保護層開采下伏煤巖卸壓效應及其光纖監(jiān)測

柴 敬，劉永亮，王梓旭，雷武林，張丁丁，歐陽一博，孫 凱，翁明月，張有志，丁國利，鄭忠友，張 寅，韓 剛

(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.中天合創(chuàng)能源有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010；4.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；5.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000)

我國煤炭資源的開發(fā)正處于“西移，下移”的階段，隨著我國煤礦進入深部開采，沖擊地壓礦井逐年增多，至2020年我國沖擊地壓礦井數(shù)量達到138處，沖擊地壓已成為嚴重威脅煤礦安全的主要動力災害之一。保護層開采作為沖擊地壓等動力災害重要的區(qū)域性防治方法之一，我國在1987年編制《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》時，就將保護層開采作為區(qū)域性沖擊地壓災害防治的手段。2019年編制《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法第12部分：開采保護層防治方法》，標志著我國保護層開采防沖技術(shù)體系的建立。

保護層開采后周圍煤巖體向采空區(qū)移動、變形，巖體內(nèi)部應力、彈性能減小，從而被保護層發(fā)生動力災害的可能性降低。保護層開采卸壓機理方面：已有成果表明保護層開采后被保護層應力工作面峰值明顯應力降低，應力峰值位置向煤體深部轉(zhuǎn)移。呂長國等對上保護層工作面開采過程中被保護層應力演化進行了研究，在工作面推進方向上，將被保護層的垂直應力分為采前應力升高、采后應力降低和應力穩(wěn)定3個階段，給出了保護層開采后被保護層的應力分區(qū)特征。唐治等對同類條件下礦井被保護層應力分布進行研究，指出被保護層的應力增高區(qū)域位于煤壁前方8～25 m。李淵等發(fā)現(xiàn)隨保護層工作面推進，工作面后方50 m范圍被保護層卸壓效果較為明顯，100 m之后受采空區(qū)矸石壓實影響，被保護層垂直應力有所升高。保護層工作面傾向方向上，工作面中部被保護層卸壓效果最好，受上覆工作面煤柱影響，煤柱下方被保護層局部應力集中，卸壓效果不明顯。保護層開采卸壓防沖效果評價方面：學者們主要通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場局部布設觀測鉆孔，監(jiān)測被保護層應力變化，計算走向和傾向卸壓角來描述保護層開采后被保護層的卸壓范圍。胡國忠等為定量評價保護層開采后被保護層消突效果，建立了應力釋放率指標，定量描述保護層開采后被保護層的卸壓效果。竇林名等對被保護層應力進行監(jiān)測，將應力釋放率應用于濟三煤礦保護層開采后被保護層的卸壓效果評價。文獻[14-16]也對保護層工作面寬度、布設位置，保護層與被保護層層間巖性等因素對被保護層的卸壓效果的影響進行了研究。

目前，現(xiàn)有成果多采用數(shù)值模擬手段研究保護層開采后應力、塑性區(qū)演化規(guī)律，分析保護層開采卸壓防沖效果，并通過現(xiàn)場布設鉆孔應力計進行驗證。保護層開采過程中被保護層應力時空演化規(guī)律現(xiàn)場監(jiān)測與卸壓效果評價相關(guān)報道較少。近年來，光纖傳感技術(shù)由于其可實現(xiàn)分布式、大范圍監(jiān)測的優(yōu)勢，在煤礦覆巖變形、巷道頂板變形、底板突水等方面進行了應用。筆者建立了基于光纖傳感技術(shù)的保護層開采卸壓范圍及卸壓效果評價方法，研究葫蘆素煤礦保護層工作面開采過程中，下伏煤巖體卸壓范圍的時空演化規(guī)律；采用光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)了保護層開采過程中下伏煤巖體卸壓范圍和采動應力的大范圍實時監(jiān)測，研究結(jié)果可為被保護層工作面布設、開采滯后上覆工作面距離確定提供依據(jù)。

1 上保護層開采下伏煤巖卸壓機理

1.1 上保護層開采底板破壞深度

上保護層工作面采動前，圍巖處于原巖應力平衡狀態(tài)，開采后，打破了煤巖體原巖應力平衡，應力重新分布。受采動應力影響，底板內(nèi)會形成一定深度破壞區(qū)域，應力降低是上保護層開采技術(shù)應用的理論基礎。目前煤層底板破壞方面已形彈性理論、塑性滑移場理論和基于現(xiàn)場實測的經(jīng)驗公式等計算方法。

根據(jù)彈性理論計算方法，底板巖體應力的分布狀態(tài)和等效力學原理沿煤層傾斜剖面底板載荷如圖1所示(圖中，為垂直應力；為最大主應力；為最小主應力)，依據(jù)Mohr-Coulomb破壞準則，底板巖體的破壞深度可用式(1)進行計算：

圖1 底板煤巖體應力分布

(1)

式中，為應力集中系數(shù)；為埋深；=(1+sin)/(1-sin)，為巖石內(nèi)摩擦角；為底板巖體抗壓強度。

根據(jù)塑性滑移線理論，工作面超前支承壓力作用下底板采動塑性區(qū)的最大破壞深度為

(2)

其中，為工作面煤層厚度；為黏聚力。表1為底板破壞深度經(jīng)驗計算式，為煤層傾角，為工作面長度。葫蘆素煤礦煤層厚度=2.54 m，煤體黏聚力=1.25 MPa，巖石平均容重=25 kN/m，應力集中系數(shù)=3，埋深=635 m，底板巖體內(nèi)摩擦角=32°。由式(1)計算得出保護層開采底板最大破壞深度為29.43 m，由式(2)得出20.34 m。由表1經(jīng)驗公式得出底板破壞深度在28.43～35.53 m。

表1 底板破壞深度經(jīng)驗公式

1.2 保護層開采卸壓指標

上保護層開采后，被保護層卸壓效果可用應力釋放率為指標進行評價，應力釋放率計算式為

(6)

其中，為原巖應力，MPa；′為采動后應力，MPa。可以看出，越大，被保護層卸壓程度越高。采動后應力小于原巖應力，應力釋放率為正，即認為巖體發(fā)生卸壓，為負表明巖體受壓應力集中。本文將應力釋放率為10%，作為分析煤巖體是否產(chǎn)生卸壓的標準。

2 上保護層開采下伏煤巖卸壓光纖監(jiān)測

2.1 工程概況

內(nèi)蒙古葫蘆素煤礦主采煤層為2煤和2中煤，2煤平均埋深為635 m，2中煤平均埋深660 m，經(jīng)鑒定均為強沖擊傾向性煤層。為降低2中煤開采的動力災害發(fā)生機率，將2煤作為保護層先行開采。為評價2煤保護層的開采對2中煤卸壓效果，以2煤一盤區(qū)21104工作面為研究區(qū)域，開展2煤保護層開采后底板煤巖體及2中煤卸壓范圍現(xiàn)場監(jiān)測研究。21104工作面寬320 m，走向長3 015 m，采高2.54 m，與下方2中煤垂直間距平均為23.5 m。

2.2 光纖傳感器設計

現(xiàn)場監(jiān)測中，分布式光纖傳感系統(tǒng)與光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)均可實現(xiàn)大范圍變形監(jiān)測，分布式光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率和采樣間隔最高可達5和1 cm，測試范圍可達20 km，測點數(shù)量多，測試范圍大；光纖光柵傳感系統(tǒng)受儀器帶寬限制，單通道光纜串聯(lián)光柵一般不超過10個光柵，在大范圍監(jiān)測中測點明顯少于分布式監(jiān)測系統(tǒng)。光纖光柵傳感系統(tǒng)技術(shù)成熟較早，現(xiàn)場應用也相對成熟，基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)成熟較晚，實驗室應用較多，現(xiàn)場應用仍處于初步的探索階段。將分布式光纖傳感技術(shù)和光纖光柵傳感技術(shù)同時應用于大范圍圍巖監(jiān)測，局部重點區(qū)域通過光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)重點監(jiān)測，既可實現(xiàn)大范圍監(jiān)測，又可保證測點數(shù)量，同時可以提高監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性。

筆者分別采用基于BOTDA的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)和基于FBG的準分布式定點光柵監(jiān)測系統(tǒng)對21104工作面回采過程中底板卸壓效果進行監(jiān)測。分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)采用金屬基索狀光纜作為傳感器，光纜由多股金屬加強件保護纖芯，抗拉性能優(yōu)越，與巖層具有良好的耦合性，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。準分布式定點光柵監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式定點光柵光纜，為內(nèi)定點設計，可實現(xiàn)空間非連續(xù)非均勻應變分段測量，用于巖層變形監(jiān)測具有極好耦合性，可實現(xiàn)大壓縮、拉伸變形測量。傳感器結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。

圖2 光纖監(jiān)測系統(tǒng)布置示意

2.3 光纖傳感系統(tǒng)布設方案

光纖監(jiān)測系統(tǒng)和鉆孔布設如圖2(c)所示，在21104工作面運輸平巷，沿工作面走向方向施工編號為3號的走向鉆孔；傾向方向編號分別為1號和2號的傾向鉆孔。參考《煤與瓦斯突出規(guī)定》保護層開采相關(guān)法規(guī)，走向和傾向卸壓角取60°和75°指導鉆孔設計，走向和傾向鉆孔垂深應大于26.5 m，傾向鉆孔孔底距21104工作面回采巷道大于12.4 m為宜。結(jié)合現(xiàn)場實際，最終鉆孔施工參數(shù)見表2。將光纖傳感器植入鉆孔，隨后注漿封孔，確保光纖和鉆孔圍巖耦合良好。最后與布設在巷道的信號傳輸光纜連接，通過信號傳輸光纜將傳感信號傳輸至地面，建立光纖監(jiān)測系統(tǒng)。

表2 光纖鉆孔設計參數(shù)

分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)測試為雙端測量，總測量距離約為9.0 km，3個鉆孔中金屬基索狀光纜均在孔底形成回路，在孔口一進一回光纜分別接入傳輸光纜，形成監(jiān)測系統(tǒng)。1號、2號、3號鉆孔分布式光纖傳感實際感測長度為74.0，216.0，266.0 m。傳感光纜監(jiān)測底板垂深分別為26.2，34.4，6.5 m。光纖光柵(FBG)監(jiān)測系統(tǒng)總測量距離約4.5 km。定點光柵光纜共包含光柵傳感器30個，1號鉆孔為4 m定點光柵光纜，共設計10個光柵傳感器，等間距分布，間距為14 m；2號鉆孔為1 m定點光柵光纜，共設計10個光柵傳感器，間距為4 m；3號鉆孔植入3 m定點光柵光纜，共計植入10個傳感器，間距為12 m。分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)安裝后無斷點，定點式光柵傳感器安裝30個，其中28個完好。

2.4 光纖傳感系統(tǒng)空間定位與參數(shù)調(diào)試

運用水浴加熱法對1～3號孔內(nèi)分布式光纖進行定位。1號鉆孔內(nèi)分布式傳感光纜長度為266.0 m，位于系統(tǒng)4 362.5～4 628.5 m處，如圖3所示。2號鉆孔內(nèi)分布式傳感光纜長度為74.0 m，位于系統(tǒng)4 363.7～4 437.7 m處。3號鉆孔內(nèi)分布式傳感光纜長度為216.0 m，位于系統(tǒng)4 366.4～4 582.4 m處。

圖3 分布式傳感光纖空間定位

準分布式定點光柵光纜在植入鉆孔后，通過光柵波長進行點位識別，結(jié)合光柵光纜在孔底處光纜長度值和光柵設計點位間隔進行定位。光纖光柵傳感器與21104工作面底板巖層層位關(guān)系如圖2(d)，(e)所示。

BOTDA光納儀數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：測量距離10 km，采樣間隔20 cm，空間分辨率50 cm，平均化次數(shù)2，輸出連續(xù)光能量1 dBm，輸出泵浦光能量26 dBm。實測中心頻移誤差±4 MHz。分布式光纖傳感應變誤差在±80×10。光纖光柵傳感器波長漂移量誤差在±3 pm，光纖光柵測試系統(tǒng)重復測量精度為±2.54×10。

3 實測數(shù)據(jù)分析

為便于分析，文中工作面推進距離指工作面開采位置與不同深度傳感器在水平投影面的距離，負值代表傳感器位于工作面前方，正值代表工作面推過傳感器。應力均為垂直應力，即原巖應力基礎上的應力變化量，為式(6)中-′的值，正值表明應力減小，反之應力增大。

3.1 下伏2-2中煤層采動應力分布

21104工作面推進過程中2中煤層垂直應力變化曲線如圖4所示，橫坐標為工作面推進距離，縱坐標為煤層應力，即原巖應力基礎上的應力變化量。1號、2號、3號鉆孔的光纖光柵傳感器測試的2中煤層應力變化如圖4(a)所示，工作面推進過程中2中煤層應力變化可劃分為原巖應力、應力集中、應力釋放和應力恢復4個階段，其中第3，4階段均出現(xiàn)了應力的降低，且有明顯的峰值特征。第1階段為原巖應力狀態(tài)，應力沒有發(fā)生變化。第2階段為應力集中階段，1號鉆孔距離工作面前方61 m時，煤層開始受到上覆工作面的采動影響，距離工作面11 m時，煤層應力值為-0.32 MPa；2號鉆孔距離工作面前方60 m時煤層開始受到采動影響，距離工作面13 m時，應力值為-0.31 MPa；3號鉆孔距離工作面前方65 m時，煤層開始受到采動影響，至20 m時應力值為-0.29 MPa。第3階段為應力釋放階段，1號鉆孔隨著工作面開采及越過測點，應力變化逐漸減小，當工作面推過67 m時應力達到4.84 MPa；2號鉆孔工作面推過58 m時應力達到2.60 MPa；3號鉆孔工作面推過60 m時應力達到4.50 MPa，這一階段應力釋放更具有線性的特性。第4階段為應力恢復階段，隨著采空區(qū)逐漸壓實，2中煤應力達到峰值后逐漸恢復，1號鉆孔在116 m之后逐漸趨于穩(wěn)定，應力穩(wěn)定在3.05 MPa；2號鉆孔在109 m之后逐漸趨于穩(wěn)定，其值為2.00 MPa；3號鉆孔在98 m之后逐漸趨于穩(wěn)定3.06 MPa，并保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 21104工作面開采的2-2中煤層應力變化曲線

1號和2號鉆孔沿21104工作面傾向方向布置，其孔底位置分別處于工作面中部和一側(cè)下方，由圖4(a)可知，2號鉆孔測得的趨于穩(wěn)定的應力小于1號鉆孔，1號和3號鉆孔的應力幾乎一致。這是工作面回采后受煤柱和側(cè)向支承壓力的影響，導致2中煤靠近21104工作面兩側(cè)附近的應力釋放受到限制，工作面中部的應力釋放大于兩側(cè)。

圖4(b)為1號、2號、3號鉆孔分布式光纖測試的2中煤層應力變化曲線。同光纖光柵測試結(jié)果，距離工作面位置較遠時，分布式光纖測得的2中煤層應力均沒有變化；至-50 m時煤層受采動影響，應力升高，進入應力集中階段，工作面推進至-8 m時，1號鉆孔測得 2中煤層應力為-0.19 MPa；推進至-16和-12 m時，2號鉆孔和3號鉆孔測得2中煤層應力分別為-0.24，-0.37 MPa。此后，2中煤層應力開始減小。工作面推進至10 m時，1號鉆孔應力為0.34 MPa；2號鉆孔在工作面推進至10 m時，應力為0.24 MPa，推進至25 m時，應力為0.66 MPa；3號鉆孔在工作面推進至10 m時，應力為1.58 MPa，推進至60 m時，應力為4.19 MPa。3號鉆孔分布式光纖測試曲線出現(xiàn)峰值，之后應力逐漸恢復，峰值位置位于工作面后方60 m。受鉆孔變形對光纖信號傳輸?shù)挠绊懀?號、2號、3號鉆孔分布式光纖未能獲得到如圖4(a)所示的2中煤層應力的全程變化曲線，3號鉆孔測試曲線相對要好，應力變化具有4個階段。

3.2 底板采動應力分布

2煤底板巖層應力隨保護層開采在時間和空間上的應力變化曲線如圖5所示，選取3號鉆孔分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)在21104工作面底板17.31，24.26和36.91 m深度處的巖層應力?？芍装迳疃确较蛏贤瑯涌煞譃閼υ龈邊^(qū)和降低區(qū)，底板深度17.31，24.26，36.91 m處應力峰值為-0.71，-0.57，-0.45 MPa；工作面推進至52～64 m時，應力分別為5.30，3.90，1.07 MPa。

圖5 分布式光纖監(jiān)測的底板不同深度巖層應力變化曲線

隨工作面推進和后方采空區(qū)破碎巖體的逐漸壓實，底板不同深度巖層應力進入恢復階段。

在應力增高階段，底板深度17.31 m處巖層應力增量約為36.91 m 處的1.6倍；在應力恢復階段，應力增量為5.0 倍。上保護層開采底板應力在垂向方向上呈現(xiàn)出淺部巖層受影響大于深部巖層的特征，在時間上工作面推過10 m后底板應力逐漸減小，工作面后方52～64 m處應力達到峰值。

3.3 下伏煤巖應力釋放率變化規(guī)律

圖6為工作面推進過程中3個鉆孔的分布式光纖監(jiān)測結(jié)果，由式(6)計算出的不同深度巖層的應力釋放率變化曲線，選取7個深度位置。圖6(a)為工作面推進距離從-100～10 m時，1號鉆孔的應力釋放率，不同深度巖層應力釋放率為-2.65%～9.90%。隨著底板深度的增大，應力釋放率減小，工作面推進至10 m時，應力釋放率均小于10%，說明被保護層還沒有產(chǎn)生卸壓。

圖6(b)為工作面從-100 m推進至27 m時，2號鉆孔的不同深度應力釋放率為-10.1%～22.9%，隨著底板深度的增大，應力釋放率減小。在工作面后方約10 m處深度10 m的巖層應力釋放率為7.8%；深度20 m的巖層應力釋放率5.4%；深度25 m的巖層應力釋放率2.9%。在工作面后方約5～20 m以后，應力釋放率大于10%。

圖6(c)為工作面從-100推進至100 m時，3號鉆孔的不同深度巖層應力釋放率為-3.18%～24.50%。工作面推進至10 m時，底板深度10 m處應力釋放率為13.1%，之后應力釋放率逐漸增加達到20.9%；埋深25 m處巖層應力釋放率為20.32%。工作面推進至60.5 m時，深度25 m處巖層應力釋放率達到20.3%，之后逐漸減小為17.9%；深度30 m處巖層在工作面過10 m時，應力釋放率為3.7%，在推過62 m時達到最大值，之后逐漸減小至7.5%；深度35 m處巖層在工作面推過10 m時，應力釋放率為2.5%，在推過61 m時達到6.3%，之后逐漸減小至4.1%。在工作面后方15～26 m以后，應力釋放率大于10%。

圖6 分布式光纖監(jiān)測的隨工作面推進過程中不同深度巖層的應力釋放率曲線

圖7為工作面推進過程中3個鉆孔中光纖光柵傳感器監(jiān)測不同深度巖層的應力釋放率變化曲線，2號鉆孔有2個光柵安裝時損壞，共計28個光柵的測試曲線。圖7(a)為1號鉆孔應力釋放率曲線，隨工作面推進，工作面前方約60 m底板不同深度巖層開始受應力擾動。應力釋放率呈先減小后增大的變化規(guī)律。工作面推進至10～33 m時，應力釋放率達到10%；推進至54～66 m，應力釋放率達到峰值；推進至130～150 m時應力釋放率趨于穩(wěn)定。

圖7(b)為2號鉆孔應力釋放率曲線，同圖7(a)，工作面前方58 m處底板開始受應力擾動，底板不同深度巖層應力釋放率呈先減小后增大規(guī)律。工作面推進至8～21 m時，應力釋放率達到10%；推進至57～64 m時，應力釋放率達到峰值，底板埋深2.35 m 處應力釋放率達到80%；推進至110～130 m處時應力釋放率逐漸趨于穩(wěn)定。圖7(c)中3號鉆孔應力釋放率變化曲線同樣表明工作面前方60 m處，底板開始受應力擾動，工作面推進至11～23 m時應力釋放率達到10%，推進至48～65 m時應力釋放率達到峰值65%；推進至100～130 m時逐漸穩(wěn)定。

圖7 光纖光柵監(jiān)測工作面推進過程中不同深度巖層的應力釋放率曲線

綜上，以應力釋放率10%為臨界值，應力變化的4個階段中第3，4階段均出現(xiàn)了應力的降低，但產(chǎn)生卸壓在工作面后方5～10 m以后區(qū)域。3號鉆孔測得底板臨界卸壓深度為29.0～32.5 m，1號鉆孔測得底板臨界卸壓深度為27.0～30.5 m，平均值29.8 m。

3.4 應力釋放率峰值及位置的變化規(guī)律

提取圖7中28個光纖光柵傳感器測試的應力釋放率峰值及其對應的深度，通過非線性擬合，建立應力釋放率峰值與底板深度之間的關(guān)系如圖8所示。應力釋放率峰值隨底板深度增大呈負對數(shù)關(guān)系減小，如式(7)所示，相關(guān)性系數(shù)為0.92。

圖8 應力釋放率峰值與底板深度關(guān)系

=61-14ln(+488)

(7)

式(7)表明底板深度越大應力釋放率峰值越小，在底板深度30 m處應力釋放率降至10%。

同樣，提取圖7中28個光纖光柵傳感器測試的應力釋放率峰值滯后工作面的距離，建立21104工作面底板巖體應力釋放率峰值位置與底板深度關(guān)系如圖9所示。應力釋放率峰值位置與底板深度之間呈對數(shù)關(guān)系，如式(8)所示，兩者具有很好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)為0.78。

圖9 應力釋放率峰值位置與底板深度關(guān)系

=202+12ln(+144)

(8)

其中，為應力釋放率峰值位置。底板深度越大，應力釋放率峰值滯后工作面距離越遠，應力釋放率峰值位于工作面后方54～69 m，表明應力釋放率在工作面推進方向上具有明顯的滯后效應，可以作為判斷最佳的卸壓距離的依據(jù)。

提取圖7中1～3號鉆孔在2中煤層中的光纖光柵傳感器測得的應力釋放率峰值，建立2中煤層應力釋放沿工作面傾向的變化情況如圖10所示，橫坐標為工作面傾向距離。在工作面傾向方向上，2中煤層應力釋放率峰值從工作面兩側(cè)至中部呈對數(shù)趨勢增大，在工作面中部位置應力釋放率峰值最大。

圖10 2-2中煤層應力釋放率峰值沿工作面傾向變化規(guī)律

3.5 底板卸壓范圍

葫蘆素煤礦控頂距為7.8 m，以工作面液壓支架頂梁后端點為原點，由圖7中24個光纖光柵傳感器測得底板不同深度巖層應力釋放率達到10%時，工作面與底板深度的位置關(guān)系，獲得底板沿工作面推進的卸壓臨界線如圖11所示。底板深度25.5和25.75 m 處2中煤層應力釋放率超過10%，其走向的臨界距離為13.2 m。2煤與2中煤底板的間距為26.5 m，計算可得走向方向臨界卸壓角為63.5°。

圖11 走向方向卸壓范圍示意

在工作面傾向方向上，通過圖10擬合獲得應力釋放率峰值在工作面傾向方向的關(guān)系，計算可得距工作面邊界19.43 m處，應力釋放率峰值下降至10%，為傾向卸壓臨界位置，如圖12所示，可知2中煤傾向卸壓角為53.7°。

圖12 傾向方向卸壓范圍示意

4 討 論

(1)光纖測試技術(shù)?；贐OTDA的分布式光纖測試系統(tǒng)和光纖光柵測試系統(tǒng)獲得了底板煤巖體應力變化，受鉆孔變形和安裝工藝對光纖信號傳輸?shù)挠绊?，分布式光纖未能獲得全程曲線，表明分布式光纖傳感系統(tǒng)對測試環(huán)境和安裝工藝要求更高。光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果良好，表明系統(tǒng)穩(wěn)定性要優(yōu)于分布式光纖測試系統(tǒng)，在巖體局部變形監(jiān)測中表現(xiàn)更好。

(2)光纖測試結(jié)果比較。2者已有曲線的應力釋放率基本一致，但2者測量結(jié)果也存在一定差異。主要原因為2者傳感原理不同，分布式光纖測點和光纖光柵在巖層層位存在一定偏差所致。因此，深入研究分布式光纖和光纖光柵傳感系統(tǒng)在巖層變形監(jiān)測中植入、安裝、封孔工藝，以及現(xiàn)場精細化定位方法是保證光纖傳感系統(tǒng)測試精度的關(guān)鍵。

(3)底板破壞深度。將底板破壞深度計算值與光纖監(jiān)測得出的值進行對比，以應力釋放率超過10%為底板破壞深度考慮，見表3。底板破壞深度經(jīng)驗計算結(jié)果表明式(1)偏差最小，更適合該類地質(zhì)條件。

表3 底板破壞深度對比

(4)應力釋放率臨界值。保護層開采防治煤與瓦斯突出方面，保護層開采后，煤巖層應力減小，原生孔隙裂隙張開，被保護煤層透氣性增大，煤層瓦斯壓力降低，即可起到卸壓效果。防治沖擊地壓方面，被保護層應力減小程度較小時，其內(nèi)部仍可能存在大量的彈性能，只有當應力減小到一定程度時，才能有效起到卸壓防沖效果。因此，合理確定臨界應力釋放率對卸壓效果評價具有重要的影響。但臨界應力釋放率受被保護層力學性質(zhì)等因素的影響，仍需要深入研究。本文參考相關(guān)文獻，以10%的應力釋放率作為煤巖體產(chǎn)生卸壓的臨界值，通過對結(jié)果系統(tǒng)分析，應用于葫蘆素煤礦卸壓防沖效果評價較為合理。

5 結(jié) 論

(1)通過光纖傳感技術(shù)，實現(xiàn)(走向95.37 m、傾向128.47 m、垂向36.94 m)空間范圍內(nèi)保護層開采下伏煤巖體卸壓效果實時監(jiān)測，揭示了上保護層開采被保護層應力的時空演化規(guī)律。底板最大卸壓深度為30 m，2中煤走向方向卸壓角為63.5°，傾向方向卸壓角為53.7°。

(2)保護層開采下伏煤巖體應力變化可劃分為“原巖應力—應力集中—應力釋放—應力恢復”4個階段。應力集中階段位于工作面前方60 m左右，應力釋放階段位于工作面后方8～10 m以后區(qū)域，應力恢復階段位于工作面后方58～67 m以后區(qū)域。

(3)保護層開采底板巖層卸壓效果具有明顯的空間效應。峰值應力釋放率峰值位于工作面后方54～69 m處，垂直方向上應力釋放率峰值波動范圍為4.3%～71.6%，隨底板深度增大，應力釋放率呈負對數(shù)減小。

(4)底板破壞深度經(jīng)驗計算式(4)更適合該類地質(zhì)條件，提出了用10%的應力釋放率作為煤巖體產(chǎn)生卸壓的臨界值。葫蘆素煤礦將2煤作為保護層開采能夠?qū)?中煤起到卸壓作用。