采動覆巖導水裂隙發育光纖感測與表征模型試驗研究

杜文剛,柴 敬,張丁丁 ,雷武林

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學 教育部西部礦井開采與災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054; 3.西安科技大學 安全技術與工程學院，陜西 西安 710054)

我國煤炭資源與水資源呈顯著的逆向分布特點，東部缺煤富水、西北富煤缺水[1]。隨著西北干旱、半干旱地區煤炭資源大規模開采，生態脆弱區水資源破壞及礦井水害等問題日益嚴重[2-3]。覆巖導水裂隙是溝通地下含水層與采空區的涌水通道，及礦井突水事故、地表及地下水體流失、礦區生態環境惡化的直接誘因。科學、準確地監測采動覆巖導水裂隙發育范圍是預防礦井突水事故及實現保水采煤、綠色礦山建設的重要保障。

孫慶先等[4]運用鉆孔沖洗液漏失量觀測法、鉆孔彩色電視及井下瞬變電磁物探法對寧煤紅柳煤礦 “兩帶”高度進行探測。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中關于導水裂隙帶高度計算公式適用于單層煤采厚在1～3 m，累積采厚不超過15 m的條件[5-7]。隨著陜北礦區淺埋特厚煤層的大規模開采，超過7 m特大采高、綜放等高強度開采方式日益普及，引發的上導水裂隙帶發育高度上限差異顯著[8-9]。楊艷國等[10]采用理論分析和UDEC數值模擬的方法對位于河流下煤層不同開采順序對導水裂隙發育情況進行分析;楊達明等[11]綜合運用鉆孔注水漏失量觀測、鉆孔電視和數值模擬3種手段進行觀測，得出采厚6.65 m，軟弱覆巖、厚松散層(102 m)條件斷裂帶發育高度為45.7～46.7 m，裂采比為6.87～7.02;王文學等[12]為了研究覆巖裂隙發育的時間效應和為殘煤復采評價提供依據，采用彩色鉆孔電視、沖洗液漏失量觀測、巖芯RQD指標等對厚松散含水層下煤層開采15 a后的裂隙閉合效應進行研究。

綜上，當前工程上對采動引起的導水裂隙帶發育高度探測的主要方法為鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔彩色電視及物探法等[13-16]。鉆孔沖洗液漏失量法能一定程度反映實際情況，但在某些原巖裂隙發育地區往往不能取得可靠數據，對把握觀測時機要求較高;超聲成像法在鉆孔中可清楚地觀察覆巖破壞帶間的關系，但鉆孔內部常存在裂隙和破碎區，在漏水的情況下無法得到清晰圖像，受人為操作影響較大;電阻率法根據電阻率值的時空變化分辨出結構破壞及裂隙發育，地質構造、巖石類型、含水差異等因素對測量結果影響較大。這些方法均存在一定的局限性如探測精度低、可靠性差、相互依存度高等。基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(BOTDA)以光纖為載體光波為介質，光纖本身既是傳感元件亦是信息輸送通道，具有高精度與靈敏度、抗腐蝕、抗電磁干擾等優勢，已廣泛應用巖土結構工程測試及試驗等領域[17-21]。

筆者將BOTDA分布式光纖傳感技術應用于陜北生態脆弱區淺埋煤層開采物理模型試驗。提出傳感光纖與采動巖體的耦合關系量化指標“光纖-巖體耦合系數”，通過耦合系數對采動引起的覆巖垂直分帶區進行合理劃分，并確定導水裂隙帶發育高度。將光纖傳感技術應用于采動覆巖變形監測為導水裂隙帶發育高度探測提供了新的研究思路。

1 覆巖垂直分帶理論及光纖感測機制

1.1 覆巖垂直分帶光纖感測機制

煤層采出后，上覆地層由下往上逐層垮落，距離工作面越遠受采動影響越小。不同高度位置巖體變形程度差異明顯，形成不同的獨立分帶區。 “三帶”中垮落帶距離工作面最近，由直接頂與低位基本頂破斷后形成的矸石充填，碎裂巖塊間具有大量空隙，無序堆積于底板上;斷裂帶位于垮落帶上方，失穩破斷巖塊呈半圓弧狀規則排列，彼此相互咬合形成砌體梁結構，斷裂帶存在大量層間水平離層裂隙與縱向貫通裂隙。垮落帶與斷裂帶合稱為導水裂隙帶，是瓦斯、水體、流沙的主要滲流通道，對“兩帶”高度的精準探測是解決礦井突水、瓦斯抽采、采空區注漿充填減沉等任務的主要突破口。

光纖傳感技術可實現模型內部巖體變形的高精度分布式感測，彌補了傳統測量方法如全站儀、百分表、近景攝影、應變片等存在僅能獲取模型表面變形信息或需大量布線的不足。工程現場煤層開采引起的覆巖移動變形是典型的黑箱問題，無法獲得地層移動變形規律。通過鉆孔將傳感光纖植入地層中，獲取監測數據反演地層變形規律是科學研究的必然過程。

將光纖植入煤巖體中，不同垂直分帶區將引起光纖相應位置不同的數據響應特征，可通過識別數據響應規律反演覆巖垂直分帶區范圍。如圖1所示，當光纖處于采空區時，不同分帶區光纖受力狀態差異巨大，紅色部分位于主關鍵層及其上部巖層構成的彎曲下沉帶，該區域典型特征為巖體結構完整，光纖與巖體耦合接觸關系良好;綠色部分為關鍵層下方形成的離層空域，區域內光纖與巖體脫離，光纖所測數據不能反應該處巖體真實變形;黃色區域為垮落帶與斷裂帶構成的斷裂帶范圍，區域內巖體應力達到強度極限破壞，破斷巖塊與光纖存在摩擦力與擠壓力。因此，可通過分析不同分帶區光纖與巖體的耦合接觸關系反演上覆巖層垂直分帶特征。

圖1 覆巖垂直分帶劃分及光纖感測機理Fig.1 Vertical zoning of overburden and sensing mechanism

1.2 離層裂隙光纖感測機制

含煤地層一般由層狀沉積巖組成，剛度、強度差異較大的層組在沉降時會沿地層自然分界面產生離層，而巖性近似的層組會協同變形同步沉降。由1.1節關鍵層定義可知關鍵層是上覆巖層中的堅硬巖層，與關鍵層相鄰的巖層相比巖性較弱，因此關鍵層下方極易產生離層。光纖在離層位置由于上部巖體穩定下部巖體下沉，離層不斷擴展會對光纖產生附加拉拔力引起應力集中，從而引起檢測信號突變。光纖與關鍵層巖體相互耦合作用，光纖在巖體離層作用下產生拉應力集中，根據拉力作用下光纖-關鍵層巖體剪切滑移理論，可將離層值看成為左右兩側光纖與關鍵層巖體間相對位移之和(圖2)。

圖2 離層裂隙光纖感測機理Fig.2 Sensing mechanism of separated layer fracture

設光纖在巖體中埋設長度為L，直徑為d，光纖與關鍵層剪切滑移體直徑為D，則巖體-光纖總體彈性模量可表示為

Et=[Er(D2-d2)+Eod2]/D2

(1)

其中，Et為光纖-關鍵層剪切滑移體復合彈性模量，MPa;Er與Eo分別為與光纖接觸巖體彈性模量及光纖自身彈性模量，MPa。剪切面上剪切力設為λ(u)，是剪切位移u的函數，在離層上下兩側分別取2個長度單位dx，根據應變與軸力關系及靜力平衡條件可得

(2)

其中，P為光纖軸力分布。 聯立式(1)，(2)可得

(3)

光纖-巖體剪切面處于彈性狀態時，光纖與關鍵層巖體剪切面上的剪應力與剪切位移成正比關系:

λ(u)=Ku

(4)

式中，K為接觸面剪切剛度系數。式(2)～(4)為二階常系數微分方程，求解可得

u(x)=A1cosh(βx)+A2sinh(βx)

(5)

其中，A1，A2為常系數。對離層上下兩側微元體進行分析，設離層所在位置光纖軸力為P0，根據位移邊界條件分別求出A1，A2，則離層上下側剪切位移分別為

(6)

彈性變形階段關鍵層下方離層張開值S即為離層上下側剪切位移之和:

(7)

將式(7)簡化，令

coth(βx0)+coth[β(L-x0)]=M

(8)

則可求解離層位置光纖軸力為

P0=Eoε=πD2βEtS/(4M)

(9)

光纖監測應變一般為-3%～4%，處于彈性變形階段，即光纖尚未進入塑性變形階段即已失效。根據胡克定律，相應位置光纖應變為

ε=πD2βEtS/(4MEo)

(10)

由式(10)可知，離層位置光纖所受軸力與離層張開量呈線性關系，離層張開量越大引起的相應位置光纖軸力突變越劇烈。由于光纖監測過程中自身能夠承受的最大變形不超過其屈服極限，因而根據胡可定律可證明離層張量與光纖相應位置檢測應變呈線性關系。

采動上覆巖層水平層間離層一般多發育在巖性差異較大的軟硬巖層交界位置，正由于關鍵層與其下部巖層巖性差異顯著，因此易于發育水平離層。水平離層發育會引起光纖軸力激增，造成檢測布里淵頻移量發生明顯突變，基于此機理可通過光纖傳感技術識別覆巖中的離層裂隙。

2 采動覆巖與光纖耦合關系量化表征

2.1 耦合變形過程光纖受力狀態分析

對于陜北礦區賦存的淺埋特厚煤層，大采高工作面一次開采高度能達8 m或以上，采空區矸石頂部形成的空域面積巨大難以被充填閉合。此特征使得光纖與巖體耦合關系與普通厚度煤層開采相比差異較大工作面推過后光纖處于采空區壓實區，光纖從采空區頂部空域中穿過未接觸任何介質。

如圖3所示，取光纖中部A點作受力分析，其下部巖層在采動影響下具有下移趨勢，則巖體施加給光纖向下摩擦力。根據作用力與反作用力原理，上端未受采動影響的穩定巖體施加給光纖向上的反作用力，導致A點處于受拉狀態，在光纖處于巖性差異較大的分層處時受拉程度得到加強。以采空區中部B點作受力分析，采空區矸石與光纖直接接觸，若破斷巖塊完整則光纖從其中間穿過，采空區壓實作用及部分巖塊懸空具有向下移動趨勢，該部分矸石會施加給光纖向下的摩擦力F4，同樣由于作用力與反作用力同時存在，在其上方空頂區域光纖會受到向上的反作用力F3。正是在F2和F3的共同作用下，使得光纖在頂板懸空位置處于“相對受壓”狀態。

圖3 采動過程中光纖主要應力集中點Fig.3 Main stress concentration points of optical fiber in mining process

巖體運動打破光纖外力平衡狀態，光纖通過自身應力分布調節重新回歸外力平衡狀態。因而在巖層發生垮落等大變形之后，光纖某一點處的受力狀態可能與其所接觸的介質無關，是因其為了達到自身外力平衡而產生的附加應力，比如空頂區域光纖測量的應變與其所接觸介質(空氣)無關，因而應對光纖整體受力狀態進行綜合分析。

2.2 巖體-光纖耦合性定量化分析

2.2.1耦合關系量化分析理論模型

光纖與巖體的耦合作用可分為3個階段。第1階段，光纖所在圍巖未產生非連續變形，巖體結構完整與光纖緊密接觸，光纖與巖體界面間存在摩擦力與黏聚力，光纖與巖體界面未產生相對滑動;第2階段，當圍巖開始產生裂隙、離層等非連續變形后，巖體界面剪切層逐漸發生剪切破壞與界面剝離。此時光纖與圍巖間的摩擦力與黏聚力相比階段1有所下降，導致光纖應力集中程度有所減弱;第3階段，當巖體失穩垮落后，光纖與巖體界面發生相對滑動，光纖與巖體間失去黏聚力僅受摩擦力作用，已失穩巖塊向下運動壓實過程會引起光纖拉應力集聚，理論模型如圖4所示。

圖4 采動過程中光纖主要應力集中點Fig.4 Main stress concentration points of optical fiber in mining process

在光纖與巖體耦合性較高階段，光纖主要受巖體內部靜壓載荷作用，光纖對壓應力敏感度較低因而測量應變值一般較小;當巖體出現非連續變形時，光纖與巖體耦合程度降低意味著部分巖體離層開裂與光纖脫離。因此光纖與巖體的耦合系數大致隨著巖體變形幅度的增大而降低。數理統計分析中可通過一組數據標準差反應數據的波動程度，由上述分析知光纖與巖體耦合系數隨著監測應變數據的波動程度增高而降低，盡管無法定義2者之間的具體函數關系，可將其關系大致簡化為反函數關系，通過計算出工作面推進不同過程中的耦合系數值，可從一定程度上反應光纖與采動巖體的耦合程度。事實上，在垂直方向上受采動影響上覆巖層將形成變形程度差異顯著的垂直分帶，如經典的“三帶”劃分法將覆巖分為垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。不同分帶間巖體-光纖耦合程度差異巨大，因此必須考慮采動巖體垂直分帶特性。

2.2.2耦合關系的數學表達

針對將光纖傳感技術應用于采動巖體變形監測，由于煤層開采后上覆巖層變形尺度范圍大，從微觀變形到宏觀變形其變形尺度差異巨大。定義耦合系數取值在0～1變化，系數為1時巖體與光纖耦合程度最高，系數為0時巖體與光纖完全脫離。

通過求出不同高度位置處，不同開采位置處應變與整個開挖過程應變均值的相對誤差，再進行均一化處理，實現通過光纖感測應變分析光纖與巖體的耦合接觸程度，為合理確定覆巖分帶及階段劃分提供理論基礎。光纖-巖體耦合系數可表示為

(11)

式中，kj為第j次開挖光纖-巖體耦合系數;x為第j次工作面推進距離，m;f(x)為相應推進位置應變值;n為整個工作面推采次數;εi為任意次開挖應變。

定義耦合系數為從0～1變化的常數，將由式(11)求得耦合系數進行歸一化是定量化分析的前提。歸一化是把需要處理的數據經過處理后(通過某種算法)限制在需要的特定范圍內。其具體作用是歸納統一樣本的統計分布性。常用的數據歸一化方法稱為離差標準化，是對原始數據進行線性變換，使結果落至[0，1]區間上。

3 光纖感測斷裂帶發育理論模型

采動巖體變形破斷是極其復雜的問題，巖體材料本身具有各向異性、非均質性、變形非連續性等特性，加上覆巖破斷后與光纖接觸關系的不確定性，使得光纖檢測數據分析異常困難。由于采動引起的上覆地層變形是一個時空演化過程，光纖與巖體的耦合接觸關系同時受制于橫向工作面推進位置與縱向覆巖層位高度雙因素控制，因而必須控制某一方面變量保持不變而分別求出耦合系數與推進距離及覆巖高度的關系，從而實現光纖傳感表征覆巖變形時空演化過程。以本文中物理相似模型試驗中光纖檢測應變根據式(11)分別求出工作面推進21，45，66，84，90，111 cm等位置，在高度分別為120，100，70，50，20 cm時的光纖-巖體耦合系數如圖5所示。

圖5 覆巖變形演化過程光纖與巖體耦合關系變化Fig.5 Change of coupling relationship between optical fiber and rock mass during deformation evolution of overburden

從圖5可以將整個推進過程分為4個典型特征階段，耦合系數首次出現明顯下降為工作面過光纖時;第2次顯著變化為當亞關鍵層第1次失穩后，耦合系數降低至0～0.4，亞關鍵層破斷引起上覆巖層大范圍移動破壞，部分區域光纖直接與巖體脫離;第3次顯著變化為推進90 cm第2層關鍵層整體失穩后，可以看出70 cm高度耦合系數從0.6下降至0.4，其下部破壞區耦合系數均明顯上升。主要由于關鍵層破斷失穩引起采空區已破壞區強烈壓實，從而引起其下部區域耦合系數上升。分析得出巖體變形光纖傳感響應主要受工作面與光纖相對位置及關鍵層失穩影響，因而數據分析時需根據關鍵層數目合理進行特征階段劃分。

在隨工作面推采圍巖變形場演化過程中，光纖檢測應變曲線分布形態也不斷隨之變化。對采動巖體變形演化過程光纖應變曲線分布形態進行特征階段劃分是準確分析巖體變形過程的必要前提。根據已有研究經驗，分布式光纖檢測應變曲線分布形態主要受2方面因素控制:光纖與工作面的空間位置關系，及關鍵層的結構完整性及姿態穩定性。不同關鍵層結構地層類型應變發展差異顯著，因此階段劃分過程必須緊密結合關鍵層數目、類型以及變形過程。基于此提出光纖感測導水裂隙帶發育高度理論模型如圖6所示。

圖6 覆巖變形過程光纖監測特征階段劃分及導水裂隙帶探測理論模型Fig.6 Stage division of optical fiber monitoring characteristics in overburden deformation process and theoretical model of water flowing fractured zone detection

4 相似模型試驗構建及主要現象

4.1 工程背景

神東煤炭公司大柳塔礦5-2煤層厚6.6～7.3 m，平均厚6.94 m，煤層構造簡單，傾角1°～3°，煤層埋深184.32 m。52304工作面共計布置取芯鉆孔4個，分別位于輔運巷道83號聯巷處、回風巷道87號聯巷處、回風巷道61號聯巷處和45號聯巷處，取芯位置位于工作面不同推進階段，可全面反映整個工作面覆巖巖性情況。將巖芯加工成標準巖樣試件，用于測試抗壓強度的巖樣試件尺寸為直徑50 mm，高度100 mm;用于測試抗拉強度的巖樣試件直徑與高度均為50 mm。通過現場巖芯單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，得到了不同巖性的頂板巖層抗壓強度和抗拉強度。得到的物理力學參數不僅可以為關鍵層的計算提供數據，而且可以用于物理相似模型試驗中相似材料的配合比選擇。從測試的結果可以看出，雖然所取巖樣均為砂巖巖性，但各巖層的強度差別較大，其中屬第7層的細粒砂巖強度最大，平均單軸抗壓強度30.57 MPa，平均抗拉強度4.28 MPa。通過現場取芯測試得到大柳塔礦5-2煤層地質柱狀分布情況。距煤層頂板15 m的細粒砂巖是關鍵層1。距煤層頂板63 m的粉砂巖是關鍵層2。距煤層頂板109 m處的厚度為13.43 m的中粗砂巖是煤層頂板的關鍵層3，即為煤層頂板的主關鍵層，其破斷將直接引起地表沉降。

4.2 相似模型試驗設計

考慮到模擬的巖層厚度和實驗室模型框架的幾何尺寸，模型的幾何尺寸為1 500 mm(長)×600 mm(寬)×1 300 mm(高)。幾何相似比為1∶150，可模擬地表松散層，無需外荷載補充。

4根垂直光纖名為V1，V2，V3，V4，如圖7所示。其中，模型中V1的有效測試長度為1.29 m，V2為1.29 m，V3為1.28 m，V4為1.28 m，傳感光纖需要通過空間定位確定模型中每根光纖的具體位置坐標，采用水浴加熱法進行空間定位。基于分布式光纖布里淵頻移對溫度和應變具有雙靈敏度的特點，可以通過改變光纖自由段的溫度來實現空間定位。

圖7 光纖傳感器布置方式Fig.7 Layout of optical fiber sensor

4.3 煤層開采覆巖運移特征

工作面推進至33 cm(49.5 m)時，基本頂發生初次破斷，為工作面初次來壓;推進至60 cm(90 m)時，亞關鍵層下部分巖層初次破斷，破斷過程劇烈。工作面推進至66 cm(99 m)時，亞關鍵層上部200 mm厚巖層一次性垮落，垮落過程劇烈，形成工作面第3次周期來壓，如圖8所示。此次垮落巖層排列整齊，與之前垮落矸石形成明顯分界，各分層斷裂線相互貫通形成縱向導水裂隙，此區域為斷裂帶范圍。此時，煤層底板距懸頂高度為437 mm，垮落帶高度為170 mm，斷裂帶高度為200 mm。斷裂帶頂部形成半橢圓狀懸空區域，空頂區域高度為67 mm，頂部空域占采煤面積的26%。

圖8 工作面推進至99 m覆巖破斷情況Fig.8 Overburden breaking condition advancing to 99 m

推進至90 cm(135 m)時，覆巖發生大范圍破斷垮落，形成工作面第5次周期來壓，如圖9所示。斷裂帶高度由494 mm向上發育至734 mm，近240 mm(工程值為36 m)厚巖層一次性破斷垮落。頂部離層空間進一步壓縮，由推進87 cm時的22 258 mm2減少為推進90 cm時的15 165 mm2。覆巖采動影響區面積由311 254 mm2擴展至521 725 mm2，增量為210 471 mm2，擴展率為67%。斷裂帶斷裂巖層形成數條相互貫通的縱向導水、導氣通道與采空區相連，通道的終點即為頂部離層空區。由于新垮落巖層的沖擊壓實作用，既有垮落帶與斷裂帶壓縮高度超過20 mm(3 m)，垮落過程具有強烈沖擊性，容易引起工作面強礦壓事故。

圖9 工作面推進至135 m覆巖破斷情況Fig.9 Overburden breaking condition advancing to 135 m

推進至111 cm(166.5 m)時，覆巖出現較大移動，在既有斷裂線前方形成新的覆巖破斷線。導水裂隙帶高度也由之前的734 mm發育至790 mm，頂部離層懸頂距由537 mm延伸至675 mm。推進至117 cm模型未變動。整個下層煤回采長度為117 cm(175.5 m)，最終導水裂隙帶發育高度為790 mm(118.5 m)，采動覆巖主要分布在垮落帶和斷裂帶。

5 基于光纖感測的覆巖垂直分帶表征

5.1 光纖檢測覆巖變形時空演化過程

采動巖體變形破斷是非常復雜的問題，巖體材料本身具有各向異性、非均質性、變形非連續性等特性，加上覆巖破斷后與光纖接觸關系的不確定性，使得光纖檢測數據分析異常困難。只能通過將整個工作面推進過程與光纖空間位置分為幾個典型特征階段，才能提取其中存在的客觀規律。

從垂直光纖V1數據分析中可以發現垂直光纖隨工作面與其位置的不斷變化，其應變分布存在規律性，如圖10所示(其中，A，B，…，H為應變曲線的拐點(特征點))，可分為4個階段:

圖10 覆巖變形演化過程光纖監測階段特征Fig.10 Stage characteristics of overburden deformation evolution process detected by optical fiber monitoring

階段1:工作面靠近光纖過程，光纖所在圍巖穩定無裂隙發育，光纖受超前支承壓力影響產生負應變，呈單峰狀或臺階狀;

階段2:工作面通過光纖，光纖應變由負轉正;此階段光纖所在圍巖由完整結構過渡到非完整結構，部分光纖處于采空區矸石中。此階段光纖主要受關鍵層1下方巖體離層下移而形成拉應力集中，應變值隨高度降低平穩遞增;

階段3:亞關鍵層失穩，與光纖接觸的圍巖形成5種典型受力介質。此階段光纖在主關鍵層下方具有下沉趨勢的非穩定巖體中與采空區矸石堆中形成2個拉應力集中區，應變分布呈雙峰狀;

階段4:主關鍵層失穩，在主關鍵層上方形成新的應變峰值區，其下方全部為已失穩的斷裂巖層。至此整個上覆巖層都處于采動影響范圍，地表沉降明顯。應變曲線形態大體呈單峰狀分布。

基于此，可通過分布式光纖檢測應變曲線分布形態對上覆巖層分帶特征進行表征。光纖應變曲線分布形態主要受2方面因素影響:一方面為光纖與工作面的空間位置關系;另一方面受不同層位關鍵層破斷失穩影響。從試驗過程分析得出，覆巖垮落高度與關鍵層失穩破斷密切相關，若關鍵層1結構完整姿態穩定，隨工作面推進覆巖最多垮落至關鍵層1下方;關鍵層1失穩后進入垮落范圍，覆巖垮落高度直接發育至關鍵層2下方;同理，關鍵層2失穩后垮落高度發育至主關鍵層下方，直至最終主關鍵層失穩裂隙發育至地表，整個上覆巖層均受到采動波及影響。如圖11所示。

圖11 光纖檢測上覆巖層變形時空演化過程Fig.11 Temporal and spatial evolution process of overlying strata deformation detected by optical fiber

分析總結為:導水裂隙帶高度與彎曲下沉帶的本質差異在于前者結構失穩巖體破裂后積聚的彈性能釋放而后者結構完整可形成應力集中;包含垮落帶與斷裂帶在內的導水裂隙帶發育高度受關鍵層控制，而光纖應變曲線分布形態亦與關鍵層密切相關，基于此可建立2者之間內在聯系實現光纖感測表征覆巖分帶特征。由于光纖檢測應變分布具有階段性，不同階段其分布形態差異較大，因此必須基于不同階段建立分帶表征模型。以下僅分析關鍵層失穩后應變雙峰形態形成，即階段3與階段4。

5.2 光纖感測表征覆巖垂直分帶特征

為求得垂直分帶區各自段光纖與巖體之間的耦合函數關系，取每個分帶中具有代表性高度位置應變曲線進行擬合。從地表開始往下，分別取120，100，70，50，20 cm處應變曲線進行非線性擬合分析。巖體應變隨工作面不斷推進呈現動態變化，同理，巖體與光纖之間的耦合系數也是動態變化的。因此，要實現光纖與巖體耦合關系的定量化表征，必須控制橫向或縱向某一維度變量。應變發生顯著變化位置分別為工作面通過光纖及不同層位關鍵層首次破斷失穩處，表明光纖檢測應變曲線發展主要受2方面因素控制:水平方向受光纖與工作面相對位置影響;垂直方向受關鍵層失穩破斷影響。

垂直方向上不同高度應變曲線根據變化趨勢差異可分為5個帶區，正由于5個不同區域光纖與巖體耦合關系差異巨大，引起不同區域光纖檢測應變差異。由上往下，120～129 cm受采動影響微弱，巖體結構完整為光纖上部固定端;90～110 cm為主關鍵層上部巖體，受主關鍵層保護在開采初期變形較小，當主關鍵層失穩后應變急劇增高;60～80 cm為主關鍵層下方亞關鍵層上方所夾受采動強烈巖體，其在亞關鍵層失穩后出現應變激增;40～50 cm為采空區垮落矸石頂部與上方穩定巖體中間形成的離層空域，該位置光纖懸空未接觸任何介質;1～30 cm為破壞區范圍及煤層底板。

綜上所述，可通過光纖巖體耦合系數對采動上覆巖層垂直分帶進行科學劃分。計算整個工作面推進過程耦合系數如圖12所示。從圖12可清楚反映隨采場不斷轉移光纖與圍巖接觸關系演化過程。主要突變位置為工作面過光纖及關鍵層失穩點，從關鍵層1首次失穩引起大周期來壓至關鍵層2首次失穩，模型高度40～50 cm耦合系數降低至0附近，該區域為采空區垮落矸石上方形成的半橢圓形空域，光纖與巖體完全脫離。當更高層位關鍵層失穩垮落之后，半橢圓形空域逐漸向上位轉移，由于巖體破斷后具有碎脹性逐漸充填離層空隙，光纖-巖體耦合系數有所回升。試驗最終導水裂隙帶發育至主關鍵層下方，主關鍵層2側發育輕微貫通裂隙，整個主關鍵層上方直至地表巖體結構完整未發生破裂。從圖12可以看出大致95 cm高度以上光纖-巖體耦合系數云圖呈現橘黃色-紅色，95 cm高度以下耦合系數云圖呈現綠色-藍色-紫色。以云圖中綠色區與橘色區為分界，將耦合系數0.65作為采動覆巖破裂區與未破裂區分界，即導水裂隙帶發育高度上限。

圖13為有分布式光纖監測得到采動巖體變形時空演化過程。從橫向工作面推進方向看，應變分布共形成5級臺階，臺階高度逐步增長。第1級為推進0～45 cm過程，對應工作面靠近光纖;第2級為推進45～66 cm過程，對應工作面通過光纖后至關鍵層1失穩;第3級為推進66～90 cm過程，對應關鍵層1失穩至關鍵層2失穩間過程;第4級為推進90～111 cm過程，對應關鍵層2失穩至關鍵層3失穩間過程;第5級為推進111 cm后，對應關鍵層3失穩至開采結束間過程。3層關鍵層的首次失穩均引起大周期來壓覆巖運移劇烈，檢測應變突變顯著。當關鍵層1失穩后，導水裂隙帶發育高度位于上部應變峰的溝谷處。斷裂帶上部未破裂的完整穩定巖體應力集中形成凸峰區。

根據理論分析中大柳塔煤礦52304工作面采動覆巖裂采比屬于堅硬頂板條件范疇，可保守取導水裂隙帶高度為采高的18～28倍。試驗模擬采厚為8 m，根據理論計算導水裂隙帶發育高度為:128.52～199.92 m。試驗導水裂隙帶高度發育至142.5 m。借助光纖傳感監測可實現對頂板來壓與覆巖導水裂隙帶發育高度的準確預測。相似模型試驗所用2 mm應變感測光纖可適應模型覆巖發生垮落、破斷等大變形強度要求，多次模型試驗均未出現光纖被拉斷或失效等現象。現場監測需對光纖進行加強保護形成直徑在5 mm～2 cm金屬基索光纜，若覆巖變形劇烈而感測光纜被巖體扯斷，則斷點位置即為斷裂帶發育上限，剩余部分光纖依然可以監測其上地層變形運動狀況。

6 結 論

(1)覆巖全周期變形演化過程光纖應變存在4個不同階段特征:階段1工作面靠近光纖受超前支承壓力影響曲線呈單峰狀負應變;階段2工作面通過光纖應變由負轉正;階段3亞關鍵層失穩，應變分布呈雙峰狀;階段4主關鍵層失穩其上方形成新應變峰值區下方全部為已失穩斷裂巖層。

(2)基于光纖感測的5種不同垂直分帶區巖體結構分別為:區域1為原巖應力區;區域2為彎曲下沉帶;區域3和4總和為已破壞區斷裂帶巖體，即導水裂隙帶范圍內巖體;區域5為煤層底板。2，3，4均屬于采動影響范圍，區別在于區域2巖體結構完整未發生破裂，3與4區域巖體已達到強度極限而破斷失穩。

(3)當亞關鍵層失穩而主關鍵層穩定光纖形成雙峰型應變分布曲線時，上部峰值與下部峰值連接處拐點即導水裂隙帶發育高度上限;當主關鍵層失穩光纖檢測應變曲線分布呈單峰狀時，單峰曲線拐點處即為導水裂隙帶發育高度上限。

(4)可通過光纖-巖體耦合系數對采動上覆巖層垂直分帶進行科學劃分。隨采場不斷轉移耦合系數主要突變位置為工作面過光纖及關鍵層失穩點。耦合系數降低至0附近時，光纖與巖體完全脫離。當更高層位關鍵層失穩垮落之后，破斷巖體具有碎脹性逐漸充填離層空隙，光纖-巖體耦合系數所有回升。將耦合系數0.65作為采動覆巖破裂區與未破裂區分界，即導水裂隙帶發育高度上限。