采动空间围岩应力场研究.docx

采动空间围岩应力场研究《淮南职业技术学院学报》2017年第1期［摘要］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。［关键词］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。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。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。2BOTDR的技术简介2．1BOTDR的原理布里渊光时域反射计简称BOTDR（BrillouinOpticalTime－DomainReflectometer）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。2．2BOTDR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。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。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。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－700～2300με。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