基于分布式光纤传感技术的采动覆岩变形监测*

刘少林张 丹张平松王嘉诚施 斌

（①南京大学地球科学与工程学院 南京 210046）

（②安徽理工大学地球与环境学院 淮南 232001）

基于分布式光纤传感技术的采动覆岩变形监测*

刘少林①张 丹①张平松②王嘉诚①施 斌①

（①南京大学地球科学与工程学院 南京 210046）

（②安徽理工大学地球与环境学院 淮南 232001）

采用基于布里渊背向散射的分布式光纤传感技术（BOTDR），监测煤层采动过程中覆岩的变形情况。以淮南矿区某工作面为例，在煤层开采之前，通过钻孔安装工艺将分布式传感光缆植入到覆岩中，然后进行封孔注浆，使传感光缆与围岩变形协调。随着工作面的逐步推进，通过获取和分析传感光缆的应变分布特征及其动态变化过程，得到了煤层采动过程中覆岩的变形及破坏状态。最大拉应变位于孔深5m处，应变量是8350με；最大压应变位于孔深37m，应变量约为－550με。光缆应变与地层具有很好的对应关系，在岩性相对较软的地层（如泥岩）中，拉应变值相对较大，而在岩性相对较硬的地层（如砂岩）中，应变量较小且多为压应变。根据光缆的应变分布得到的沿钻孔方向地层的最大变形量为34mm，巷道围岩松动圈范围约为6m。研究结果表明，BOTDR分布式光纤传感技术能够准确地获取覆岩的变形分布及其变化情况，该技术的应用可以为深部煤层的安全高效开采提供可靠的依据。

BOTDR 覆岩 分布式监测 光纤传感 变形

0 引 言

与浅部煤层开采不同，随着开采强度及深度的增加，深部煤岩体处在高地应力、高地温、高岩溶水压的环境中，工作面回采破坏了原岩应力的平衡状态，引起了应力的重新分布。工作面前方出现了随工作面回采向前移动的卸压区域、应力集中区域（宋广东等，2012）。

煤层采动覆岩变形研究对煤层安全、高效开采有着直接的影响，一直以来都是井下安全生产十分关注的焦点问题，准确判定顶板采动破坏高度及其发育特征对矿井采场合理布置、瓦斯抽采及矿井水防治等具有重要的指导意义（张平松等，2009）。在煤层开采过程中，准确认识覆岩应力场和变形场的分布及变化情况，可以得到覆岩的变形特征、破断规律，为合理确定开采上界、制定防治措施提供科学依据，从而实现对煤炭资源的安全、高效开采；同时，采动覆岩的变形研究对于推动相关理论的发展，解决深部开采中所面临的诸多难题等都具有重要的意义（程久龙等，2000）。

分布式光纤感测技术由于其探测感知端不含电子元器件，传感光缆具有本征安全的特点，具有防水防潮、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点；光纤既是传感器又是传输介质，易实现长距离、分布式测量，避免了点式传感的漏检问题；光纤体积小、安装相对容易，易于网络化。

近年来，分布式光纤传感技术在桥梁隧道、边坡工程、地下工程等重大基础工程的应变监测和健康诊断中已得到广泛应用（施斌等，2004，2005；丁勇等，2005；刘杰等，2006；隋海波等，2008；Hiroshi et al.，2007；Assaf et al.，2009；Bao et al.，2012；Hisham et al.，2012；Zhang et al.，2015）。对于矿山工程，分布式光纤传感技术的应用大多数限于井下温度探测或者巷道变形、支护方面的研究，关于煤层采动过程中覆岩变形及破坏规律的研究尚处在探索阶段。作者所在课题组针对这一现状，率先将分布式光纤传感技术应用到煤层采动覆岩变形的研究（张丹等，2015）。采用BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，布里渊光时域反射计）分布式光纤传感技术监测煤层采动过程中覆岩的变形分布及其变化特征。在煤层开采之前，将分布式传感光缆植入到煤层覆岩中，并通过对煤层开采过程中光缆的应变分布特征及其变化规律进行分析，为煤柱留设、采准巷道设计提供依据。

1 监测方案设计

1.1 地质条件

工作面底板标高－839.1～－778.3m，走向长1366m，倾斜长240m，所采煤层厚0.2～8.0m，平均厚2.45m，采厚2.4m。煤层结构简单，产状为60°～175°∠0°～10°，平均4°。煤层顶底板情况（表1）。

表1 工作面顶底板情况Table 1 The conditions of roof and floor

1.2 传感光缆

由于巷道围岩的变形较大，而且越靠近工作面，围岩的变形越大。普通光纤的直径只有0.25mm，纤细、脆弱，容易在布设和监测过程中受到破坏。针对覆岩变形具有累进性、阶段变化的特点，本次监测通过钻孔在巷道围岩内安装两条经过机械增强，但敏感度不同的特殊应变传感光缆。

钻孔中埋置的传感光缆包括：钢绳护套传感光缆（GS）和定点传感光缆（DD），两种传感光缆的封装形式（图1）。表2给出了这两种传感光缆的类型及主要性能参数。

图1 应变传感光缆的封装形式Fig.1 Packaging forms of strain sensing cables

表2 传感光缆类型及主要性能参数Table 2 Types and main performance parameters of sensing cables

为了使光缆与覆岩更好地耦合，结合井下的实际情况，采用钻孔埋入法将两种不同的光缆绑在PVC管上送入预先打好的钻孔内，然后注浆封孔，使传感光缆与围岩协调变形。根据传感光缆的应变分布及其变化情况，可获得随工作面推进过程中覆岩变形的动态变化。如图2所示，在运顺巷道向煤层顶板施工一个倾角为40°的仰孔，钻孔方向与工作面回采方向正交。传感光缆在孔内的实际安装长度为86m，与通讯光缆法兰连接后，引至大巷，建立监测站。

2 监测结果与分析

图2 顶板钻孔光缆安装示意图Fig.2 Installation schematic diagram of cables for roof borehole

以2014年2月13日监测值为初值，按照监测计划，定期采集自2014年2月26日至2014年4月3日期间传感光缆的应变数据（整个过程中工作面向监测孔方向推进了122m，至4月3号工作面到达距离监测孔18m的位置处）。

2.1 传感光缆的应变分布特征

图3为GS传感光缆的应变分布变化云图，图中实线内的区域为拉应变区，之外的区域为压应变区（注：拉应变为正，压应变为负）。由图可以看出：沿钻孔方向，光缆总体呈现压应变，但压应变量较小；受拉区主要有4个。第一及第二受拉区出现在孔深0～6m及孔深9～12m范围内，光缆受到显著拉伸，并随工作面的推进，应变量逐渐增大，拉应变峰值出现在孔深5m、工作面至测点平距18m处，其值突破了8000με以上，这是由于该区域主要受到巷道的收敛变形及采动应力的叠加影响造成的。第三及第四拉应变区分别位于孔深40m及孔深50m范围附近，并随工作面的推进，应变量有所增大，说明在采动应力作用下，相应地层发生拉伸变形，甚至出现拉张裂隙。而明显的压应变区主要出现在35～45m、55～70m孔深处，量值较小，反映出相应位置的顶板覆岩受采动影响而发生了一定程度的压缩变形。

根据光缆应变的变化规律及其应变量的大小，可以推断岩层的离层及其出现的区域。以孔深40m附近为例，随着工作面的推进，当工作面距测点平距约75m时，应变由压应变转为拉应变，反映了煤层上部覆岩在采动应力作用下先受到压缩，随着采动应力的进一步增大，由于地层岩性的差异，在不同岩性的地层界面附近出现离层，传感光缆受到拉伸，呈现拉应变。

图4为DD传感光缆的应变分布变化云图。可见，光缆的应变分布特征与GS光缆的基本相同，拉应变区主要有4个。在孔深12m范围内，为第一及第二拉应变区，由于靠近孔口，在采动应力和巷道收敛变形的共同作用下，光缆的拉应变较为显著，拉应变峰值约为4500με，位于孔深4m左右。在孔深40m附近及孔深45～50m范围分别为第三及第四拉应变区，随工作面的推进，应变量逐渐增大，说明在采动应力作用下，相应地层发生拉伸变形，甚至出现拉张裂隙。另外，两个较为明显的压应变区分别位于孔深35～45m及孔深55～70m之间，随着工作面的推进，压应变量也不断增大。

总体上来看，DD传感光缆与GS传感光缆应变的分布是一致的，说明了DD和GS的传感性能基本相同。但是，由于DD传感光缆为定点结构，使局部变形平均化，因此DD传感光缆测得应变值相对较小。

2.2 应变分布与地层的对应关系

图3 GS传感光缆的应变分布变化云图Fig.3 Strain distribution contour of sensing cable GS

图4 DD传感光缆的应变分布变化云图Fig.4 Strain distribution contour of sensing cable DD

图5 给出了GS传感光缆应变分布与地层之间的对应关系。由图可见，由于靠近孔口处的监测段同时受到采动应力和巷道围岩收敛变形的影响，位于直接顶①砂质泥岩中存在两个较大的拉应变段，其应变量比⑨砂质泥岩中部监测点的应变量大很多，而且当工作面距离测点较远时，应变量也较大，说明了巷道围岩的变形以沿巷道径向的收敛变形为主。此外，光缆的拉伸应变主要出现在软岩与硬岩的地层界面附近，如①砂质泥岩与②中细砂岩的层面、⑤砂质泥岩与⑥粗砂岩之间的薄层泥岩以及⑦细砂岩与⑧中细砂岩的层面附近。其中，⑥粗砂岩的下部，靠近于下部薄层泥岩的地层界面附近，测点的应变变化呈现出先减小为压应变，而后又缓慢增大为拉应变的变化趋势，反映了煤层上部覆岩在采动应力作用下先发生压缩变形，当采动应力进一步增大，由于地层岩性的差异，在地层界面附近出现离层，传感光缆受到拉伸，呈现拉应变。压缩应变较为显著的区域主要出现在⑤砂质泥岩和⑥粗砂岩，以及⑨砂质泥岩和⑩花斑泥岩地层，反映了地层在采动应力的作用下被压缩。

2.3 光缆应变的变化规律

孔深分别为5m、11m、37m、40m、43m和49m处传感光缆应变的变化曲线（图6）。可见，随工作面推进，孔深5m测点的拉应变呈阶段性增加的变化规律，当工作面推进至距监测孔110～120m，70m和35m左右时，其应变值和应变增加速率均显著增大，这是由于此测点位于①砂质泥岩中部且距离孔口较近，受巷道收敛和采动的共同作用，产生了较大的沿巷道径向的拉伸变形，其最大拉应变值达到了8350με。位于③砂质泥岩的11m处的测点，当工作面距离较远时，应变值相对较小，但随着回采工作面的不断推进，其应变值逐步增大，说明围岩变形受工作面采动的影响较大，而受巷道收敛变形的影响较小。孔深37m和43m处两测点的应变值随着工作面的推进逐渐减小，至监测结束时，均呈现压应变，应变值约为－550με。孔深40m的测点的应变变化呈现出先减小为压应变，而后又缓慢增大为拉应变的变化趋势。孔深49m测点当工作面较远时，拉应变缓慢增加，当工作面距测点30m左右时，拉应变增加速率显著加快，至监测结束，该测点最大拉应变达到了1630με。

图5 GS传感光缆应变分布与地层的对比图Fig.5 Correspondence between strain distribution of GS sensing cable and strata

图6 GS光缆测点应变的变化曲线Fig.6 The variation curve of GS sensor cable at themonitoring point

图7 DD光缆测点应变的变化曲线Fig.7 The variation curve of DD sensor cable at themonitoring point

图7 为DD光缆孔深分别为2m、9m、40m和49m测点应变随工作面推进位置的变化曲线。孔深2m测点的应变呈阶段性变化，当工作面推进至监测孔平距为100m左右，应变由120με增大至700με，之后应变增加缓慢。当平距为70m左右时，拉应变呈线性增加。当平距小于36m，拉应变增加速率进一步增大，并呈线性增加，至监测结束，最大拉应变达到4500με。孔深9m的测点的拉应变基本随工作面推进呈线性缓慢增加，拉应变最大值约为700με。随工作面的推进，孔深40m测点呈压应变平稳增加，最后趋于稳定；孔深49m的测点，在工作面推进到距监测孔124m至82m之间出现轻微压应变，之后由压应变转变为拉应变，并逐渐增大，当平距35m时，拉应变有加速增大的趋势。

通过对比GS光缆和DD光缆的典型测点的应变变化曲线可以看出，工作面采动应力的超前影响范围大于120m，明显影响范围约为70m，剧烈影响范围约为35m，侧向支撑压力峰值距煤壁约为5m。

3 覆岩的变形、破坏特征分析

DD光缆为5m间距定点封装光缆，封装时对固定点间的光缆进行了预拉伸，并保持光缆与外层护套不接触。当固定点之间产生较大变形，如裂缝，通过该定点结构可以在一定程度上避免传感光缆在裂缝处受损，同时，使局部大变形转换为两固定点间的小变形，以延长传感光缆的监测寿命。因此，DD光缆对局部变形不敏感，容易忽略局部信息。图4中第三、第四拉应变区的范围及拉应变量均比图3相应位置的要小也说明这一点。基于此，下面将主要根据GS光缆的应变分布情况对覆岩的变形及破坏特征进行分析。

3.1 地层变形

这里，将孔底看做不动点，通过积分得到沿钻孔方向的地层变形分布图（图8）。总体上，从孔底到孔深6m附近，变形量相对较小，增长速度缓慢，其中在孔深50～47m及孔深10～5m变形速度呈现加快的趋势。而在孔深6m到孔口位置，变形量急剧增加。当工作面推进至监测孔约20m时，累计变形量为34mm，这主要是由巷道的收敛变形造成的。

3.2 围岩松动圈

监测钻孔方向与巷道走向垂直，钻孔仰角为40°，因此，沿钻孔方向的松动圈范围即是巷道松动圈的实际范围。在孔深6m范围内，传感光缆的拉应变量较大，最大值约为8350με，反映了岩体已经产生拉破坏。由图8可知，变形量在孔深6m范围内变化显著，而且随时间逐步增大，由此可以判定，巷道围岩松动圈的范围约为6m。因此，可以根据传感光缆的拉应变分布及应变量的大小分析围岩松动圈的范围。

图8 钻孔方向变形量分布图Fig.8 Distribution curve of deformation along the borehole

3.3 离层破坏

沿钻孔方向，除近孔口区域主要受巷道收敛变形影响外，其他区域主要受到采动应力的影响。在孔深49m附近，光缆出现较大的拉伸变形，且随着工作面向前推进，拉伸变形逐步增大。从图5可以看出，此区域位于⑦细砂岩与⑧中细砂岩的地层界面，由于岩性的差异，在地层界面处产生离层，从而使得此处变形量较大。在孔深40m处，随着工作面的推进，在竖向采动应力的作用下，随地层协调变形的传感光缆初期产生了轻微的压缩变形，而后，由于⑤砂质泥岩与⑥粗砂岩之间的岩性差异，此处发生了离层，光缆由压缩变形逐渐转变为拉伸变形，并随着工作面的推进，拉应变呈不断增加的趋势。因此，根据传感光缆的应变状态及其变化，结合地层的分布特征，可以对地层在采动过程中的离层变形进行监测和分析。

3.4 破坏区的划分

随着工作面不断向钻孔方向推进，孔口处光缆由于受到巷道的收敛变形和采动应力的叠加影响，产生了较大的拉伸变形并逐渐增大，当工作面距监测孔平距约20m时，孔口处光缆受到的拉伸量过大而遭到破坏，监测工作终止。这里，根据已获得的光缆应变对孔深范围内的地层破坏情况进行了分析。

表3 岩石试样物理性能实验结果Table 3 The results of physical property test of rock specimen

表3为覆岩岩石试样物理性能实验结果。根据岩石力学，由岩石试样的单轴抗压强度、抗拉强度及其弹性模量，可以计算出岩石试样在发生拉、压屈服时的应变量。将岩石试样发生单轴拉伸屈服的应变记为ε拉实验，发生单轴压缩屈服的应变记为ε压实验。将传感光缆实测的沿钻孔方向的应变值记为εi实验。由于传感光缆与围岩协调变形，εi实测即相应位置覆岩的实测应变。假定覆岩仅在拉、压应力下产生破坏，通过对比光缆应变与岩石实验屈服应变，可以对围岩的变形状态进行初步分区，有：

当ε压实验＜εi实测＜ε拉实验时，岩石处于弹性变形状态；当εi实测≤ε压实测时，岩石处于压破坏状态；当εi实测≥ε拉实验时，岩石处于拉破坏状态。

根据光缆应变与屈服应变的比较，绘制了当工作面距监测断面20m时，沿钻孔方向覆岩的弹塑性分布图（图9）。可见，沿钻孔方向主要发育了4个拉破坏区，其余基本为弹性变形区，未发育明显的压破坏区，表明在采动应力及巷道围岩变形的影响下，地层主要产生拉张破坏。

图9 钻孔方向覆岩弹塑性分布图Fig.9 Elastoplastic distributionmap of overburden

4 结 论

深部开采顶板岩层的运动规律、采动应力的分布及变化与浅部开采有所不同，通过对工作面影响范围内的地层进行监测，可以准确地了解地层的变形、破坏特征，为煤矿安全、高效生产提供依据。本文采用分布式光纤传感技术，对采动覆岩变形进行了监测和分析，得到如下结论：

（1）研究了传感光缆的应变分布特征，发现与地层分布具有较好的对应关系；在监测期内，最大拉应变位于孔深5m处，应变量为8350με，最大压应变位于孔深37m，应变量约为－550με；工作面采动应力的超前影响范围大于120m，明显影响范围约为70m，剧烈影响范围约为35m，侧向支撑压力峰值距煤壁约为5m。

（2）根据光缆应变分布，得到了沿钻孔方向地层的最大变形量约为34mm，巷道围岩松动圈的范围为6m。

（3）根据传感光缆实测的应变分布及其与地层的对应关系，得到了离层破坏情况，并初步对孔深范围内的地层破坏情况进行了分区。

总之，基于BOTDR分布式光纤传感技术能够准确地反映采场空间地层的变形、应力及破坏情况，具有显著的优越性。该技术的推广和使用，对于推动相关理论的发展，解决深部开采中所面临的突出问题等具有重要的意义。

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DEFORMATION MONITORING OF OVERBURDEN BASED ON DISTRIBUTED OPTICAL FIBER SENSING

LIU Shaolin①ZHANG Dan①ZHANG Pingsong②WANG Jiacheng①SHIBin①
（①School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210046）
（②School of Earth and Environment Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001）

As a kind of distributed fiber optic sensing technology based on Brillouin back-scattering，BOTDR was used tomonitor the deformation of overburden during the coalmining.Taking a working face in Huainan mining area as an example，distributed optical sensing cableswere implanted into the overburden of coal seam by drilling. By grouting the boreholewith cement，it is assumed that the deformation of sensing cable and the overburden should be the same.During the mining，strain distribution of sensing cables was obtained periodically.By analyzing the strain distribution and its variation，the deformation and failure of overburden were investigated during themining. The maximum tensile strain along the borehole is about 5m depth with the value of 8350με.The maximum compressive strain is-550μεat the borehole depth of 37m.Strain distribution shows a good correlation with thestructure of the strata.A relatively larger tensile strain can be observed in the soft strata，such as mudstone. However，the strain in the hard strata，such as sandstone，the cable strain is smaller and usually ompressive.The maximum deformation of the strata along the borehole is 34mm.The loosened circle of roadway is about 6m.The results show that distributed optical fiber sensing technology can obtain the deformation and its variation of the overburden，which can provide reliable data for the safe and efficientmining.

BOTDR，Overburden，Distributed monitoring，Fiber optic sensing，Deformation

TD82

：A

10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.011

2015－04－01；

2015－09－28.

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放

（SKLGP2011K011），国家自然科学基金重点项目（41230636），

中央高校基本科研业务费（1118020601）资助.

刘少林（1990－），男，硕士生，主要从事矿山岩体应力监测及岩土工程数值分析等方面的研究工作.Email：lsl1197671580＠163.com

张丹（1976－），男，博士，副教授，主要从事工程地质和防灾减灾方面的研究工作.Email：zhangdan＠nju.edu.cn