基于FBG-BOTDA联合感测的岩层运动试验研究*



基于FBG-BOTDA联合感测的岩层运动试验研究*

柴敬1，2，孙亚运1，钱云云1，宋军1，马伟超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：为研究采场上覆岩层运动过程中的应力应变，将准分布式布拉格光纤光栅技术(FBG)和基于脉冲预泵浦布里渊光时域分析的分布式光纤传感技术(PPP-BOTDA)联合应用于相似材料模型试验的测试中。在2 m平面应力模型内埋设2根分布式传感光纤和2个光纤光栅应变传感器，模型尺寸2 000 mm×180 mm×1 700 mm，几何相似比1∶250，测试主关键层由弯曲下沉发育至断裂的变形运动过程。试果表明，2煤开采过程中分布式传感光纤应变曲线体现了岩层的连续变形下沉，曲线中间位置出现应力集中；3煤开采过程中分布式传感光纤应变曲线体现了发生断裂的岩层运动，断裂后的岩层应力得到释放；连续变形下沉的岩层FBG传感器应变曲线呈宽缓峰状，应变值达到4 367.48 με；断裂的岩层曲线呈尖峰状，最大应变值达到4 892.82 με.实现了模型试验中主关键层由连续体转变为半连续体过程的实时监测。

关键词：模拟试验；温度补偿；FBG-BOTDA联合感测；岩层运动

0引言

相似材料模拟实验最早是20世纪30年代由前苏联库兹涅佐夫提出的，此方法以相似理论、因次分析为依据，至今已成为采矿工程、岩土工程问题研究的一种主要方法[1]。随着测试技术的不断发展，越来越多先进的测试技术被引进到相似材料模拟实验中。钟道昌在相似材料模型实验中利用全站仪和百分表测量测点坐标的变化，得到岩层运动规律[2]；柴敬将光纤传感器埋入2 m相似材料模型实验中，实现了岩梁内部的微观变形的监测[3]；王怀文将光学测量技术数字散斑方法引入到试验中，得到上覆岩层下沉量的等高线云图[4]；刘军在振动台模拟试验中用边坡粒子图像测试技术测得边坡变形直至破坏的完整过程[5]。然而，相似材料模型试验中岩层内部的应力应变测试一直是阻碍着相似材料模型试验结果由定性向定量发展[6-8]。

光纤传感技术是20世纪70年代提出的新一代检测技术，准分布式布拉格光纤光栅技术(FBG)具有高灵敏度、稳定性高和可实现动态监测等优点[9]，目前广泛应用于隧道[10]、桥梁[11]、试桩[12]和模型实验[13-14]等领域。基于脉冲预泵浦布里渊光时域分析的分布式光纤传感技术(PPP-BOTDA)技术采用独创的脉冲预泵浦技术，成功地使测量空间分辨率和精度都得到了飞跃般的提高[15]。与FBG相比，分布式光纤传感技术不仅具有一般光纤传感器的优点，而且能在沿光纤路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息，克服了准分布式光纤传感器中光纤只“传”不“感”的不足，能够实现对结构物的分布式长期监测[16-18]。文中提出了基于FBG-BOTDA光纤传感技术的联合监测方法，对相似材料模型试验中主关键层的整体和关键部分应力应变进行联合监测，研究主关键层由连续体变为半连续体过程中的变形特征。

1测试原理

1.1　FBG原理

一束光射入光纤后，若满足光纤布拉格条件就会产生有效的光反射，反射光的峰值波长称为布拉格波长，该反射光的中心波长与光栅所受到的轴向应变和温度呈线性关系[19]，即

(1)

式中λB为光栅初始中心波长；ΔλB为光纤光栅中心波长的漂移量，pm；Δε，ΔT分别为光栅所受的应变、温度变化量；Kε，KT分别为光纤光栅的应变、温度标定系数，其值约为0.87和6.67×10-6℃.试验中埋设一个陶瓷封装的温度传感器作温度补偿。剔除温度变化ΔT的影响即可以得出光栅应变变化Δε大小。

1.2　PPP-BOTDA原理

PPP-BOTDA是BOTDA系统的升级技术，是在导入脉冲光(泵浦光)之前，加载适当的脉冲预泵浦光(Dpre)，预先激发声子，预泵浦式脉冲光PPP-BOTDA实现了高分辨率(<10cm)与高测量精度(<±20×10-6)。当被测物体应变及温度发生变化时，布里渊频移的变化量可表示为[20]

ΔVB=CvTΔT+CvεΔε.

(2)

式中ΔVB为布里渊频移量；CvT为布里渊频移温度系数；Cvε为布里渊频移应变系数，其值为1.07MHz/℃和0.049 7MHz/με；ΔT为温度变化量；Δε为应变变化量。式中布里渊频移结果受到温度和应变的共同作用，固定光纤的一段使之不产生变形，可以对光纤测试结果进行温度补偿。

在铺设过程中将光纤埋入岩层内部，随岩层一起被压实，因此认为光纤的应变即为岩块产生的应变。

2相似材料模拟试验

2.1　相似材料模型

根据某煤矿实际地质条件，有2个煤层，其中2煤层平均厚度2.57m，3煤层平均厚度7.51m，两层煤平均间距46.85m，煤层埋藏深度425.5m.采用2m平面应力模型试验架，制作长为2.0m，宽为0.18m，高为1.7m的平面应力相似材料模型。几何相似比250，容重相似比1.6，应力相似比400.相似材料以河砂为骨料，以大白粉和石膏为胶结物，以云母粉为分层材料。模型模拟高度346.5，79m松散层粘土用铁砂代替。相似材料模型及上覆岩性如图1所示，共含有2个关键层，由上而下分别是主关键层、亚关键层。

2.2　FBG-BOTDA联合监测系统

在模型主关键层位置垂直埋设2个光纤Bragg光栅传感器，均采用聚烯烃(POE)封装，编号为FBG01，FBG02，在模型边界埋设1个温度补偿光纤Bragg光栅传感器，编号FBG03.在主关键层水平布置分布式传感光纤L1，采用紧套光纤，直径900μm，在传输光纤段设定10cm光纤V1作为温度补偿段。传感光纤形成回路，采用BOTDA仪器NBX-6055监测，仪器空间分辨率5cm，采样间隔1cm，应变测量精度为±15με.同时，在主关键位置水平布置17个全站仪测点，监测主关键层的下沉量。联合监测系统如图1所示。

图1　联合监测系统布置图Fig.1　Layout of joint monitoring system

2.3　试验过程

采用铁砂加载方式模拟顶部松散层，铁砂的直径为1 mm，铁砂容纳袋为聚酯纤维涤纶一体设计，为保证载荷均匀性分成10份。模型左右各留设20 cm煤柱，每次开挖3 cm，先采2煤，采高1 cm，再采3煤，采高3 cm.分别开挖53次，工作面推进160 cm.

2煤工作面推进到75 cm时，亚关键层随着工作面推进而垮落，垮落宽度68 cm，工作面第1次周期来压，如图2(a)所示，2煤推进160 cm过程中，共出现6次周期来压，主关键层缓慢下沉。3煤工作面推进到84 cm时，主关键层断裂，工作面后方裂隙向上发育，如图2(b)所示，3煤推进160 cm过程中，共出现7次周期来压。2煤开采完成后，主关键层及上覆岩层处于弯曲下沉带中，呈连续状态。3煤开采过程中，主关键层随着工作面的推进断裂后形成铰接结构，最终形成断裂带，即为呈半连续状态。

图2　工作面推进Fig.2　Advance of mining face(a)2煤推进75 cm　(b)3煤推进84 cm

3试验结果分析

3.1　温度补偿测试结果对比分析

模型两层煤共开挖5 d，工作面推进过程中模型中的温度是随着室内温度改变而改变的曲线如图3所示，图3(a)中FBG03温度监测曲线显“阶梯”形态，最大应变量达到38.47 με，最小应变量-7.92 με，对应的温度变化为4°；图3(b)由于BOTDA空间分辨率的影响，曲线具有“波动性”，监测点在±15 με范围内波动，最大应变196.78 με，最小应变-61.46 με。光纤V1测试曲线和FBG03测试曲线形态具有一致性，对FBG03测试数据和温度补偿光纤V1测试数据进行相关性分析得出两者相关系数为0.874 5，属于强相关。通过后续试验数据分析可知，温度改变引起的应变分别是2，3煤开采过程中垂直光栅和水平光纤最大应变的1%，1.7%和12.7%，4.4%，因此进行光纤测试温度补偿是必要的，以排除温度对试验结果的影响，进一步减小测试误差。

图3　温度补偿测试结果Fig.3　Temperature compensation results(a)FBG03温度补偿光栅测试结果　(b)温度补偿光纤V1测试结果

3.2　主关键层变形

图4　主关键层下沉变形Fig.4　Main key strata subsidence deformation

模型开挖过程中，全站仪测试的主关键层变形曲线如图4所示。2煤开挖后主关键层左右边界煤柱20 cm处下沉量达到-1 mm，主关键层中间位置最大下沉量达到9 mm，主关键层连续变形处于弯曲下沉带中。3煤开挖后主关键层下沉量中间大，左右边界小，中间位置下沉量达到30 mm，主关键层左右边界破断并处于断裂带中。

3.3　BOTDA监测结果分析

2煤工作面推进过程中，具有初始预应力的水平光纤L1应变变化如图5(a)所示。水平光纤L1受到上覆岩层压力作用产生约580 με的轴向拉伸应变，使得水平光纤L1具有初始预应力。工作面推进到75 cm，主关键层下位亚关键层垮落，工作面第1次周期来压，曲线分别在22.6，89.2 cm处出现最小峰值199.87，-38.29 με；在工作面推进到114 cm，亚关键层周期性垮落，工作面第4次周期来压，曲线分别在22.6，122 cm处出现最小峰值-15.73，-13.13 με；工作继续推进到160 cm，主关键层受上覆岩层载荷作用下沉，工作面第6次周期来压，曲线分别在21，169.2 cm处出现最小峰值121.38，171.77 με.2煤开采过程中主关键层处于“三带”中的弯曲下沉带，主关键层下沉曲线如图4所示，模型左右边界20 cm处主关键层下沉量为-1 mm，对应岩块背离采空区向上移动形成类似于“翘板”结构，即靠近工作面岩层向采空区移动，开采边界岩层背离采空区向上移动。开采边界的岩层背离采空区向上移动而产生轴向压力，由于初始预应力产生580 με大小拉伸应变的原因，水平光纤在左右边界应变减小(AB，CD段)。工作面上方岩层随着工作面推进而下沉，水平光纤随岩层一起下沉导致拉应变增大(BC段)。曲线在D点以后应变基本不发生改变，因此认为D点为开采影响边界。主关键层整体变形小且连续，水平光纤L1应变曲线呈“单凸峰”形态。3煤工作面推进过程中，具有初始预应力的水平光纤L1应变变化如图5b所示，3煤开采过程中，水平光纤应变变化曲线呈“双凸峰”形态，在岩层的左右断裂边界处，断裂岩层迅速下沉引起光纤所受拉力达到最大，因此曲线在左右断裂边界范围出现明显的峰值(B，C点)。位于采空区的岩层垮落稳定后应力得到释放最终导致光纤拉应变小于左右峰值。3煤工作面推进到84 cm，主关键层断裂，断裂宽度56.6 cm，曲线分别在27.7和86.2 cm处出现最大峰值1 906.5，1 477.16 με，两峰之间的距离为58.5 cm.工作面推进132 cm，主关键层断裂，断裂宽度113 cm，曲线在分别在28.7和146.7 cm处出现最大峰值5 452.99，2 204.17 με，两峰之间的距离为119 cm.工作面推进到160 cm，主关键层断裂，断裂宽度140 cm，曲线分别在29.7 cm和170.3 cm处出现最大峰值5 854.1，4 557.98 με，两峰之间的距离为140.6 cm.光纤测试的峰值B点对应模型的垮落边界和模型实际垮落边界的差值平均为1.35 cm，峰值C点平均为1.65 cm.因此，岩层断裂边界以光纤测试边界加平均误差表示。

图5　水平光纤L1应变变化Fig.5　Strain of level optical fiber L1(a)2煤推进水平光纤L1应变变化(b)3煤推进水平光纤L1应变变化

主关键层连续变形时光纤应变曲线呈单凸峰，体现了连续变形的岩层中间位置应力集中，左右边界岩层与采空区上位岩层移动方向相反的特征；主关键层发生断裂时光纤应变曲线呈双凸峰，说明了发生断裂的岩层在左右断裂边界处应力集中，断裂稳定后模型中部的岩层应力得到释放的现象。

3.4　FBG传感器监测结果分析

FBG01传感器的应变量随工作面推进的变化曲线如图6(a)所示，FBG01传感器位于工作面40 cm处。2煤工作面推进3～39 cm，传感器应变量在0左右波动(AB段)，说明传感器所监测岩块出现拉压应力交互状态；工作面推进78 cm，传感器应变量达到峰值2 691.69 με(C点)，对应主关键层处受上覆岩层载荷作用弯曲下沉量达到最大；工作面推进84 cm，主关键层下位岩层垮落，工作面第2次周期来压，传感器应变量由2 610.99减小到1 338.87 με(D点)；工作面推进96～160 cm，FBG01传感器对应主关键层下位岩层基本稳定，传感器应变量最终稳定在560 με.3煤工作面推进3～42 cm，传感器应变量由448.66 με缓慢增加到488.8 με(A′B′段)，逐渐受到采动影响；工作面推进78 cm，对应主关键层与下位岩层离层距离达到最大值2.3 cm，传感器应变量达到峰值4 892.82 με(C′点)；工作面推进到84 cm，对应主关键层岩块断裂，传感器应变量由4 313.29 με减小到1 238.43 με(D′点)；工作面推进到160 cm，主关键层受上覆岩层载荷作用与下位岩层接触导致离层闭合，传感器对应岩层所受压力增加，传感器应变量减小到-259.54 με(E′点)。2煤推进过程中主关键位于弯曲下沉带中，FBG01传感器应变量曲线连续且平缓；3煤推进过程中FBG01传感器对应岩块发生断裂，传感器应变量曲线呈尖峰状。

图6　垂直埋设FBG01,FBG02应变量变化Fig.6　Strain changes of verticalburied FBG01and FBG02(a)FBG01　(b)FBG02

FBG02传感器的应变量随工作面推进的变化曲线如图6(b)所示，FBG02传感器位于工作面80 cm处。2煤工作面推进3～72 cm过程中，基本不受采动影响(AB段)；工作面继续推进到105 cm时，主关键层随着亚关键层的垮落而下沉，应变量达到峰值3 473.53 με(C点)；工作面推进到160 cm，垮落岩层受上覆岩层载荷作用充分压实，传感器应变量最终减少到-527.29 με(DE段)。3煤工作面推进3～66 cm过程中，受2煤开采的影响，传感器应变量在-517 με左右(A′B′段)，对应岩层逐渐受到采动影响，传感器对应岩块呈水平状态；工作面推进到69 cm时，亚关键层垮落，上覆岩层对主关键的载荷增加，传感器对应岩层所受压力增大，传感器应变量减小到-748.66 με(B′点)；工作面推进到108 cm，应变量达到峰值4 367.48 με(C′点)，是2煤推进时FBG02传感器应变量的1.41倍，传感器对应岩块呈倾斜状态；工作面推进到132～160 cm，岩层运动达到稳定状态，主关键层受到覆岩载荷作用进一步压实，应变量稳定在-115 με左右(D′F′段)，对应岩块回转至水平状态。3煤推进过程中FBG02传感器对应岩块虽然出现裂缝但整体为连续，传感器应变量曲线连续平缓呈宽峰状。

4结论

1)FBG光栅和BOTDA光纤测试中温度改变引起的应变分别占到1.0%～1.7%，4.4%～12.7%，BOTDA更大。需要采用温度补偿方法对FBG光栅、和BOTDA光纤测试进行补偿；

2)BOTDA测试，连续变形的岩层其中间位置应力集中，发生断裂的岩层在断裂处应力集中，符合梁弯曲变形和受力规律；

3)FBG测试，连续变形的层状岩块出现裂隙式的破坏，曲线呈连续平缓的宽峰状，最大应变值达到4 367.48 με；出现断裂式的破坏，曲线呈尖峰状，最大应变值达到4 892.82 με；

4)PPP-BOTDA分布式光纤感测技术能很好的监测岩层整体的运动规律和发展趋势，FBG传感器可以监测岩层关键点的运动情况，两者形成互补，可为模型试验中多尺度、连续和半连续岩层运动监测提供借鉴。

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Strata movement testing based on FBG-BOTDA combined sensing technology in similar model

CHAI Jing1，2，SUN Ya-yun1，QIAN Yun-yun1，SONG Jun1，MA Wei-chao1，LI Yi1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；

2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China)

Abstract：For the study of stress and strain in the process of mining overburden movement，the quasi-distributed fiber Bragg grating(FBG)and the brillouin scattering optical time-domain analysis based on pre-pumping technique(PPP-BOTDA)are applied to similar material model test together.Two sensing fibers and two fiber Bragg grating strain sensors were embedded in the 2 m plane stress physical model，the model size 2 000 mm×180 mm×1 700 mm and geometric similarity ratio 1∶250，for analyzing the stress and strain of the main key strata from the process of flexural settlement development to fracture.The results of the study show that 2#coal mining of horizontal strain optical fiber’s curve reflects the continuous deformation of the strata in the middle position of the stress concentration.In the process of 3#coal seam mining，horizontal strain optical fiber’s curve shows that a stress release phenomenon occurred while the model was stable.FBG sensor strain curves shows a broad peak while the continuous deformation of the layered rock fissure appears，and the maximum strain value is 4 367.48 με.The fracture type of the layered rock is failure，and the curve is a spike like，the maximum strain value to 4 892.82 με.This experiment realizes the real-time monitoring of key strata，which the whole and the part of the process of continuous changing to a semi continuous.

Key words：simulation test；temperature compensation；FBG-BOTDA combined sensing；strata movement

中图分类号：TD 325；TP 212

文献标志码：A

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

基金项目：国家自然科学基金项目(41027002)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20126121110003)

收稿日期：*2015-10-22责任编辑：李克永

文章编号：1672-9315(2016)01-0001-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0101