采動空間圍巖應力場研究范文

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《淮南職業技術學院學報》2017年第1期

［摘要］光纖自興起后，應用范圍廣泛，涉及軍事、煤炭、工程等各個領域；基于布里淵光時域反射計（BOTDR），以某礦為例，研究了采動空間圍巖應力場的變化，根據光纖的應變曲線得出在采動過程中圍巖的變形狀態，證明了光纖在采動空間中監測的可行性。

［關鍵詞］光纖；布里淵光時域反射計；圍巖；應變

1引言

目前，越來越多的學者、專家專注于研究采動空間圍巖應力場的變化，這對煤礦安全生產以及工程施工都有著重大的意義。目前國內外現場監測采動應力的主要技術有鉆孔應力監測技術、電磁輻射監測技術、微震測試技術、光纖傳感技術等。其中，光纖傳感技術是以光纖的導波現象為基礎，光從光纖射出時，光的特性得到調制，通過對調制光的檢測，便能感知外界的信息，從而實現對各種物理量的測量。在國際上，光纖技術是70年代后期才迅速發展起來的，而在巖土工程及土木工程領域中的應用是在90年代以后才開始興起。光纖傳感技術包括有光纖光柵、瑞利散射光時域反射、喇曼光時域反射、布里淵光時域反射等。本文基于布里淵光時域反射，以某礦為例研究了采動空間圍巖應力場的變化，驗證了光纖在采動空間中監測的可行性。

2BOTDR的技術簡介

2．1BOTDR的原理

布里淵光時域反射計，簡稱BOTDR（BrillouinOpticalTime－DomainReflectometer），它是建立在布里淵散射光的特性的基礎之上進行檢測與監測的。布里淵是由光子與光纖內彈性聲波場低頻聲子的相互作用而產生的，其頻率與入射光相差幾十吉赫茲，散射光相對于入射光產生頻移，頻移變化量與光纖所受的軸向應變和溫度變化呈線性關系。

2．2BOTDR的特點

BOTDR相比較于傳統的光纖傳感器，具有明顯的優點。其體積小，質量輕，電絕緣性好，抗電磁干擾能力強，抗生物化學腐蝕，防水防潮，易彎曲耦合性好，穩定性好，分辨率高，可以達到30με／1°c，測量距離長，覆蓋面積大，可以實現全分布式測量，同時容易實現對被測信號的遠距離監控，是一款集傳播和感應于一體的功能型光纖傳感器。

3工程案例

3．1監測系統的構建

某煤礦的煤層回風上山（簡稱煤上山）監測斷面的鉆孔剖面圖。該斷面共包括3個監測孔，其中1＃孔為仰孔，仰角40°，方位角97°，設計孔深100m，實際安裝深度為100．8m；2＃孔為俯孔，俯角－40°，方位角97°，位于巷道底板，設計孔深為100m，光纜實際安裝深度為97．3m；3＃孔為近水平孔，傾角為＋6°，設計孔深為100m，實際安裝深度為80．3m。由鉆孔資料可知該斷面巖性主要為細砂巖和砂質泥巖。孔中裝有鋼繩式光纜，通過鉆孔注漿，使傳感光纜和圍巖耦合為一體，確保二者協調變形。監測鉆孔相關測試系統于2014年1月14日全部安裝完畢。儀器監控站位于鉆孔后20m處，并對測試電纜進行了有效保護。待鉆孔中水泥漿固結后，開始進行數據采集，現場采用布里淵光時域反射光纖應變／溫度測量儀AV6419采集數據。該斷面每天推進5～6m，監測時間跨度為2014年3月7日至2014年5月17日，在這兩個多月時間內，一共進行了13次定期監測，分別為3月27日、3月29日、3月31日、4月3日、4月5日、4月7日、4月9日、4月11日、4月12日、4月14日、4月19日、4月27日、5月17日，并將2014年3月7日監測值作為觀測初始值，為后期的監測數據提供對比依據。通過測量光纜的應變分布及變化情況，得到圍巖相應方向上的應變分布及變化情況，進而分析圍巖應力場的分布特征，為采動條件下采場周邊頂板圍巖應力分布規律的研究以及頂板支護提供依據。

3．2數據結果與分析

通過數據整理，得到傳感光纜在采動過程中的應變分布曲線，以煤上山斷面1＃仰孔傳感光纜的應變分布為例進行研究。整個監測過程的全部應變分布曲線，可以看出：每個時間段在相應位置上的應變趨勢整體上呈一致性，僅在幅度上有差異，應變范圍為－700～2300με。隨著開采時間的推進，同一孔深位置后期的應變大于前期的應變，說明后期的圍巖松動范圍在增大，圍巖裂隙逐漸加寬加長。從一天的監測記錄上看，不同孔深處的應變也不同。孔深4m范圍內出現壓應變，這與施工階段在孔口安裝的套管有關；除此之外，其他測點都幾乎呈現拉應變，且孔口至孔深19m、27m、45m和55m處拉應變較大。為了深入的研究采動空間圍巖應力場的變化，現觀察孔深分別為19m、27m、45m、55m和94m處傳感光纜應變隨工作面推進位置的變化曲線，見圖b。總體上可以看出：這5個測點在工作面停采之前（2014年5月4日左右）都呈現拉應變，且隨著工作面的推進，皆呈現線性增長的趨勢，這表明隨著工作面的推進，受超前支撐壓力和巷道收斂的共同作用，巷道圍巖產生較大的拉伸變形。

停采之后，在采動應力的作用下，采場圍巖產生蠕變變形。因此，各測點在停采之后的應變值都有較大增長。孔深19m測點的應變明顯大于其他4個測點，應變增長速率較大，其變形受巷道收斂的影響較大，而其他4個測點的應變主要受采動影響。另外，從距離工作較近的孔深45m和55m測點的應變變化曲線可見，圍巖的應變呈現階段式增加的變化規律，反映了工作面推進過程中，采動應力具有周期性變化的特點。結合此煤礦的地質資料，做出光纜應變分布與地層的對應關系圖，如圖3所示。由于主要受巷道收斂變形的影響，位于①處泥巖中的傳感光纜的拉應變值較大，在②處細砂巖的底部和上部分別存在較為顯著的拉應變區域，說明在相應層位出現了離層裂隙。另外，在②處細砂巖和③處泥巖地層界面附近具有階段性變形的變化特征，與工作面頂板不斷垮落，老頂周期來壓有關。除此之外，②處細砂巖的頂部和③處泥巖的底部，拉應變突變，增大到1500με，這說明軟巖與硬巖的層面附近可能出現了離層變形。④處的細砂巖都呈拉應變狀態，但變形量較小，說明此處只產生細小裂隙，總體比較穩定。在⑤處泥巖的底部，光纖存在拉應變區，隨工作面推進，拉應變值緩慢增大，反映出在超前支撐壓力的作用下⑤處泥巖的底部出現離層裂隙。

4結語

通過案例分析可見，應力的大小及性質與地層的巖性、組合關系、至工作面的距離以及深度等因素有關。采用分布式傳感光纜可以得到工作面推進過程中，煤層頂板圍巖的變形特征及其變化規律，為采場空間的應力場、變形場的分析提供了依據。由于光纖的優越性，可以預見在以后很長一段時間，光纖的應用范圍會越來越廣。同時光纖安裝的施工工藝、測試精度以及數據處理軟件的完善等在以后都會有更進一步的發展。

參考文獻：

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作者：許華麗 單位：安徽理工大學地球與環境學院