雷武林，陳巖峰，趙 鳳，王 建，余 嵐，何姜毅，周華龍

(1.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.華亭煤業(yè)集團(tuán) 華亭煤礦，甘肅 華亭 744100；3.華亭煤業(yè)集團(tuán) 大柳煤礦,甘肅 崇信 744201；4.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400039)

煤炭地下采掘活動(dòng)引發(fā)覆巖運(yùn)移，可誘發(fā)礦山?jīng)_擊地壓、地表塌陷、瓦斯突出等一系列災(zāi)害事故，因而煤炭資源安全高效開采的基礎(chǔ)科學(xué)問題是掌握采動(dòng)覆巖變形規(guī)律[1-2]。煤炭開采誘發(fā)的巖層移動(dòng)變形通常無法直接進(jìn)行觀測，其工程結(jié)構(gòu)具有明顯的“黑箱”特性[3]。當(dāng)前，煤炭工業(yè)4.0對掌握礦山巖層移動(dòng)變形的智能感知提出新的挑戰(zhàn)和要求，而智能感知的關(guān)鍵就是監(jiān)測、識別技術(shù)[4]。光纖Bragg光柵傳感監(jiān)測技術(shù)具有超遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、抗電磁干擾、高精度等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于智能化礦山覆巖區(qū)域檢測網(wǎng)絡(luò)中具有較高的實(shí)用價(jià)值[5]。

光纖傳感技術(shù)已成為發(fā)展最為快速的現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測檢測技術(shù)之一。我國李宏男[6]、姜德生[7]、饒?jiān)平璠8]、周智[9]等學(xué)者研究了光纖光柵傳感技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用，提出了構(gòu)建工程體應(yīng)變、沖擊、振動(dòng)、位移、傾斜及溫度等多參量的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，論證了將光纖布拉格光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可行性，探討了該技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用前景。在礦業(yè)工程領(lǐng)域，方新秋[10]利用光纖Bragg光柵傳感監(jiān)測技術(shù)對煤礦監(jiān)測方面進(jìn)行了交叉創(chuàng)新，在錨桿索支護(hù)質(zhì)量、巷道頂?shù)装逡苿?dòng)變形、采煤機(jī)姿態(tài)等方面進(jìn)行了探討和工程應(yīng)用。柴敬[11-12]采用光纖Bragg光柵傳感技術(shù)對巖石力學(xué)參數(shù)性能、物理相似模擬試驗(yàn)、巨厚松散層沉降進(jìn)行了測試，提供了煤炭開采過程中溫度、應(yīng)力、位移等基礎(chǔ)參量信息采集的新想法。目前，光纖光柵傳感監(jiān)測技術(shù)在采動(dòng)覆巖運(yùn)移仍處于應(yīng)用初步研發(fā)階段，仍有許多關(guān)鍵性技術(shù)尚未解決，尤其是光纖光柵傳感技術(shù)對采動(dòng)覆巖運(yùn)移規(guī)律的表征關(guān)系等工程應(yīng)用問題。

為了掌握光纖Bragg光柵傳感技術(shù)在覆巖移動(dòng)變形過程中的監(jiān)測機(jī)理與規(guī)律，本文以光纖Bragg光柵應(yīng)變傳遞原理為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場煤礦開采地質(zhì)條件，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建物理相似模型，利用光纖光柵傳感技術(shù)對模型開采過程中覆巖移動(dòng)變形和支承壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)采動(dòng)覆巖變形的智能感知，這對推動(dòng)煤礦生產(chǎn)信息化和構(gòu)建智能礦山具有十分重要的意義。

1 光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞原理

根據(jù)耦合模理論，當(dāng)寬帶光在光纖中傳播時(shí)，滿足布拉格條件的光將會被反射回來，其余的光將會成為透射光繼續(xù)向前傳播。布拉格波長可表示為：

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為光的波長；neff為有效折射率；Λ為光纖光柵柵距周期。

當(dāng)光纖光柵傳感器周圍的應(yīng)力或溫度變化時(shí)，柵距的周期及纖芯的有效折射率將改變，引起中心波長變化。假定光纖光柵外界應(yīng)變和溫度引起的中心波長變化是不受影響的，對于單模的石英光纖光柵，其波長、應(yīng)變和溫度之間呈線性關(guān)系[13]：

(2)

式中：ΔλB為中心波長的漂移量；Δε為應(yīng)變的變化量；ΔT為溫度的變化量；Kε為應(yīng)變的標(biāo)定系數(shù)；KT為溫度的標(biāo)定系數(shù)。

2 物理相似模型試驗(yàn)

2.1 模型的建立

試驗(yàn)以陜北杭來灣礦為研究對象，煤層厚度約9.1 m，傾角約0.5 °，埋深約230 m，基巖厚度約150 m，松散層厚度約80 m，煤巖層結(jié)構(gòu)較為簡單，含1～2層的夾矸。直接頂板為泥巖、粉砂巖、細(xì)-粗粒長石砂巖。直接底板為泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖。以礦井綜采面的地質(zhì)采礦條件為原型，搭建長×寬×高為3 000 mm×200 mm×1 150 mm的平面應(yīng)力模型，相似參數(shù)如表1所示。

表1 主要相似參數(shù)

2.2 光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)

物理模型覆巖關(guān)鍵層中，共布設(shè)了4支光纖光柵傳感器，編號設(shè)為FBG-1、FBG-2、FBG-3、FBG-4，采用預(yù)埋植入式。距煤層底板250 mm位置的巖層埋入FBG-1、FBG-2兩支傳感器，距離煤層底板500 mm位置的巖層埋入FBG-3、FBG-4兩支傳感器，分別用來監(jiān)測不同高度、不同層位關(guān)鍵層的采動(dòng)變形移動(dòng)規(guī)律。該光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)由Sm225解調(diào)儀、光纖、光纖光柵傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 光纖光柵傳感器監(jiān)測系統(tǒng)(mm)

2.3 模型開挖及數(shù)據(jù)采集

模型總長3 000 mm，兩側(cè)分別留設(shè)的邊界煤柱寬度為300 mm，煤層開采總長度為2 400 mm。模型每次開采長度為20 mm，每天開采20次，每天開采總長度為400 mm，整個(gè)模型開采歷時(shí)6 d完成。每次開采結(jié)束后，待覆巖變形穩(wěn)定后，先記錄模型開挖時(shí)間、距離等信息；然后采集光纖光柵傳感數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)采集完后方可進(jìn)入下一次采煤循環(huán)，直至2 400 mm全部開采結(jié)束。整個(gè)模型試驗(yàn)詳細(xì)觀察和記錄了采動(dòng)覆巖移動(dòng)變形的全部過程。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為光纖光柵FBG-1、FBG-2傳感器監(jiān)測的覆巖應(yīng)變值與底板壓力傳感器監(jiān)測的支承壓力值一一對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為0～400 mm時(shí)，工作面的支承壓力值近似等于原巖應(yīng)力，前方則出現(xiàn)了超前支承的壓力作用現(xiàn)象，此時(shí)FBG-1、FBG-2傳感器監(jiān)測的應(yīng)變值基本為0；當(dāng)工作面推進(jìn)至約480 mm時(shí)，初次來壓發(fā)生，工作面前方明顯應(yīng)力集中，此時(shí)支承壓力峰值達(dá)到約6.35 MPa，此時(shí)FBG傳感器應(yīng)變值開始出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，支承壓力開始逐漸下降，最小值為0.45 MPa，呈現(xiàn)低谷狀態(tài)，此時(shí)FBG-1、FBG-2傳感器的應(yīng)變值開始逐漸增大。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，支承壓力值開始逐漸上升，直至開采結(jié)束，壓力值增至5.83 MPa；當(dāng)推進(jìn)至約700 mm時(shí)，F(xiàn)BG-1出現(xiàn)應(yīng)變峰值為142.48 με；當(dāng)推進(jìn)至約1 080 mm時(shí)，F(xiàn)BG-2出現(xiàn)應(yīng)變峰值為273.85 με。隨后工作面繼續(xù)推進(jìn)直至結(jié)束，F(xiàn)BG-1、FBG-2應(yīng)變值逐漸減小。

圖2 FBG-1、FBG-2傳感器應(yīng)變值與支承壓力對比

圖3為光纖光柵FBG-3、FBG-4傳感器監(jiān)測的覆巖應(yīng)變值與底板壓力傳感器監(jiān)測的支承壓力值一一對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)工作面由切眼推進(jìn)至1 040 mm范圍內(nèi)，支承壓力基本處于原巖應(yīng)力水平之上，此時(shí)FBG-3、FBG-4應(yīng)變值基本無變化，因?yàn)殚_采未擾動(dòng)至FBG傳感器埋設(shè)覆巖位置，支承壓力在推進(jìn)至840 mm時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力峰值，為9.12 MPa；當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)至1 120 mm時(shí)，支承壓力降低為0.35 MPa(最小值)，此時(shí)FBG-3、FBG-4傳感器應(yīng)變值開始急劇增大；當(dāng)工作面推進(jìn)至1 240 mm時(shí)，F(xiàn)BG-3出現(xiàn)應(yīng)變峰值為1 326.43 με；當(dāng)工作面推進(jìn)至1 520 mm時(shí)，F(xiàn)BG-4出現(xiàn)應(yīng)變峰值為1 295.32 με；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)直至開采結(jié)束，支承壓力開始逐漸增大，但增幅不大，后期基本穩(wěn)定；而FBG傳感器開始急劇減小，后期也呈穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 FBG-3、FBG-4應(yīng)變值與支承壓力對比

結(jié)果表明，F(xiàn)BG傳感器的應(yīng)變值和支承壓力值分別存在波峰、波谷段，依據(jù)采動(dòng)礦壓理論，煤層開采后致使覆巖的載荷向采煤工作面走向兩側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了工作面的支承壓力的峰值階段位于前方的實(shí)體煤巖中，F(xiàn)BG傳感器監(jiān)測的應(yīng)變值則出現(xiàn)負(fù)向增大現(xiàn)象。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，支承壓力急劇減小，其應(yīng)變的波谷段一般位于采空區(qū)內(nèi)，隨著工作面采空區(qū)垮落壓實(shí)，支承壓力有一定回升，但幅度不大；同時(shí)，關(guān)鍵層破斷時(shí)FBG傳感器應(yīng)變值達(dá)到峰值。因此，F(xiàn)BG監(jiān)測應(yīng)變值的遞減階段對應(yīng)了工作面超前支承壓力的遞增階段，峰值階段對應(yīng)了覆巖垮落過程，即支承壓力變化呈現(xiàn)先減小后增大的過程，也是采空區(qū)逐漸被壓實(shí)后，支承壓力開始逐漸恢復(fù)的過程。

4 數(shù)值模擬計(jì)算分析

采用UDEC離散元數(shù)值模擬計(jì)算方法，通過構(gòu)建大采高開采覆巖復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，進(jìn)行采動(dòng)覆巖運(yùn)移數(shù)值計(jì)算，通過與物理模型試驗(yàn)中光纖光柵監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證模型試驗(yàn)中光纖光柵傳感器表征關(guān)鍵層變形的適用性。模型走向長度600 m，傾向長度200 m，煤層高度9 m；覆巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型，開挖過程與物理相似材料模擬實(shí)驗(yàn)保持一致，塑性區(qū)分布計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同推進(jìn)距離下的塑性區(qū)分布圖

工作面開采初期，由于開采空間范圍有限，覆巖塑性區(qū)發(fā)育較緩慢。當(dāng)開采至100 m(500 mm)時(shí)，覆巖塑性區(qū)明顯發(fā)育，塑性區(qū)發(fā)育高度達(dá)到亞關(guān)鍵層下方。當(dāng)開采至160 m(800 mm)時(shí)，覆巖塑性區(qū)發(fā)育高度突然增大，則認(rèn)為亞關(guān)鍵層破斷，引發(fā)亞關(guān)鍵層控制的上覆巖層突然變形。隨著繼續(xù)開采，覆巖塑性區(qū)發(fā)育沿走向范圍不斷增大，但在豎向方向上高度幾乎不變。當(dāng)開采至240 m(1 200 mm)時(shí)，覆巖塑性區(qū)發(fā)育高度再次出現(xiàn)跳躍式增大，說明采動(dòng)已經(jīng)波及至覆巖關(guān)鍵層，受覆巖關(guān)鍵層影響，塑性區(qū)范圍激增。隨著繼續(xù)開采，由于覆巖關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)變形，當(dāng)開采至440 m(2 200 mm)時(shí)，覆巖塑性區(qū)基本發(fā)育至地表，說明受采動(dòng)影響下覆巖主關(guān)鍵層已經(jīng)產(chǎn)生較大的塑性變形，甚至出現(xiàn)貫穿性大裂隙。結(jié)果表明光纖光柵傳感器在礦山覆巖關(guān)鍵層變形監(jiān)測中具有很好的適用性。

5 結(jié) 語

1) 光纖光柵傳感器位于工作面前方時(shí)，其應(yīng)變曲線與工作面的支承壓力有較好的一一對應(yīng)線性關(guān)系；位于工作面后方時(shí)，其應(yīng)變曲線呈波谷狀時(shí)，工作面的支承壓力呈波峰狀，且隨著覆巖高度的增大，出現(xiàn)水平錯(cuò)位的現(xiàn)象。

2) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明光纖Bragg光柵傳感監(jiān)測技術(shù)在模型試驗(yàn)覆巖運(yùn)移變形的內(nèi)部應(yīng)變和支承壓力監(jiān)測中具有良好的適用性，可為采動(dòng)覆巖變形監(jiān)測提供新的監(jiān)測方法與手段。