采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力場(chǎng)研究范文

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《淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)》2017年第1期

［摘要］光纖自興起后，應(yīng)用范圍廣泛，涉及軍事、煤炭、工程等各個(gè)領(lǐng)域；基于布里淵光時(shí)域反射計(jì)（BOTDR），以某礦為例，研究了采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，根據(jù)光纖的應(yīng)變曲線得出在采動(dòng)過程中圍巖的變形狀態(tài)，證明了光纖在采動(dòng)空間中監(jiān)測(cè)的可行性。

［關(guān)鍵詞］光纖；布里淵光時(shí)域反射計(jì)；圍巖；應(yīng)變

1引言

目前，越來越多的學(xué)者、專家專注于研究采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，這對(duì)煤礦安全生產(chǎn)以及工程施工都有著重大的意義。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采動(dòng)應(yīng)力的主要技術(shù)有鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)、電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)、微震測(cè)試技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等。其中，光纖傳感技術(shù)是以光纖的導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ)，光從光纖射出時(shí)，光的特性得到調(diào)制，通過對(duì)調(diào)制光的檢測(cè)，便能感知外界的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理量的測(cè)量。在國(guó)際上，光纖技術(shù)是70年代后期才迅速發(fā)展起來的，而在巖土工程及土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用是在90年代以后才開始興起。光纖傳感技術(shù)包括有光纖光柵、瑞利散射光時(shí)域反射、喇曼光時(shí)域反射、布里淵光時(shí)域反射等。本文基于布里淵光時(shí)域反射，以某礦為例研究了采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化，驗(yàn)證了光纖在采動(dòng)空間中監(jiān)測(cè)的可行性。

2BOTDR的技術(shù)簡(jiǎn)介

2．1BOTDR的原理

布里淵光時(shí)域反射計(jì)，簡(jiǎn)稱BOTDR（BrillouinOpticalTime－DomainReflectometer），它是建立在布里淵散射光的特性的基礎(chǔ)之上進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的。布里淵是由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場(chǎng)低頻聲子的相互作用而產(chǎn)生的，其頻率與入射光相差幾十吉赫茲，散射光相對(duì)于入射光產(chǎn)生頻移，頻移變化量與光纖所受的軸向應(yīng)變和溫度變化呈線性關(guān)系。

2．2BOTDR的特點(diǎn)

BOTDR相比較于傳統(tǒng)的光纖傳感器，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。其體積小，質(zhì)量輕，電絕緣性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，抗生物化學(xué)腐蝕，防水防潮，易彎曲耦合性好，穩(wěn)定性好，分辨率高，可以達(dá)到30με／1°c，測(cè)量距離長(zhǎng)，覆蓋面積大，可以實(shí)現(xiàn)全分布式測(cè)量，同時(shí)容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，是一款集傳播和感應(yīng)于一體的功能型光纖傳感器。

3工程案例

3．1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

某煤礦的煤層回風(fēng)上山（簡(jiǎn)稱煤上山）監(jiān)測(cè)斷面的鉆孔剖面圖。該斷面共包括3個(gè)監(jiān)測(cè)孔，其中1?？诪檠隹祝鼋?0°，方位角97°，設(shè)計(jì)孔深100m，實(shí)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(shè)計(jì)孔深為100m，光纜實(shí)際安裝深度為97．3m；3?？诪榻娇祝瑑A角為＋6°，設(shè)計(jì)孔深為100m，實(shí)際安裝深度為80．3m。由鉆孔資料可知該斷面巖性主要為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖?？字醒b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(xié)調(diào)變形。監(jiān)測(cè)鉆孔相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)于2014年1月14日全部安裝完畢。儀器監(jiān)控站位于鉆孔后20m處，并對(duì)測(cè)試電纜進(jìn)行了有效保護(hù)。待鉆孔中水泥漿固結(jié)后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)采用布里淵光時(shí)域反射光纖應(yīng)變／溫度測(cè)量?jī)xAV6419采集數(shù)據(jù)。該斷面每天推進(jìn)5～6m，監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度為2014年3月7日至2014年5月17日，在這兩個(gè)多月時(shí)間內(nèi)，一共進(jìn)行了13次定期監(jiān)測(cè)，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(jiān)測(cè)值作為觀測(cè)初始值，為后期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供對(duì)比依據(jù)。通過測(cè)量光纜的應(yīng)變分布及變化情況，得到圍巖相應(yīng)方向上的應(yīng)變分布及變化情況，進(jìn)而分析圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，為采動(dòng)條件下采場(chǎng)周邊頂板圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的研究以及頂板支護(hù)提供依據(jù)。

3．2數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

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

停采之后，在采動(dòng)應(yīng)力的作用下，采場(chǎng)圍巖產(chǎn)生蠕變變形。因此，各測(cè)點(diǎn)在停采之后的應(yīng)變值都有較大增長(zhǎng)?？咨?9m測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變明顯大于其他4個(gè)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率較大，其變形受巷道收斂的影響較大，而其他4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變主要受采動(dòng)影響。另外，從距離工作較近的孔深45m和55m測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化曲線可見，圍巖的應(yīng)變呈現(xiàn)階段式增加的變化規(guī)律，反映了工作面推進(jìn)過程中，采動(dòng)應(yīng)力具有周期性變化的特點(diǎn)。結(jié)合此煤礦的地質(zhì)資料，做出光纜應(yīng)變分布與地層的對(duì)應(yīng)關(guān)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(yīng)變值較大，在②處細(xì)砂巖的底部和上部分別存在較為顯著的拉應(yīng)變區(qū)域，說明在相應(yīng)層位出現(xiàn)了離層裂隙。另外，在②處細(xì)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(guān)。除此之外，②處細(xì)砂巖的頂部和③處泥巖的底部，拉應(yīng)變突變，增大到1500με，這說明軟巖與硬巖的層面附近可能出現(xiàn)了離層變形。④處的細(xì)砂巖都呈拉應(yīng)變狀態(tài)，但變形量較小，說明此處只產(chǎn)生細(xì)小裂隙，總體比較穩(wěn)定。在⑤處泥巖的底部，光纖存在拉應(yīng)變區(qū)，隨工作面推進(jìn)，拉應(yīng)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(xiàn)離層裂隙。

4結(jié)語

通過案例分析可見，應(yīng)力的大小及性質(zhì)與地層的巖性、組合關(guān)系、至工作面的距離以及深度等因素有關(guān)。采用分布式傳感光纜可以得到工作面推進(jìn)過程中，煤層頂板圍巖的變形特征及其變化規(guī)律，為采場(chǎng)空間的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)的分析提供了依據(jù)。由于光纖的優(yōu)越性，可以預(yù)見在以后很長(zhǎng)一段時(shí)間，光纖的應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣。同時(shí)光纖安裝的施工工藝、測(cè)試精度以及數(shù)據(jù)處理軟件的完善等在以后都會(huì)有更進(jìn)一步的發(fā)展。

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作者：許華麗 單位：安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院