采動覆巖全場變形演化過程分布式光纖監(jiān)測研究

朱 磊，古文哲，柴 敬，馬 哲，秋豐岐

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭開采會產(chǎn)生大量矸石，不僅占用大量土地，而且還易自然發(fā)火，將矸石異地處理又會額外增加生產(chǎn)成本[1-3]。相關(guān)研究表明，將矸石通過地面鉆孔充填至垮落帶和裂隙帶，可避免矸石山自然發(fā)火，節(jié)約成本并減緩地表沉降。為合理確定矸石充填量、充填時間和充填位置等關(guān)鍵參數(shù)，需研究覆巖全場變形移動時空演化規(guī)律，獲取“導(dǎo)水裂隙帶”發(fā)育高度，掌握巖層破斷角發(fā)育演化特征。

由于相似模型試驗具有監(jiān)測可視化、費(fèi)用低、簡單直觀等優(yōu)點(diǎn)，眾多學(xué)者[4-7]通過此方法開展了垮落帶和裂隙帶發(fā)育規(guī)律的研究。王新豐[4]等通過土壓力盒、布置位移測點(diǎn)等方式得到厚煤層覆巖變形呈現(xiàn)非線性和不連續(xù)性的結(jié)論；張軍[5]等通過位移計和拍照的方式，分析了采空區(qū)頂板斷裂、離層、下沉、裂隙分布及延伸特性；賈明魁[6]通過布設(shè)應(yīng)變片、位移測點(diǎn)等方式，研究了深埋薄基巖厚覆蓋層條件下采場上覆巖層破壞、運(yùn)移演化規(guī)律，確定了垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的高度；苗磊剛[7]等通過應(yīng)變片和全站儀，得出大采高工作面垮落帶發(fā)育高度約為采高的4.2倍，裂隙帶發(fā)育高度約為采高的16倍。

目前，相似模型試驗采用的如土壓力盒、百分表、應(yīng)變片、光纖光柵等測試技術(shù)，均為依靠單測點(diǎn)來反推模型全部情況，容易遺漏局部變形較大區(qū)域，不能準(zhǔn)確和詳實(shí)地反映測試結(jié)果。

分布式光纖傳感器具備長距離、實(shí)時分布式監(jiān)控等特點(diǎn)，眾多專家學(xué)者已將其應(yīng)用于邊坡、隧道、巷道、基坑等工程物體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和變形監(jiān) 控[8-15]。王寶軍[16]、李科[17]等將分布式光纖傳感技術(shù)(BOTDR)應(yīng)用到了寧淮高速公路邊坡監(jiān)測和黏性土體的壓縮變形監(jiān)測工作中；錢振東[18]等將分布式光纖鋪設(shè)在預(yù)設(shè)的瀝青混凝土裂縫中，測試了分布式光纖在裂縫監(jiān)測中的性能。在模型測試方面，柴敬[19-21]等將分布式光纖傳感技術(shù)(BOTDA)應(yīng)用于相似材料模擬試驗中，用于監(jiān)測巖層變形破壞過程和溫、濕度變化；張丁丁[22]等將分布式光纖用于監(jiān)測采動斷層活化特征研究；黃森林[23]等開展了分布式光纖在相似模型試驗中的鋪裝與定位研究。綜上，將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于相似模型試驗中，可以有效地監(jiān)測覆巖全場變形動態(tài)演化過程及規(guī)律。

本文以龍王溝煤礦61601綜放工作面為背景，開展了相似模型試驗。將分布式光纖預(yù)埋在物理模型中，研究了覆巖全場變形動態(tài)過程及規(guī)律。試驗結(jié)果對分布式光纖傳感技術(shù)在物理相似模型中的應(yīng)用和采場覆巖變形移動規(guī)律的研究提供了參考。

1 分布式光纖傳感技術(shù)

布里淵光時域分析技術(shù)(BOTDA)需要在光纖一端注入脈沖光，另一端注入連續(xù)光。當(dāng)溫度或應(yīng)變引起的布里淵頻率變化量與2束光之間頻率的差值相等時，連續(xù)光的一部分能量會轉(zhuǎn)移至脈沖光。通過儀器采集連續(xù)光的頻率變化值，就能夠得到溫度或應(yīng)變的變化。BOTDA測量原理如圖1所示。

圖1 BOTDA測量原理Fig.1 Measurement principle of BOTDA

布里淵頻率變化值與應(yīng)變和溫度的關(guān)系式為

式中，υB(ε，T)為有應(yīng)變或溫度變化時光纖布里淵頻移的漂移量；υB(0)為初始光纖布里淵頻移的漂移量；ε為傳感光纖的軸向應(yīng)變量；T-T0為外界溫度的改變量；dυB(ε)/dε為應(yīng)變靈敏度系數(shù)；dυB(T)/dT為溫度靈敏度系數(shù)。

2 BOTDA室內(nèi)監(jiān)測模型試驗

2.1 試驗概況

龍王溝煤礦地處我國內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯 市，主采6號煤層，平均埋深412 m，平均厚度22.3 m，傾角在5°左右，為近水平煤層?，F(xiàn)場采用放頂煤開采，全部垮落法處理采空區(qū)。本次試驗以河沙、石膏和大白粉作為原料，通過不同配比模擬不同的巖層。模型尺寸為3.00 m×0.20 m×1.35 m(長×寬×高)，模擬煤層底板厚度0.04 m，煤層厚度0.07 m，上覆巖層厚度1.24 m。模型左右各留設(shè)0.25 m煤柱，開切眼寬度為0.1 m，模擬工作面推進(jìn)長度為2.4 m，每次開挖0.04 m。模型的幾何相似比為1∶300，容重相似比為1∶1.56。61601工作面地表有丘陵起伏現(xiàn)象，模型中以平面處理。其覆巖結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 覆巖結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of overburden

2.2 分布式光纖測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀、計算機(jī)以及分布式傳感光纖組成。NBX-6055光納儀與計算機(jī)均由日本Neubrex公司生產(chǎn)，用于信號的采集與解調(diào)。傳感光纖采用2 mm直徑單模光纖，用于信號的感測與傳輸。在模型材料鋪裝過程中沿工作面走向預(yù)埋設(shè)7根垂直傳感光纖，分別命名為H1～H7。光纖H1和H2，H3、H4和H5，H6和H7每2根光纖間距均為50 mm，其中H1距離模型左側(cè)800 mm，H3距離模型左側(cè)1450 mm，H6距離模型左側(cè)2150 mm。水平光纖L1和L2分別距離模型底部250 mm和650 mm，并且分別位于模型亞關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層。光纖鋪設(shè)時施加一定預(yù)應(yīng)力，避免相似材料鋪設(shè)壓實(shí)過程中光纖彎曲造成定位困難，同時保證與模型的耦合性良好，能夠協(xié)同變形。傳感光纖布置如圖2所示。傳感光纖總長32.46 m，溫度標(biāo)記定位點(diǎn)為T1，T2，T3，如圖3所示，T1位置水域加熱后，光纖的布里淵頻移顯著增加。此外，由于實(shí)驗室溫度與模型內(nèi)部溫度存在一定差異，傳感光纖同樣對溫度敏感，在模型不受開采擾動的邊界煤柱內(nèi)預(yù)埋光纖用于溫度補(bǔ)償。

圖2 傳感光纖布置Fig.2 Layout of optical fibers in the model

圖3 溫度定位曲線Fig.3 Temperature location curve

為精準(zhǔn)獲取內(nèi)部巖層變形信息，本次試驗設(shè)定了NBX-6055光納儀的主要技術(shù)性能指標(biāo)，見表2。

表2 覆巖變形監(jiān)測中NBX-6055的主要技術(shù)性能指標(biāo)Table 2 Major technical performance indices of NBX-6055 during overburden monitoring

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 光纖應(yīng)變

3.1.1 垂直光纖應(yīng)變

工作面第22次開挖完成后，光纖H1和H2受力過大被拉斷。為獲得工作面在靠近光纖、穿過光纖和遠(yuǎn)離光纖全過程中光纖應(yīng)變變化規(guī)律，故本次不討論H1和H2光纖測試結(jié)果。H3光纖應(yīng)變變化曲線如圖4所示。H4～H7應(yīng)變曲線特征與H3基本一致。

圖4 H3光纖應(yīng)變曲線Fig.4 Strain curves of H3 optical fiber

當(dāng)工作面距離光纖較遠(yuǎn)時，上覆巖層垮落形成的變形場范圍未影響到H3光纖。當(dāng)工作面第25次開挖完成，距離H3光纖30 cm時，該根光纖首次受到變形場的影響。隨著工作面不斷推進(jìn)，變形場不斷靠近光纖，應(yīng)變曲線變化段高度和應(yīng)變隨之增大。當(dāng)?shù)?1次開挖完成，H3光纖位于工作面正上方，模型高度40～90 cm位置處光纖應(yīng)變顯著增大，形成明顯的凸臺。如圖5(a)所示，此次開挖完成后，工作面上方形成新的“傾斜平行四邊形”超前斷裂區(qū)，裂隙以煤壁為起點(diǎn)傾斜向上發(fā)育至模型高度95 cm，工作面后方懸露巖層一次性垮落，正上方覆巖失去支撐產(chǎn)生變形導(dǎo)致位于其中的光纖受到較大拉力。第33次開挖完成后，光纖應(yīng)變值顯著減小，但變化段長度未有明顯改變。原因在于隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，H3正上方覆巖變形量繼續(xù)增大，導(dǎo)致覆巖與光纖的耦合性降低，應(yīng)力傳遞減弱，應(yīng)變降低。

圖5 模型垮落形態(tài)Fig.5 Model collapse morphology

第36次開挖完成后，模型高度41～65 cm處覆巖變形垮落，覆巖與光纖耦合性降低，導(dǎo)致該位置光纖應(yīng)變降低，覆巖變形場繼續(xù)向上發(fā)育，應(yīng)變曲線峰值位置隨之向上發(fā)育至模型高度90 cm左右。第41次開挖完成后，模型上覆巖層大面積垮落，在既有破斷線前方形成新的覆巖破斷線，應(yīng)變曲線峰值發(fā)育至模型高度110 cm左右，如圖5(b)所示。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，模型高度110 cm至模型頂部覆巖裂隙帶破碎程度不斷增大，應(yīng)變曲線峰值不斷降低。第47次開挖完成后，裂隙帶發(fā)育至地表，如圖5(c)所示。由圖4(b)可知，應(yīng)變大幅減小，曲線形狀和大小基本保持穩(wěn)定。

3.1.2 水平光纖應(yīng)變

L2光纖應(yīng)變規(guī)律與L1光纖相似，以L1光纖為例研究水平光纖應(yīng)變規(guī)律。

由圖6可知，從第14次開挖開始，水平光纖的應(yīng)變-模型長度圖呈現(xiàn)雙峰型，左側(cè)峰值位置幾乎不變，右側(cè)峰值位置隨工作面推進(jìn)不斷向右移動，原因在于覆巖垮落后在工作面和采空區(qū)上方形成水平張拉裂隙，致使光纖受到點(diǎn)載荷作用，在裂隙張開位置光纖產(chǎn)生拉應(yīng)力突變，導(dǎo)致光纖應(yīng)變增大。雙側(cè)峰值位置分別與覆巖垮落形成的左、右側(cè)破斷線位置對應(yīng)，表明水平光纖的雙峰特征與覆巖垮落寬度相關(guān)。曲線左側(cè)峰值較為尖銳，右側(cè)峰值較為平緩。對比此時的巖層破斷線可以發(fā)現(xiàn)左側(cè)發(fā)育明顯，縱向裂隙貫穿巖層，而右側(cè)發(fā)育不明顯。左側(cè)巖層垮落前無明顯變形過程，右側(cè)巖層隨著工作面推進(jìn)先彎曲變形，到達(dá)極限跨距后破斷垮落，且峰值大小呈周期性變化，在頂板垮落前瞬間變形達(dá)到最大值。

圖6 L1光纖應(yīng)變曲線Fig.6 Strain curves of L1 optical fiber

3.2 導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育演化過程

光纖應(yīng)變與對應(yīng)位置覆巖變形大小和覆巖與光纖的耦合性強(qiáng)弱有關(guān)。垮落帶巖層在變形垮落后，其耦合性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂隙帶和彎曲下沉帶。因此在同一開挖距離下，光纖應(yīng)變曲線在“三帶”各自范圍內(nèi)相對穩(wěn)定，而在交界位置附近由于巖層與光 纖耦合性的差異導(dǎo)致應(yīng)變突變，垂直光纖應(yīng)變曲線呈臺階狀。在不同開挖距離下，曲線凸臺位置的變化表明了垮落帶和裂隙帶的高度發(fā)育過程，據(jù)此可獲得導(dǎo)水裂隙帶高度在工作面推進(jìn)過程中的動態(tài)變化過程，如圖7所示?？迓鋷ё罱K發(fā)育高度為0.76 m，裂隙帶發(fā)育至地表。

圖7 垮落帶和裂隙帶高度Fig.7 Height of collapse zone and fracture zone

3.3 巖層破斷角發(fā)育演化過程

由圖6可知，工作面?zhèn)绕茢嘟堑淖兓噍^于開切眼側(cè)更為明顯。隨著工作面不斷推進(jìn)，處于采空區(qū)內(nèi)的開切眼上覆巖層逐漸趨于穩(wěn)定，而工作面附近覆巖受采動影響，不斷發(fā)生破斷垮落，破斷角也隨之變化。L1和L2光纖應(yīng)變曲線左、右峰值對應(yīng)模型位置的連線傾角分別代表了不同開挖次數(shù)下，開切眼側(cè)與工作面?zhèn)绕茢嘟堑拇笮?，其測量及計算結(jié)果見表3。

表3 覆巖破斷角的測量值與光纖計算值Table 3 Measured value and calculated value of optical fiber of overburden breaking angle

3.4 覆巖變形場動態(tài)演化過程

覆巖變形場隨著工作面開挖不斷向前移動，其大小和范圍不斷增大。根據(jù)巖土體變形試驗，當(dāng)材料出現(xiàn)裂隙時，其傳感光纖所測的應(yīng)變?yōu)?00～1200με[11,17]。以1200με為臨界值，得到覆巖變形場在垂直和水平方向的動態(tài)發(fā)育過程。

3.4.1 覆巖變形場垂直演化過程

通過垂直光纖H3的應(yīng)變判斷覆巖變形場沿模型高度方向的變化過程。工作面第28次開挖結(jié)束(開挖至1.47 m)后，覆巖變形場在垂直方向發(fā)育高度為0.96 m，如圖8所示。統(tǒng)計不同開挖次數(shù)下，H3位置處覆巖變形場垂直發(fā)育高度如圖9所示。變形場隨著工作面的開挖不斷向上發(fā)育，至第39次開挖時發(fā)育至模型頂部。

圖8 第28次開挖結(jié)束H3光纖應(yīng)變曲線Fig.8 Strain curve of H3 optical fiber after the 28th excavation

圖9 H3位置覆巖變形場高度變化Fig.9 Height change of overburden deformation field at H3 position

3.4.2 覆巖變形場水平演化過程

通過水平光纖應(yīng)變可以判斷在模型中L1和L2光纖所處高度位置，巖層沿模型長度方向的水平移動變形狀態(tài)。工作面第23次開挖結(jié)束(開挖至模型長度1.27 m)，L1光纖應(yīng)變曲線如圖10所示。在工作面前方0.32 m(模型長度1.27～1.59 m)范圍，光纖受拉伸或剪切應(yīng)力作用應(yīng)變增大，由此得出開挖至1.27 m處，模型高度0.25 m(L1光纖所處位置)覆巖變形場超前影響范圍為0.32 m。據(jù)此判斷不同推進(jìn)距離下，模型高度0.25 m(L1處)和模型高度0.65 m(L2處)的覆巖變形場超前影響范圍，結(jié)果見表4。

圖10 第23次開挖結(jié)束L1光纖應(yīng)變曲線Fig.10 Strain curve of L1 optical fiber after the 23rd excavation

表4 變形場超前影響范圍Table 4 Advance influence range of deformation field

從表4可以看出，L1和L2光纖位置處覆巖變形場影響范圍先增大后減小。L1光纖位置處變形場最大影響范圍為0.41 m，L2光纖位置處變形場最大影響范圍為0.75 m。L2光纖位置處變形場影響范圍整體大于L1光纖位置處，因為模型高度越高，巖層變形的范圍越大。同時可以看出，模型的垮落形態(tài)為正梯形，但覆巖變形場的發(fā)育形態(tài)為倒梯形。

4 結(jié)論

(1) 垂直光纖在巖層破斷前變形值最大，應(yīng)變曲線呈臺階狀，凸臺峰值大小代表覆巖變形破碎程度，凸臺位置變化表明了垮落帶和裂隙帶高度的發(fā)育過程?？迓鋷ё畲蟀l(fā)育高度為0.76 m，裂隙帶發(fā)育至地表。

(2) 水平光纖受覆巖水平張拉裂隙作用，在不同開挖階段呈現(xiàn)單峰狀或雙峰狀。左右峰值位置分別與模型左、右側(cè)破斷線位置對應(yīng)。峰值位置變化表明巖層破斷角是動態(tài)變化的。由水平光纖計算覆巖開切眼側(cè)破斷角最大值為67.6°，工作面?zhèn)绕茢嘟亲畲笾禐?5.8°。

(3) 通過光纖變形值可獲得覆巖變形場動態(tài)演化過程。H3位置處覆巖變形場在第39次開挖時發(fā)育至模型頂部。L1位置覆巖變形場超前影響范圍最大為0.41 m，L2位置覆巖變形場超前影響范圍最大為0.75 m。