜應(yīng)變變化多呈現(xiàn)不規(guī)則的鋸齒狀曲線。文中主要探討孔深在10 m以上SS光纜的應(yīng)變變化，揭示頂板巖層的運(yùn)動(dòng)情況。

圖7 ①號(hào)線路光纖應(yīng)變曲線Fig. 7 Strain curve of optical fiber of line ①

(1)整體應(yīng)變曲線在工作面通過鉆孔之前呈現(xiàn)接近初始應(yīng)變狀態(tài)。

(2)9月7日工作面通過鉆孔，SS光纜應(yīng)變曲線在距離孔口孔深30～40 m位置出現(xiàn)2個(gè)2×10-6的小雙峰。

(2)9月8日工作面通過鉆孔4 m后，SS光纜在孔深10 m到孔深25 m處保持初始應(yīng)變狀態(tài)，由25 m開始到距離孔深51 m的深度內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)峰值2×10-5的多級(jí)凸臺(tái)曲線，峰值位于孔深35 m處；在孔深40～51 m之間SS光纜應(yīng)變曲線保持在1×10-5的平臺(tái)曲線區(qū)段，從孔深51 m開始應(yīng)變迅速減小到孔深63 m時(shí)的初始應(yīng)變狀態(tài)，并一直到孔底。

(3)9月9日，工作面通過鉆孔7 m后，應(yīng)變曲線基本同9月8日，只是SS光纜位于孔深35 m的位置最大峰值拉應(yīng)變達(dá)到3.24×10-5，一級(jí)2×10-5的應(yīng)變平臺(tái)位于孔深40～51 m內(nèi)，二級(jí)1×10-5的應(yīng)變平臺(tái)位于孔深53～63 m內(nèi)，從孔深63 m開始光纖應(yīng)變逐漸減小到孔底處的初始應(yīng)變值。

(4)9月10日上午，工作面推過鉆孔9 m后，SS光纜在孔深12 m處應(yīng)變突然拉升，到18 m孔深位置光纖應(yīng)變達(dá)到一個(gè)3×10-5的拉應(yīng)變平臺(tái)，峰值位于孔深35 m處，達(dá)到4.173×10-5，然后平臺(tái)維持到孔深51 m處時(shí)，光纖應(yīng)變信號(hào)終止；9月10日晚上11點(diǎn)，SS光纜在孔口5 m內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)-5×10-6的壓應(yīng)變峰值區(qū)間，然后迅速轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)變，在孔深8～10 m的位置達(dá)到5×10-6，隨后突然應(yīng)變信號(hào)消失。

3.2.2 ②號(hào)測(cè)線方向的應(yīng)變變化

圖8為②號(hào)線路FP光纜到SS光纜的應(yīng)變變化曲線?？梢娫?月10日前應(yīng)變變化同①號(hào)測(cè)線。

圖8 ②線路光纖應(yīng)變曲線Fig. 8 Strain curve of optical fiber of line ②

(1)9月10日上午, SS光纜在距離孔口7 m處失去應(yīng)變信號(hào)，在孔深5～18 m之間保持2×10-5的小平臺(tái)，在孔深18 m的位置應(yīng)變突然拉升到3×10-5的平臺(tái)，峰值出現(xiàn)在距離孔口35 m處，

其他變化同測(cè)線①的應(yīng)變變化，只是53～63 m的應(yīng)變數(shù)值增加的很小。定點(diǎn)光纜在9月10日前同測(cè)線①，9月10日上午，在孔深5 m的位置，光纖應(yīng)變突然拉升到1×10-5以上的鋸齒平臺(tái)，到孔深10 m位置后光纖應(yīng)變拉升到2×10-5的鋸齒平臺(tái)，一直保持到孔深42 m的位置；在孔深42～55 m之間有一個(gè)1×10-5的鋸齒曲線平臺(tái)；在距離孔底15 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)最大5×10-6的不規(guī)則曲線平臺(tái)。

(2)9月10日晚上11點(diǎn)，工作面通過鉆孔10 m的時(shí)候，F(xiàn)P光纜在孔口位置應(yīng)變突然拉升，急速飆升到孔深5 m處的5×10-5，然后維持此應(yīng)變高度，在孔深8 m突然回落到零應(yīng)變狀態(tài)，明顯表明FP光纜在5～8 m孔深位置受到強(qiáng)烈的拉壓轉(zhuǎn)換作用，最后也是被剪切破壞。

4 頂板巖層的采動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

前文所述，SS光纜與巖層的耦合性較好，應(yīng)變層次明顯，能更準(zhǔn)確地反映巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律。綜合2個(gè)測(cè)線方向，將①號(hào)測(cè)線SS光纜的應(yīng)變變化曲線、反方向②號(hào)測(cè)線SS光纜應(yīng)變變化曲線和頂板巖層柱狀圖對(duì)應(yīng)起來，得到不同層位巖層的巖層變形、移動(dòng)情況，如圖9所示。工作面通過鉆孔之前，頂板巖層內(nèi)光纖整體應(yīng)變呈現(xiàn)初始應(yīng)變狀態(tài)，說明在堅(jiān)硬且厚度較大的灰?guī)r、砂巖頂板的保護(hù)下，覆巖巖層受到超前支撐壓力作用較小，小于覆巖的抗壓強(qiáng)度，沒有造成覆巖層的破壞變形。

圖9 鋼絞線光纖在①、②號(hào)測(cè)線的應(yīng)變曲線地層對(duì)比Fig. 9 Stratigraphic comparison of strain curve of steel strand optical fiber in line ① and line ②

9月7日，工作面通過鉆孔，②③號(hào)頂板巖層內(nèi)光纖出現(xiàn)輕微的拉應(yīng)變，表明光纖位置下伏的K2灰?guī)r直接頂已經(jīng)開始分層垮落，造成光纖位置巖層成為懸臂梁狀態(tài)，巖層內(nèi)開始裂隙發(fā)育，并與上覆巖層之間有輕微離層，如圖10a所示。

而①號(hào)K2灰?guī)r復(fù)合頂板巖層內(nèi)的光纖沒有出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)變變化，說明頂板巖層首先在采空區(qū)中部分層垮落，受實(shí)體煤夾持，至少孔深27 m內(nèi)，即進(jìn)風(fēng)巷煤壁內(nèi)側(cè)工作面方向19.1 m距離內(nèi)的光纖位置的頂板巖層保持懸臂狀態(tài)，K2灰?guī)r的上分層超過極限強(qiáng)度，在工作面中部至少距離進(jìn)風(fēng)巷19.1 m以外垮落。

9月8日，在②泥頁巖和③細(xì)粉砂巖層中的光纖出現(xiàn)一個(gè)峰值曲線，2×10-5峰值點(diǎn)在②泥頁巖層，說明此段巖性較軟的巖層內(nèi)的光纖受拉強(qiáng)烈，②號(hào)巖層垂直位移比較大，它和③號(hào)細(xì)粉砂巖巖層的離層較大；同時(shí)，③號(hào)細(xì)粉砂巖層中的光纖形成1×10-5的拉應(yīng)變平臺(tái)，表明其發(fā)生垂直斷裂，整體形成砌體梁，光纖位置巖塊處于旋轉(zhuǎn)下沉的砌體梁的關(guān)鍵塊B；更上位的④中粒砂巖巖層中的光纖應(yīng)變逐漸減小為初始應(yīng)變狀態(tài)的曲線，表明它是巖性較硬的亞關(guān)鍵層，受重力作用和采動(dòng)應(yīng)力的作用，處于懸臂梁狀態(tài)，有輕微的撓度彎曲變形；⑤號(hào)細(xì)粒砂巖層中的光纖則保持應(yīng)變狀態(tài)，表明該層巖層受到的采動(dòng)應(yīng)力影響很小。此時(shí)，光纖位置切面巖層變化如圖10b所示。

9月9日工作面通過鉆孔7 m后，光纖應(yīng)變反映的巖層運(yùn)動(dòng)分為5個(gè)階段，①號(hào)K2灰?guī)r層基本保持初始圍巖穩(wěn)定狀態(tài)；②泥頁巖層旋轉(zhuǎn)下沉位移增大，和上覆③號(hào)巖層的離層加大，巖層中的光纖應(yīng)變峰值由2×10-5抬升到3×10-5；③細(xì)粉砂巖層中的光纖應(yīng)變由1×10-5應(yīng)變平臺(tái)曲線抬升到2×10-5,表明此時(shí)③巖層受重力和采動(dòng)應(yīng)力影響，旋轉(zhuǎn)下沉位移增大；④號(hào)中粒砂巖層中的光纖應(yīng)變也形成1×10-5的應(yīng)變曲線平臺(tái)，表明④號(hào)巖層也已垂直斷裂形成砌體梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊B,內(nèi)部也是裂隙發(fā)育；光纖應(yīng)變表明⑤及更上覆巖層則處于懸臂梁狀態(tài)，如圖10c所示。

圖10 光纖切面巖層變形Fig. 10 Schematic of rock formation deformation on fiber-optic section

9月10日上午工作面通過鉆孔9 m，應(yīng)變曲線除了表明②號(hào)泥頁巖層垮落繼續(xù)增大外，①～③中的光纖應(yīng)變都表現(xiàn)為3×10-5的應(yīng)變平臺(tái)曲線，表明這3層巖層由前期的旋轉(zhuǎn)沉降轉(zhuǎn)為平移下沉或者倒轉(zhuǎn)下沉(圖中垂直箭頭的巖塊)，原來未斷裂懸臂梁巖層發(fā)生2次破斷并形成新的關(guān)鍵塊B(圖中水平箭頭的巖塊)。造成3層巖層中的光纖受到巖層垮落的拉伸作用，應(yīng)變變化增大；光纖應(yīng)變曲線的斷點(diǎn)顯示，巖層垮落后，在①K2灰?guī)r層下部和③細(xì)粉砂巖層上部的巖層分層處，光纖受到巖層的水平方向作用力的擠壓；結(jié)合②號(hào)測(cè)線測(cè)試結(jié)果：此時(shí)④號(hào)中粒砂巖層的光纖應(yīng)變變化沒有隨工作面開采出現(xiàn)較大的變化，④號(hào)巖層變形很小，表明④號(hào)巖層受到前期下伏垮落頂板的強(qiáng)力支撐，形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，該巖層內(nèi)光纖部位處于采空區(qū)的重新壓實(shí)區(qū)，圖10d中紅色雙點(diǎn)虛線框所示。上覆⑤號(hào)巖層保持原巖狀態(tài)也說明這個(gè)現(xiàn)象。

9月10日夜晚測(cè)試中，①號(hào)測(cè)線中光纖斷點(diǎn)的位置同9月10上午②號(hào)測(cè)線的斷點(diǎn)位置：K2灰?guī)r巖層的下部，表明了此位置光纖受到破碎巖塊重力作用和水平剪應(yīng)力作用下彎折過大，光損過大造成。

從光纖應(yīng)變整體變化和地層對(duì)比圖10可以得出，工作面未通過鉆孔時(shí)，光纖呈現(xiàn)初始應(yīng)變狀態(tài)，巖層處于原巖穩(wěn)定狀態(tài)。工作面通過鉆孔2 m時(shí)，受下伏頂煤和部分直接頂板的垮落影響，未垮落的頂板呈現(xiàn)懸臂梁狀態(tài)，受重力和采動(dòng)影響裂隙發(fā)育并和上覆堅(jiān)硬巖層有離層現(xiàn)象，造成光纖出現(xiàn)拉應(yīng)變變化；工作面工作鉆孔5 m后，②③巖層變?yōu)槠鲶w梁狀態(tài)，光纖位置的巖層為關(guān)鍵快B，關(guān)鍵塊B整體旋轉(zhuǎn)下沉，由于巖石性質(zhì)不同造成②與③號(hào)巖層離層，且②巖層斷裂旋轉(zhuǎn)下沉的位置為光纖位置，因而造成光纖應(yīng)變峰值，且形成③號(hào)巖層的應(yīng)變平臺(tái)曲線，④號(hào)堅(jiān)硬巖層輕微離層的懸臂梁狀態(tài)；工作面通過鉆孔7 m后，②③巖層旋轉(zhuǎn)下沉加劇，④號(hào)巖層光纖位置巖塊斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)槠鲶w梁的關(guān)鍵塊B。工作面通過鉆孔9 m后，②③巖層砌體梁的關(guān)鍵塊A(或者未斷裂的原巖懸臂梁巖塊)產(chǎn)生2次斷裂，關(guān)鍵塊B由旋轉(zhuǎn)下沉轉(zhuǎn)為平移或者反轉(zhuǎn)下沉而轉(zhuǎn)變?yōu)槠鲶w梁的關(guān)鍵塊C，形成采空區(qū)的重新壓實(shí)區(qū)。光纖受到二次破斷影響區(qū)域較大，造成①～③號(hào)巖層內(nèi)光纖應(yīng)變都大幅度抬升。以后在新形成的關(guān)鍵塊B的剪切作用下，造成光纖應(yīng)變信號(hào)消失。

整體光纖應(yīng)變現(xiàn)場測(cè)試結(jié)果符合傳統(tǒng)采煤礦壓理論的砌體梁假說，表明砌體梁的關(guān)鍵塊破斷是從采場中央向兩側(cè)煤柱的動(dòng)態(tài)演化的發(fā)展過程，最終形成橫三帶和豎三帶。

5 結(jié) 論

(1)覆巖采動(dòng)變形運(yùn)動(dòng)、破壞范圍逐漸由采空區(qū)中央向兩側(cè)煤柱移動(dòng)。采空區(qū)頂板巖層存在兩種形態(tài)和兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。光纖應(yīng)變結(jié)果表明，隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)頂板巖層首先在采空區(qū)中部斷裂垮落。采空區(qū)頂板巖層存在懸臂梁和砌體梁兩種形態(tài)，存在旋轉(zhuǎn)沉降和平移(或反轉(zhuǎn))下沉兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(2)采空區(qū)頂板采動(dòng)變形存在3個(gè)階段，初期隨下伏軟弱巖層垮落，頂板巖層以懸臂梁狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)下沉為主；中期，隨工作面推進(jìn)懸臂梁狀態(tài)的巖層塊體發(fā)生垂直斷裂形成砌體梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵塊B,破斷塊體旋轉(zhuǎn)下沉；后期，砌體梁的關(guān)鍵塊B由旋轉(zhuǎn)下沉變?yōu)槠揭?或者反轉(zhuǎn)下沉)下沉的關(guān)鍵塊C。

(3)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，利用BOTDR單端測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)，可以在鉆孔內(nèi)把光纖布設(shè)為一個(gè)回路，通過光開關(guān)轉(zhuǎn)換從兩個(gè)方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅起到雙保險(xiǎn)的作用，而且在一個(gè)方向光纖的光損量較大而無信號(hào)時(shí)，可以從另一個(gè)方向獲得應(yīng)變信號(hào)，保證測(cè)試成活率。BOTDR的分布式光纖監(jiān)測(cè)提供了一種實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)新的監(jiān)測(cè)方法，試驗(yàn)結(jié)果符合傳統(tǒng)采煤理論。