基于分布式光纖的覆巖變形特征監(jiān)測試驗研究

柴 敬，李淑軍，張丁丁

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采與災(zāi)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(chǎn)及地表移動產(chǎn)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(xué)者研究的重要內(nèi)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(zhì)條件的復(fù)雜性，覆巖運移的分析存在著許多不確定性，在實際生產(chǎn)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(shè)備受限等因素，構(gòu)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(yīng)變片、底板壓力傳感器等對應(yīng)力、應(yīng)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(nèi)部監(jiān)測。

光纖傳感技術(shù)可以對外界的應(yīng)變、應(yīng)力等參數(shù)的變化做出及時響應(yīng)，并且光纖本身具有耐久性好、高敏、可實現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布式測量等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)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(shù)提出了以光纖拉伸應(yīng)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(shù)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(yù)泵浦布里淵光時域分析法 (PPPBOTDA)，是在導(dǎo)入脈沖光（泵浦光）之前，加載適當?shù)拿}沖預(yù)泵浦光，預(yù)先激發(fā)聲子的1 種分布式光纖傳感技術(shù)。與普通的BOTDA 技術(shù)相比，該技術(shù)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(yīng)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(yīng)變測試精度。當被測物體應(yīng)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(yīng)變系數(shù)，為0.049 MHz/10-6；△T 為溫度變化量，℃；△ε 為應(yīng)變變化量。

由式（1）可知，布里淵頻移量結(jié)果受到溫度和應(yīng)變的共同作用。試驗表明，模型試驗中由應(yīng)變引起的布里淵頻移大于100 MHz，因此，溫度變化5 ℃以內(nèi)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(nèi)進行，溫度變化量僅為±2 ℃，可忽略溫度對試驗結(jié)果的影響，此時認為光纖的應(yīng)變即為巖塊產(chǎn)生的應(yīng)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(yīng)力相似比為1∶234，采用 3 m 平面應(yīng)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(shè)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(cè)各留30 cm 邊界煤柱，在距離模型左側(cè)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(cè)逐漸向后側(cè)推進，停采線為距右側(cè)30 cm 處，共開挖77 次，開挖總長度為241 cm。

表1 模型鋪設(shè)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(shè) 4 條垂直光線（V1～V4）、1 條水平光纖（H）監(jiān)測覆巖移動、關(guān)鍵層破壞時的運動特征。為精準獲取巖層內(nèi)部變形信息，NBX-6055 應(yīng)變分析儀參數(shù)設(shè)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(yīng)變標定實驗得出光纖應(yīng)變標定系數(shù)為CVε為0.049 7 MHz/10-6。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 水平光纖監(jiān)測結(jié)果分析

1-2煤推進過程中，位于關(guān)鍵層的H 監(jiān)測光纖結(jié)果如圖2。

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

圖2 中左右兩側(cè)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(guān)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(guān)鍵層受到影響，監(jiān)測光纖受到拉應(yīng)力的作用，產(chǎn)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(guān)鍵層，裂隙位置光纖產(chǎn)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(yīng)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(cè)凸峰高度相比推進100 cm 時基本不變，右側(cè)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(cè)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(guān)鍵層在此處產(chǎn)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(guān)鍵層。圖2（d）中，工作面繼續(xù)向前推進右側(cè)凸峰繼續(xù)向右移動，推進至226 cm 時，位于關(guān)鍵層中的監(jiān)測光纖由于局部應(yīng)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(jié)束，右側(cè)凸峰布里淵頻移峰值降為64.03 MHz，表明此位置的應(yīng)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(guān)鍵層的縱向裂隙的發(fā)育位置，右側(cè)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(guān)鍵層位置。

3.2 巖層應(yīng)變的時空演化規(guī)律

1-2煤回采過程中應(yīng)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(yīng)變基本為0，同時有微小的應(yīng)變產(chǎn)生，分析是由設(shè)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(chǎn)生負應(yīng)變，隨著工作面繼續(xù)向前推進，巖層壓縮應(yīng)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(yīng)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(yīng)力作用，位于煤層頂板上方的光纖由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為拉伸狀態(tài)，光纖應(yīng)變轉(zhuǎn)為正應(yīng)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(yīng)變隨著工作面的推進逐漸增加，應(yīng)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(yīng)變的范圍與峰值均達到最大，在48～53 cm 范圍內(nèi)應(yīng)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(yīng)變逐漸由拉伸應(yīng)變轉(zhuǎn)為壓縮應(yīng)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(yīng)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(jié)果分析

工作面回采后覆巖層應(yīng)力重新分布，導(dǎo)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(chǎn)生凸峰，表明工作回采結(jié)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(jié) 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(chǎn)生、發(fā)育、擴展。

2）工作面回采過程中，共產(chǎn)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(yīng)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(yīng)力；通過光纖后，光纖由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為拉伸狀態(tài)，反應(yīng)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)。