分布式光纤监测的采场巨厚复合关键层变形试验研究

柴敬^1,2，雷武林^1,3，杜文刚¹，张丁丁^1,2，马哲¹，袁强⁴

1. 西安科技大学能源学院2. 西安科技大学教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室3. 陇东学院能源工程学院4. 重庆大学资源及环境科学学院

摘 要：为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律,以义马矿区的地质条件为背景,利用计算机软件（KSPB）判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系,结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模型（3.6 m×2.0 m×2.0 m）进行物理模拟试验,采用压力传感器测试采场支承压力,分布式光纤传感技术（BOTDA）监测覆岩动态变形过程,多点位移计测试岩层内部位移,并将3种测试结果进行综合对比分析。结果表明:复合关键层破断距理论计算值与物理模型试验测量值基本一致,传感光纤频移峰值在数值、位置、形状上的变化可反映覆岩关键层弯曲变形、破断、回转的动态演化过程;当工作面1推进至960 m时,40 m厚亚关键层一细砂岩（煤层上方112 m位置）中的传感光纤V₁₁出现了4次频移峰值,分别为438.98,313.85,304.27和288.97 MHz,发生了4次破断,初次破断距为368 m,周期破断距为186 m,处于垮落带;160 m厚亚关键层二下组巨厚砾岩（煤层上方225 m位置）中的传感光纤V₁₂出现了1次频移峰值,为165.94 MHz,仅发生1次破断,初次破断距为736 m,但结构未失稳,处于裂隙带;250 m厚主关键层上组巨厚砾岩（煤层上方386 m位置）中的传感光纤V₁₃最大频移峰值为38.61 MHz,远远小于光纤V₁₁和V₁₂的频移峰值,仅发生微小弯曲变形,处于弯曲下沉带。工作面2覆岩变形规律与工作面1趋势基本一致,但关键层在工作面1的破断距离比工作面2大。随开采范围增大,巨厚复合关键层自下而上逐步发生破断,会出现同步和非同步破断现象,增大了采场围岩失稳的不确定及控制难度,易诱发矿井动力灾害。

关键词：立体模型试验;巨厚复合关键层;厚板理论;分布式光纤传感;光纤响应特性;