基于光纤Bragg光栅的采动支承压力分布试验研究*

柴　敬，袁　强，张丁丁，李　毅，王　帅，张文轩(.西安科技大学能源学院，陕西西安70054; 2.教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室，陕西西安70054)



基于光纤Bragg光栅的采动支承压力分布试验研究*

柴敬1，2，袁强1，张丁丁1，2，李毅1，2，王帅1，张文轩1
(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与灾害防治重点实验室，陕西西安710054)

摘要:为了研究采动支承压力的分布情况，采用光纤Bragg光栅(FBG)传感器对长壁采场模型试验进行了测试，在模型中埋设了9支FBG应变传感器，对比分析工作面推进时底板支承压力与上位FBG的测试结果。试验揭示了FBG测试结果与支承压力变化呈现镜面反射，在超前支承压力影响范围内支承压力与波长漂移呈线性关系。研究提出了支承压力FBG测试灵敏度参数，其表征了FBG传感器每变化1 pm时的支承压力变化;定量分析了围岩采动支承压力分布规律，得出了测线2三支FBG所在层位的支承压力大小与影响范围(K，L1，L2)，同时建立了基于FBG的围岩采动支承压力的分布模型，用于描述采动围岩体中支承压力在不同层位和距离工作面不同距离时的分布规律。

关键词:支承压力; FBG传感器;波长漂移;分布规律;模型试验

0　引言

工作面及其围岩体应力分布是上覆岩层结构及动态演化过程的综合体现。在岩体中开掘巷道和在煤层内进行采煤活动时，巷道两侧岩体或回采工作面围岩受开挖扰动将引起围岩体内应力重新分布。通常把岩层下部的垂直支撑力称为支承压力，但其实质是工作面前方受扰动围岩体内的应力分布规律，它是矿山压力的重要组成部分。支承压力因采动影响而出现，又随着采动呈现动态变化，了解支承压力的动态分布规律对煤矿采场的合理支护、巷道开挖方式选择以及相关超前应力突变的动力灾害事故的防治具有相当的理论意义和工程应用价值［1］。

为了获取采动过程中围岩体内支承压力动态分布规律，一些解析方法、数值方法被广泛应用［2－3］。但解析方法通常以弹性基础梁理论，对弹性“孔”模型进行了简化处理，造成计算结果难以反映岩体复杂环境下的应力分布。数值方法将岩体看作离散单元，难以模拟出梁或板的整体结构，而采矿工程覆岩破坏的特点更多的是将岩层分解成梁或板后进行研究。鉴于此，国内外学者通过引入其他力学理论或新的测试方法［4－7］以及开展各条件下的煤岩体力学行为试验［8］来深入研究采动岩体的支承压力分布规律。从采动覆岩运动的角度对采场围岩支承压力分布进行研究［9－10］，及其支承压力分布的变异性研究［11］。基于微震定位监测来研究工作面前方微震事件的分布特征和覆岩空间结构运动发展规律，通过波形分析和反演建立了覆岩空间结构走向支承压力模型［13－14］;还有利用雷达探测方法［15］，找出了超前巷道围岩支承压力高峰位置及应力降低区。

光纤传感技术因其在结构内部应力应变监测上的独特性能使其成为测试岩体内部应力应变的重要手段［16－18］。因此基于光纤传感技术在实验室构建了长壁工作面采动围岩体应力分布的光纤传感测试模型试验，通过埋入灵敏度高、形状小巧的FBG传感器对整个工作面围岩体开挖扰动过程进行实时监测，探索围岩体应力分布规律的光纤传感测试方法和采动围岩支承压力的分布规律。

1　长壁工作面支承压力分布

长壁采场开采后的上覆岩层将形成“煤壁－已冒落岩块”的拱形支撑体系［1］。在工作面推进后的煤壁前方一定范围内几乎支撑着回采工作面空间上覆的大部分载荷;而在采空区后方的已冒落岩体只将承受压实区的载荷，比煤壁前方所受支承压力小，一般会恢复到原岩应力状态左右。因此可将工作面前后方的支承压力状态描述为图1所示。

图1　长壁工作面围岩支承压力分布［1］Fig．1 Abutment pressure distribution pattern of long wall mining face

根据采动后岩体内竖向应力σt大小与原岩应力的比较，将回采空间内的应力分布划分为: a－减压区、b－增压区、c－稳压区。图1中b－增压区即是支承压力区，它与减压区的分界为煤壁(或煤壁后方竖向应力等于原岩应力位置)，与稳压区的分界为支承压力高于原岩应力5%的位置。随着工作面推进，开采范围逐渐增加，作用在煤壁前方的支承压力从原始应力状态(γH)开始增大，直至距离煤壁L1位置处出现支承压力峰值(KγH)，随后峰值点后的围岩体受采动影响减小，支承压力开始降低，并在L2范围后恢复到原岩应力状态。可以看到，在一定范围内，支承压力将存在峰值大小KγH，峰值位置L1及其影响范围(L1+ L2)，这3个控制因素共同决定了采动围岩应力分布的时空演化过程。

2　支承压力FBG测试试验

2. 1光纤Bragg光栅传感原理

根据光纤Bragg光栅传感理论，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，即光栅波长变化与其应变温度基本关系为

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;εg，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℃．设定温度恒定，或采用温度补偿的方法以消除温度的影响，则上式成为仅有应变的表达式。

表1　工作面覆岩结构Tab．1 Strata structure of working face

2. 2模型试验

2．2．1模型建立

选取陕北某矿首釆工作面上覆岩层结构为对象，其煤层厚度8. 27～10. 41 m，平均9. 13 m，结构简单，倾角约0. 5°;煤层埋深115. 90～268. 05 m，平均230 m左右，基岩厚度52. 87～234. 80 m，平均150 m;松散层厚度60～90 m，平均厚度80 m，岩层结构及厚度见表1．

以上述工作面覆岩地质条件为基础，在实验室搭建3 m采场平面应力模型，模型几何尺寸3 000(L)×200(W)×1 150(H) mm，容重相似比1∶1. 6，几何相似比1∶200，模型岩层总厚112 cm，煤层厚3 cm．相似材料选用普通河砂为骨料，大白粉和石膏为胶结材料，云母粉为分层材料，煤层用粉煤灰为骨料，按配比混合后加水搅拌均匀后装入模型架。

2．2．2测试系统

采用CL－YB－114型压力传感器测试模型底板支承压力变化，传感器实物如图2(a)所示，传感器埋设如图2(b)所示。利用西安科技大学自主研发的多路压力计算机数据采集系统记录模型实验过程中底板压力数据。

图2　底板压力传感器及其布置Fig．2　Floor pressure sensors and their deployment(a) CL－YB－114压力传感器　(b)压力传感器埋设

图3　光纤Bragg光栅传感器Fig．3　Fiber Bragg grating sensors

图4　FBG应变传感器结构Fig．4　Structure of FBG strain sensor

模型共埋设10支FBG应变传感器，编号为FBG01～09的传感器为FBG应变传感器，如图3 (b)所示; FBG10为FBG温度传感器，用作温度补偿，如图3(a)所示，文中各FBG传感器的测试结果均经过了温度补偿。

FBG应变传感器结构如图4所示，传感器的光栅栅区长4 mm，纤芯外采用醋酸乙烯封装作为包层，传感器封装后长度4 cm．模型中的FBG传感器均为垂直布置，埋设方式为:①模具造孔;②传感器置入;③注胶封孔;④传感器紧固4个步骤。模具造孔深度3 cm，直径0. 5 cm，随后将传感器垂直置入孔内约2 cm后进行后续步骤。传感器在模型中的埋设位置如图5所示。

为了分析FBG传感器与底板支承压力在对应位置的变化情况，将FBG传感器和压力传感器构建起的测试系统按位置分别定位为:测线1，包括FBG01～03和其正下方埋设的压力传感器;测线2，包括FBG04～06和其正下方埋设的压力传感器;测线3，包括FBG07～09和其正下方埋设的压力传感器。

2．2．3试验过程

模型两侧各留设30 cm煤柱，试验开挖总长240 cm，模拟工作面共推进120次，每次推进2 cm，采高3 cm．如图6所示，以测线2中FBG04为例，在工作面推进至76 cm时FBG04测试数据开始产生变化，此时工作面与FBG04的水平距离44 cm;推进至120 cm时，工作面处于FBG04的正下方;推进至144 cm时FBG04处岩层发生破断，岩块开始向下回转运动;推进至168 cm时该处岩块在上覆岩层破断运动的作用下逐渐被压实。

图5　光纤Bragg光栅传感器布置Fig．5　Deployment of fiber Bragg grating sensors

图6　试验过程及现象Fig．6　Deployment of fiber Bragg grating sensors (a)推进76 cm　(b)推进120 cm　(c)推进144 cm　(d)推进168 cm

3　试验结果及分析

3. 1试验结果

测线1的底板支承压力与FBG01～03的波长漂移如图7所示，图中横坐标表示工作面与测线1之间的水平距离，单位cm，负号表示工作面在测线1左侧，正号表示工作面在测线1右侧。纵坐标分别表示FBG传感器的波长漂移(单位pm)和底板支承压力(单位MPa)。

由图7可知，支承压力在－50～2 cm时处于原岩应力水平之上，在超前工作面时出现支承压力峰值，为7. 48 MPa，此时3支FBG传感器波长漂移基本没有变化。由实验过程可知推进至测线1前方16 cm时覆岩初次来压，表明测线1支承压力峰值是由于工作面前方出现了应力集中。随着工作面推进，测线1处支承压力开始下降，推进至测线1后方18 cm时降低为0. 47 MPa，呈现低谷状态，此时与测线1压力传感器垂直距离25 cm的FBG01波长漂移出现峰值，FBG02，03的波长漂移逐渐上升。推进测线1后方26 cm以后，支承压力逐渐回升，并最终回复到原岩应力状态，这个过程中FBG02，03的波长漂移依次达到峰值，滞后于FBG01的峰值阶段。

图7　测线1波长漂移与支承压力对比Fig．7 FBG wavelength shift and abutment pressure change at measuring line 1

测线2位置的支承压力与FBG04～06的波长漂移如图8所示。支承压力在－120～－36 cm时基本处于原岩应力水平，此时FBG04～06基本没有变化。推进至测线2前方36～8 cm时，底板支承压力呈现峰值，为9. 38 MPa，与此同时FBG04～06波长漂移下降，呈现低谷状态，3支FBG传感器的波长漂移分别为－82. 84，－62. 93，－31. 31 pm，且低谷状态的大小随着传感器高度增大而降低。推进至测线2前方8 cm以后，支承压力开始下降，在推进至测线2后方6 cm达到最低值0. 25 MPa，随后支承压力逐渐回升。推进测线2前方8 cm至测线2后方6 cm时，支承压力出现低谷状态，与测线2压力传感器垂直距离25 cm的FBG04的波长漂移出现峰值，FBG05，06在随后也达到峰值。波长漂移出现峰值阶段表示上覆岩层受采动影响出现破断垮落，此阶段煤层底板的支承压力必然降低，而随着工作面推进，覆岩垮落向上发展，破碎岩体逐渐重新堆积，底板支承压力逐渐回升。

图8　测线2波长漂移与支承压力Fig．8 FBG wavelength shift and abutment pressure change at measuring line 2

图9　测线3波长漂移与支承压力Fig．9 FBG wavelength shift and abutment pressure change at measuring line 3

测线3位置的支承压力与FBG07～09波长漂移如图9所示。支承压力－190～－34 cm时基本处于原岩应力状态，此时FBG07～09基本没有变化。在推进测线3前方22 cm至测线3后方2 cm时底板支承压力呈现峰值，为11. 82 MPa．此阶段内仅有FBG07出现了测线2中类似的波长漂移低谷，FBG08，09基本未变。推进至测线后方6 cm以后，支承压力呈现低谷，与此同时FBG07的波长漂移出现峰值，FBG08，09的波长漂移随着推进逐渐上升。由于测线3与测线1与模型边界较近，受边界约束导致波长漂移发展不完整。

3. 2波长漂移与支承压力的关系

上述实验结果发现，每条测线的支承压力和波长漂移均各自存在(部分由于受边界条件影响，未表现出)一个峰值阶段和一个低谷阶段。

从矿山压力及岩层控制的角度上看，由于工作面开挖使上覆岩体的载荷向工作面走向两侧转移，导致支承压力的峰值阶段主要位于工作面前方一定范围的煤岩体中，而试验过程表明当工作面推进至76 cm时，FBG04传感器测试数据开始负向增大(表示传感器处于压应力增大状态)，此时FBG04正处于工作面前方44 cm位置处，表明该传感器变化是对支承压力检测的结果;而支承压力的谷值阶段通常位于工作面后方的采空区，开挖导致上覆岩体卸荷，工作面支架的工作阻力也逐渐降低，随后上覆垮落范围不断增大，垮落堆积的岩块增多，工作面支架的工作阻力也即不断增大。而此时，岩层的垮落运动将导致FBG传感器波长漂移增大，并在破断时达到峰值。

因此，可以得出波长漂移的减小阶段表征了工作面超前支承压力增大阶段;波长漂移的峰值阶段表征了覆岩垮落过程，也即支承压力先减小后增大的阶段，这也是采空区岩体逐渐被压实后支承压力逐渐恢复的阶段。

3. 3支承压力FBG测试灵敏度

模型试验不但揭示了支承压力峰值与波长漂移低谷相对应，且波长漂移低谷深度随着FBG在测线上位置高度增大而减小，FBG的低谷出现的先后顺序随着FBG在测线上位置高度增大而滞后。支承压力的低谷与FBG波长漂移的峰值也相对应，且波长漂移峰值相对于支承压力低谷是随着FBG在测线上位置高度增大而滞后。这证明了同一测线上的FBG波长漂移状态可以反映测线上各位置的支承压力分布状态，两者呈镜面反射(或错位的镜面反射，错位取决于FBG与底板的垂直高度，高度越大，错位越多)。

根据上述分析，由于测线1，3中传感器埋设位置距离模型边界较近，围岩受采动影响不充分，测试数据不完整。因此以模型中间测线2为例，将FBG04～06的波长漂移低谷与底板支承压力峰值(对应推进－36～－8 cm时的波长漂移与底板支承压力)进行线性拟合，结果如图10所示。

回归分析发现支承压力与波长漂移变化呈线性关系，拟合系数均达到0. 99．拟合方程的一次项系数表示FBG传感器每变化1 pm时的支承压力变化量，根据研究目的将其命名为支承压力FBG测试灵敏度，单位MPa/pm，由此得出模型测线2上不同层位的支承压力FBG测试灵敏度见表2．

表2　不同层位的支承压力FBG测试灵敏度Tab．2 FBG monitoring sensitivity of abutment pressure in different rock layers

图10　测线2支承压力与波长漂移拟合Fig．10　Fitting curve of wavelength shift and abutment pressure at measuring line 2

图11　支承压力FBG测试灵敏度与层位高度拟合Fig．11　Fitting curve of FBG monitoring sensitivity of abutment pressure and the FBG buried height

由表2将FBG04～06的支承压力FBG测试灵敏度与该埋设层位高度再次进行线性分析，得到测线2上任意层位高度的支承压力FBG测试灵敏度，结果如图11所示，拟合相关系数0. 99，拟合方程为y =2. 229 5×10－5x +0. 074 5，其表示了x高度位置的支承压力FBG测试灵敏度系数y，当x = 0时y =0. 075 MPa/pm，即煤层上的支承压力FBG测试灵敏度值为0. 075 MPa/pm．由此建立起了模型试验中波长漂移与支承压力的对应关系，可以根据FBG波长漂移计算得到任意层位高度的支承压力分布。

4　支承压力分布规律

由支承压力FBG测试灵敏度值，并利用测线2三支FBG传感器的波长漂移变化计算其各自层位的支承压力如图12所示，纵坐标表示该层位的支承压力，单位MPa;横坐标表示工作面的超前距离，单位cm．

图12　FBG04～06测试支承压力变化Fig．12 Change of abutment pressure of FBG04～06

对于FBG04层位的支承压力变化，其在超前工作面20 cm处开始增大，在超前工作面104 cm处达到峰值6. 73 MPa．由此得出FBG所在层位的支承压力分布规律见表3，其中K为峰值支承压力系数，L1为煤壁到支承压力峰值处的水平距离，L2为支承压力从峰值回落到原岩应力时的水平距离，受采动影响的支承压力影响范围为L1+ L2．可以看到，随着层位增大，支承压力的影响范围越小，而支承压力峰值距离煤壁的距离越大。

表3　FBG04～06测试支承压力分布规律Tab．3 Abutment pressure distribution pattern of measuring FBG04～06

根据上述定量化结果，由支承压力分布规律的FBG表征为基准建立围岩支承压力的采动岩体力学模型，考虑含有4个不同高度位置的FBG传感器和仅初次来压前的覆岩状态，根据对称性，考虑一半覆岩进行分析。

图13　基于FBG测试的支承压力分布Fig．13 Abutment pressure distribution based on FBG detecting

基于FBG传感器测试的支承压力分布模型如图13所示，图中横坐标表示沿采场走向方向，O点为工作面位置;纵坐标为采场顶底板高度方向。图中实线表示FBG的波长漂移大小，虚线表示支承压力大小。由此可知，在受采动影响的围岩体内，支承压力的整体分布随着与工作面的距离增大，支承压力逐渐降低。具体来说，在煤层走向方向上，距离工作面越近，围岩体内的支承压力影响范围越小;在煤层纵向方向上，与煤层的高度距离越大，支承压力越小，支承压力峰值位置距离工作面越远。

5　结论

1)光纤Bragg光栅传感器的波长漂移与支承压力变化呈对应关系，在充分采动下两者呈镜面反射，波长漂移处于低谷(峰值)阶段时，支承压力处于峰值(低谷)阶段，且随着传感器埋设高度增大，镜面反射出现水平错位，而在超前支承压力影响范围内支承压力与波长漂移呈线性关系，测线2传感器的线性系数均为0. 99;

2)研究建立了支承压力FBG测试灵敏度参数，表征了FBG传感器每变化1 pm时的支承压力变化。定量分析了采动围岩支承压力分布规律，得出了测线2不同层位高度的支承压力大小与影响范围(K，L1，L2) ;

3)通过光纤Bragg光栅传感器测试获得了不同层位的支承压力分布规律，建立了围岩采动支承压力的分布模型，可以用于描述围岩在不同层位高度和距离工作面不同水平位置时的支承压力分布规律。

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Experimental study on mining-induced abutment pressure distribution pattern based on FBG sensor

CHAI Jing1，2，YUAN Qiang1，ZHANG Ding-ding1，2，LI Yi1，2，WANG Shuai1，ZHANG Wen-xuan1
(1. College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2. Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China)

Abstract:In order to study the mining-induced abutment pressure distribution pattern，a model test of long wall mining stope was established with the optical fiber Bragg grating(FBG) sensing technique，and nine FBG sensors and electrical pressure sensors were deployed in the model to contrastively analyze the change of wavelength shifts of FBG and the abutment pressure variation．The experiment results show that the wavelength shift and the abutment pressure present a specular reflection and the abutment pressure has a liner relation with FBG wavelength shift．We propose and define the FBG monitoring sensitivity of abutment pressure which represents the abutment pressure changes when the FBG wavelength shifts 1 pm．The distribution pattern of abutment pressure in surrounding rocks is analyzed quantitatively，the abutment pressure and its affected area(K，L1，L2) are obtained．This study also proposes a mechanic model of abutment pressure distribution，which could be used to quantitatively describe the abutment pressure distribution pattern of mining surrounding rocks．

Key words:abutment pressure; FBG sensor; wavelength shift; distribution pattern; model test

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(41027002) ;高等学校博士学科点专项科研基金(20126121110003)

*收稿日期:2015－11－23责任编辑:刘洁

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0203

文章编号:1672－9315(2016) 02－0163－08

中图分类号:TP 212; TD 323

文献标志码:A