采动覆岩全场变形演化过程分布式光纤监测研究

朱 磊，古文哲，柴 敬，马 哲，秋丰岐

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

煤炭开采会产生大量矸石，不仅占用大量土地，而且还易自然发火，将矸石异地处理又会额外增加生产成本[1-3]。相关研究表明，将矸石通过地面钻孔充填至垮落带和裂隙带，可避免矸石山自然发火，节约成本并减缓地表沉降。为合理确定矸石充填量、充填时间和充填位置等关键参数，需研究覆岩全场变形移动时空演化规律，获取“导水裂隙带”发育高度，掌握岩层破断角发育演化特征。

由于相似模型试验具有监测可视化、费用低、简单直观等优点，众多学者[4-7]通过此方法开展了垮落带和裂隙带发育规律的研究。王新丰[4]等通过土压力盒、布置位移测点等方式得到厚煤层覆岩变形呈现非线性和不连续性的结论；张军[5]等通过位移计和拍照的方式，分析了采空区顶板断裂、离层、下沉、裂隙分布及延伸特性；贾明魁[6]通过布设应变片、位移测点等方式，研究了深埋薄基岩厚覆盖层条件下采场上覆岩层破坏、运移演化规律，确定了垮落带和导水裂隙带的高度；苗磊刚[7]等通过应变片和全站仪，得出大采高工作面垮落带发育高度约为采高的4.2倍，裂隙带发育高度约为采高的16倍。

目前，相似模型试验采用的如土压力盒、百分表、应变片、光纤光栅等测试技术，均为依靠单测点来反推模型全部情况，容易遗漏局部变形较大区域，不能准确和详实地反映测试结果。

分布式光纤传感器具备长距离、实时分布式监控等特点，众多专家学者已将其应用于边坡、隧道、巷道、基坑等工程物体的结构稳定性和变形监 控[8-15]。王宝军[16]、李科[17]等将分布式光纤传感技术(BOTDR)应用到了宁淮高速公路边坡监测和黏性土体的压缩变形监测工作中；钱振东[18]等将分布式光纤铺设在预设的沥青混凝土裂缝中，测试了分布式光纤在裂缝监测中的性能。在模型测试方面，柴敬[19-21]等将分布式光纤传感技术(BOTDA)应用于相似材料模拟试验中，用于监测岩层变形破坏过程和温、湿度变化；张丁丁[22]等将分布式光纤用于监测采动断层活化特征研究；黄森林[23]等开展了分布式光纤在相似模型试验中的铺装与定位研究。综上，将分布式光纤传感技术应用于相似模型试验中，可以有效地监测覆岩全场变形动态演化过程及规律。

本文以龙王沟煤矿61601综放工作面为背景，开展了相似模型试验。将分布式光纤预埋在物理模型中，研究了覆岩全场变形动态过程及规律。试验结果对分布式光纤传感技术在物理相似模型中的应用和采场覆岩变形移动规律的研究提供了参考。

1 分布式光纤传感技术

布里渊光时域分析技术(BOTDA)需要在光纤一端注入脉冲光，另一端注入连续光。当温度或应变引起的布里渊频率变化量与2束光之间频率的差值相等时，连续光的一部分能量会转移至脉冲光。通过仪器采集连续光的频率变化值，就能够得到温度或应变的变化。BOTDA测量原理如图1所示。

图1 BOTDA测量原理Fig.1 Measurement principle of BOTDA

布里渊频率变化值与应变和温度的关系式为

式中，υB(ε，T)为有应变或温度变化时光纤布里渊频移的漂移量；υB(0)为初始光纤布里渊频移的漂移量；ε为传感光纤的轴向应变量；T-T0为外界温度的改变量；dυB(ε)/dε为应变灵敏度系数；dυB(T)/dT为温度灵敏度系数。

2 BOTDA室内监测模型试验

2.1 试验概况

龙王沟煤矿地处我国内蒙古自治区鄂尔多斯 市，主采6号煤层，平均埋深412 m，平均厚度22.3 m，倾角在5°左右，为近水平煤层。现场采用放顶煤开采，全部垮落法处理采空区。本次试验以河沙、石膏和大白粉作为原料，通过不同配比模拟不同的岩层。模型尺寸为3.00 m×0.20 m×1.35 m(长×宽×高)，模拟煤层底板厚度0.04 m，煤层厚度0.07 m，上覆岩层厚度1.24 m。模型左右各留设0.25 m煤柱，开切眼宽度为0.1 m，模拟工作面推进长度为2.4 m，每次开挖0.04 m。模型的几何相似比为1∶300，容重相似比为1∶1.56。61601工作面地表有丘陵起伏现象，模型中以平面处理。其覆岩结构参数见表1。

表1 覆岩结构参数Table 1 Structural parameters of overburden

2.2 分布式光纤测试系统

测试系统由数据采集仪、计算机以及分布式传感光纤组成。NBX-6055光纳仪与计算机均由日本Neubrex公司生产，用于信号的采集与解调。传感光纤采用2 mm直径单模光纤，用于信号的感测与传输。在模型材料铺装过程中沿工作面走向预埋设7根垂直传感光纤，分别命名为H1～H7。光纤H1和H2，H3、H4和H5，H6和H7每2根光纤间距均为50 mm，其中H1距离模型左侧800 mm，H3距离模型左侧1450 mm，H6距离模型左侧2150 mm。水平光纤L1和L2分别距离模型底部250 mm和650 mm，并且分别位于模型亚关键层和主关键层。光纤铺设时施加一定预应力，避免相似材料铺设压实过程中光纤弯曲造成定位困难，同时保证与模型的耦合性良好，能够协同变形。传感光纤布置如图2所示。传感光纤总长32.46 m，温度标记定位点为T1，T2，T3，如图3所示，T1位置水域加热后，光纤的布里渊频移显著增加。此外，由于实验室温度与模型内部温度存在一定差异，传感光纤同样对温度敏感，在模型不受开采扰动的边界煤柱内预埋光纤用于温度补偿。

图2 传感光纤布置Fig.2 Layout of optical fibers in the model

图3 温度定位曲线Fig.3 Temperature location curve

为精准获取内部岩层变形信息，本次试验设定了NBX-6055光纳仪的主要技术性能指标，见表2。

表2 覆岩变形监测中NBX-6055的主要技术性能指标Table 2 Major technical performance indices of NBX-6055 during overburden monitoring

3 试验结果及分析

3.1 光纤应变

3.1.1 垂直光纤应变

工作面第22次开挖完成后，光纤H1和H2受力过大被拉断。为获得工作面在靠近光纤、穿过光纤和远离光纤全过程中光纤应变变化规律，故本次不讨论H1和H2光纤测试结果。H3光纤应变变化曲线如图4所示。H4～H7应变曲线特征与H3基本一致。

图4 H3光纤应变曲线Fig.4 Strain curves of H3 optical fiber

当工作面距离光纤较远时，上覆岩层垮落形成的变形场范围未影响到H3光纤。当工作面第25次开挖完成，距离H3光纤30 cm时，该根光纤首次受到变形场的影响。随着工作面不断推进，变形场不断靠近光纤，应变曲线变化段高度和应变随之增大。当第31次开挖完成，H3光纤位于工作面正上方，模型高度40～90 cm位置处光纤应变显著增大，形成明显的凸台。如图5(a)所示，此次开挖完成后，工作面上方形成新的“倾斜平行四边形”超前断裂区，裂隙以煤壁为起点倾斜向上发育至模型高度95 cm，工作面后方悬露岩层一次性垮落，正上方覆岩失去支撑产生变形导致位于其中的光纤受到较大拉力。第33次开挖完成后，光纤应变值显著减小，但变化段长度未有明显改变。原因在于随着工作面继续推进，H3正上方覆岩变形量继续增大，导致覆岩与光纤的耦合性降低，应力传递减弱，应变降低。

图5 模型垮落形态Fig.5 Model collapse morphology

第36次开挖完成后，模型高度41～65 cm处覆岩变形垮落，覆岩与光纤耦合性降低，导致该位置光纤应变降低，覆岩变形场继续向上发育，应变曲线峰值位置随之向上发育至模型高度90 cm左右。第41次开挖完成后，模型上覆岩层大面积垮落，在既有破断线前方形成新的覆岩破断线，应变曲线峰值发育至模型高度110 cm左右，如图5(b)所示。随着工作面继续推进，模型高度110 cm至模型顶部覆岩裂隙带破碎程度不断增大，应变曲线峰值不断降低。第47次开挖完成后，裂隙带发育至地表，如图5(c)所示。由图4(b)可知，应变大幅减小，曲线形状和大小基本保持稳定。

3.1.2 水平光纤应变

L2光纤应变规律与L1光纤相似，以L1光纤为例研究水平光纤应变规律。

由图6可知，从第14次开挖开始，水平光纤的应变-模型长度图呈现双峰型，左侧峰值位置几乎不变，右侧峰值位置随工作面推进不断向右移动，原因在于覆岩垮落后在工作面和采空区上方形成水平张拉裂隙，致使光纤受到点载荷作用，在裂隙张开位置光纤产生拉应力突变，导致光纤应变增大。双侧峰值位置分别与覆岩垮落形成的左、右侧破断线位置对应，表明水平光纤的双峰特征与覆岩垮落宽度相关。曲线左侧峰值较为尖锐，右侧峰值较为平缓。对比此时的岩层破断线可以发现左侧发育明显，纵向裂隙贯穿岩层，而右侧发育不明显。左侧岩层垮落前无明显变形过程，右侧岩层随着工作面推进先弯曲变形，到达极限跨距后破断垮落，且峰值大小呈周期性变化，在顶板垮落前瞬间变形达到最大值。

图6 L1光纤应变曲线Fig.6 Strain curves of L1 optical fiber

3.2 导水裂隙带高度发育演化过程

光纤应变与对应位置覆岩变形大小和覆岩与光纤的耦合性强弱有关。垮落带岩层在变形垮落后，其耦合性远远小于裂隙带和弯曲下沉带。因此在同一开挖距离下，光纤应变曲线在“三带”各自范围内相对稳定，而在交界位置附近由于岩层与光 纤耦合性的差异导致应变突变，垂直光纤应变曲线呈台阶状。在不同开挖距离下，曲线凸台位置的变化表明了垮落带和裂隙带的高度发育过程，据此可获得导水裂隙带高度在工作面推进过程中的动态变化过程，如图7所示。垮落带最终发育高度为0.76 m，裂隙带发育至地表。

图7 垮落带和裂隙带高度Fig.7 Height of collapse zone and fracture zone

3.3 岩层破断角发育演化过程

由图6可知，工作面侧破断角的变化相较于开切眼侧更为明显。随着工作面不断推进，处于采空区内的开切眼上覆岩层逐渐趋于稳定，而工作面附近覆岩受采动影响，不断发生破断垮落，破断角也随之变化。L1和L2光纤应变曲线左、右峰值对应模型位置的连线倾角分别代表了不同开挖次数下，开切眼侧与工作面侧破断角的大小，其测量及计算结果见表3。

表3 覆岩破断角的测量值与光纤计算值Table 3 Measured value and calculated value of optical fiber of overburden breaking angle

3.4 覆岩变形场动态演化过程

覆岩变形场随着工作面开挖不断向前移动，其大小和范围不断增大。根据岩土体变形试验，当材料出现裂隙时，其传感光纤所测的应变为600～1200με[11,17]。以1200με为临界值，得到覆岩变形场在垂直和水平方向的动态发育过程。

3.4.1 覆岩变形场垂直演化过程

通过垂直光纤H3的应变判断覆岩变形场沿模型高度方向的变化过程。工作面第28次开挖结束(开挖至1.47 m)后，覆岩变形场在垂直方向发育高度为0.96 m，如图8所示。统计不同开挖次数下，H3位置处覆岩变形场垂直发育高度如图9所示。变形场随着工作面的开挖不断向上发育，至第39次开挖时发育至模型顶部。

图8 第28次开挖结束H3光纤应变曲线Fig.8 Strain curve of H3 optical fiber after the 28th excavation

图9 H3位置覆岩变形场高度变化Fig.9 Height change of overburden deformation field at H3 position

3.4.2 覆岩变形场水平演化过程

通过水平光纤应变可以判断在模型中L1和L2光纤所处高度位置，岩层沿模型长度方向的水平移动变形状态。工作面第23次开挖结束(开挖至模型长度1.27 m)，L1光纤应变曲线如图10所示。在工作面前方0.32 m(模型长度1.27～1.59 m)范围，光纤受拉伸或剪切应力作用应变增大，由此得出开挖至1.27 m处，模型高度0.25 m(L1光纤所处位置)覆岩变形场超前影响范围为0.32 m。据此判断不同推进距离下，模型高度0.25 m(L1处)和模型高度0.65 m(L2处)的覆岩变形场超前影响范围，结果见表4。

图10 第23次开挖结束L1光纤应变曲线Fig.10 Strain curve of L1 optical fiber after the 23rd excavation

表4 变形场超前影响范围Table 4 Advance influence range of deformation field

从表4可以看出，L1和L2光纤位置处覆岩变形场影响范围先增大后减小。L1光纤位置处变形场最大影响范围为0.41 m，L2光纤位置处变形场最大影响范围为0.75 m。L2光纤位置处变形场影响范围整体大于L1光纤位置处，因为模型高度越高，岩层变形的范围越大。同时可以看出，模型的垮落形态为正梯形，但覆岩变形场的发育形态为倒梯形。

4 结论

(1) 垂直光纤在岩层破断前变形值最大，应变曲线呈台阶状，凸台峰值大小代表覆岩变形破碎程度，凸台位置变化表明了垮落带和裂隙带高度的发育过程。垮落带最大发育高度为0.76 m，裂隙带发育至地表。

(2) 水平光纤受覆岩水平张拉裂隙作用，在不同开挖阶段呈现单峰状或双峰状。左右峰值位置分别与模型左、右侧破断线位置对应。峰值位置变化表明岩层破断角是动态变化的。由水平光纤计算覆岩开切眼侧破断角最大值为67.6°，工作面侧破断角最大值为65.8°。

(3) 通过光纤变形值可获得覆岩变形场动态演化过程。H3位置处覆岩变形场在第39次开挖时发育至模型顶部。L1位置覆岩变形场超前影响范围最大为0.41 m，L2位置覆岩变形场超前影响范围最大为0.75 m。