基于光纖光柵傳感技術的覆巖變形演化規(guī)律試驗研究

雷武林，陳巖峰，趙 鳳，王 建，余 嵐，何姜毅，周華龍

(1.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.華亭煤業(yè)集團 華亭煤礦，甘肅 華亭 744100；3.華亭煤業(yè)集團 大柳煤礦,甘肅 崇信 744201；4.中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400039)

煤炭地下采掘活動引發(fā)覆巖運移，可誘發(fā)礦山?jīng)_擊地壓、地表塌陷、瓦斯突出等一系列災害事故，因而煤炭資源安全高效開采的基礎科學問題是掌握采動覆巖變形規(guī)律[1-2]。煤炭開采誘發(fā)的巖層移動變形通常無法直接進行觀測，其工程結(jié)構具有明顯的“黑箱”特性[3]。當前，煤炭工業(yè)4.0對掌握礦山巖層移動變形的智能感知提出新的挑戰(zhàn)和要求，而智能感知的關鍵就是監(jiān)測、識別技術[4]。光纖Bragg光柵傳感監(jiān)測技術具有超遠距離、實時、抗電磁干擾、高精度等優(yōu)點，應用于智能化礦山覆巖區(qū)域檢測網(wǎng)絡中具有較高的實用價值[5]。

光纖傳感技術已成為發(fā)展最為快速的現(xiàn)代工程結(jié)構監(jiān)測檢測技術之一。我國李宏男[6]、姜德生[7]、饒云江[8]、周智[9]等學者研究了光纖光柵傳感技術在土木工程結(jié)構健康監(jiān)測中的應用，提出了構建工程體應變、沖擊、振動、位移、傾斜及溫度等多參量的在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，論證了將光纖布拉格光柵傳感技術應用于基礎結(jié)構健康監(jiān)測的可行性，探討了該技術在土木工程中的應用前景。在礦業(yè)工程領域，方新秋[10]利用光纖Bragg光柵傳感監(jiān)測技術對煤礦監(jiān)測方面進行了交叉創(chuàng)新，在錨桿索支護質(zhì)量、巷道頂?shù)装逡苿幼冃巍⒉擅簷C姿態(tài)等方面進行了探討和工程應用。柴敬[11-12]采用光纖Bragg光柵傳感技術對巖石力學參數(shù)性能、物理相似模擬試驗、巨厚松散層沉降進行了測試，提供了煤炭開采過程中溫度、應力、位移等基礎參量信息采集的新想法。目前，光纖光柵傳感監(jiān)測技術在采動覆巖運移仍處于應用初步研發(fā)階段，仍有許多關鍵性技術尚未解決，尤其是光纖光柵傳感技術對采動覆巖運移規(guī)律的表征關系等工程應用問題。

為了掌握光纖Bragg光柵傳感技術在覆巖移動變形過程中的監(jiān)測機理與規(guī)律，本文以光纖Bragg光柵應變傳遞原理為基礎，結(jié)合現(xiàn)場煤礦開采地質(zhì)條件，在實驗室構建物理相似模型，利用光纖光柵傳感技術對模型開采過程中覆巖移動變形和支承壓力變化進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)采動覆巖變形的智能感知，這對推動煤礦生產(chǎn)信息化和構建智能礦山具有十分重要的意義。

1 光纖光柵傳感器應變傳遞原理

根據(jù)耦合模理論，當寬帶光在光纖中傳播時，滿足布拉格條件的光將會被反射回來，其余的光將會成為透射光繼續(xù)向前傳播。布拉格波長可表示為：

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為光的波長；neff為有效折射率；Λ為光纖光柵柵距周期。

當光纖光柵傳感器周圍的應力或溫度變化時，柵距的周期及纖芯的有效折射率將改變，引起中心波長變化。假定光纖光柵外界應變和溫度引起的中心波長變化是不受影響的，對于單模的石英光纖光柵，其波長、應變和溫度之間呈線性關系[13]：

(2)

式中：ΔλB為中心波長的漂移量；Δε為應變的變化量；ΔT為溫度的變化量；Kε為應變的標定系數(shù)；KT為溫度的標定系數(shù)。

2 物理相似模型試驗

2.1 模型的建立

試驗以陜北杭來灣礦為研究對象，煤層厚度約9.1 m，傾角約0.5 °，埋深約230 m，基巖厚度約150 m，松散層厚度約80 m，煤巖層結(jié)構較為簡單，含1～2層的夾矸。直接頂板為泥巖、粉砂巖、細-粗粒長石砂巖。直接底板為泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、細粒砂巖。以礦井綜采面的地質(zhì)采礦條件為原型，搭建長×寬×高為3 000 mm×200 mm×1 150 mm的平面應力模型，相似參數(shù)如表1所示。

表1 主要相似參數(shù)

2.2 光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)

物理模型覆巖關鍵層中，共布設了4支光纖光柵傳感器，編號設為FBG-1、FBG-2、FBG-3、FBG-4，采用預埋植入式。距煤層底板250 mm位置的巖層埋入FBG-1、FBG-2兩支傳感器，距離煤層底板500 mm位置的巖層埋入FBG-3、FBG-4兩支傳感器，分別用來監(jiān)測不同高度、不同層位關鍵層的采動變形移動規(guī)律。該光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)由Sm225解調(diào)儀、光纖、光纖光柵傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 光纖光柵傳感器監(jiān)測系統(tǒng)(mm)

2.3 模型開挖及數(shù)據(jù)采集

模型總長3 000 mm，兩側(cè)分別留設的邊界煤柱寬度為300 mm，煤層開采總長度為2 400 mm。模型每次開采長度為20 mm，每天開采20次，每天開采總長度為400 mm，整個模型開采歷時6 d完成。每次開采結(jié)束后，待覆巖變形穩(wěn)定后，先記錄模型開挖時間、距離等信息；然后采集光纖光柵傳感數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)采集完后方可進入下一次采煤循環(huán)，直至2 400 mm全部開采結(jié)束。整個模型試驗詳細觀察和記錄了采動覆巖移動變形的全部過程。

3 試驗結(jié)果分析

圖2為光纖光柵FBG-1、FBG-2傳感器監(jiān)測的覆巖應變值與底板壓力傳感器監(jiān)測的支承壓力值一一對應關系。當工作面推進距離為0～400 mm時，工作面的支承壓力值近似等于原巖應力，前方則出現(xiàn)了超前支承的壓力作用現(xiàn)象，此時FBG-1、FBG-2傳感器監(jiān)測的應變值基本為0；當工作面推進至約480 mm時，初次來壓發(fā)生，工作面前方明顯應力集中，此時支承壓力峰值達到約6.35 MPa，此時FBG傳感器應變值開始出現(xiàn)波動。當工作面繼續(xù)向前推進，支承壓力開始逐漸下降，最小值為0.45 MPa，呈現(xiàn)低谷狀態(tài)，此時FBG-1、FBG-2傳感器的應變值開始逐漸增大。隨著工作面繼續(xù)向前推進，支承壓力值開始逐漸上升，直至開采結(jié)束，壓力值增至5.83 MPa；當推進至約700 mm時，F(xiàn)BG-1出現(xiàn)應變峰值為142.48 με；當推進至約1 080 mm時，F(xiàn)BG-2出現(xiàn)應變峰值為273.85 με。隨后工作面繼續(xù)推進直至結(jié)束，F(xiàn)BG-1、FBG-2應變值逐漸減小。

圖2 FBG-1、FBG-2傳感器應變值與支承壓力對比

圖3為光纖光柵FBG-3、FBG-4傳感器監(jiān)測的覆巖應變值與底板壓力傳感器監(jiān)測的支承壓力值一一對應關系。當工作面由切眼推進至1 040 mm范圍內(nèi)，支承壓力基本處于原巖應力水平之上，此時FBG-3、FBG-4應變值基本無變化，因為開采未擾動至FBG傳感器埋設覆巖位置，支承壓力在推進至840 mm時出現(xiàn)應力峰值，為9.12 MPa；當繼續(xù)推進至1 120 mm時，支承壓力降低為0.35 MPa(最小值)，此時FBG-3、FBG-4傳感器應變值開始急劇增大；當工作面推進至1 240 mm時，F(xiàn)BG-3出現(xiàn)應變峰值為1 326.43 με；當工作面推進至1 520 mm時，F(xiàn)BG-4出現(xiàn)應變峰值為1 295.32 με；當工作面繼續(xù)推進直至開采結(jié)束，支承壓力開始逐漸增大，但增幅不大，后期基本穩(wěn)定；而FBG傳感器開始急劇減小，后期也呈穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 FBG-3、FBG-4應變值與支承壓力對比

結(jié)果表明，F(xiàn)BG傳感器的應變值和支承壓力值分別存在波峰、波谷段，依據(jù)采動礦壓理論，煤層開采后致使覆巖的載荷向采煤工作面走向兩側(cè)進行轉(zhuǎn)移，導致了工作面的支承壓力的峰值階段位于前方的實體煤巖中，F(xiàn)BG傳感器監(jiān)測的應變值則出現(xiàn)負向增大現(xiàn)象。當工作面繼續(xù)推進，支承壓力急劇減小，其應變的波谷段一般位于采空區(qū)內(nèi)，隨著工作面采空區(qū)垮落壓實，支承壓力有一定回升，但幅度不大；同時，關鍵層破斷時FBG傳感器應變值達到峰值。因此，F(xiàn)BG監(jiān)測應變值的遞減階段對應了工作面超前支承壓力的遞增階段，峰值階段對應了覆巖垮落過程，即支承壓力變化呈現(xiàn)先減小后增大的過程，也是采空區(qū)逐漸被壓實后，支承壓力開始逐漸恢復的過程。

4 數(shù)值模擬計算分析

采用UDEC離散元數(shù)值模擬計算方法，通過構建大采高開采覆巖復合關鍵層結(jié)構數(shù)值模型，進行采動覆巖運移數(shù)值計算，通過與物理模型試驗中光纖光柵監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，驗證模型試驗中光纖光柵傳感器表征關鍵層變形的適用性。模型走向長度600 m，傾向長度200 m，煤層高度9 m；覆巖本構關系采用Mohr-Coulumb模型，開挖過程與物理相似材料模擬實驗保持一致，塑性區(qū)分布計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同推進距離下的塑性區(qū)分布圖

工作面開采初期，由于開采空間范圍有限，覆巖塑性區(qū)發(fā)育較緩慢。當開采至100 m(500 mm)時，覆巖塑性區(qū)明顯發(fā)育，塑性區(qū)發(fā)育高度達到亞關鍵層下方。當開采至160 m(800 mm)時，覆巖塑性區(qū)發(fā)育高度突然增大，則認為亞關鍵層破斷，引發(fā)亞關鍵層控制的上覆巖層突然變形。隨著繼續(xù)開采，覆巖塑性區(qū)發(fā)育沿走向范圍不斷增大，但在豎向方向上高度幾乎不變。當開采至240 m(1 200 mm)時，覆巖塑性區(qū)發(fā)育高度再次出現(xiàn)跳躍式增大，說明采動已經(jīng)波及至覆巖關鍵層，受覆巖關鍵層影響，塑性區(qū)范圍激增。隨著繼續(xù)開采，由于覆巖關鍵層回轉(zhuǎn)變形，當開采至440 m(2 200 mm)時，覆巖塑性區(qū)基本發(fā)育至地表，說明受采動影響下覆巖主關鍵層已經(jīng)產(chǎn)生較大的塑性變形，甚至出現(xiàn)貫穿性大裂隙。結(jié)果表明光纖光柵傳感器在礦山覆巖關鍵層變形監(jiān)測中具有很好的適用性。

5 結(jié) 語

1) 光纖光柵傳感器位于工作面前方時，其應變曲線與工作面的支承壓力有較好的一一對應線性關系；位于工作面后方時，其應變曲線呈波谷狀時，工作面的支承壓力呈波峰狀，且隨著覆巖高度的增大，出現(xiàn)水平錯位的現(xiàn)象。

2) 數(shù)值計算結(jié)果表明光纖Bragg光柵傳感監(jiān)測技術在模型試驗覆巖運移變形的內(nèi)部應變和支承壓力監(jiān)測中具有良好的適用性，可為采動覆巖變形監(jiān)測提供新的監(jiān)測方法與手段。