采动覆岩变形的分布式光纤检测与表征模拟试验研究

摘要

煤炭开采引起的上覆岩层变形监控是煤矿安全与绿色开采的重要组成，建立矿山岩体区域检测网络成为煤矿岩层控制的新方向。采场大空间、覆岩大变形，岩移大范围是目前采场覆岩变形的新特点，成为制约煤炭安全高效开发的瓶颈。分布式光纤传感技术具有分布式、多尺度、高精度等优势，有助于实现大范围和多尺度的岩层变形测试。开展覆岩变形及其结构演化的分布式光纤检测研究，是推动采场覆岩变形信息化构建智能矿山的有效途径之一。本文针对采动覆岩变形的分布式光纤检测，基于物理模型试验，结合理论分析和数值模拟，对岩层变形的分布式光纤检测理论、分布式光纤检测试验技术方法、采动覆岩变形的分布式光纤表征模型和特殊结构覆岩变形特征的分布式光纤检测等问题开展研究。
　　对岩层变形引起的光纤受力特征进行了理论分析，建立了岩层变形的分布式光纤应力分布理论模型，揭示了岩层破断垮落、裂隙离层发育、弯曲下沉等引起的光纤应力分布形态。表明处于不同变形程度岩层内的光纤受力具有阶段特性。提出了基于光纤频移的覆岩变形表征方法，表明岩层与光纤之间的接触系数是分布式光纤检测的重要影响参数，可通过建立分布式光纤表征模型来描述覆岩变形状态。
　　利用ANSYS数值模拟分折了模型试验中光纤对岩层变形的影响机制。表明光纤埋设对岩层应力分布造成附加影响，影响程度随光纤直径和弹性模量增大而增大。光纤对岩层变形的影响范围呈菱形分布，半径约10cm。岩层位移变化特征揭示了光纤参数对岩层变形的影响规律，1～2mm直径光纤造成的岩层位移变化影响小于5%；光纤弹性模量在岩层弹性模量2个数量级以上时，光纤对岩层位移变化影响大于25%。用岩层位移变化率表征了光纤对岩层变形的影响关系，揭示了光纤直径和弹性模量对岩层变形的影响分别为二次函数和一次函数关系，为模型试验的光纤选型提供了依据。
　　开展了采动覆岩变形光纤检测模型试验，提出了岩层变形光纤检测试验技术方法，得出了覆岩变形的分布式光纤频移变化基本规律，建立了覆岩变形的分布式光纤表征模型。对论了模型底端光纤固定方式不同时对测试结果的影响。分析了光纤与工作面位置的响应机制，揭示了垂直光纤频移曲线的3阶段和3台阶变化，3阶段分别与采动覆岩横三区相对应，3台阶分别与采动覆岩竖三带相对应。提出了光纤测试频移平均度概念，其物理意义为频移平均度越大，岩层变形破坏程度越高。获得了工作面开挖过程中覆岩层内的拉、压应力分布规律，区分出了岩层变形破坏范围和岩层变形稳定范围。阐述了光纤频移对覆岩变形破坏及其结构演化的表征关系，给出了覆岩变形与光纤频移的量化关系式，光纤表征模型与光纤应力分布理论模型一致。
　　开展了巨厚砾岩下开采覆岩变形的三维模型试验，研究了巨厚砾岩变形特征的光纤检测与表征。揭示了巨厚砾岩层的破断形式，表明下组巨厚砾岩在靠近采空区一侧形成近距离多条纵向裂隙而破断变形，上组巨厚砾岩层在采空区中部位置形成水平层内裂隙而弯曲变形。用光纤频移平均度揭示了巨厚砾岩层的破断规律，表明巨厚砾岩层的变形过程经历了微弱变形、较小变形的累积、初次破断、周期性大变形，最终垮落稳定。基于覆岩变形的光纤表征模型，获得了巨厚砾岩下开采岩层变形破坏范围和三带分布规律。FLAC3D数值模拟表明岩层变形破断规律和岩层移动破坏范围与分布式光纤检测结果一致，岩层位移的数值模拟与光纤检测的线性拟合度达0.9。数值模拟验证了采动覆岩变形的分布式光纤检测与表征的正确性。

目录

声明

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 研究方法及技术路线

2 岩层变形的分布式光纤检测理论

2.1 分布式光纤传感基本原理

2.2 岩层变形的光纤受力特性

2.3 岩层变形的光纤应力分布模型

2.4 岩层变形光纤频移表征

2.5 本章小结

3 光纤对岩层变形的影响机制

3.2 数值模拟结果分析

3.3 不同物理力学参数的光纤对岩层位移变化的影响

3.4 光纤对岩层变形的影响关系

3.5 本章小结

4 覆岩变形的分布式光纤检测模型试验

4.2 分布式光纤检测系统

4.3 分布式光纤检测技术体系

4.4 试验过程及分布式光纤测试结果

4.5 本章小结

5 覆岩变形的分布式光纤表征

5.1 光纤与工作面的位置关系

5.2 岩层变形的分带特征

5.3 覆岩断裂线形态

5.4 覆岩破断规律

5.5 岩层应力分布特征

5.6 采动覆岩变形的分布式光纤表征

5.7 本章小结

6 巨厚砾岩变形移动的分布式光纤检测

6.1 上覆巨厚砾岩的三维模型试验

6.2 三维模型试验光纤检测分析

6.3 巨厚砾岩变形特征的光纤表征

6.4 数值模拟验证

6.5 本章小结

7 结 论

7.2 创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附录