采動覆巖運移BOTDA-FBG監測試驗

柴 敬，朱緒保，張丁丁，杜文剛，雷武林，楊玉玉

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

在煤礦開采中，巖層變形與破壞是采場覆巖運動的主要形式之一。工作面推進所引起的覆巖運移和垮落會導致頂板事故及地表沉陷的發生，因此有必要深入研究工作面回采過程中覆巖運移和破壞規律，為預測礦壓顯現及進一步完善頂板控制結構力學模型提供依據[1]。目前研究覆巖運移及礦壓規律的主要方法是物理相似模型試驗[2]。隨著測試技術的不斷發展，百分表、全站儀、應變片、數字三班、光纖光柵等被用于相似材料物理模型試驗，用以研究模型表面位移[3]、局部應力及覆巖變形規律[4-5]。

準分布式布拉格光纖光柵(FBG)因其具有較高的穩定性和靈敏度被廣泛應用于隧道[6]、橋梁[7]和模型試驗[8-9]等領域。分布式光纖傳感技術因其具有長距離、分布式、抗電磁干擾、質量輕、體積小等優點，已在邊坡、樁基及隧道等領域得到廣泛應用[10-11]。PPP-BOTDA分布式光纖相比其他傳感技術具有更高的精度和空間分辨率，不僅具有一般光纖傳感器的優點，而且能夠實現對結構物的分布式長期監測[12-13]。

張丹等[14]將BOTDR分布式光纖傳感技術用于淮南礦區某工作面覆巖變形監測，揭示覆巖變形與破壞規律并得到垮落帶和裂隙帶發育高度。盧毅等[15]將BOTDR與FBG的定點分布式光纖傳感技術應用到地裂縫監測中，能較好預測潛在地裂縫發育趨勢。柴敬等[16]將光纖光柵傳感器埋入物理相似模型，對覆巖微小變形和和垮落變形進行監測與表征，得出傳感器應變量與覆巖運移狀態的對應關系。但對離層動態發育規律的研究和光纖頻移峰值間距的解釋不夠清晰?；诖?，筆者將FBG和BOTDA分布式光纖用于物理相似模型試驗，研究采場覆巖變形特征及運移規律。論文的研究將對監測采動覆巖運移過程具有重要意義，同時希望為離層注漿減沉判別離層寬度及大小提供一種新方法。

1 覆巖運移規律

中國著名學者錢鳴高提出了采場巖層移動與控制理論，該理論認為煤層開采勢必引發采場圍巖應力的重新分布，工作面向前推進直接頂隨采垮落，基本頂呈一定結構懸露[17]。將懸露的基本頂視為固定梁，兩端分別由工作面煤壁和邊界煤柱支撐，如圖1所示。

σx為梁內任意固定點的水平應力；σy為梁內任意固定點的垂直應力；τxy為梁內任意固定點的剪應力；R為支反力；M為斷面彎矩；h為梁的厚度圖1 巖梁任意點應力分析Fig.1 Stress analysis of arbitrary points of rock beams

根據邊界條件，可解出固支梁內任意固定點的應力分量和彎矩表達式：

(1)

(2)

式中：q為梁所受n層巖層的載荷；l為梁的半長。

砌體梁理論認為隨著覆巖關鍵塊的破斷，將形成巖塊相互咬合的砌體梁結構，如圖2所示。

圖2 關鍵層的破斷運移Fig.2 Breakdown of critical layers

當前采場圍巖控制基本遵循以上經典理論，由于巖性的復雜性和關鍵層的多樣性，采場上覆巖層的拉、剪應力不易獲取，基本是通過工作面礦壓顯現來解釋采場覆巖的運移情況。

2 測試原理

2.1 BOTDA測試原理

實驗采用日本Neubrex公司研制的NBX-6000型脈沖預泵浦布里淵光時域分析儀(PPP-BOTDA)監測工作面回采引起的覆巖運移。PPP-BOTDA分布式光纖傳感原理如圖3所示。

圖3 PPP-BOTDA分布式光纖傳感原理Fig.3 The distributed optical fiber sensing principle of PPP-BOTDA

布里淵頻移與溫度和應變的關系為

(3)

PPP-BOTDA與普通的BOTDA技術相比，頻率分辨率更高，布里淵頻移也更加準確，其分辨率可以達到5 cm的空間分辨率和7.5×10-3的應變測試精度。本實驗設置的主要參數為：采樣間隔1 cm，空間分辨率5 cm，平均化次數216。

2.2 FBG傳感原理

FBG傳感技術是利用Bragg光柵反射特定波長光的特性來實現傳感測試，其原理如圖4所示。圖4當寬帶光入射光纖時，Bragg光柵會反射特定波長的光譜，該反射光的中心波長值λB與光柵所受的軸向應變和溫度存在線性關系[19]：

(4)

式(4)中：λB為反射光的初始中心波長；ΔλB為中心波長漂移量；Δε、ΔT分別為光柵受到的應變、溫度變化量；Kε、KT分別為光柵的應變、溫度標定系數，對于石英材質，其Kε≈0.784，KT≈6.67×10-6。

圖4 FBG傳感原理Fig.4 Sensing principle of the FBG sensor

3 相似材料物理模型實驗

3.1 相似模型

實驗以陜北某礦為模擬對象，選取1.5 m×0.6 m×1.3 m的三維立體模型。根據相似理論，選取幾何相似比為1∶150，容重相似比為1∶1.6，其中煤層厚度為6 cm。相似材料以普通河砂為骨料，大白粉、石膏為膠結材料，云母粉用于分層，按相應配比混合攪拌均勻后鋪裝在模型架上，模擬力學性質各異的巖層及采場覆巖垮落變形過程。

在模型亞關鍵層中埋設2個光纖Bragg光柵應變傳感器 FBG01 和FBG02，一個光纖光柵溫度傳感器FBGT，用于溫度補償，所有傳感器均豎直埋設。模型內共埋設4根垂直光纖，用以監測采動覆巖垮落及離層演化規律，FBG-01與垂直光纖V1位置對應，FBG-02與垂直光纖V4對應。亞關鍵層和主關鍵層位置分別埋設水平光纖H1和H2。模型布置如圖5所示。

圖5 模型布置Fig.5 Model layout

3.2 實驗過程及現象

模型兩邊分別留有10 cm邊界煤柱，工作面自左向右推進，開挖總長度130 cm，開切眼10 cm，開挖步距3 cm，共開挖40次，每開挖一次記錄一次BOTDA分布式光纖，光纖光柵中心波長數據。工作面回采過程中除初次來壓外，共出現8次周期來壓，來壓步距集中在6～12 cm，平均10.125 cm。工作面推進完成后，由于采高較大，使得部分亞關鍵層進入垮落帶，最終斷裂帶發育至主關鍵層下方停止，發育高度為790 mm，采動覆巖主要分布在垮落帶和裂隙帶，未見明顯彎曲下沉帶。在實驗現象可以觀測到的8次周期來壓中，出現了大、小周期來壓交替的現象，其中第3、4、7 次為大周期來壓，其余為小周期來壓。工作面來壓情況如表1所示。

表1 工作面來壓情況Table 1 Roof weighting situation of working face

4 結果分析

4.1 BOTDA測試結果分析

4.1.1 垂直光纖

圖6 光纖V1在各來壓階段的頻移分布Fig.6 Frequency shift distribution of optical fiber V1 at each compressive stage

垂直光纖V1在各來壓階段的測試結果如圖6所示。工作面推進0～33 cm時，頻移曲線幾乎不變，如圖6(a)；推進33 cm時，工作面超前支撐壓力導致煤層頂板上方0～29 cm范圍光纖V1的中心頻移為負值，最大值為18.173 MHz，如圖6(b)；推進45 cm時，支架上方總厚度為84.9 mm的多層巖層一次性破斷垮落，工作面第一次周期來壓，光纖V1受垮落巖層的拉力作用，中心頻移變為正值，最大值為53.487 MHz，如圖6(c)；推進57 cm時，模型高度0～69 cm范圍中心頻移為正，最大值為60.026 MHz，且呈臺階狀，如圖6(d)；推進60 cm時，亞關鍵層初次破斷，發生第三次周期來壓，在模型高度0～45 cm范圍光纖受垮落巖層的壓力作用中心頻移變為負值，如圖6(e)；此后推進過程中，中心頻移臺階高度與頻移值同步增大，推進114 cm時達到最大，在模型高度為105 cm處出現最大頻移為224.285 MHz，如圖6(f)。

上述頻移變化可以反映覆巖垮落的動態變化，中心頻移值的正負反映了不同推進距離內光纖受巖層內應力變化規律，即推進33 cm時，V1光纖所在巖層在0～29 cm高度范圍內呈受壓狀態，在推進57～114 cm范圍內，V1光纖所在巖層呈受拉狀態。中心頻移臺階的發展過程表明不同推進距離下不同高度巖層受到不同的拉壓壓力，其所受拉壓力大小與巖層垮落運動和破斷下沉的劇烈程度相關。

4.1.2 水平光纖

水平光纖H1在各來壓階段的測試結果如圖7所示。工作面推進0～66 cm時，由于亞關鍵層未垮落，中心頻移曲線幾乎不變；推進66 cm時，亞關鍵層斷裂，垮落具有強烈沖擊性，位于亞關鍵層內的水平光纖H1受到拉力作用，中心頻移瞬間增大。光纖H1受巖層左右斷裂邊界處巖層迅速下沉的拉力作用，曲線出現雙峰；此后隨著工作面推進，中心頻移曲線一直呈雙峰型。將光纖測試頻移曲線與模型實圖進行對比，發現水平測試光纖的雙峰特征與巖層垮落頂部離層寬度存在聯系，如圖8所示，再將位于亞關鍵層的水平光纖測試頻移雙峰特征進行統計，如表2所示。

圖7 光纖H1在各來壓階段的頻移分布Fig.7 Frequency shift distribution of optical fiber H1 at each compressive stage

圖8 水平光纖測試頻移曲線雙峰特征分析Fig.8 Double peak characteristic analysis of frequency shift curve for horizontal fiber test

由表2知，光纖測試中心頻移峰值間距與巖層垮落頂部離層寬度幾乎一致，平均誤差低于3%?？蓪⑺焦饫w測試結果用于描述工作面覆巖變形破壞范圍和判定覆巖垮落頂部離層寬度，同時為離層注漿減沉判別離層寬度及大小提供新方法。

4.2 FBG測試結果分析

因FBG傳感器具有應變和溫度雙重敏感特性，若要獲得較為準確的應變測量數據需要剔除溫度變化引起的波長漂移，實驗過程中，由溫度引起的熱應變僅為34.5 με，較巖層變形引起的數千應變可以忽略不計。

光纖光柵垂直埋設在主關鍵層和亞關鍵層中，當其所在巖層彎曲下沉、破斷或出現離層時將引起傳感器受拉力作用而產生應變量的變化。FBG01傳感器埋設于距模型左邊界50 cm處的壓關鍵層內，其應變量隨工作面推進的變化曲線如圖9所示。工作面推進0～30 cm時，應變量在0左右波動，傳感器所在巖層處于拉壓應力交互狀態，巖塊基本未受到采動影響；推進至33 cm時，頂板初次來壓，FBG01所在巖層垮落下沉，使其受到拉力作用，波長漂移量開始增大，推進至45 cm時，亞關鍵層初次破斷工作面發生第一次周期來壓，垮落頂部出現54.9 mm的斷裂離層，FBG01應變量達到峰值2 203.54 με；工作面推進45～48 cm范圍時，傳感器上部巖層下沉，砌體梁結構間的離層逐漸閉合，傳感器所受拉應力得到緩解；繼續推進，FBG01處砌體梁結構失穩垮落，向工作面反向回轉并重新壓實，傳感器的應變量也由正值轉為負值；工作面推進57、66、72 cm時分別出現小周期來壓，傳感器所在巖層受上覆巖層下沉影響處于受壓狀態，應變量均反向增大。此后繼續推進，工作面遠離FBG01，傳感器所在巖層趨于穩定，FBG01應變量基本保持穩定。FBG01傳感器的應變變化基本反映了其所在巖層的關鍵點破斷運動過程。

FBG02傳感器埋設于距模型右邊界50 cm處的壓關鍵層內，其應變量隨工作面推進的變化曲線如圖10所示。工作面推進0～84 cm，基本不受采動影響，FBG02應變量維持在恒定水平；推進至84 cm時，懸空頂板開始破斷垮落；推進至90 cm時，覆巖發生大范圍破斷垮落，形成工作面第七次周期來壓，近240 mm厚巖層一次性破斷垮落，形成層狀砌體梁結構，對應傳感器應變量驟然增大到峰值3 605.38 με；工作面繼續推進，由于層狀砌體梁結構的存在，傳感器應變量下降的緩慢；推進至111 cm，砌體梁結構反向回轉失穩，FBG02傳感器被重新壓實，因此，傳感器應變量由正值轉為負值；此后，隨著工作面推進，應變量基本保持不變。FBG02與FBG01傳感器應變量變化規律基本一致，說明位于同一層位的FBG應變量變化規律具有相似性，都呈尖峰狀。

圖9 FBG01應變量變化Fig.9 Strain changes of FBG01

表2 水平光纖H1測試結果Table 2 Roof test results for horizontal fiber H1

圖10 FBG02應變量變化Fig.10 Strain changes of FBG02

5 結論

(1)垂直光纖頻移變化可以反映覆巖垮落的動態變化，中心頻移的正負反映了推進不同距離光纖受巖層內應力變化規律，中心頻移臺階的發展過程表明不同推進距離下不同高度巖層受到不同的拉壓力，其所受拉壓力大小與巖層垮落運動和破斷下沉的劇烈程度相關。

(2)水平光纖測試結果可以用于描述工作面覆巖變形破壞范圍和判定覆巖垮落頂部離層寬度，頻移峰值間距與巖層垮落頂部離層寬度幾乎一致，平均誤差低于3%，可為離層注漿減沉判別離層度及大小提供新方法。

(3)FBG傳感器應變量與巖層運移狀態密切相關，可實現對采動覆巖變形破斷和離層發育過程的監測，且位于同一層位的FBG應變量變化規律具有相似性，都呈尖峰狀，FBG01在工作面推進45 cm時，應變量達到峰值2 203.54 με，FBG02在工作面推進90 cm時，應變量達到峰值3 605.38 με。