采場覆巖離層演化的光纖光柵檢測實驗研究

柴敬1,2，王帥1，袁強1，姜德君1，李毅1,2

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

摘要：為定量化研究采場上覆巖層離層規律，采用相似材料物理模型試驗的方法模擬煤礦回采過程，用光纖光柵傳感技術構建相似材料物理模型實驗的覆巖移動的監測方法和系統。實驗制作了一個3 m×1.19 m×0.2 m的相似材料平面模型，幾何相似比為1∶200，同時在模型內埋設9個光纖光柵應變傳感器和1個光纖光柵溫度傳感器，用以研究模型開挖過程中覆巖運移狀態與光纖光柵傳感器測試結果的對應關系。實驗結果表明，光纖光柵傳感器應變量與巖層運移狀態密切相關。傳感器所在巖層層位發生離層時，傳感器受拉應力作用使其應變量發生躍升，而后由于離層不再擴展而保持平穩，直至離層破斷垮落。通過光纖光柵檢測方法可以定量化描述傳感器所處巖層離層變化量的大小。

關鍵詞：采場；離層；相似材料物理模型實驗；光纖光柵檢測方法

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0202

文章編號：1672-9315(2015)02-0144-08

收稿日期：*2014-01-10責任編輯：劉潔

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41027002，51174280)；高等學校博士學科點專項科研

通訊作者:柴敬(1964-)，男，寧夏平羅人，教授，博士生導師，E-mail:chaij@xust.edu.cn

中圖分類號：TD 325文獻標志碼： A

ExperimentalstudyontheseparationevolutionofoverlyingstrataabovethestopebyFBGsensing

CHAIJing1,2，WANGShuai1，YUANQiang1，JIANGDe-jun1，LIYi1,2

(1.College of Energy Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of Ministry of Education,Xi’an 710054,China)

Abstract：The similar material physical modeling test method is applied in simulating coal mining process for the quantitative research of separation laws of overlying strata above stope.The method and system for monitoring overlying strata movement of similar material physical modeling test is proposed by using the FBG sensing technology.A similar material plane model(3 m×1.19 m×0.2 m)is designed and tested to have a geometric similar ratio of 1∶200 for the experiment.The relationship between the overlying strata movement during excavation of the model and the model test result from the FBG sensors is developed by embedding 9 FBG strain sensors and 1 FBG temperature sensor in the model.The experimental results indicate that closely correlated relationship between the strain variable of FBG sensors and the overlying strata movement.The strain variable of the sensor tensile stress leaps up caused by the separation of rock layer where the sensor installed，then it remains stable due to the separation stop propagating until the separation has fractured and caved.The FBG sensing test method is considered reliable and effective for describing the size of the separation variable of rock layer where the sensor installed quantitatively.

Key words：stope；separation；simulation material physical modeling test；FBG sensing test method

0引言

煤層開采后將引起巖層移動與破斷，其中離層是巖層運動的形式之一[1]。隨著對巖層運動中離層產生和發展規律的研究，使人們認識到從地面向巖層內部注漿在適宜的條件下同樣能達到井下注漿的效果[2-5]。在煤礦瓦斯監控及綜合利用研究中，掌握采空區中覆巖離層聚集瓦斯的規律，實現對瓦斯的抽放[6-8]。因此，采場上覆巖層的移動過程中的離層規律研究與三下采煤、注漿減沉及卸壓瓦斯抽采等工程問題密切相關，需要監測上覆巖層的離層的發展和狀態，掌握采空區上覆巖層的離層演化規律。

蘇仲杰從控制覆巖及地表下沉角度，通過物理模型實驗的方法，對產生離層巖層的水平應力和豎直應力進行了觀測，首次提出了斷裂離層與彎曲離層的概念[9]，使得人們對于采場覆巖離層分類有了更加明確的認識。 但物理模型實驗發展至今，由于監測手段與儀器的發展仍舊相對滯后，模型內部應力應變無法被精確地測試，成為制約模型實驗發展的一個重要因素。

光纖光柵的埋入法是采用一定的工藝將光纖光柵傳感器植入巖體內部，并通過一定材料的填充使二者緊密接觸，實現對巖體內部應變變化過程的檢測[10]。與傳統的電類傳感器相比，光纖具有集傳感與傳輸于一體、構造簡單，可制成靈敏的、多用途的傳感器使用方便等優點[11-12]。

柴敬等人通過埋入光纖光柵傳感器的方法分別對覆巖微小變形[13]與覆巖垮落變形[14]進行了監測與表征，得出傳感器應變量與覆巖運移狀態的對應關系，但對于覆巖垮落之前的離層動態發育規律還未進行深入研究?；诖?，文中針對采場上覆巖層離層律進行相似材料模型實驗，構建多點準分布式光纖光柵傳感監測系統，采用光纖光柵傳感器研究模型內部巖層破斷前的離層演化規律。

1覆巖離層產生的機理與描述方法

1.1覆巖離層產生機理

隨工作面回采，采場上覆巖層發生變形、離層和垮落的運動過程，這種運動變化由下向上逐步發展，至地表而形成地表沉陷。上覆巖層由于巖性、距離采空區位置以及厚度等的不同，而導致巖層的運動并不是完全同步的，相鄰巖層的這種不同步彎曲沉降而引起的巖層在其層面(或薄弱面)上產生的分離現象，稱之為離層[15]。采場上覆巖層的移動過程中的離層在空間和時間上呈現出一定的分布規律。在巖層變形過程中，當內部應力超過巖層抗拉強度時就會發生破壞，處于下位的巖層破壞以后，其上位巖層也以同樣的方式發生下沉彎曲和離層直至破壞，如此不斷的由下向上逐步發展。

圖1　采場覆巖離層模型 Fig.1　Model of separation of overlying strata above the stope

隨工作面推進，采場上覆巖層的下位巖層垮落為上位巖層運動提供了空間，上位巖層在水平應力和自身重力的作用下發生彎曲變形，由于不同巖性及厚度的巖層彎曲變形的撓度不同，將在相鄰的兩層或多層巖層間產生彎曲離層，形成離層帶，如圖2(a)。當巖層彎曲變形到一定程度，達到該層位巖層的極限抗拉強度就會發生垮落，垮落后的巖層間的離層被重新壓實閉合，未垮落的巖層與已垮落的巖層間形成斷裂離層，彎曲離層將向未垮落的巖層發育形成新的離層帶，如圖2(b)所示。

1.2離層描述方法

為了定量化研究離層的發育程度，可以采用離層率F指標，它反映單位厚度巖層內離層的高度(或巖層的膨脹率)。通常，將上、下巖層的下沉量S上、S下的差值與上、下巖層間的距離h的比值稱為離層率，即

(1)

式中F為離層率，mm/m或‰；S上、S下表示上、下巖層的下沉量，mm；h表示上、下巖層間的距離，m.

若F>0，表明上、下巖層離層；若F<0，則表明巖層被壓縮。采用在不同巖層層位布設全站儀測線的方法，可以有效的監測不同巖層隨工作面推進的下沉量。

圖2　覆巖離層的動態發育過程 Fig.2　Process of separation dynamic evolution of overlying strata above the stope

2相似材料物理模型實驗

2.1實驗相似模型

本次實驗以陜北某礦大采高綜采工作面為原型，巖層結構及厚度見表1.實驗選取3 m×1.19 m×0.2 m的平面模型，其中煤層厚度為4 cm.根據相似理論[16]，選取幾何相似比200，容重相似比為1.6.相似材料選擇河砂、石膏、大白粉和煤粉，根據所模擬地層上覆巖層結構和巖石力學性能參數確定相似材料配比，相似材料按照配比加水攪拌均勻后鋪裝在模型架上，使用8～20目的云母粉作為分層材料。

在模型中共埋設9個光纖Bragg光柵傳感器，編號FBG01～FBG09，其中FBG01～FBG03為不銹鋼封裝的傳感器，FBG04～FBG09為POE封裝的傳感器，所有傳感器均豎直埋設。考慮到巖層的碎脹系數，避免傳感器過早失效，模型最下部的光纖光柵傳感器不應太靠近煤層。因此最下面一層傳感器FBG01，FBG04和FBG07埋設在距離煤層底板250 mm的位置；FBG02，FBG05和FBG08埋設在距離煤層頂板500 mm的位置；FBG03，FBG06和FBG09埋設在距離煤層底板700 mm的位置。每個光纖光柵傳感器埋設的相應位置架設一個百分表。FBGT為光纖光柵溫度傳感器，埋設在模型開采邊界以外不受力影響的區域，用來對溫度引起的傳感器應變變化量進行監測和補償。模型不同巖層層位分別布置A～ E等5條全站儀測線用以監測采場覆巖的運移狀態，每條測線布置25個測點，間距100 mm，由左至右依次編號1～25(圖3(a))。

表1　30101工作面巖層結構

2.2實驗過程及主要現象

模型左右兩側各留30 cm保護煤柱，開切眼4 cm，工作面自左向右推進，每次推進2 cm即記錄1次光纖光柵中心波長和百分表數據。模型回采結束后，模型覆巖垮落形態如圖3(b)所示，工作面共推進119次，推進距離240 cm.工作面回采過程除初次來壓外，共出現16次周期來壓，來壓步距集中在8～14 cm，平均11.13 cm.工作面推進完成后，采場上覆巖層形成明顯的“三帶”特征，由于采高較大，使得部分亞關鍵層進入垮落帶，垮落帶高度約為250 mm；裂隙帶包括其余的亞關鍵層、載荷層和主關鍵層，裂隙帶高度約為550 mm；彎曲下沉帶為主關鍵層上覆直至地表的載荷層，高度約為350 mm.

圖3　實驗模型 Fig.3　Experimental model (a)模型尺寸及測試方法　(b)覆巖垮落形態

在實驗現象可以觀測到的16次周期來壓中，出現了大、小周期來壓交替的現象，其中第5，7，9，11，13，15次為大周期來壓，其余為小周期來壓。工作面來壓情況見表2.

表2　工作面來壓情況一覽表

3實驗結果分析

3.1采場覆巖運移規律

隨工作面推進，布設于各巖層層位的全站儀測線下沉變化曲線如圖4所示。橫坐標為工作面推進距離，縱坐標為下沉量。工作面推進60 cm時，工作面初次來壓，全站儀A測線所在巖層垮落，最大下沉量29.0 mm，全站儀B測線所在巖層出現明顯的彎曲下沉，最大下沉量3.2 mm；工作面繼續推進至68 cm時，工作面第一次周期來壓，全站儀A測線所在層位垮落范圍增大，已垮落的巖層被重新壓實，最大下沉量30.6 mm，全站儀B測線所在層位初次垮落，最大下沉量29.9 mm；此后隨著工作面繼續推進，采場覆巖垮落范圍不斷向上向前發展，依次到達全站儀C，D和E所在層位。

圖4　模型上覆載荷層下沉變形曲線 Fig.4　Curve of the vertical deformation of overlying load layer (a)C1-C25測點　(b)D1-D25測點　(c)E1-E25測點

3.2光纖光柵傳感器應變量與覆巖運移狀態分析

由于光纖光柵傳感器豎直埋設在巖層中，因此其所在層位巖層的離層將導致傳感器受到拉應力作用而產生應變量的變化。但光纖光柵傳感器應變量的變化并非全部是由于其所在層位巖層的離層導致的，還可能受到其上、下方巖層離層的影響。限于篇幅，文中僅考慮傳感器埋設層位巖層離層對傳感器應變量的影響。

FBG01光纖光柵傳感器埋設于距離工作面開切眼50 cm位置，橫坐標為工作面推進距離，其應變量(文中所有傳感器的應變量均已進行溫度補償)隨工作面推進距離變化曲線如圖5所示。工作面推進0～58 cm，應變量由0緩慢增加到419.88 με(AB段)，巖塊逐漸受到采動影響；工作面推進至60 cm，亞關鍵層初次破斷形成了工作面初次來壓，此時，傳感器下位巖層并未垮落，因而使得傳感器所在巖層沒有離層空間，因此傳感器應變量沒有大幅變化，直到工作面推進68 cm，FBG01所在巖層破斷后與未垮落巖層鉸接形成了層狀的砌體梁結構，傳感器應變量由429.49 με驟然增大至峰值5 016.64 με(BC段)；工作面繼續推進70～82 cm范圍時，層狀砌體梁結構間的離層逐漸閉合，傳感器拉應力得到緩解，但是由于砌體梁結構的存在，應變量仍然維持一個較高的水平，直至工作面繼續推進至84 cm時，FBG01處的砌體梁結構失穩垮落，向工作面反向回轉并被上覆巖層重新壓實，傳感器應變量也由急劇下降轉為負值-448.11 με(CD段)。此后，隨著工作面繼續推進，FBG01的應變量基本保持穩定(DE段)。傳感器FBG01的應變變化反映了其所在巖層的破斷回轉過程。

圖5　FBG01應變量與覆巖運移對照 Fig.5　Contrast of overlying strata movement and strain variation of FBG01

FBG02光纖光柵傳感器埋設于距工作面開切眼50 cm的位置，其應變量隨工作面變化曲線如圖6所示。工作面推進0～66 cm，傳感器應變量由0緩慢增大至277.47 με(AB段)，工作面推進至68 cm，此時，工作面回采超過傳感器所在位置，由于其下位巖層垮落，為傳感器所在層位的巖層提供了離層空間，傳感器應變量躍升至636.85 με，說明此時傳感器所在巖層出現離層；工作面繼續推進70～82 cm，傳感器應變量緩慢增加至954.68 με，說明離層緩慢增大，直至工作面推進至84 cm，傳感器所在巖層發生破斷并與未垮落巖層鉸接形成砌體梁結構，傳感器應變量由954.68 με驟然增大至3 725.24 με；工作面繼續推進86～100 cm，由于砌體梁結構的存在，傳感器應變量持續增加至峰值4 064.44 με，直至工作面推進至102 cm，砌體梁結構反向回轉失穩垮落，并被上覆垮落的巖層重新壓實，傳感器應變量驟然減小至-1 634.86 με；此后，隨著工作面繼續推進，應變量基本保持穩定(EF段)。傳感器FBG02的應變變化反映其所在巖層離層產生與破斷回轉的過程。

圖6　FBG02應變量覆巖運移對照 Fig.6　Contrast of overlying strata movement and strain variation of FBG02

FBG03光纖光柵傳感器埋設于距離工作面開切眼50 cm位置，其應變量隨工作面推進距離變化曲線如圖7所示。工作面推進0～82 cm，傳感器應變量由0緩慢增大至121.88 με(AB段)，直至推進至84 cm，下位巖層的垮落為FBG03所在巖層提供離層空間，傳感器應變量由121.88 με突然躍升至387.99 με，說明傳感器所在巖層出現離層；工作面推進86～100 cm，應變量緩慢增加，說明離層緩慢增大；直至工作面推進至102 cm時，下位巖層垮落范圍繼續向上發育，傳感器所在巖層形成肉眼可見的離層，傳感器應變量由504.21 με突然躍升至1 790.35 με；工作面推進104～114 cm，傳感器應變量先由1 786.43 με減小至1 722.88 με，后又增大至1 750.44 με，表明了傳感器所處巖層的離層先減小后增大的動態發展過程。直至工作面推進至116 cm，傳感器應變量由1 750.44 με驟然增大至4 488.12 με，FBG03處巖層的離層也發生明顯的增大；工作面繼續推進118～124 cm，傳感器應變量量緩慢增大，直至工作面推進至126 cm， FBG03所在巖層發生破斷，并且傳感器所在巖層垮落后沒有形成結構，而直接被上覆垮落的巖層重新壓實，因此巖層間的離層直接閉合，此時傳感器應變量由4 646.71 με驟然減小至1 398.73 με(CD段)；此后，隨著工作面繼續推進，應變量基本穩定(DE段)，傳感器FBG03的應變變化反映了其所在層位離層產生、發展以及最終破斷閉合的過程。

圖7　FBG03應變量與覆巖運移對照 Fig.7　Contrast of overlying strata movement and strain variation of FBG03

通過實驗現象說明，埋設各層位巖層中的傳感器應變量與覆巖運移狀態密切相關，層位較低的傳感器FBG01應變量呈高原狀，層位較高的傳感器FBG02和FBG03應變量呈階梯狀。經分析認為，傳感器所在巖層垮落后若形成砌體梁結構，則將導致傳感器應變量最后一次躍升，并由于砌體梁結構的存在，使得傳感器應變量保持穩定，直至砌體梁結構失穩發生反向回轉后并被重新壓實，傳感器應變量才突然下降，并在此后保持穩定(如FBG01，FBG02)；若傳感器所在巖層垮落后未形成結構，而是被直接壓實，則傳感器將不會形成最后一次躍升，而是會直接下降，并在此后保持穩定(如FBG03)。

光纖光柵傳感器FBG04，FBG05和FBG06應變量隨工作面推進距離變化曲線如圖8所示。

圖8　FBG04，FBG05和FBG06應變量 隨工作面推進變化曲線 Fig.8　Curve of strain variation of FBG04,FBG05 and FBG06 along with the working face advancing

隨著工作面推進，埋設層位較低的FBG4的應變量緩慢增加，當工作面推進至138 cm時，FBG04所在巖層垮落形成了層狀砌體梁結構，對應傳感器應變量也由552.18 με驟然增大至峰值5 016.64 με.工作面繼續推進，由于層狀砌體梁結構的存在，使得傳感器應變量維持在一個較高水平。直至工作面推進至156 cm時，砌體梁結構反向回轉失穩垮落，由于層狀砌體梁結構被重新壓實，因此傳感器應變量由3 123.13 με突然下降至-689.52με.FBG04與埋設在同一層位的FBG01應變量變化規律完全一致。說明埋設在同一層位的光纖光柵傳感器應變量的變化規律具有相似性。

FBG05， FBG06與埋設在同一層位的FBG02,FBG03的應變量變化曲線基本一致，即在應變量的增長階段(BC段)呈現階梯狀。階梯的躍升段表明離層的產生或發展，階梯的平臺段表明離層的穩定或停止發展。上覆巖層產生的離層量不會無限增大，當上覆巖層達到極限懸露距時，離層的巖層就會發生垮落，最終被重新壓實。

采場上覆巖層的周期性破斷為上方未垮落的巖層提供離層空間，從而使得未垮落巖層產生離層，埋設在巖層內部的光纖光柵傳感器可以準確感知離層的產生及動態發育過程。通過傳感器應變量可以定量化描述離層的大小。

3.3光纖光柵傳感器應變量與離層率

當兩相鄰全站儀測線所在層位的巖層為發生垮落時，同一豎直位置上的兩相鄰測點的下沉量之差，即為兩測線間巖層的總離層量大小；當全站儀測線垮落后，兩測點下沉量之差還包括斷裂離層，此時，要對測得的數據進行修正，減去斷裂離層的高度，再根據公式(2)即可求得兩測線間不同位置的離層率。

表3　傳感器應變量與離層率計算表

從表3可知，光纖光柵傳感器應變量在達到峰值位置前的增長趨勢和所在層位離層率的增長趨勢有良好的對應性，說明光纖傳感器可以反應其所在層位的動態發育情況，為定量化表征覆巖離層提供了一種行之有效的方法。

4結論

1)光纖光柵傳感器應變量在到達峰值位置前(傳感器應變量曲線的BC段)，能夠準確反映其所在位置巖層離層發生發展情況。光纖光柵傳感器應變量的變化規律與上覆巖層離層發展規律相同，通過光纖光柵傳感器可以定量化描述采場上覆巖層離層動態發展規律；

2)埋設層位較低的光纖光柵傳感器FBG01，FBG04應變量變化曲線呈高原狀，說明該層位巖層并未出現離層，而是隨同下部巖層的破斷同步破斷；埋設層位較高的光纖光柵傳感器FBG02，FBG03，FBG05，FBG06應變量變化曲線呈階梯狀，表明傳感器所在層位出現離層；傳感器應變量的平臺階段表明所在層位的巖層不產生離層，躍升階段表明所在層位巖層離層的產生或發展。

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