基于FBG-BOTDA聯(lián)合感測的巖層運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究*

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基于FBG-BOTDA聯(lián)合感測的巖層運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究*

柴敬1，2，孫亞運(yùn)1，錢云云1，宋軍1，馬偉超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 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

摘要：為研究采場上覆巖層運(yùn)動(dòng)過程中的應(yīng)力應(yīng)變，將準(zhǔn)分布式布拉格光纖光柵技術(shù)(FBG)和基于脈沖預(yù)泵浦布里淵光時(shí)域分析的分布式光纖傳感技術(shù)(PPP-BOTDA)聯(lián)合應(yīng)用于相似材料模型試驗(yàn)的測試中。在2 m平面應(yīng)力模型內(nèi)埋設(shè)2根分布式傳感光纖和2個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，模型尺寸2 000 mm×180 mm×1 700 mm，幾何相似比1∶250，測試主關(guān)鍵層由彎曲下沉發(fā)育至斷裂的變形運(yùn)動(dòng)過程。試果表明，2煤開采過程中分布式傳感光纖應(yīng)變曲線體現(xiàn)了巖層的連續(xù)變形下沉，曲線中間位置出現(xiàn)應(yīng)力集中；3煤開采過程中分布式傳感光纖應(yīng)變曲線體現(xiàn)了發(fā)生斷裂的巖層運(yùn)動(dòng)，斷裂后的巖層應(yīng)力得到釋放；連續(xù)變形下沉的巖層FBG傳感器應(yīng)變曲線呈寬緩峰狀，應(yīng)變值達(dá)到4 367.48 με；斷裂的巖層曲線呈尖峰狀，最大應(yīng)變值達(dá)到4 892.82 με.實(shí)現(xiàn)了模型試驗(yàn)中主關(guān)鍵層由連續(xù)體轉(zhuǎn)變?yōu)榘脒B續(xù)體過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：模擬試驗(yàn)；溫度補(bǔ)償；FBG-BOTDA聯(lián)合感測；巖層運(yùn)動(dòng)

0引言

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)最早是20世紀(jì)30年代由前蘇聯(lián)庫茲涅佐夫提出的，此方法以相似理論、因次分析為依據(jù)，至今已成為采礦工程、巖土工程問題研究的一種主要方法[1]。隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多先進(jìn)的測試技術(shù)被引進(jìn)到相似材料模擬實(shí)驗(yàn)中。鐘道昌在相似材料模型實(shí)驗(yàn)中利用全站儀和百分表測量測點(diǎn)坐標(biāo)的變化，得到巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2]；柴敬將光纖傳感器埋入2 m相似材料模型實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了巖梁內(nèi)部的微觀變形的監(jiān)測[3]；王懷文將光學(xué)測量技術(shù)數(shù)字散斑方法引入到試驗(yàn)中，得到上覆巖層下沉量的等高線云圖[4]；劉軍在振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)中用邊坡粒子圖像測試技術(shù)測得邊坡變形直至破壞的完整過程[5]。然而，相似材料模型試驗(yàn)中巖層內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變測試一直是阻礙著相似材料模型試驗(yàn)結(jié)果由定性向定量發(fā)展[6-8]。

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代提出的新一代檢測技術(shù)，準(zhǔn)分布式布拉格光纖光柵技術(shù)(FBG)具有高靈敏度、穩(wěn)定性高和可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)[9]，目前廣泛應(yīng)用于隧道[10]、橋梁[11]、試樁[12]和模型實(shí)驗(yàn)[13-14]等領(lǐng)域?；诿}沖預(yù)泵浦布里淵光時(shí)域分析的分布式光纖傳感技術(shù)(PPP-BOTDA)技術(shù)采用獨(dú)創(chuàng)的脈沖預(yù)泵浦技術(shù)，成功地使測量空間分辨率和精度都得到了飛躍般的提高[15]。與FBG相比，分布式光纖傳感技術(shù)不僅具有一般光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，而且能在沿光纖路徑上同時(shí)得到被測量場在時(shí)間和空間上的連續(xù)分布信息，克服了準(zhǔn)分布式光纖傳感器中光纖只“傳”不“感”的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)物的分布式長期監(jiān)測[16-18]。文中提出了基于FBG-BOTDA光纖傳感技術(shù)的聯(lián)合監(jiān)測方法，對(duì)相似材料模型試驗(yàn)中主關(guān)鍵層的整體和關(guān)鍵部分應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測，研究主關(guān)鍵層由連續(xù)體變?yōu)榘脒B續(xù)體過程中的變形特征。

1測試原理

1.1　FBG原理

一束光射入光纖后，若滿足光纖布拉格條件就會(huì)產(chǎn)生有效的光反射，反射光的峰值波長稱為布拉格波長，該反射光的中心波長與光柵所受到的軸向應(yīng)變和溫度呈線性關(guān)系[19]，即

(1)

式中λB為光柵初始中心波長；ΔλB為光纖光柵中心波長的漂移量，pm；Δε，ΔT分別為光柵所受的應(yīng)變、溫度變化量；Kε，KT分別為光纖光柵的應(yīng)變、溫度標(biāo)定系數(shù)，其值約為0.87和6.67×10-6℃.試驗(yàn)中埋設(shè)一個(gè)陶瓷封裝的溫度傳感器作溫度補(bǔ)償。剔除溫度變化ΔT的影響即可以得出光柵應(yīng)變變化Δε大小。

1.2　PPP-BOTDA原理

PPP-BOTDA是BOTDA系統(tǒng)的升級(jí)技術(shù)，是在導(dǎo)入脈沖光(泵浦光)之前，加載適當(dāng)?shù)拿}沖預(yù)泵浦光(Dpre)，預(yù)先激發(fā)聲子，預(yù)泵浦式脈沖光PPP-BOTDA實(shí)現(xiàn)了高分辨率(<10cm)與高測量精度(<±20×10-6)。當(dāng)被測物體應(yīng)變及溫度發(fā)生變化時(shí)，布里淵頻移的變化量可表示為[20]

ΔVB=CvTΔT+CvεΔε.

(2)

式中ΔVB為布里淵頻移量；CvT為布里淵頻移溫度系數(shù)；Cvε為布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)，其值為1.07MHz/℃和0.049 7MHz/με；ΔT為溫度變化量；Δε為應(yīng)變變化量。式中布里淵頻移結(jié)果受到溫度和應(yīng)變的共同作用，固定光纖的一段使之不產(chǎn)生變形，可以對(duì)光纖測試結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

在鋪設(shè)過程中將光纖埋入巖層內(nèi)部，隨巖層一起被壓實(shí)，因此認(rèn)為光纖的應(yīng)變即為巖塊產(chǎn)生的應(yīng)變。

2相似材料模擬試驗(yàn)

2.1　相似材料模型

根據(jù)某煤礦實(shí)際地質(zhì)條件，有2個(gè)煤層，其中2煤層平均厚度2.57m，3煤層平均厚度7.51m，兩層煤平均間距46.85m，煤層埋藏深度425.5m.采用2m平面應(yīng)力模型試驗(yàn)架，制作長為2.0m，寬為0.18m，高為1.7m的平面應(yīng)力相似材料模型。幾何相似比250，容重相似比1.6，應(yīng)力相似比400.相似材料以河砂為骨料，以大白粉和石膏為膠結(jié)物，以云母粉為分層材料。模型模擬高度346.5，79m松散層粘土用鐵砂代替。相似材料模型及上覆巖性如圖1所示，共含有2個(gè)關(guān)鍵層，由上而下分別是主關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層。

2.2　FBG-BOTDA聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)

在模型主關(guān)鍵層位置垂直埋設(shè)2個(gè)光纖Bragg光柵傳感器，均采用聚烯烴(POE)封裝，編號(hào)為FBG01，F(xiàn)BG02，在模型邊界埋設(shè)1個(gè)溫度補(bǔ)償光纖Bragg光柵傳感器，編號(hào)FBG03.在主關(guān)鍵層水平布置分布式傳感光纖L1，采用緊套光纖，直徑900μm，在傳輸光纖段設(shè)定10cm光纖V1作為溫度補(bǔ)償段。傳感光纖形成回路，采用BOTDA儀器NBX-6055監(jiān)測，儀器空間分辨率5cm，采樣間隔1cm，應(yīng)變測量精度為±15με.同時(shí)，在主關(guān)鍵位置水平布置17個(gè)全站儀測點(diǎn)，監(jiān)測主關(guān)鍵層的下沉量。聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)布置圖Fig.1　Layout of joint monitoring system

2.3　試驗(yàn)過程

采用鐵砂加載方式模擬頂部松散層，鐵砂的直徑為1 mm，鐵砂容納袋為聚酯纖維滌綸一體設(shè)計(jì)，為保證載荷均勻性分成10份。模型左右各留設(shè)20 cm煤柱，每次開挖3 cm，先采2煤，采高1 cm，再采3煤，采高3 cm.分別開挖53次，工作面推進(jìn)160 cm.

2煤工作面推進(jìn)到75 cm時(shí)，亞關(guān)鍵層隨著工作面推進(jìn)而垮落，垮落寬度68 cm，工作面第1次周期來壓，如圖2(a)所示，2煤推進(jìn)160 cm過程中，共出現(xiàn)6次周期來壓，主關(guān)鍵層緩慢下沉。3煤工作面推進(jìn)到84 cm時(shí)，主關(guān)鍵層斷裂，工作面后方裂隙向上發(fā)育，如圖2(b)所示，3煤推進(jìn)160 cm過程中，共出現(xiàn)7次周期來壓。2煤開采完成后，主關(guān)鍵層及上覆巖層處于彎曲下沉帶中，呈連續(xù)狀態(tài)。3煤開采過程中，主關(guān)鍵層隨著工作面的推進(jìn)斷裂后形成鉸接結(jié)構(gòu)，最終形成斷裂帶，即為呈半連續(xù)狀態(tài)。

圖2　工作面推進(jìn)Fig.2　Advance of mining face(a)2煤推進(jìn)75 cm　(b)3煤推進(jìn)84 cm

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　溫度補(bǔ)償測試結(jié)果對(duì)比分析

模型兩層煤共開挖5 d，工作面推進(jìn)過程中模型中的溫度是隨著室內(nèi)溫度改變而改變的曲線如圖3所示，圖3(a)中FBG03溫度監(jiān)測曲線顯“階梯”形態(tài)，最大應(yīng)變量達(dá)到38.47 με，最小應(yīng)變量-7.92 με，對(duì)應(yīng)的溫度變化為4°；圖3(b)由于BOTDA空間分辨率的影響，曲線具有“波動(dòng)性”，監(jiān)測點(diǎn)在±15 με范圍內(nèi)波動(dòng)，最大應(yīng)變196.78 με，最小應(yīng)變-61.46 με。光纖V1測試曲線和FBG03測試曲線形態(tài)具有一致性，對(duì)FBG03測試數(shù)據(jù)和溫度補(bǔ)償光纖V1測試數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析得出兩者相關(guān)系數(shù)為0.874 5，屬于強(qiáng)相關(guān)。通過后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，溫度改變引起的應(yīng)變分別是2，3煤開采過程中垂直光柵和水平光纖最大應(yīng)變的1%，1.7%和12.7%，4.4%，因此進(jìn)行光纖測試溫度補(bǔ)償是必要的，以排除溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，進(jìn)一步減小測試誤差。

圖3　溫度補(bǔ)償測試結(jié)果Fig.3　Temperature compensation results(a)FBG03溫度補(bǔ)償光柵測試結(jié)果　(b)溫度補(bǔ)償光纖V1測試結(jié)果

3.2　主關(guān)鍵層變形

圖4　主關(guān)鍵層下沉變形Fig.4　Main key strata subsidence deformation

模型開挖過程中，全站儀測試的主關(guān)鍵層變形曲線如圖4所示。2煤開挖后主關(guān)鍵層左右邊界煤柱20 cm處下沉量達(dá)到-1 mm，主關(guān)鍵層中間位置最大下沉量達(dá)到9 mm，主關(guān)鍵層連續(xù)變形處于彎曲下沉帶中。3煤開挖后主關(guān)鍵層下沉量中間大，左右邊界小，中間位置下沉量達(dá)到30 mm，主關(guān)鍵層左右邊界破斷并處于斷裂帶中。

3.3　BOTDA監(jiān)測結(jié)果分析

2煤工作面推進(jìn)過程中，具有初始預(yù)應(yīng)力的水平光纖L1應(yīng)變變化如圖5(a)所示。水平光纖L1受到上覆巖層壓力作用產(chǎn)生約580 με的軸向拉伸應(yīng)變，使得水平光纖L1具有初始預(yù)應(yīng)力。工作面推進(jìn)到75 cm，主關(guān)鍵層下位亞關(guān)鍵層垮落，工作面第1次周期來壓，曲線分別在22.6，89.2 cm處出現(xiàn)最小峰值199.87，-38.29 με；在工作面推進(jìn)到114 cm，亞關(guān)鍵層周期性垮落，工作面第4次周期來壓，曲線分別在22.6，122 cm處出現(xiàn)最小峰值-15.73，-13.13 με；工作繼續(xù)推進(jìn)到160 cm，主關(guān)鍵層受上覆巖層載荷作用下沉，工作面第6次周期來壓，曲線分別在21，169.2 cm處出現(xiàn)最小峰值121.38，171.77 με.2煤開采過程中主關(guān)鍵層處于“三帶”中的彎曲下沉帶，主關(guān)鍵層下沉曲線如圖4所示，模型左右邊界20 cm處主關(guān)鍵層下沉量為-1 mm，對(duì)應(yīng)巖塊背離采空區(qū)向上移動(dòng)形成類似于“翹板”結(jié)構(gòu)，即靠近工作面巖層向采空區(qū)移動(dòng)，開采邊界巖層背離采空區(qū)向上移動(dòng)。開采邊界的巖層背離采空區(qū)向上移動(dòng)而產(chǎn)生軸向壓力，由于初始預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生580 με大小拉伸應(yīng)變的原因，水平光纖在左右邊界應(yīng)變減小(AB，CD段)。工作面上方巖層隨著工作面推進(jìn)而下沉，水平光纖隨巖層一起下沉導(dǎo)致拉應(yīng)變?cè)龃?BC段)。曲線在D點(diǎn)以后應(yīng)變基本不發(fā)生改變，因此認(rèn)為D點(diǎn)為開采影響邊界。主關(guān)鍵層整體變形小且連續(xù)，水平光纖L1應(yīng)變曲線呈“單凸峰”形態(tài)。3煤工作面推進(jìn)過程中，具有初始預(yù)應(yīng)力的水平光纖L1應(yīng)變變化如圖5b所示，3煤開采過程中，水平光纖應(yīng)變變化曲線呈“雙凸峰”形態(tài)，在巖層的左右斷裂邊界處，斷裂巖層迅速下沉引起光纖所受拉力達(dá)到最大，因此曲線在左右斷裂邊界范圍出現(xiàn)明顯的峰值(B，C點(diǎn))。位于采空區(qū)的巖層垮落穩(wěn)定后應(yīng)力得到釋放最終導(dǎo)致光纖拉應(yīng)變小于左右峰值。3煤工作面推進(jìn)到84 cm，主關(guān)鍵層斷裂，斷裂寬度56.6 cm，曲線分別在27.7和86.2 cm處出現(xiàn)最大峰值1 906.5，1 477.16 με，兩峰之間的距離為58.5 cm.工作面推進(jìn)132 cm，主關(guān)鍵層斷裂，斷裂寬度113 cm，曲線在分別在28.7和146.7 cm處出現(xiàn)最大峰值5 452.99，2 204.17 με，兩峰之間的距離為119 cm.工作面推進(jìn)到160 cm，主關(guān)鍵層斷裂，斷裂寬度140 cm，曲線分別在29.7 cm和170.3 cm處出現(xiàn)最大峰值5 854.1，4 557.98 με，兩峰之間的距離為140.6 cm.光纖測試的峰值B點(diǎn)對(duì)應(yīng)模型的垮落邊界和模型實(shí)際垮落邊界的差值平均為1.35 cm，峰值C點(diǎn)平均為1.65 cm.因此，巖層斷裂邊界以光纖測試邊界加平均誤差表示。

圖5　水平光纖L1應(yīng)變變化Fig.5　Strain of level optical fiber L1(a)2煤推進(jìn)水平光纖L1應(yīng)變變化(b)3煤推進(jìn)水平光纖L1應(yīng)變變化

主關(guān)鍵層連續(xù)變形時(shí)光纖應(yīng)變曲線呈單凸峰，體現(xiàn)了連續(xù)變形的巖層中間位置應(yīng)力集中，左右邊界巖層與采空區(qū)上位巖層移動(dòng)方向相反的特征；主關(guān)鍵層發(fā)生斷裂時(shí)光纖應(yīng)變曲線呈雙凸峰，說明了發(fā)生斷裂的巖層在左右斷裂邊界處應(yīng)力集中，斷裂穩(wěn)定后模型中部的巖層應(yīng)力得到釋放的現(xiàn)象。

3.4　FBG傳感器監(jiān)測結(jié)果分析

FBG01傳感器的應(yīng)變量隨工作面推進(jìn)的變化曲線如圖6(a)所示，F(xiàn)BG01傳感器位于工作面40 cm處。2煤工作面推進(jìn)3～39 cm，傳感器應(yīng)變量在0左右波動(dòng)(AB段)，說明傳感器所監(jiān)測巖塊出現(xiàn)拉壓應(yīng)力交互狀態(tài)；工作面推進(jìn)78 cm，傳感器應(yīng)變量達(dá)到峰值2 691.69 με(C點(diǎn))，對(duì)應(yīng)主關(guān)鍵層處受上覆巖層載荷作用彎曲下沉量達(dá)到最大；工作面推進(jìn)84 cm，主關(guān)鍵層下位巖層垮落，工作面第2次周期來壓，傳感器應(yīng)變量由2 610.99減小到1 338.87 με(D點(diǎn))；工作面推進(jìn)96～160 cm，F(xiàn)BG01傳感器對(duì)應(yīng)主關(guān)鍵層下位巖層基本穩(wěn)定，傳感器應(yīng)變量最終穩(wěn)定在560 με.3煤工作面推進(jìn)3～42 cm，傳感器應(yīng)變量由448.66 με緩慢增加到488.8 με(A′B′段)，逐漸受到采動(dòng)影響；工作面推進(jìn)78 cm，對(duì)應(yīng)主關(guān)鍵層與下位巖層離層距離達(dá)到最大值2.3 cm，傳感器應(yīng)變量達(dá)到峰值4 892.82 με(C′點(diǎn))；工作面推進(jìn)到84 cm，對(duì)應(yīng)主關(guān)鍵層巖塊斷裂，傳感器應(yīng)變量由4 313.29 με減小到1 238.43 με(D′點(diǎn))；工作面推進(jìn)到160 cm，主關(guān)鍵層受上覆巖層載荷作用與下位巖層接觸導(dǎo)致離層閉合，傳感器對(duì)應(yīng)巖層所受壓力增加，傳感器應(yīng)變量減小到-259.54 με(E′點(diǎn))。2煤推進(jìn)過程中主關(guān)鍵位于彎曲下沉帶中，F(xiàn)BG01傳感器應(yīng)變量曲線連續(xù)且平緩；3煤推進(jìn)過程中FBG01傳感器對(duì)應(yīng)巖塊發(fā)生斷裂，傳感器應(yīng)變量曲線呈尖峰狀。

圖6　垂直埋設(shè)FBG01,FBG02應(yīng)變量變化Fig.6　Strain changes of verticalburied FBG01and FBG02(a)FBG01　(b)FBG02

FBG02傳感器的應(yīng)變量隨工作面推進(jìn)的變化曲線如圖6(b)所示，F(xiàn)BG02傳感器位于工作面80 cm處。2煤工作面推進(jìn)3～72 cm過程中，基本不受采動(dòng)影響(AB段)；工作面繼續(xù)推進(jìn)到105 cm時(shí)，主關(guān)鍵層隨著亞關(guān)鍵層的垮落而下沉，應(yīng)變量達(dá)到峰值3 473.53 με(C點(diǎn))；工作面推進(jìn)到160 cm，垮落巖層受上覆巖層載荷作用充分壓實(shí)，傳感器應(yīng)變量最終減少到-527.29 με(DE段)。3煤工作面推進(jìn)3～66 cm過程中，受2煤開采的影響，傳感器應(yīng)變量在-517 με左右(A′B′段)，對(duì)應(yīng)巖層逐漸受到采動(dòng)影響，傳感器對(duì)應(yīng)巖塊呈水平狀態(tài)；工作面推進(jìn)到69 cm時(shí)，亞關(guān)鍵層垮落，上覆巖層對(duì)主關(guān)鍵的載荷增加，傳感器對(duì)應(yīng)巖層所受壓力增大，傳感器應(yīng)變量減小到-748.66 με(B′點(diǎn))；工作面推進(jìn)到108 cm，應(yīng)變量達(dá)到峰值4 367.48 με(C′點(diǎn))，是2煤推進(jìn)時(shí)FBG02傳感器應(yīng)變量的1.41倍，傳感器對(duì)應(yīng)巖塊呈傾斜狀態(tài)；工作面推進(jìn)到132～160 cm，巖層運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，主關(guān)鍵層受到覆巖載荷作用進(jìn)一步壓實(shí)，應(yīng)變量穩(wěn)定在-115 με左右(D′F′段)，對(duì)應(yīng)巖塊回轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)。3煤推進(jìn)過程中FBG02傳感器對(duì)應(yīng)巖塊雖然出現(xiàn)裂縫但整體為連續(xù)，傳感器應(yīng)變量曲線連續(xù)平緩呈寬峰狀。

4結(jié)論

1)FBG光柵和BOTDA光纖測試中溫度改變引起的應(yīng)變分別占到1.0%～1.7%，4.4%～12.7%，BOTDA更大。需要采用溫度補(bǔ)償方法對(duì)FBG光柵、和BOTDA光纖測試進(jìn)行補(bǔ)償；

2)BOTDA測試，連續(xù)變形的巖層其中間位置應(yīng)力集中，發(fā)生斷裂的巖層在斷裂處應(yīng)力集中，符合梁彎曲變形和受力規(guī)律；

3)FBG測試，連續(xù)變形的層狀巖塊出現(xiàn)裂隙式的破壞，曲線呈連續(xù)平緩的寬峰狀，最大應(yīng)變值達(dá)到4 367.48 με；出現(xiàn)斷裂式的破壞，曲線呈尖峰狀，最大應(yīng)變值達(dá)到4 892.82 με；

4)PPP-BOTDA分布式光纖感測技術(shù)能很好的監(jiān)測巖層整體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)，F(xiàn)BG傳感器可以監(jiān)測巖層關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，兩者形成互補(bǔ)，可為模型試驗(yàn)中多尺度、連續(xù)和半連續(xù)巖層運(yùn)動(dòng)監(jiān)測提供借鑒。

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Strata movement testing based on FBG-BOTDA combined sensing technology in similar model

CHAI Jing1，2，SUN Ya-yun1，QIAN Yun-yun1，SONG Jun1，MA Wei-chao1，LI Yi1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

Abstract：For the study of stress and strain in the process of mining overburden movement，the quasi-distributed fiber Bragg grating(FBG)and the brillouin scattering optical time-domain analysis based on pre-pumping technique(PPP-BOTDA)are applied to similar material model test together.Two sensing fibers and two fiber Bragg grating strain sensors were embedded in the 2 m plane stress physical model，the model size 2 000 mm×180 mm×1 700 mm and geometric similarity ratio 1∶250，for analyzing the stress and strain of the main key strata from the process of flexural settlement development to fracture.The results of the study show that 2#coal mining of horizontal strain optical fiber’s curve reflects the continuous deformation of the strata in the middle position of the stress concentration.In the process of 3#coal seam mining，horizontal strain optical fiber’s curve shows that a stress release phenomenon occurred while the model was stable.FBG sensor strain curves shows a broad peak while the continuous deformation of the layered rock fissure appears，and the maximum strain value is 4 367.48 με.The fracture type of the layered rock is failure，and the curve is a spike like，the maximum strain value to 4 892.82 με.This experiment realizes the real-time monitoring of key strata，which the whole and the part of the process of continuous changing to a semi continuous.

Key words：simulation test；temperature compensation；FBG-BOTDA combined sensing；strata movement

中圖分類號(hào)：TD 325；TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41027002)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20126121110003)

收稿日期：*2015-10-22責(zé)任編輯：李克永

文章編號(hào)：1672-9315(2016)01-0001-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0101