采場(chǎng)覆巖離層演化的光纖光柵檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

采場(chǎng)覆巖離層演化的光纖光柵檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

柴敬1,2，王帥1，袁強(qiáng)1，姜德君1，李毅1,2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

摘要：為定量化研究采場(chǎng)上覆巖層離層規(guī)律，采用相似材料物理模型試驗(yàn)的方法模擬煤礦回采過(guò)程，用光纖光柵傳感技術(shù)構(gòu)建相似材料物理模型實(shí)驗(yàn)的覆巖移動(dòng)的監(jiān)測(cè)方法和系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)制作了一個(gè)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(shí)在模型內(nèi)埋設(shè)9個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和1個(gè)光纖光柵溫度傳感器，用以研究模型開(kāi)挖過(guò)程中覆巖運(yùn)移狀態(tài)與光纖光柵傳感器測(cè)試結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖光柵傳感器應(yīng)變量與巖層運(yùn)移狀態(tài)密切相關(guān)。傳感器所在巖層層位發(fā)生離層時(shí)，傳感器受拉應(yīng)力作用使其應(yīng)變量發(fā)生躍升，而后由于離層不再擴(kuò)展而保持平穩(wěn)，直至離層破斷垮落。通過(guò)光纖光柵檢測(cè)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(guān)鍵詞：采場(chǎng)；離層；相似材料物理模型實(shí)驗(yàn)；光纖光柵檢測(cè)方法

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0202

文章編號(hào)：1672-9315(2015)02-0144-08

收稿日期：*2014-01-10責(zé)任編輯：劉潔

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41027002，51174280)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 325文獻(xiàn)標(biāo)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(kāi)采后將引起巖層移動(dòng)與破斷，其中離層是巖層運(yùn)動(dòng)的形式之一[1]。隨著對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)中離層產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律的研究，使人們認(rèn)識(shí)到從地面向巖層內(nèi)部注漿在適宜的條件下同樣能達(dá)到井下注漿的效果[2-5]。在煤礦瓦斯監(jiān)控及綜合利用研究中，掌握采空區(qū)中覆巖離層聚集瓦斯的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯的抽放[6-8]。因此，采場(chǎng)上覆巖層的移動(dòng)過(guò)程中的離層規(guī)律研究與三下采煤、注漿減沉及卸壓瓦斯抽采等工程問(wèn)題密切相關(guān)，需要監(jiān)測(cè)上覆巖層的離層的發(fā)展和狀態(tài)，掌握采空區(qū)上覆巖層的離層演化規(guī)律。

蘇仲杰從控制覆巖及地表下沉角度，通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)產(chǎn)生離層巖層的水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力進(jìn)行了觀測(cè)，首次提出了斷裂離層與彎曲離層的概念[9]，使得人們對(duì)于采場(chǎng)覆巖離層分類(lèi)有了更加明確的認(rèn)識(shí)。 但物理模型實(shí)驗(yàn)發(fā)展至今，由于監(jiān)測(cè)手段與儀器的發(fā)展仍舊相對(duì)滯后，模型內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變無(wú)法被精確地測(cè)試，成為制約模型實(shí)驗(yàn)發(fā)展的一個(gè)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(nèi)部，并通過(guò)一定材料的填充使二者緊密接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體內(nèi)部應(yīng)變變化過(guò)程的檢測(cè)[10]。與傳統(tǒng)的電類(lèi)傳感器相比，光纖具有集傳感與傳輸于一體、構(gòu)造簡(jiǎn)單，可制成靈敏的、多用途的傳感器使用方便等優(yōu)點(diǎn)[11-12]。

柴敬等人通過(guò)埋入光纖光柵傳感器的方法分別對(duì)覆巖微小變形[13]與覆巖垮落變形[14]進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與表征，得出傳感器應(yīng)變量與覆巖運(yùn)移狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但對(duì)于覆巖垮落之前的離層動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律還未進(jìn)行深入研究?；诖?，文中針對(duì)采場(chǎng)上覆巖層離層律進(jìn)行相似材料模型實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建多點(diǎn)準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用光纖光柵傳感器研究模型內(nèi)部巖層破斷前的離層演化規(guī)律。

1覆巖離層產(chǎn)生的機(jī)理與描述方法

1.1覆巖離層產(chǎn)生機(jī)理

隨工作面回采，采場(chǎng)上覆巖層發(fā)生變形、離層和垮落的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，這種運(yùn)動(dòng)變化由下向上逐步發(fā)展，至地表而形成地表沉陷。上覆巖層由于巖性、距離采空區(qū)位置以及厚度等的不同，而導(dǎo)致巖層的運(yùn)動(dòng)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(chǎn)生的分離現(xiàn)象，稱(chēng)之為離層[15]。采場(chǎng)上覆巖層的移動(dòng)過(guò)程中的離層在空間和時(shí)間上呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。在巖層變形過(guò)程中，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)巖層抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)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(fā)生下沉彎曲和離層直至破壞，如此不斷的由下向上逐步發(fā)展。

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

隨工作面推進(jìn)，采場(chǎng)上覆巖層的下位巖層垮落為上位巖層運(yùn)動(dòng)提供了空間，上位巖層在水平應(yīng)力和自身重力的作用下發(fā)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(chǎn)生彎曲離層，形成離層帶，如圖2(a)。當(dāng)巖層彎曲變形到一定程度，達(dá)到該層位巖層的極限抗拉強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生垮落，垮落后的巖層間的離層被重新壓實(shí)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(fā)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(fā)育程度，可以采用離層率F指標(biāo)，它反映單位厚度巖層內(nèi)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(chēng)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(shè)全站儀測(cè)線的方法，可以有效的監(jiān)測(cè)不同巖層隨工作面推進(jìn)的下沉量。

圖2　覆巖離層的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程 Fig.2　Process of separation dynamic evolution of overlying strata above the stope

2相似材料物理模型實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)相似模型

本次實(shí)驗(yàn)以陜北某礦大采高綜采工作面為原型，巖層結(jié)構(gòu)及厚度見(jiàn)表1.實(shí)驗(yàn)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(jù)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(jù)所模擬地層上覆巖層結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)性能參數(shù)確定相似材料配比，相似材料按照配比加水?dāng)嚢杈鶆蚝箐佈b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(shè)9個(gè)光纖Bragg光柵傳感器，編號(hào)FBG01～FBG09，其中FBG01～FBG03為不銹鋼封裝的傳感器，F(xiàn)BG04～FBG09為POE封裝的傳感器，所有傳感器均豎直埋設(shè)。考慮到巖層的碎脹系數(shù)，避免傳感器過(guò)早失效，模型最下部的光纖光柵傳感器不應(yīng)太靠近煤層。因此最下面一層傳感器FBG01，F(xiàn)BG04和FBG07埋設(shè)在距離煤層底板250 mm的位置；FBG02，F(xiàn)BG05和FBG08埋設(shè)在距離煤層頂板500 mm的位置；FBG03，F(xiàn)BG06和FBG09埋設(shè)在距離煤層底板700 mm的位置。每個(gè)光纖光柵傳感器埋設(shè)的相應(yīng)位置架設(shè)一個(gè)百分表。FBGT為光纖光柵溫度傳感器，埋設(shè)在模型開(kāi)采邊界以外不受力影響的區(qū)域，用來(lái)對(duì)溫度引起的傳感器應(yīng)變變化量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償。模型不同巖層層位分別布置A～ E等5條全站儀測(cè)線用以監(jiān)測(cè)采場(chǎng)覆巖的運(yùn)移狀態(tài)，每條測(cè)線布置25個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距100 mm，由左至右依次編號(hào)1～25(圖3(a))。

表1　30101工作面巖層結(jié)構(gòu)

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程及主要現(xiàn)象

模型左右兩側(cè)各留30 cm保護(hù)煤柱，開(kāi)切眼4 cm，工作面自左向右推進(jìn)，每次推進(jìn)2 cm即記錄1次光纖光柵中心波長(zhǎng)和百分表數(shù)據(jù)。模型回采結(jié)束后，模型覆巖垮落形態(tài)如圖3(b)所示，工作面共推進(jìn)119次，推進(jìn)距離240 cm.工作面回采過(guò)程除初次來(lái)壓外，共出現(xiàn)16次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距集中在8～14 cm，平均11.13 cm.工作面推進(jìn)完成后，采場(chǎng)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(guān)鍵層進(jìn)入垮落帶，垮落帶高度約為250 mm；裂隙帶包括其余的亞關(guān)鍵層、載荷層和主關(guān)鍵層，裂隙帶高度約為550 mm；彎曲下沉帶為主關(guān)鍵層上覆直至地表的載荷層，高度約為350 mm.

圖3　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Fig.3　Experimental model (a)模型尺寸及測(cè)試方法　(b)覆巖垮落形態(tài)

在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以觀測(cè)到的16次周期來(lái)壓中，出現(xiàn)了大、小周期來(lái)壓交替的現(xiàn)象，其中第5，7，9，11，13，15次為大周期來(lái)壓，其余為小周期來(lái)壓。工作面來(lái)壓情況見(jiàn)表2.

表2　工作面來(lái)壓情況一覽表

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1采場(chǎng)覆巖運(yùn)移規(guī)律

隨工作面推進(jìn)，布設(shè)于各巖層層位的全站儀測(cè)線下沉變化曲線如圖4所示。橫坐標(biāo)為工作面推進(jìn)距離，縱坐標(biāo)為下沉量。工作面推進(jìn)60 cm時(shí)，工作面初次來(lái)壓，全站儀A測(cè)線所在巖層垮落，最大下沉量29.0 mm，全站儀B測(cè)線所在巖層出現(xiàn)明顯的彎曲下沉，最大下沉量3.2 mm；工作面繼續(xù)推進(jìn)至68 cm時(shí)，工作面第一次周期來(lái)壓，全站儀A測(cè)線所在層位垮落范圍增大，已垮落的巖層被重新壓實(shí)，最大下沉量30.6 mm，全站儀B測(cè)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(xù)推進(jìn)，采場(chǎng)覆巖垮落范圍不斷向上向前發(fā)展，依次到達(dá)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(cè)點(diǎn)　(b)D1-D25測(cè)點(diǎn)　(c)E1-E25測(cè)點(diǎn)

3.2光纖光柵傳感器應(yīng)變量與覆巖運(yùn)移狀態(tài)分析

由于光纖光柵傳感器豎直埋設(shè)在巖層中，因此其所在層位巖層的離層將導(dǎo)致傳感器受到拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變量的變化。但光纖光柵傳感器應(yīng)變量的變化并非全部是由于其所在層位巖層的離層導(dǎo)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(shè)層位巖層離層對(duì)傳感器應(yīng)變量的影響。

FBG01光纖光柵傳感器埋設(shè)于距離工作面開(kāi)切眼50 cm位置，橫坐標(biāo)為工作面推進(jìn)距離，其應(yīng)變量(文中所有傳感器的應(yīng)變量均已進(jìn)行溫度補(bǔ)償)隨工作面推進(jìn)距離變化曲線如圖5所示。工作面推進(jìn)0～58 cm，應(yīng)變量由0緩慢增加到419.88 με(AB段)，巖塊逐漸受到采動(dòng)影響；工作面推進(jìn)至60 cm，亞關(guān)鍵層初次破斷形成了工作面初次來(lái)壓，此時(shí)，傳感器下位巖層并未垮落，因而使得傳感器所在巖層沒(méi)有離層空間，因此傳感器應(yīng)變量沒(méi)有大幅變化，直到工作面推進(jìn)68 cm，F(xiàn)BG01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(jié)構(gòu)，傳感器應(yīng)變量由429.49 με驟然增大至峰值5 016.64 με(BC段)；工作面繼續(xù)推進(jìn)70～82 cm范圍時(shí)，層狀砌體梁結(jié)構(gòu)間的離層逐漸閉合，傳感器拉應(yīng)力得到緩解，但是由于砌體梁結(jié)構(gòu)的存在，應(yīng)變量仍然維持一個(gè)較高的水平，直至工作面繼續(xù)推進(jìn)至84 cm時(shí)，F(xiàn)BG01處的砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)垮落，向工作面反向回轉(zhuǎn)并被上覆巖層重新壓實(shí)，傳感器應(yīng)變量也由急劇下降轉(zhuǎn)為負(fù)值-448.11 με(CD段)。此后，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，F(xiàn)BG01的應(yīng)變量基本保持穩(wěn)定(DE段)。傳感器FBG01的應(yīng)變變化反映了其所在巖層的破斷回轉(zhuǎn)過(guò)程。

圖5　FBG01應(yīng)變量與覆巖運(yùn)移對(duì)照 Fig.5　Contrast of overlying strata movement and strain variation of FBG01

FBG02光纖光柵傳感器埋設(shè)于距工作面開(kāi)切眼50 cm的位置，其應(yīng)變量隨工作面變化曲線如圖6所示。工作面推進(jìn)0～66 cm，傳感器應(yīng)變量由0緩慢增大至277.47 με(AB段)，工作面推進(jìn)至68 cm，此時(shí)，工作面回采超過(guò)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(yīng)變量躍升至636.85 με，說(shuō)明此時(shí)傳感器所在巖層出現(xiàn)離層；工作面繼續(xù)推進(jìn)70～82 cm，傳感器應(yīng)變量緩慢增加至954.68 με，說(shuō)明離層緩慢增大，直至工作面推進(jìn)至84 cm，傳感器所在巖層發(fā)生破斷并與未垮落巖層鉸接形成砌體梁結(jié)構(gòu)，傳感器應(yīng)變量由954.68 με驟然增大至3 725.24 με；工作面繼續(xù)推進(jìn)86～100 cm，由于砌體梁結(jié)構(gòu)的存在，傳感器應(yīng)變量持續(xù)增加至峰值4 064.44 με，直至工作面推進(jìn)至102 cm，砌體梁結(jié)構(gòu)反向回轉(zhuǎn)失穩(wěn)垮落，并被上覆垮落的巖層重新壓實(shí)，傳感器應(yīng)變量驟然減小至-1 634.86 με；此后，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)變量基本保持穩(wěn)定(EF段)。傳感器FBG02的應(yīng)變變化反映其所在巖層離層產(chǎn)生與破斷回轉(zhuǎn)的過(guò)程。

圖6　FBG02應(yīng)變量覆巖運(yùn)移對(duì)照 Fig.6　Contrast of overlying strata movement and strain variation of FBG02

FBG03光纖光柵傳感器埋設(shè)于距離工作面開(kāi)切眼50 cm位置，其應(yīng)變量隨工作面推進(jìn)距離變化曲線如圖7所示。工作面推進(jìn)0～82 cm，傳感器應(yīng)變量由0緩慢增大至121.88 με(AB段)，直至推進(jìn)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(yīng)變量由121.88 με突然躍升至387.99 με，說(shuō)明傳感器所在巖層出現(xiàn)離層；工作面推進(jìn)86～100 cm，應(yīng)變量緩慢增加，說(shuō)明離層緩慢增大；直至工作面推進(jìn)至102 cm時(shí)，下位巖層垮落范圍繼續(xù)向上發(fā)育，傳感器所在巖層形成肉眼可見(jiàn)的離層，傳感器應(yīng)變量由504.21 με突然躍升至1 790.35 με；工作面推進(jìn)104～114 cm，傳感器應(yīng)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(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。直至工作面推進(jìn)至116 cm，傳感器應(yīng)變量由1 750.44 με驟然增大至4 488.12 με，F(xiàn)BG03處巖層的離層也發(fā)生明顯的增大；工作面繼續(xù)推進(jìn)118～124 cm，傳感器應(yīng)變量量緩慢增大，直至工作面推進(jìn)至126 cm， FBG03所在巖層發(fā)生破斷，并且傳感器所在巖層垮落后沒(méi)有形成結(jié)構(gòu)，而直接被上覆垮落的巖層重新壓實(shí)，因此巖層間的離層直接閉合，此時(shí)傳感器應(yīng)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(xù)推進(jìn)，應(yīng)變量基本穩(wěn)定(DE段)，傳感器FBG03的應(yīng)變變化反映了其所在層位離層產(chǎn)生、發(fā)展以及最終破斷閉合的過(guò)程。

圖7　FBG03應(yīng)變量與覆巖運(yùn)移對(duì)照 Fig.7　Contrast of overlying strata movement and strain variation of FBG03

通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，埋設(shè)各層位巖層中的傳感器應(yīng)變量與覆巖運(yùn)移狀態(tài)密切相關(guān)，層位較低的傳感器FBG01應(yīng)變量呈高原狀，層位較高的傳感器FBG02和FBG03應(yīng)變量呈階梯狀。經(jīng)分析認(rèn)為，傳感器所在巖層垮落后若形成砌體梁結(jié)構(gòu)，則將導(dǎo)致傳感器應(yīng)變量最后一次躍升，并由于砌體梁結(jié)構(gòu)的存在，使得傳感器應(yīng)變量保持穩(wěn)定，直至砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)發(fā)生反向回轉(zhuǎn)后并被重新壓實(shí)，傳感器應(yīng)變量才突然下降，并在此后保持穩(wěn)定(如FBG01，F(xiàn)BG02)；若傳感器所在巖層垮落后未形成結(jié)構(gòu)，而是被直接壓實(shí)，則傳感器將不會(huì)形成最后一次躍升，而是會(huì)直接下降，并在此后保持穩(wěn)定(如FBG03)。

光纖光柵傳感器FBG04，F(xiàn)BG05和FBG06應(yīng)變量隨工作面推進(jìn)距離變化曲線如圖8所示。

圖8　FBG04，F(xiàn)BG05和FBG06應(yīng)變量 隨工作面推進(jìn)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(jìn)，埋設(shè)層位較低的FBG4的應(yīng)變量緩慢增加，當(dāng)工作面推進(jìn)至138 cm時(shí)，F(xiàn)BG04所在巖層垮落形成了層狀砌體梁結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)傳感器應(yīng)變量也由552.18 με驟然增大至峰值5 016.64 με.工作面繼續(xù)推進(jìn)，由于層狀砌體梁結(jié)構(gòu)的存在，使得傳感器應(yīng)變量維持在一個(gè)較高水平。直至工作面推進(jìn)至156 cm時(shí)，砌體梁結(jié)構(gòu)反向回轉(zhuǎn)失穩(wěn)垮落，由于層狀砌體梁結(jié)構(gòu)被重新壓實(shí)，因此傳感器應(yīng)變量由3 123.13 με突然下降至-689.52με.FBG04與埋設(shè)在同一層位的FBG01應(yīng)變量變化規(guī)律完全一致。說(shuō)明埋設(shè)在同一層位的光纖光柵傳感器應(yīng)變量的變化規(guī)律具有相似性。

FBG05， FBG06與埋設(shè)在同一層位的FBG02,FBG03的應(yīng)變量變化曲線基本一致，即在應(yīng)變量的增長(zhǎng)階段(BC段)呈現(xiàn)階梯狀。階梯的躍升段表明離層的產(chǎn)生或發(fā)展，階梯的平臺(tái)段表明離層的穩(wěn)定或停止發(fā)展。上覆巖層產(chǎn)生的離層量不會(huì)無(wú)限增大，當(dāng)上覆巖層達(dá)到極限懸露距時(shí)，離層的巖層就會(huì)發(fā)生垮落，最終被重新壓實(shí)。

采場(chǎng)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(chǎn)生離層，埋設(shè)在巖層內(nèi)部的光纖光柵傳感器可以準(zhǔn)確感知離層的產(chǎn)生及動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程。通過(guò)傳感器應(yīng)變量可以定量化描述離層的大小。

3.3光纖光柵傳感器應(yīng)變量與離層率

當(dāng)兩相鄰全站儀測(cè)線所在層位的巖層為發(fā)生垮落時(shí)，同一豎直位置上的兩相鄰測(cè)點(diǎn)的下沉量之差，即為兩測(cè)線間巖層的總離層量大?。划?dāng)全站儀測(cè)線垮落后，兩測(cè)點(diǎn)下沉量之差還包括斷裂離層，此時(shí)，要對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，減去斷裂離層的高度，再根據(jù)公式(2)即可求得兩測(cè)線間不同位置的離層率。

表3　傳感器應(yīng)變量與離層率計(jì)算表

從表3可知，光纖光柵傳感器應(yīng)變量在達(dá)到峰值位置前的增長(zhǎng)趨勢(shì)和所在層位離層率的增長(zhǎng)趨勢(shì)有良好的對(duì)應(yīng)性，說(shuō)明光纖傳感器可以反應(yīng)其所在層位的動(dòng)態(tài)發(fā)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(jié)論

1)光纖光柵傳感器應(yīng)變量在到達(dá)峰值位置前(傳感器應(yīng)變量曲線的BC段)，能夠準(zhǔn)確反映其所在位置巖層離層發(fā)生發(fā)展情況。光纖光柵傳感器應(yīng)變量的變化規(guī)律與上覆巖層離層發(fā)展規(guī)律相同，通過(guò)光纖光柵傳感器可以定量化描述采場(chǎng)上覆巖層離層動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律；

2)埋設(shè)層位較低的光纖光柵傳感器FBG01，F(xiàn)BG04應(yīng)變量變化曲線呈高原狀，說(shuō)明該層位巖層并未出現(xiàn)離層，而是隨同下部巖層的破斷同步破斷；埋設(shè)層位較高的光纖光柵傳感器FBG02，F(xiàn)BG03，F(xiàn)BG05，F(xiàn)BG06應(yīng)變量變化曲線呈階梯狀，表明傳感器所在層位出現(xiàn)離層；傳感器應(yīng)變量的平臺(tái)階段表明所在層位的巖層不產(chǎn)生離層，躍升階段表明所在層位巖層離層的產(chǎn)生或發(fā)展。

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