基于BOTDR的采动空间围岩应力场的研究

许华丽

（安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001）

基于BOTDR的采动空间围岩应力场的研究

许华丽

（安徽理工大学地球与环境学院， 安徽淮南232001）

光纤自兴起后，应用范围广泛，涉及军事、煤炭、工程等各个领域;基于布里渊光时域反射计（BOTDR），以某矿为例，研究了采动空间围岩应力场的变化，根据光纤的应变曲线得出在采动过程中围岩的变形状态，证明了光纤在采动空间中监测的可行性。

光纤; 布里渊光时域反射计; 围岩; 应变

1 引言

目前，越来越多的学者、专家专注于研究采动空间围岩应力场的变化，这对煤矿安全生产以及工程施工都有着重大的意义。目前国内外现场监测采动应力的主要技术有钻孔应力监测技术、电磁辐射监测技术、微震测试技术、光纤传感技术等[1]。其中，光纤传感技术是以光纤的导波现象为基础，光从光纤射出时，光的特性得到调制，通过对调制光的检测，便能感知外界的信息，从而实现对各种物理量的测量。在国际上，光纤技术是70年代后期才迅速发展起来的，而在岩土工程及土木工程领域中的应用是在90年代以后才开始兴起。光纤传感技术包括有光纤光栅、瑞利散射光时域反射、喇曼光时域反射、布里渊光时域反射等[2]。本文基于布里渊光时域反射，以某矿为例研究了采动空间围岩应力场的变化，验证了光纤在采动空间中监测的可行性。

2 BOTDR的技术简介

2.1 BOTDR的原理

布里渊光时域反射计，简称BOTDR（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer），它是建立在布里渊散射光的特性的基础之上进行检测与监测的。布里渊是由光子与光纤内弹性声波场低频声子的相互作用而产生的，其频率与入射光相差几十吉赫兹，散射光相对于入射光产生频移，频移变化量与光纤所受的轴向应变和温度变化呈线性关系[3-7]。

根据光纤的应变量与布里渊频移量之间的关系，可根据（1）式求得光纤的应变量

（1）

其中，vb（ε）为有应变时光纤布里渊频率的漂移量；vb（0）为无应变时光纤布里渊频率的漂移量；dvb（ε） /dε为比例系数，约为0.5 GHz/% （应变）；ε为光纤的轴向应变量。

再根据（2）式求得由某一点返回的布里渊散射光到BOTDR的距离

（2）

其中，Z为某一点与BOTDR接收器的距离；C为真空中的光速；n为光纤的折射系数；T为发出脉冲光至接收到散射光的时间间隔。

由（1）式和（2）式得出BOTDR可以沿着光纤传播方向进行连续的监测，并可以对发生应变的部位进行定位。

2.2 BOTDR的特点

BOTDR相比较于传统的光纤传感器，具有明显的优点。其体积小，质量轻，电绝缘性好，抗电磁干扰能力强，抗生物化学腐蚀，防水防潮，易弯曲耦合性好，稳定性好，分辨率高，可以达到30με/1°c，测量距离长，覆盖面积大，可以实现全分布式测量，同时容易实现对被测信号的远距离监控，是一款集传播和感应于一体的功能型光纤传感器。

3 工程案例

3.1 监测系统的构建

图1为某煤矿的煤层回风上山（简称煤上山）监测断面的钻孔剖面图。该断面共包括3个监测孔，其中1#孔为仰孔，仰角40°，方位角97°，设计孔深100m，实际安装深度为100.8m；2#孔为俯孔，俯角-40°，方位角97°，位于巷道底板，设计孔深为100m，光缆实际安装深度为97.3m；3#孔为近水平孔，倾角为+6°，设计孔深为100m，实际安装深度为80.3m。由钻孔资料可知该断面岩性主要为细砂岩和砂质泥岩。孔中装有钢绳式光缆，通过钻孔注浆，使传感光缆和围岩耦合为一体，确保二者协调变形。监测钻孔相关测试系统于2014年1月14日全部安装完毕。仪器监控站位于钻孔后20m处，并对测试电缆进行了有效保护。

图1 回风上山断面监测孔剖面图

待钻孔中水泥浆固结后，开始进行数据采集，现场采用布里渊光时域反射光纤应变/温度测量仪AV6419采集数据。该断面每天推进5～6m，监测时间跨度为2014年3月7日至2014年5月17日，在这两个多月时间内，一共进行了13次定期监测，分别为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，并将2014年3月7日监测值作为观测初始值，为后期的监测数据提供对比依据[8]。通过测量光缆的应变分布及变化情况，得到围岩相应方向上的应变分布及变化情况，进而分析围岩应力场的分布特征，为采动条件下采场周边顶板围岩应力分布规律的研究以及顶板支护提供依据。

3.2 数据结果与分析

通过数据整理，得到传感光缆在采动过程中的应变分布曲线，以煤上山断面1#仰孔传感光缆的应变分布为例进行研究，如图2所示。其中图a是整个监测过程的全部应变分布曲线，可以看出：每个时间段在相应位置上的应变趋势整体上呈一致性，仅在幅度上有差异，应变范围为-700～2 300με。随着开采时间的推进，同一孔深位置后期的应变大于前期的应变，说明后期的围岩松动范围在增大，围岩裂隙逐渐加宽加长。从一天的监测记录上看，不同孔深处的应变也不同。孔深4m范围内出现压应变，这与施工阶段在孔口安装的套管有关；除此之外，其他测点都几乎呈现拉应变，且孔口至孔深19m、27m、45m和55m处拉应变较大。

为了深入的研究采动空间围岩应力场的变化，现观察孔深分别为19m、27m、45m、55m和94m处传感光缆应变随工作面推进位置的变化曲线，见图b。总体上可以看出：这 5个测点在工作面停采之前（2014年5月4日左右）都呈现拉应变，且随着工作面的推进，皆呈现线性增长的趋势，这表明随着工作面的推进，受超前支撑压力和巷道收敛的共同作用，巷道围岩产生较大的拉伸变形。停采之后，在采动应力的作用下，采场围岩产生蠕变变形。因此，各测点在停采之后的应变值都有较大增长。孔深19m测点的应变明显大于其他4个测点，应变增长速率较大，其变形受巷道收敛的影响较大，而其他4个测点的应变主要受采动影响。另外，从距离工作较近的孔深45m和55m测点的应变变化曲线可见，围岩的应变呈现阶段式增加的变化规律，反映了工作面推进过程中，采动应力具有周期性变化的特点。

图2 煤上山断面1#仰孔传感光缆的应变分布图

从煤上山断面1#仰孔的应变变化情况可以看出，在工作面推进过程中，超前支撑压力的影响范围可达140m，明显影响范围90m左右。

图3 应变分布与地层的对应图

结合此煤矿的地质资料，做出光缆应变分布与地层的对应关系图，如图3所示。由于主要受巷道收敛变形的影响，位于①处泥岩中的传感光缆的拉应变值较大，在②处细砂岩的底部和上部分别存在较为显著的拉应变区域，说明在相应层位出现了离层裂隙。另外，在②处细砂岩和③处泥岩地层界面附近具有阶段性变形的变化特征，与工作面顶板不断垮落，老顶周期来压有关。除此之外，②处细砂岩的顶部和③处泥岩的底部，拉应变突变，增大到1 500με，这说明软岩与硬岩的层面附近可能出现了离层变形。④处的细砂岩都呈拉应变状态，但变形量较小，说明此处只产生细小裂隙，总体比较稳定。在⑤处泥岩的底部，光纤存在拉应变区，随工作面推进，拉应变值缓慢增大，反映出在超前支撑压力的作用下⑤处泥岩的底部出现离层裂隙。

4 结语

通过案例分析可见，应力的大小及性质与地层的岩性、组合关系、至工作面的距离以及深度等因素有关。采用分布式传感光缆可以得到工作面推进过程中，煤层顶板围岩的变形特征及其变化规律，为采场空间的应力场、变形场的分析提供了依据。由于光纤的优越性，可以预见在以后很长一段时间，光纤的应用范围会越来越广。同时光纤安装的施工工艺、测试精度以及数据处理软件的完善等在以后都会有更进一步的发展。

[1] 徐文全.采动空间围岩应力监测技术及应用研究[D].徐州：中国矿业大学,2012.

[2] 陈继宣,龚华平,张在宣.光纤传感器的工程应用及发展趋势[J].光通信技术,2009（10）: 38-40.

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[5] 刘细伟.深井特厚煤层综放面覆岩运动规律监测[J].现代矿业,2014,30（8）:148-149.

[6] 卢毅,施斌,席均,等.基于BOTDR的地裂缝分布式光纤监测技术研究[J].工程地质学报,2014（1）:8-13.

[7] 尹龙,王晓琳.基于BOTDR的土质隧道深部围岩变形监测技术[J].隧道建设,2014（2）:158-162.

[8] 丁勇,施斌,孙宇,等.基于BOTDR的白泥井3号隧道拱圈变形监测[J].工程地质学报,2006, 14（5）:649-653.

AStudyonMiningSpaceSurroundingRockStressFieldBasedonBOTDR

XUHuali

（SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001）

Fiber has had a wide range of applications since its rise. It involves various fields such as military, coal, engineer and so on. Taking a certain mine as an example, this paper studies the change of mining space surrounding rock stress field based on the Brillouin optical time domain reflectometer. The deformation state of surrounding rock during the mining process can be obtained from the stress strain curve of optical fiber, which proves that optical fiber is feasible in the mining space monitoring.

fiber; Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer; surrounding rock; stress-strain

2016-09-08

许华丽（1991-），女，硕士研究生,研究方向为地质工程与地球物理勘探,电话：18158890142。

TD311

B

1671-4733（2017）01-0027-03

10.3969/j.issn.1671-4733.2017.01.009