采场覆岩离层演化的光纤光栅检测实验研究

采场覆岩离层演化的光纤光栅检测实验研究

柴敬1,2，王帅1，袁强1，姜德君1，李毅1,2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

摘要：为定量化研究采场上覆岩层离层规律，采用相似材料物理模型试验的方法模拟煤矿回采过程，用光纤光栅传感技术构建相似材料物理模型实验的覆岩移动的监测方法和系统。实验制作了一个3 m×1.19 m×0.2 m的相似材料平面模型，几何相似比为1∶200，同时在模型内埋设9个光纤光栅应变传感器和1个光纤光栅温度传感器，用以研究模型开挖过程中覆岩运移状态与光纤光栅传感器测试结果的对应关系。实验结果表明，光纤光栅传感器应变量与岩层运移状态密切相关。传感器所在岩层层位发生离层时，传感器受拉应力作用使其应变量发生跃升，而后由于离层不再扩展而保持平稳，直至离层破断垮落。通过光纤光栅检测方法可以定量化描述传感器所处岩层离层变化量的大小。

关键词：采场；离层；相似材料物理模型实验；光纤光栅检测方法

DOI:10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0202

文章编号：1672-9315(2015)02-0144-08

收稿日期：*2014-01-10责任编辑：刘洁

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41027002，51174280)；高等学校博士学科点专项科研

通讯作者:柴敬(1964-)，男，宁夏平罗人，教授，博士生导师，E-mail:chaij@xust.edu.cn

中图分类号：TD 325文献标志码： A

ExperimentalstudyontheseparationevolutionofoverlyingstrataabovethestopebyFBGsensing

CHAIJing1,2，WANGShuai1，YUANQiang1，JIANGDe-jun1，LIYi1,2

(1.College of Energy Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention of Ministry of Education,Xi’an 710054,China)

Abstract：The similar material physical modeling test method is applied in simulating coal mining process for the quantitative research of separation laws of overlying strata above stope.The method and system for monitoring overlying strata movement of similar material physical modeling test is proposed by using the FBG sensing technology.A similar material plane model(3 m×1.19 m×0.2 m)is designed and tested to have a geometric similar ratio of 1∶200 for the experiment.The relationship between the overlying strata movement during excavation of the model and the model test result from the FBG sensors is developed by embedding 9 FBG strain sensors and 1 FBG temperature sensor in the model.The experimental results indicate that closely correlated relationship between the strain variable of FBG sensors and the overlying strata movement.The strain variable of the sensor tensile stress leaps up caused by the separation of rock layer where the sensor installed，then it remains stable due to the separation stop propagating until the separation has fractured and caved.The FBG sensing test method is considered reliable and effective for describing the size of the separation variable of rock layer where the sensor installed quantitatively.

Key words：stope；separation；simulation material physical modeling test；FBG sensing test method

0引言

煤层开采后将引起岩层移动与破断，其中离层是岩层运动的形式之一[1]。随着对岩层运动中离层产生和发展规律的研究，使人们认识到从地面向岩层内部注浆在适宜的条件下同样能达到井下注浆的效果[2-5]。在煤矿瓦斯监控及综合利用研究中，掌握采空区中覆岩离层聚集瓦斯的规律，实现对瓦斯的抽放[6-8]。因此，采场上覆岩层的移动过程中的离层规律研究与三下采煤、注浆减沉及卸压瓦斯抽采等工程问题密切相关，需要监测上覆岩层的离层的发展和状态，掌握采空区上覆岩层的离层演化规律。

苏仲杰从控制覆岩及地表下沉角度，通过物理模型实验的方法，对产生离层岩层的水平应力和竖直应力进行了观测，首次提出了断裂离层与弯曲离层的概念[9]，使得人们对于采场覆岩离层分类有了更加明确的认识。 但物理模型实验发展至今，由于监测手段与仪器的发展仍旧相对滞后，模型内部应力应变无法被精确地测试，成为制约模型实验发展的一个重要因素。

光纤光栅的埋入法是采用一定的工艺将光纤光栅传感器植入岩体内部，并通过一定材料的填充使二者紧密接触，实现对岩体内部应变变化过程的检测[10]。与传统的电类传感器相比，光纤具有集传感与传输于一体、构造简单，可制成灵敏的、多用途的传感器使用方便等优点[11-12]。

柴敬等人通过埋入光纤光栅传感器的方法分别对覆岩微小变形[13]与覆岩垮落变形[14]进行了监测与表征，得出传感器应变量与覆岩运移状态的对应关系，但对于覆岩垮落之前的离层动态发育规律还未进行深入研究。基于此，文中针对采场上覆岩层离层律进行相似材料模型实验，构建多点准分布式光纤光栅传感监测系统，采用光纤光栅传感器研究模型内部岩层破断前的离层演化规律。

1覆岩离层产生的机理与描述方法

1.1覆岩离层产生机理

随工作面回采，采场上覆岩层发生变形、离层和垮落的运动过程，这种运动变化由下向上逐步发展，至地表而形成地表沉陷。上覆岩层由于岩性、距离采空区位置以及厚度等的不同，而导致岩层的运动并不是完全同步的，相邻岩层的这种不同步弯曲沉降而引起的岩层在其层面(或薄弱面)上产生的分离现象，称之为离层[15]。采场上覆岩层的移动过程中的离层在空间和时间上呈现出一定的分布规律。在岩层变形过程中，当内部应力超过岩层抗拉强度时就会发生破坏，处于下位的岩层破坏以后，其上位岩层也以同样的方式发生下沉弯曲和离层直至破坏，如此不断的由下向上逐步发展。

图1　采场覆岩离层模型 Fig.1　Model of separation of overlying strata above the stope

随工作面推进，采场上覆岩层的下位岩层垮落为上位岩层运动提供了空间，上位岩层在水平应力和自身重力的作用下发生弯曲变形，由于不同岩性及厚度的岩层弯曲变形的挠度不同，将在相邻的两层或多层岩层间产生弯曲离层，形成离层带，如图2(a)。当岩层弯曲变形到一定程度，达到该层位岩层的极限抗拉强度就会发生垮落，垮落后的岩层间的离层被重新压实闭合，未垮落的岩层与已垮落的岩层间形成断裂离层，弯曲离层将向未垮落的岩层发育形成新的离层带，如图2(b)所示。

1.2离层描述方法

为了定量化研究离层的发育程度，可以采用离层率F指标，它反映单位厚度岩层内离层的高度(或岩层的膨胀率)。通常，将上、下岩层的下沉量S上、S下的差值与上、下岩层间的距离h的比值称为离层率，即

(1)

式中F为离层率，mm/m或‰；S上、S下表示上、下岩层的下沉量，mm；h表示上、下岩层间的距离，m.

若F>0，表明上、下岩层离层；若F<0，则表明岩层被压缩。采用在不同岩层层位布设全站仪测线的方法，可以有效的监测不同岩层随工作面推进的下沉量。

图2　覆岩离层的动态发育过程 Fig.2　Process of separation dynamic evolution of overlying strata above the stope

2相似材料物理模型实验

2.1实验相似模型

本次实验以陕北某矿大采高综采工作面为原型，岩层结构及厚度见表1.实验选取3 m×1.19 m×0.2 m的平面模型，其中煤层厚度为4 cm.根据相似理论[16]，选取几何相似比200，容重相似比为1.6.相似材料选择河砂、石膏、大白粉和煤粉，根据所模拟地层上覆岩层结构和岩石力学性能参数确定相似材料配比，相似材料按照配比加水搅拌均匀后铺装在模型架上，使用8～20目的云母粉作为分层材料。

在模型中共埋设9个光纤Bragg光栅传感器，编号FBG01～FBG09，其中FBG01～FBG03为不锈钢封装的传感器，FBG04～FBG09为POE封装的传感器，所有传感器均竖直埋设。考虑到岩层的碎胀系数，避免传感器过早失效，模型最下部的光纤光栅传感器不应太靠近煤层。因此最下面一层传感器FBG01，FBG04和FBG07埋设在距离煤层底板250 mm的位置；FBG02，FBG05和FBG08埋设在距离煤层顶板500 mm的位置；FBG03，FBG06和FBG09埋设在距离煤层底板700 mm的位置。每个光纤光栅传感器埋设的相应位置架设一个百分表。FBGT为光纤光栅温度传感器，埋设在模型开采边界以外不受力影响的区域，用来对温度引起的传感器应变变化量进行监测和补偿。模型不同岩层层位分别布置A～ E等5条全站仪测线用以监测采场覆岩的运移状态，每条测线布置25个测点，间距100 mm，由左至右依次编号1～25(图3(a))。

表1　30101工作面岩层结构

2.2实验过程及主要现象

模型左右两侧各留30 cm保护煤柱，开切眼4 cm，工作面自左向右推进，每次推进2 cm即记录1次光纤光栅中心波长和百分表数据。模型回采结束后，模型覆岩垮落形态如图3(b)所示，工作面共推进119次，推进距离240 cm.工作面回采过程除初次来压外，共出现16次周期来压，来压步距集中在8～14 cm，平均11.13 cm.工作面推进完成后，采场上覆岩层形成明显的“三带”特征，由于采高较大，使得部分亚关键层进入垮落带，垮落带高度约为250 mm；裂隙带包括其余的亚关键层、载荷层和主关键层，裂隙带高度约为550 mm；弯曲下沉带为主关键层上覆直至地表的载荷层，高度约为350 mm.

图3　实验模型 Fig.3　Experimental model (a)模型尺寸及测试方法　(b)覆岩垮落形态

在实验现象可以观测到的16次周期来压中，出现了大、小周期来压交替的现象，其中第5，7，9，11，13，15次为大周期来压，其余为小周期来压。工作面来压情况见表2.

表2　工作面来压情况一览表

3实验结果分析

3.1采场覆岩运移规律

随工作面推进，布设于各岩层层位的全站仪测线下沉变化曲线如图4所示。横坐标为工作面推进距离，纵坐标为下沉量。工作面推进60 cm时，工作面初次来压，全站仪A测线所在岩层垮落，最大下沉量29.0 mm，全站仪B测线所在岩层出现明显的弯曲下沉，最大下沉量3.2 mm；工作面继续推进至68 cm时，工作面第一次周期来压，全站仪A测线所在层位垮落范围增大，已垮落的岩层被重新压实，最大下沉量30.6 mm，全站仪B测线所在层位初次垮落，最大下沉量29.9 mm；此后随着工作面继续推进，采场覆岩垮落范围不断向上向前发展，依次到达全站仪C，D和E所在层位。

图4　模型上覆载荷层下沉变形曲线 Fig.4　Curve of the vertical deformation of overlying load layer (a)C1-C25测点　(b)D1-D25测点　(c)E1-E25测点

3.2光纤光栅传感器应变量与覆岩运移状态分析

由于光纤光栅传感器竖直埋设在岩层中，因此其所在层位岩层的离层将导致传感器受到拉应力作用而产生应变量的变化。但光纤光栅传感器应变量的变化并非全部是由于其所在层位岩层的离层导致的，还可能受到其上、下方岩层离层的影响。限于篇幅，文中仅考虑传感器埋设层位岩层离层对传感器应变量的影响。

FBG01光纤光栅传感器埋设于距离工作面开切眼50 cm位置，横坐标为工作面推进距离，其应变量(文中所有传感器的应变量均已进行温度补偿)随工作面推进距离变化曲线如图5所示。工作面推进0～58 cm，应变量由0缓慢增加到419.88 με(AB段)，岩块逐渐受到采动影响；工作面推进至60 cm，亚关键层初次破断形成了工作面初次来压，此时，传感器下位岩层并未垮落，因而使得传感器所在岩层没有离层空间，因此传感器应变量没有大幅变化，直到工作面推进68 cm，FBG01所在岩层破断后与未垮落岩层铰接形成了层状的砌体梁结构，传感器应变量由429.49 με骤然增大至峰值5 016.64 με(BC段)；工作面继续推进70～82 cm范围时，层状砌体梁结构间的离层逐渐闭合，传感器拉应力得到缓解，但是由于砌体梁结构的存在，应变量仍然维持一个较高的水平，直至工作面继续推进至84 cm时，FBG01处的砌体梁结构失稳垮落，向工作面反向回转并被上覆岩层重新压实，传感器应变量也由急剧下降转为负值-448.11 με(CD段)。此后，随着工作面继续推进，FBG01的应变量基本保持稳定(DE段)。传感器FBG01的应变变化反映了其所在岩层的破断回转过程。

图5　FBG01应变量与覆岩运移对照 Fig.5　Contrast of overlying strata movement and strain variation of FBG01

FBG02光纤光栅传感器埋设于距工作面开切眼50 cm的位置，其应变量随工作面变化曲线如图6所示。工作面推进0～66 cm，传感器应变量由0缓慢增大至277.47 με(AB段)，工作面推进至68 cm，此时，工作面回采超过传感器所在位置，由于其下位岩层垮落，为传感器所在层位的岩层提供了离层空间，传感器应变量跃升至636.85 με，说明此时传感器所在岩层出现离层；工作面继续推进70～82 cm，传感器应变量缓慢增加至954.68 με，说明离层缓慢增大，直至工作面推进至84 cm，传感器所在岩层发生破断并与未垮落岩层铰接形成砌体梁结构，传感器应变量由954.68 με骤然增大至3 725.24 με；工作面继续推进86～100 cm，由于砌体梁结构的存在，传感器应变量持续增加至峰值4 064.44 με，直至工作面推进至102 cm，砌体梁结构反向回转失稳垮落，并被上覆垮落的岩层重新压实，传感器应变量骤然减小至-1 634.86 με；此后，随着工作面继续推进，应变量基本保持稳定(EF段)。传感器FBG02的应变变化反映其所在岩层离层产生与破断回转的过程。

图6　FBG02应变量覆岩运移对照 Fig.6　Contrast of overlying strata movement and strain variation of FBG02

FBG03光纤光栅传感器埋设于距离工作面开切眼50 cm位置，其应变量随工作面推进距离变化曲线如图7所示。工作面推进0～82 cm，传感器应变量由0缓慢增大至121.88 με(AB段)，直至推进至84 cm，下位岩层的垮落为FBG03所在岩层提供离层空间，传感器应变量由121.88 με突然跃升至387.99 με，说明传感器所在岩层出现离层；工作面推进86～100 cm，应变量缓慢增加，说明离层缓慢增大；直至工作面推进至102 cm时，下位岩层垮落范围继续向上发育，传感器所在岩层形成肉眼可见的离层，传感器应变量由504.21 με突然跃升至1 790.35 με；工作面推进104～114 cm，传感器应变量先由1 786.43 με减小至1 722.88 με，后又增大至1 750.44 με，表明了传感器所处岩层的离层先减小后增大的动态发展过程。直至工作面推进至116 cm，传感器应变量由1 750.44 με骤然增大至4 488.12 με，FBG03处岩层的离层也发生明显的增大；工作面继续推进118～124 cm，传感器应变量量缓慢增大，直至工作面推进至126 cm， FBG03所在岩层发生破断，并且传感器所在岩层垮落后没有形成结构，而直接被上覆垮落的岩层重新压实，因此岩层间的离层直接闭合，此时传感器应变量由4 646.71 με骤然减小至1 398.73 με(CD段)；此后，随着工作面继续推进，应变量基本稳定(DE段)，传感器FBG03的应变变化反映了其所在层位离层产生、发展以及最终破断闭合的过程。

图7　FBG03应变量与覆岩运移对照 Fig.7　Contrast of overlying strata movement and strain variation of FBG03

通过实验现象说明，埋设各层位岩层中的传感器应变量与覆岩运移状态密切相关，层位较低的传感器FBG01应变量呈高原状，层位较高的传感器FBG02和FBG03应变量呈阶梯状。经分析认为，传感器所在岩层垮落后若形成砌体梁结构，则将导致传感器应变量最后一次跃升，并由于砌体梁结构的存在，使得传感器应变量保持稳定，直至砌体梁结构失稳发生反向回转后并被重新压实，传感器应变量才突然下降，并在此后保持稳定(如FBG01，FBG02)；若传感器所在岩层垮落后未形成结构，而是被直接压实，则传感器将不会形成最后一次跃升，而是会直接下降，并在此后保持稳定(如FBG03)。

光纤光栅传感器FBG04，FBG05和FBG06应变量随工作面推进距离变化曲线如图8所示。

图8　FBG04，FBG05和FBG06应变量 随工作面推进变化曲线 Fig.8　Curve of strain variation of FBG04,FBG05 and FBG06 along with the working face advancing

随着工作面推进，埋设层位较低的FBG4的应变量缓慢增加，当工作面推进至138 cm时，FBG04所在岩层垮落形成了层状砌体梁结构，对应传感器应变量也由552.18 με骤然增大至峰值5 016.64 με.工作面继续推进，由于层状砌体梁结构的存在，使得传感器应变量维持在一个较高水平。直至工作面推进至156 cm时，砌体梁结构反向回转失稳垮落，由于层状砌体梁结构被重新压实，因此传感器应变量由3 123.13 με突然下降至-689.52με.FBG04与埋设在同一层位的FBG01应变量变化规律完全一致。说明埋设在同一层位的光纤光栅传感器应变量的变化规律具有相似性。

FBG05， FBG06与埋设在同一层位的FBG02,FBG03的应变量变化曲线基本一致，即在应变量的增长阶段(BC段)呈现阶梯状。阶梯的跃升段表明离层的产生或发展，阶梯的平台段表明离层的稳定或停止发展。上覆岩层产生的离层量不会无限增大，当上覆岩层达到极限悬露距时，离层的岩层就会发生垮落，最终被重新压实。

采场上覆岩层的周期性破断为上方未垮落的岩层提供离层空间，从而使得未垮落岩层产生离层，埋设在岩层内部的光纤光栅传感器可以准确感知离层的产生及动态发育过程。通过传感器应变量可以定量化描述离层的大小。

3.3光纤光栅传感器应变量与离层率

当两相邻全站仪测线所在层位的岩层为发生垮落时，同一竖直位置上的两相邻测点的下沉量之差，即为两测线间岩层的总离层量大小；当全站仪测线垮落后，两测点下沉量之差还包括断裂离层，此时，要对测得的数据进行修正，减去断裂离层的高度，再根据公式(2)即可求得两测线间不同位置的离层率。

表3　传感器应变量与离层率计算表

从表3可知，光纤光栅传感器应变量在达到峰值位置前的增长趋势和所在层位离层率的增长趋势有良好的对应性，说明光纤传感器可以反应其所在层位的动态发育情况，为定量化表征覆岩离层提供了一种行之有效的方法。

4结论

1)光纤光栅传感器应变量在到达峰值位置前(传感器应变量曲线的BC段)，能够准确反映其所在位置岩层离层发生发展情况。光纤光栅传感器应变量的变化规律与上覆岩层离层发展规律相同，通过光纤光栅传感器可以定量化描述采场上覆岩层离层动态发展规律；

2)埋设层位较低的光纤光栅传感器FBG01，FBG04应变量变化曲线呈高原状，说明该层位岩层并未出现离层，而是随同下部岩层的破断同步破断；埋设层位较高的光纤光栅传感器FBG02，FBG03，FBG05，FBG06应变量变化曲线呈阶梯状，表明传感器所在层位出现离层；传感器应变量的平台阶段表明所在层位的岩层不产生离层，跃升阶段表明所在层位岩层离层的产生或发展。

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