光纤传感技术在煤层采动覆岩变形监测中的应用

陈超CHEN Chao

（淮北矿业集团杨柳煤矿，淮北 235119）

（Yangliu Coal Mine of Huaibei Mining Group，Huaibei 235119，China）

0 引言

煤层的开采过程中易引起上覆岩体变形。目前，主要通过离层指示仪、钻孔全景摄像、钻孔高密度电法等方法进行监制，但是均无法做到实时监测，也很难做到定量分析。光纤传感技术具有长距离、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小、重量轻等优点，可以全面实现采场变形监测，研究采动条件下覆岩变形的变形规律，为瓦斯治理、矿压防治、离层水害防治及顶底板管理等工作提供参考依据。

1 光纤传感技术下的覆岩变形监测技术

1.1 布里渊散射原理的分布式光纤传感技术 利用反射布里渊光进行传感的BOTDR 是一种最为常用的光纤应变检测技术，当光纤中注入脉冲激光会发生各种散射现象，其中布里渊散射光时域的中心频率与光纤的应变状态相关，该技术就利用该原理进行传感。当光纤沿线发生轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光频率的漂移量与光纤应变呈良好的线性关系：

式中，ε 为应变值；vB（ε）为应变是ε 时布里渊光频移变化量；vB（0）为自由状态的布里渊光频移变化量；dvB（ε）/dε 为比例系数，约为0.05MHz/με。通过测量光纤中的背向布里渊散射光频率的漂移量，就可获得光纤的连续应变值，并可通过测试反射光与脉冲光间的时间差进行定位。

1.2 覆岩变形监测原理如图1 所示，在未开采煤层上方围岩中竖向布设一钻孔，植入应变感测光缆，当开采工作面逐步向监测孔靠近时，采场的影响圈也逐步靠近监测孔，并在不同高度位置有着不同形式的变形，通过光缆即可捕捉其整个开采过程中上覆岩体的变形规律。

2 杨柳矿地层概况

淮北矿业集团杨柳煤矿回采二迭系山西组10 煤层，其10414 工作面平均埋深为611m，厚度为3.5m。煤层上覆两层岩浆岩，为瓦斯治理、矿压管理、离层水害防治，需要对上覆岩层采动实现全面监测。

3 监测结果及分析

3.1 上覆岩体整体变形规律 光纤植入钻孔（R414-1）注浆完成后一个月进行了初始值采集，设计从数据采集从工作面推进离监测孔位约100m 处进行，待工作面推行过后100 米结束，此段时间每天采集两次数据，取一次进行分析。实际采集是从2012 年3 月27 日开始，监测孔位离工作面约80 米，直到10414 工作面开采结束，过监测孔约40 米与5 月21 日停采，监测延后到2012 年5 月28 日，并在6 月16 日又进行了一次测量。

由图2 可见，不同类型的感测光缆在测试过程中表现出不同形式的应变分布式特种，表现出此孔周围岩体在开采过程不同尺度空间上的变形规律：

①光缆其监测数据整体来说，起伏较大，拉和压交错分布，尖峰密布。其值反映岩体微小尺度上的变形规律，能够将各层岩层的变形量及层面间的变形量进行分离，能真实反映岩体受荷载大小及性质，能在离层发生的前期捕捉到其发展过程。一旦离层发生后，会在局部产生很大的微应变，将会超过光纤测变形测量范围，很快光纤将被拉断，以下部分光缆将失效。②当开采工作面距监测孔（R414-1）较远时，煤层顶部0～130m 范围内岩体受上部岩体和自身重力作用，该部分岩体应变逐渐减小，而呈现受力不断压缩状态；随着工作面的不断推进，该部分岩体受重力作用，压缩作用逐渐减小，最终呈现拉伸状态，拉伸变形量不断增大。结合实际地层，可以看出下火成岩为岩体受力状态分界标志。下火成岩上部岩体，受自身重力作用，只发生拉伸变形；下火成岩下部岩体在煤层开采过程中，先受压变形后呈现受拉变形，其应力状态不断发生改变。

3.2 采动引起的覆岩变形和离层分析 由图3（a）可知，回采工作面通过监测孔之前，由于受上覆岩层的支撑作用，监测孔受压应力作用，其特征为由断裂带顶部开始，应力随工作面与监测孔之间距离的减小而逐渐增大，并在埋深490m 处其应力值变为最大，其上应力变为零。说明采动引起的矿压显现主要分布在断裂带顶部与埋深490m之间。当工作面距监测孔8.3m 时，受采动影响而裂隙带顶部至埋深513m 之间出现拉应力，在闪长岩之上覆岩恢复为压应力。由图3（b）中可知，回采工作面通过监测孔之后，由于没有了上覆岩层的支撑作用，覆岩受力由压应力变为拉应力，并在矿压及自身重力作用下产生裂隙、冒落及离层等现象，使传感光纤底部20m 范围内测试数据杂乱，因此本文选择了地面到520m 范围内监测数据。根据岩土体变形分布式监测室内实验，当岩土体出现裂隙张开时，其传感光纤所测的应变值约为800～1000με 之间。由图3可知，随着工作面推进，受采动影响而覆岩发生连续的变形，埋深分别在380m、490m 及513m 处出现应力集中现象。

4 结论

在煤层开采过程中，采用分布式光纤监测技术，可以实现上覆岩体变形监测；能有效反映出煤层开采过程中，上覆岩体的内部应力变化状态，达到对采煤过程上覆岩层监测。

[1]江先进等编著，王惠文主编.光纤传感技术与应用[M].国防工业出版社，2001.

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