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采動空間圍巖應(yīng)力場研究范文

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采動空間圍巖應(yīng)力場研究

《淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報》2017年第1期

[摘要]光纖自興起后,應(yīng)用范圍廣泛,涉及軍事、煤炭、工程等各個領(lǐng)域;基于布里淵光時域反射計(BOTDR),以某礦為例,研究了采動空間圍巖應(yīng)力場的變化,根據(jù)光纖的應(yīng)變曲線得出在采動過程中圍巖的變形狀態(tài),證明了光纖在采動空間中監(jiān)測的可行性。

[關(guān)鍵詞]光纖;布里淵光時域反射計;圍巖;應(yīng)變

1引言

目前,越來越多的學(xué)者、專家專注于研究采動空間圍巖應(yīng)力場的變化,這對煤礦安全生產(chǎn)以及工程施工都有著重大的意義。目前國內(nèi)外現(xiàn)場監(jiān)測采動應(yīng)力的主要技術(shù)有鉆孔應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)、電磁輻射監(jiān)測技術(shù)、微震測試技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等。其中,光纖傳感技術(shù)是以光纖的導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ),光從光纖射出時,光的特性得到調(diào)制,通過對調(diào)制光的檢測,便能感知外界的信息,從而實現(xiàn)對各種物理量的測量。在國際上,光纖技術(shù)是70年代后期才迅速發(fā)展起來的,而在巖土工程及土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用是在90年代以后才開始興起。光纖傳感技術(shù)包括有光纖光柵、瑞利散射光時域反射、喇曼光時域反射、布里淵光時域反射等。本文基于布里淵光時域反射,以某礦為例研究了采動空間圍巖應(yīng)力場的變化,驗證了光纖在采動空間中監(jiān)測的可行性。

2BOTDR的技術(shù)簡介

2.1BOTDR的原理

布里淵光時域反射計,簡稱BOTDR(BrillouinOpticalTime-DomainReflectometer),它是建立在布里淵散射光的特性的基礎(chǔ)之上進行檢測與監(jiān)測的。布里淵是由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場低頻聲子的相互作用而產(chǎn)生的,其頻率與入射光相差幾十吉赫茲,散射光相對于入射光產(chǎn)生頻移,頻移變化量與光纖所受的軸向應(yīng)變和溫度變化呈線性關(guān)系。

2.2BOTDR的特點

BOTDR相比較于傳統(tǒng)的光纖傳感器,具有明顯的優(yōu)點。其體積小,質(zhì)量輕,電絕緣性好,抗電磁干擾能力強,抗生物化學(xué)腐蝕,防水防潮,易彎曲耦合性好,穩(wěn)定性好,分辨率高,可以達到30με/1°c,測量距離長,覆蓋面積大,可以實現(xiàn)全分布式測量,同時容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控,是一款集傳播和感應(yīng)于一體的功能型光纖傳感器。

3工程案例

3.1監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

某煤礦的煤層回風(fēng)上山(簡稱煤上山)監(jiān)測斷面的鉆孔剖面圖。該斷面共包括3個監(jiān)測孔,其中1??诪檠隹?,仰角40°,方位角97°,設(shè)計孔深100m,實際安裝深度為100.8m;2??诪楦┛?,俯角-40°,方位角97°,位于巷道底板,設(shè)計孔深為100m,光纜實際安裝深度為97.3m;3??诪榻娇祝瑑A角為+6°,設(shè)計孔深為100m,實際安裝深度為80.3m。由鉆孔資料可知該斷面巖性主要為細砂巖和砂質(zhì)泥巖??字醒b有鋼繩式光纜,通過鉆孔注漿,使傳感光纜和圍巖耦合為一體,確保二者協(xié)調(diào)變形。監(jiān)測鉆孔相關(guān)測試系統(tǒng)于2014年1月14日全部安裝完畢。儀器監(jiān)控站位于鉆孔后20m處,并對測試電纜進行了有效保護。待鉆孔中水泥漿固結(jié)后,開始進行數(shù)據(jù)采集,現(xiàn)場采用布里淵光時域反射光纖應(yīng)變/溫度測量儀AV6419采集數(shù)據(jù)。該斷面每天推進5~6m,監(jiān)測時間跨度為2014年3月7日至2014年5月17日,在這兩個多月時間內(nèi),一共進行了13次定期監(jiān)測,分別為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,并將2014年3月7日監(jiān)測值作為觀測初始值,為后期的監(jiān)測數(shù)據(jù)提供對比依據(jù)。通過測量光纜的應(yīng)變分布及變化情況,得到圍巖相應(yīng)方向上的應(yīng)變分布及變化情況,進而分析圍巖應(yīng)力場的分布特征,為采動條件下采場周邊頂板圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的研究以及頂板支護提供依據(jù)。

3.2數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

通過數(shù)據(jù)整理,得到傳感光纜在采動過程中的應(yīng)變分布曲線,以煤上山斷面1#仰孔傳感光纜的應(yīng)變分布為例進行研究。整個監(jiān)測過程的全部應(yīng)變分布曲線,可以看出:每個時間段在相應(yīng)位置上的應(yīng)變趨勢整體上呈一致性,僅在幅度上有差異,應(yīng)變范圍為-700~2300με。隨著開采時間的推進,同一孔深位置后期的應(yīng)變大于前期的應(yīng)變,說明后期的圍巖松動范圍在增大,圍巖裂隙逐漸加寬加長。從一天的監(jiān)測記錄上看,不同孔深處的應(yīng)變也不同??咨?m范圍內(nèi)出現(xiàn)壓應(yīng)變,這與施工階段在孔口安裝的套管有關(guān);除此之外,其他測點都幾乎呈現(xiàn)拉應(yīng)變,且孔口至孔深19m、27m、45m和55m處拉應(yīng)變較大。為了深入的研究采動空間圍巖應(yīng)力場的變化,現(xiàn)觀察孔深分別為19m、27m、45m、55m和94m處傳感光纜應(yīng)變隨工作面推進位置的變化曲線,見圖b??傮w上可以看出:這5個測點在工作面停采之前(2014年5月4日左右)都呈現(xiàn)拉應(yīng)變,且隨著工作面的推進,皆呈現(xiàn)線性增長的趨勢,這表明隨著工作面的推進,受超前支撐壓力和巷道收斂的共同作用,巷道圍巖產(chǎn)生較大的拉伸變形。

停采之后,在采動應(yīng)力的作用下,采場圍巖產(chǎn)生蠕變變形。因此,各測點在停采之后的應(yīng)變值都有較大增長??咨?9m測點的應(yīng)變明顯大于其他4個測點,應(yīng)變增長速率較大,其變形受巷道收斂的影響較大,而其他4個測點的應(yīng)變主要受采動影響。另外,從距離工作較近的孔深45m和55m測點的應(yīng)變變化曲線可見,圍巖的應(yīng)變呈現(xiàn)階段式增加的變化規(guī)律,反映了工作面推進過程中,采動應(yīng)力具有周期性變化的特點。結(jié)合此煤礦的地質(zhì)資料,做出光纜應(yīng)變分布與地層的對應(yīng)關(guān)系圖,如圖3所示。由于主要受巷道收斂變形的影響,位于①處泥巖中的傳感光纜的拉應(yīng)變值較大,在②處細砂巖的底部和上部分別存在較為顯著的拉應(yīng)變區(qū)域,說明在相應(yīng)層位出現(xiàn)了離層裂隙。另外,在②處細砂巖和③處泥巖地層界面附近具有階段性變形的變化特征,與工作面頂板不斷垮落,老頂周期來壓有關(guān)。除此之外,②處細砂巖的頂部和③處泥巖的底部,拉應(yīng)變突變,增大到1500με,這說明軟巖與硬巖的層面附近可能出現(xiàn)了離層變形。④處的細砂巖都呈拉應(yīng)變狀態(tài),但變形量較小,說明此處只產(chǎn)生細小裂隙,總體比較穩(wěn)定。在⑤處泥巖的底部,光纖存在拉應(yīng)變區(qū),隨工作面推進,拉應(yīng)變值緩慢增大,反映出在超前支撐壓力的作用下⑤處泥巖的底部出現(xiàn)離層裂隙。

4結(jié)語

通過案例分析可見,應(yīng)力的大小及性質(zhì)與地層的巖性、組合關(guān)系、至工作面的距離以及深度等因素有關(guān)。采用分布式傳感光纜可以得到工作面推進過程中,煤層頂板圍巖的變形特征及其變化規(guī)律,為采場空間的應(yīng)力場、變形場的分析提供了依據(jù)。由于光纖的優(yōu)越性,可以預(yù)見在以后很長一段時間,光纖的應(yīng)用范圍會越來越廣。同時光纖安裝的施工工藝、測試精度以及數(shù)據(jù)處理軟件的完善等在以后都會有更進一步的發(fā)展。

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作者:許華麗 單位:安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院

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