分布式光纤技术在覆岩岩层运动监测中的应用

胡 涛， 滕 琳， 赵文忠， 孟祥谊

(1.齐鲁理工学院 土木工程学院， 济南 250200； 2.山东煤炭技术服务公司， 济南 250032； 3.章丘自然资源局， 济南 250020)

0 引 言

煤炭开采造成的岩层移动是一个“黑箱”，目前仅仅在控制原理上得到解释，达到“灰箱”程度[1]，虽然出现了很多在实践中一直指导生产的重要理论，如钱鸣高院士的砌体梁理论[2]和关键层理论[3]、宋振骐院士的“传递岩梁”理论[4]、姜福兴教授的“载荷三带”理论[5]等等，但是仍然不能达到在具体情况下准确确定各项参数的“白箱”要求，只能定性判断而难以定量确定。主要原因在于煤炭采出后，覆岩内部的岩层运动状态是看不见、摸不着的，只能间接借助其他手段通过特定的研究方式进行定性分析。当前采动岩层变形研究的手段主要有：经验公式计算和理论推导[6-7]、相似模拟物理试验[8-9]、数值模拟[11-12]、现场实测[13-15]。现场实际监测是当前煤矿生产中的主要手段，但是现场实测中采用工业电视内窥法、冲洗液遗失量法和电法等传统的覆岩变形现场监测方式很难定量和动态地监测岩层变形破坏的演化过程[16]，具有一定的局限性。

20世纪80年代,随着分布式光纤监测技术(Distributed Fiber Optic Sensing,DFOS)的出现和发展，在岩层中植入光纤网络，就像是在岩层中布设了能感知的神经网络[17]，“黑箱”中的岩层变形运动就可能会变为“白箱”问题，采矿中的岩层各种静态和动态参数就能准确得到。因此，采用DFOS监测受采动影响的岩层变形破坏逐渐成为研究热点。

我国学者首先对于采动覆岩变形造成的导水断裂带高度进行了详细的研究，张丹等[16，18]首次应用机械增强的紧套传感光纤在淮南矿区进行了基于布里渊时域反射技术(Brillouin Optic Time Domain Reflector, BOTDR)的导水断裂带高度的分布式光纤动态监测。Cheng[19]采用GFRP和3种不同的定点光纤进行了井下BOTDR导水断裂带光纤监测。Liu等[20]采用紧套光缆、定点光缆和5 mm钢绞线光缆对陕西的侏罗纪煤系地层导水断裂带进行了BOTDR的监测研究。张平松等[21]应用BOTDR采用5 mm钢绞线光缆对巷道断面空间岩层变形与破坏演化特征光纤监测研究。朴春德等[22]采用布里渊时域分析技术进行了覆岩变形和岩层离层监测研究。以上的分布式光纤现场实测证明了在岩层中植入光纤，能随采动实时地监测导水断裂带的动态发育规律。但是，对于受煤层采动，覆岩的整体破坏过程和其全周期运动规律的光纤应变测试研究鲜有报道。

为研究分布式光纤传感技术在覆岩运动变形监测上的有效性和可靠性，笔者以山西荫营煤矿为例，进行了受采动影响的覆岩运动的BOTDR现场监测。在工作面进风巷顶板打设钻孔，钻孔内埋设传感光纤，应用分布式光纤应变监测技术进行上覆岩层随工作面开采变形破坏运动规律的监测研究，以求掌握150313工作面15煤顶板岩层采动变形的运动规律，适时优化采矿设计，保证工作面顺利开采。

1 分布式光纤监测技术

DFOS是一种以光为载体,光纤为媒介,在空间和时间上连续感知和传输外界信号(被测量)的传感技术。因光纤本身由石英材料组成，因此，它具有防水防潮、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小、重量轻、纤细柔软易于布设等特点，被广泛应用于地质体和岩土工程的结构健康监测中，其中BOTDR是当前岩土工程现场应变监测主要用到的分布式光纤监测技术，它具有单端测试的优点：即使传感光纤破断，仍然可以监测到断点之前长度的光纤的应变变化，不受断点的影响；它还具有长距离(80 km)、高分辨率(1 m)的独特特点[16]，备受现场野外监测工作者的欢迎。BOTDR应变测试原理[23-24]如图1所示。

图1 BOTDR测量原理Fig. 1 Principle of BOTDR strain monitoring

光纤应变与光纤中的背向布里渊散射光的频率成线性关系。布里渊散射光与其他散射光相比的另一个突出优点是它的频移变化量与温度相关性比应变的相关性要小得多(0.002 %/℃)，因此，当测量与应变相关的布里渊频移时，如果温差小于5 ℃时，常忽略温度对布里渊频移的影响[23]。现场井下通过钻孔布设光纤进行测试时，钻孔内岩石的传导性能差，测试期间温度变化不会超过5 ℃，因此，井下测试中，可忽略温度变化因素，通过式(1)可以获得光纤应变[24]为

(1)

式中：vB(ε)——某应变下的布里渊频移；

vB(0)——无应变下的布里渊频移；

Cε——应变比例常数；

ε——应变量。

本次实验的BOTDR分析仪器选用国产中电科思仪公司的AV6419，外观如图1a所示。本次现场实际测试中，选用的参数见表1。其中s为测量量程，l为采样间隔，t为脉冲宽度，n为累加次数，f1为初始频率，f2为终止频率，f为频率间隔。

表1 现场测试中BOTDR参数的设置

2 上覆岩层运动的分布式光纤监测

本次现场试验，在煤矿工作面进风巷顶板向采场覆岩层内施工钻孔，借助PVC管，在钻孔内注浆埋设传感光缆，随工作面采动覆岩变形运动的BOTDR进行实时监测。此时，光纤与所埋设的岩层耦合协调变形。由于光纤应变是其单位长度变形量，当岩层破裂产生大量内部微小裂缝时，光纤受到裂缝的拉伸作用，产生拉应变，应变与裂纹大小成正比；当埋设光纤的岩层产生离层，离层位置光纤出现应变峰值；当岩层发生垮落，若造成垮落位置光纤的破断，则相应的光纤应变信号消失。因此，根据岩层中埋设光纤的应变变化，可以进行岩层运动状态的反演。

2.1 工程背景

荫营煤矿位于山西沁水煤田的东北部，主采15号煤。150313工作面采用综合机械化放顶煤工艺，全部垮落法管理顶板。工作面南北向布置，走向长980 m，斜长228 m，进、回风巷道各一条，回风巷道东侧为上一个采面的采空区，进风巷西侧为下一个未开采工作面的实体煤，顶底板岩性情况见图2。

图2 光纤布置及煤层顶底板岩层柱状Fig. 2 Optical fiber layout and roof and bottom rock formations

15号煤的直接顶板为厚度较大的K2灰岩复合顶板，它由3个分层组成；基本顶为泥页岩和粉砂岩层的复合顶板；上覆中粒砂岩层和细砂岩层作为15煤顶板的首个复合亚关键层。

2.2 监测系统构建

总结前人的研究成果和文献资料，选定5 mm钢绞线(SS)光缆作为主要测试光缆，2 m 定点(FP)光缆作为备用光缆，采用钻孔注浆布设方式植入覆岩层内，如图2所示。

(1)在150313工作面进风巷698排和697排W钢带之间垂直工作面推进方向，靠近工作面的煤壁上顶角打设一个仰角45°、φ60 mm、70 m长的钻孔，如图3a所示。

(2)将5 mm钢绞线(SS)光缆绑扎在φ40 mm的PVC管的外壁，保持光纤绷直。在PVC管的首个端头，将SS光缆和2 m定点(FP)光缆熔接在一起，熔接部位用坚硬的锥形外壳进行保护，并将2 m定点光纤绑扎在PVC管的另一侧，如图3b、c所示。

(3)带有光纤的PVC管全部送入钻孔后，用封堵器封堵钻孔孔口，防止PVC管滑出。再向钻孔内泵注混凝土浆，直至PVC管有浆液流出为止，如图3d所示。

(4)注浆封孔后，把传感光纤妥善放置到安全的位置，并将其熔接到巷道内的通讯光纤上，再将通讯光纤布设到监测地点：大巷配电室。整体BOTDR的分布式光纤顶板岩层变形监测系统配置如图4所示。岩移观测钻孔长70 m，倾角45°。

图4 BOTDR顶板岩层移动监测系统Fig. 4 Roof strata movement monitoring system of BOTDR

2.3 现场数据采集

混凝土注浆封孔后4个月，150313工作面开始回采，此时距离钻孔300 m，进行BOTDR应变测量的初始化测量。当工作面超前钻孔100 m时开始应变数据的采集；当工作面离监测位置较近时，数据密集采集，频率为每天1～2次。共采集到40组现场数据，监测范围为-80～10 m。

3 监测结果分析

定义正应变为拉应变、负应变为压应变、无特殊说明，文中光纤应变为减除初始应变数值的光纤相对应变。SS光缆和FP光缆在钻孔中熔接成一个完整的光纤环路，定义从SS光缆到FP光缆为测线①，从FP光缆到SS光缆为测线②，如图2所示。两个线路的控制通过光开关实现。

通过图2布设方式，光缆通过钻孔注浆锚固就与覆岩层耦合到一起。当埋设光缆的覆岩层从发生裂纹，到产生裂缝，再到破裂，最后到岩层块体破断时，发生断裂位置的光纤受到拉伸量逐渐增大，光纤应变逐渐增大[25]；正如煤层开挖的相似模型试验结果[8]，在光缆没有破断的条件下，光纤应变变化与覆岩岩层的破裂程度是呈现正比例关系的连续变化过程，光纤应变变化反映覆岩岩层的运动强度。

3.1 传感光纤在井下空间位置的标定

为达到光纤应变精确反演特定层位岩层变形破坏的规律，首要工作是进行光纤三维空间位置的精确标定，通过热敷法进行光纤位置的精确标定。为此，在钻孔孔口位置的SS光缆上热敷1.5 m长的热敷贴，热敷长度的中点位置距离孔口标定位置为4 m，如图5所示。

图5 井下光纤热敷法位置标定Fig. 5 Location calibration of downhole optical fiber hot deposition method

热敷贴0.5 h后，开始通过BOTDR对整条监测光纤线路进行应变测试，测线①和测线②分别测试2遍，一组光纤应变变化曲线如图6所示。其中，钢绞线光纤到定点光纤方向的光纤长度为l。

由应变曲线峰值点得到测线①的初始孔口位置为光纤长度1 181.32 m处；测线②的SS光缆孔口初始位置为光纤长度1 346.9 m处，再根据钻孔长度和送入钻孔光纤的长度，可得到精确孔口端的光纤位置，以及光纤和不同岩层层位的对应位置。

图6 热敷法光纤空间位置的煤矿井下标定Fig. 6 Spatial position calibration of optical fiber in coal mine

3.2 钻孔光纤应变分布及变化特征

钻孔内注浆锚固的光缆的光纤应变主要反映了顶板竖直高度49.49 m以内的覆岩变形特征，包括了直接顶、基本顶和最近的一层关键层，如图2所示。

3.2.1 ①号测线方向的应变变化

图7为①号测试线路的应变分布曲线，它的监测顺序为由孔口初始点的SS光缆到孔底，转换到FP光缆，再由FP光缆到孔口。

由图7可见，孔深10 m之内在顶煤、伪顶和直接顶位置的光纤在工作面接近的时候，受超前支架挠动、顶煤垮落作用和巷道收敛作用的综合影响，应变曲线在-8×10-6～+5×10-6之间波动，变化复杂；FP光缆应变曲线变化长度段基本与SS光缆一致，但是FP光缆应变变化多呈现不规则的锯齿状曲线。文中主要探讨孔深在10 m以上SS光缆的应变变化，揭示顶板岩层的运动情况。

图7 ①号线路光纤应变曲线Fig. 7 Strain curve of optical fiber of line ①

(1)整体应变曲线在工作面通过钻孔之前呈现接近初始应变状态。

(2)9月7日工作面通过钻孔，SS光缆应变曲线在距离孔口孔深30～40 m位置出现2个2×10-6的小双峰。

(2)9月8日工作面通过钻孔4 m后，SS光缆在孔深10 m到孔深25 m处保持初始应变状态，由25 m开始到距离孔深51 m的深度内出现一个峰值2×10-5的多级凸台曲线，峰值位于孔深35 m处；在孔深40～51 m之间SS光缆应变曲线保持在1×10-5的平台曲线区段，从孔深51 m开始应变迅速减小到孔深63 m时的初始应变状态，并一直到孔底。

(3)9月9日，工作面通过钻孔7 m后，应变曲线基本同9月8日，只是SS光缆位于孔深35 m的位置最大峰值拉应变达到3.24×10-5，一级2×10-5的应变平台位于孔深40～51 m内，二级1×10-5的应变平台位于孔深53～63 m内，从孔深63 m开始光纤应变逐渐减小到孔底处的初始应变值。

(4)9月10日上午，工作面推过钻孔9 m后，SS光缆在孔深12 m处应变突然拉升，到18 m孔深位置光纤应变达到一个3×10-5的拉应变平台，峰值位于孔深35 m处，达到4.173×10-5，然后平台维持到孔深51 m处时，光纤应变信号终止；9月10日晚上11点，SS光缆在孔口5 m内出现一个-5×10-6的压应变峰值区间，然后迅速转换为拉应变，在孔深8～10 m的位置达到5×10-6，随后突然应变信号消失。

3.2.2 ②号测线方向的应变变化

图8为②号线路FP光缆到SS光缆的应变变化曲线。可见在9月10日前应变变化同①号测线。

图8 ②线路光纤应变曲线Fig. 8 Strain curve of optical fiber of line ②

(1)9月10日上午, SS光缆在距离孔口7 m处失去应变信号，在孔深5～18 m之间保持2×10-5的小平台，在孔深18 m的位置应变突然拉升到3×10-5的平台，峰值出现在距离孔口35 m处，

其他变化同测线①的应变变化，只是53～63 m的应变数值增加的很小。定点光缆在9月10日前同测线①，9月10日上午，在孔深5 m的位置，光纤应变突然拉升到1×10-5以上的锯齿平台，到孔深10 m位置后光纤应变拉升到2×10-5的锯齿平台，一直保持到孔深42 m的位置；在孔深42～55 m之间有一个1×10-5的锯齿曲线平台；在距离孔底15 m的范围内出现一个最大5×10-6的不规则曲线平台。

(2)9月10日晚上11点，工作面通过钻孔10 m的时候，FP光缆在孔口位置应变突然拉升，急速飙升到孔深5 m处的5×10-5，然后维持此应变高度，在孔深8 m突然回落到零应变状态，明显表明FP光缆在5～8 m孔深位置受到强烈的拉压转换作用，最后也是被剪切破坏。

4 顶板岩层的采动运动规律

前文所述，SS光缆与岩层的耦合性较好，应变层次明显，能更准确地反映岩层运动规律。综合2个测线方向，将①号测线SS光缆的应变变化曲线、反方向②号测线SS光缆应变变化曲线和顶板岩层柱状图对应起来，得到不同层位岩层的岩层变形、移动情况，如图9所示。工作面通过钻孔之前，顶板岩层内光纤整体应变呈现初始应变状态，说明在坚硬且厚度较大的灰岩、砂岩顶板的保护下，覆岩岩层受到超前支撑压力作用较小，小于覆岩的抗压强度，没有造成覆岩层的破坏变形。

图9 钢绞线光纤在①、②号测线的应变曲线地层对比Fig. 9 Stratigraphic comparison of strain curve of steel strand optical fiber in line ① and line ②

9月7日，工作面通过钻孔，②③号顶板岩层内光纤出现轻微的拉应变，表明光纤位置下伏的K2灰岩直接顶已经开始分层垮落，造成光纤位置岩层成为悬臂梁状态，岩层内开始裂隙发育，并与上覆岩层之间有轻微离层，如图10a所示。

而①号K2灰岩复合顶板岩层内的光纤没有出现明显的拉应变变化，说明顶板岩层首先在采空区中部分层垮落，受实体煤夹持，至少孔深27 m内，即进风巷煤壁内侧工作面方向19.1 m距离内的光纤位置的顶板岩层保持悬臂状态，K2灰岩的上分层超过极限强度，在工作面中部至少距离进风巷19.1 m以外垮落。

9月8日，在②泥页岩和③细粉砂岩层中的光纤出现一个峰值曲线，2×10-5峰值点在②泥页岩层，说明此段岩性较软的岩层内的光纤受拉强烈，②号岩层垂直位移比较大，它和③号细粉砂岩岩层的离层较大；同时，③号细粉砂岩层中的光纤形成1×10-5的拉应变平台，表明其发生垂直断裂，整体形成砌体梁，光纤位置岩块处于旋转下沉的砌体梁的关键块B；更上位的④中粒砂岩岩层中的光纤应变逐渐减小为初始应变状态的曲线，表明它是岩性较硬的亚关键层，受重力作用和采动应力的作用，处于悬臂梁状态，有轻微的挠度弯曲变形；⑤号细粒砂岩层中的光纤则保持应变状态，表明该层岩层受到的采动应力影响很小。此时，光纤位置切面岩层变化如图10b所示。

9月9日工作面通过钻孔7 m后，光纤应变反映的岩层运动分为5个阶段，①号K2灰岩层基本保持初始围岩稳定状态；②泥页岩层旋转下沉位移增大，和上覆③号岩层的离层加大，岩层中的光纤应变峰值由2×10-5抬升到3×10-5；③细粉砂岩层中的光纤应变由1×10-5应变平台曲线抬升到2×10-5,表明此时③岩层受重力和采动应力影响，旋转下沉位移增大；④号中粒砂岩层中的光纤应变也形成1×10-5的应变曲线平台，表明④号岩层也已垂直断裂形成砌体梁结构关键块B,内部也是裂隙发育；光纤应变表明⑤及更上覆岩层则处于悬臂梁状态，如图10c所示。

图10 光纤切面岩层变形Fig. 10 Schematic of rock formation deformation on fiber-optic section

9月10日上午工作面通过钻孔9 m，应变曲线除了表明②号泥页岩层垮落继续增大外，①～③中的光纤应变都表现为3×10-5的应变平台曲线，表明这3层岩层由前期的旋转沉降转为平移下沉或者倒转下沉(图中垂直箭头的岩块)，原来未断裂悬臂梁岩层发生2次破断并形成新的关键块B(图中水平箭头的岩块)。造成3层岩层中的光纤受到岩层垮落的拉伸作用，应变变化增大；光纤应变曲线的断点显示，岩层垮落后，在①K2灰岩层下部和③细粉砂岩层上部的岩层分层处，光纤受到岩层的水平方向作用力的挤压；结合②号测线测试结果：此时④号中粒砂岩层的光纤应变变化没有随工作面开采出现较大的变化，④号岩层变形很小，表明④号岩层受到前期下伏垮落顶板的强力支撑，形成稳定的砌体梁结构，该岩层内光纤部位处于采空区的重新压实区，图10d中红色双点虚线框所示。上覆⑤号岩层保持原岩状态也说明这个现象。

9月10日夜晚测试中，①号测线中光纤断点的位置同9月10上午②号测线的断点位置：K2灰岩岩层的下部，表明了此位置光纤受到破碎岩块重力作用和水平剪应力作用下弯折过大，光损过大造成。

从光纤应变整体变化和地层对比图10可以得出，工作面未通过钻孔时，光纤呈现初始应变状态，岩层处于原岩稳定状态。工作面通过钻孔2 m时，受下伏顶煤和部分直接顶板的垮落影响，未垮落的顶板呈现悬臂梁状态，受重力和采动影响裂隙发育并和上覆坚硬岩层有离层现象，造成光纤出现拉应变变化；工作面工作钻孔5 m后，②③岩层变为砌体梁状态，光纤位置的岩层为关键快B，关键块B整体旋转下沉，由于岩石性质不同造成②与③号岩层离层，且②岩层断裂旋转下沉的位置为光纤位置，因而造成光纤应变峰值，且形成③号岩层的应变平台曲线，④号坚硬岩层轻微离层的悬臂梁状态；工作面通过钻孔7 m后，②③岩层旋转下沉加剧，④号岩层光纤位置岩块断裂转变为砌体梁的关键块B。工作面通过钻孔9 m后，②③岩层砌体梁的关键块A(或者未断裂的原岩悬臂梁岩块)产生2次断裂，关键块B由旋转下沉转为平移或者反转下沉而转变为砌体梁的关键块C，形成采空区的重新压实区。光纤受到二次破断影响区域较大，造成①～③号岩层内光纤应变都大幅度抬升。以后在新形成的关键块B的剪切作用下，造成光纤应变信号消失。

整体光纤应变现场测试结果符合传统采煤矿压理论的砌体梁假说，表明砌体梁的关键块破断是从采场中央向两侧煤柱的动态演化的发展过程，最终形成横三带和竖三带。

5 结 论

(1)覆岩采动变形运动、破坏范围逐渐由采空区中央向两侧煤柱移动。采空区顶板岩层存在两种形态和两种运动状态。光纤应变结果表明，随工作面推进，采空区顶板岩层首先在采空区中部断裂垮落。采空区顶板岩层存在悬臂梁和砌体梁两种形态，存在旋转沉降和平移(或反转)下沉两种运动状态。

(2)采空区顶板采动变形存在3个阶段，初期随下伏软弱岩层垮落，顶板岩层以悬臂梁状态的旋转下沉为主；中期，随工作面推进悬臂梁状态的岩层块体发生垂直断裂形成砌体梁结构的关键块B,破断块体旋转下沉；后期，砌体梁的关键块B由旋转下沉变为平移(或者反转下沉)下沉的关键块C。

(3)现场试验结果表明，利用BOTDR单端测试的优点，可以在钻孔内把光纤布设为一个回路，通过光开关转换从两个方向进行监测，不仅起到双保险的作用，而且在一个方向光纤的光损量较大而无信号时，可以从另一个方向获得应变信号，保证测试成活率。BOTDR的分布式光纤监测提供了一种实时、动态监测覆岩运动状态新的监测方法，试验结果符合传统采煤理论。