光纤的频移特性在短途煤层开采上覆岩层变形

文摘

上覆岩层变形是一个重要的关心安全、绿色开采煤炭资源。相似模拟测试是主要的方法用于研究煤矿开采上覆岩层的变形特征。在布里渊光时域分析的应用程序(BOTDA)相似模拟测试,分布式光纤传感(自由度)的能力来检测上覆岩层变形的特征和影响测试精度的进化是一个关键因素。在这项研究中,自由度之间的关系和影响上覆岩层变形和面对压力在短途地质条件下煤层开采进行了探讨。结果表明,自由度可以用来监控的应变条件覆盖在整个开采过程中,可以提供的峰值位置推进支持面对压力。调查的自由度特征模型建立了上覆岩层变形的时空演进。一种新的描述方法面对压力影响基于纤维频移变化了。通过比较的方法被证明是有效的监测结果的冲击压力的计算使用压力传感器检测到。的特点,在短途煤层开采面临冲击压力。这项研究的结果提供有价值的指导相似模拟测试和智能发展的矿业工程技术。

1。介绍

煤炭资源的开采覆岩破坏层,导致地表水土损失,破坏区域生态平衡,和其他许多严重的环境问题1- - - - - -3]。目前从浅挖掘技术已经进化,单多层开采的煤层。上覆岩石受到重复开采扰动的影响(4]。表土迁移特性引起的矿山采矿技术的发展至关重要,他们是具有重要意义的预防和控制矿业相关地质灾害如岩爆、煤(岩)体突出,巷道变形,突水从屋顶和地板5- - - - - -7]。然而,现场原位研究一直受到高成本,伟大的技术难题,并限制监测设备(8,9]。因此,相似模拟测试是主要的方法用于调查上覆岩层变形的特点,影响压裂,屋顶压力(10,11]。目前,近距离摄影,全站仪仪器,和拨号指标通常用于获得位移测量在相似模拟测试,而应变仪和压力传感器广泛应用于应力应变监测。由于散射测量的测试精度低和缺点只有在选定的地点,这些测试方法很难用于实时连续测量整个领域(12,13]。

光纤监测技术有很多优势,如精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰。被广泛应用于监测的质量结构电力、采矿、和建筑行业(14,15]。其中,布里渊光时域分析(BOTDA)突出由于其精度高、分布式测量,测量的绝对温度和应变16- - - - - -18]。Horiguchi et al。19)首次提出的分布式光纤传感器监测技术在1989年基于受激布里渊散射。包等。20.)提出了布里渊光时域分析与微分脉冲宽度对基于差分法(DPP-BOTDA)为了进一步提高光纤监测的空间分辨率。Kishida et al。21]提出pulse-prepump布里渊光时域分析(PPP-BOTDA)获得高空间分辨率和高精度应变通过光纤传感测量。歌等。22)提出了一种新的分布式光纤传感监测技术达到厘米级的空间分辨率。

BOTDA可用于内部应变监测的岩石地层,这是一个重要的监控方法检测岩石变形(23,24]。莫法特et al。25)使用一个分布式光纤传感监测系统基于BOTDA检测隧道的位移屋顶和隧道的双方为了评估岩石变形由于采矿活动。Buchoud et al。26)使用人工崩溃坑来模拟地面塌陷的坑,进行地表沉陷位移监控基于分布式光纤传感(自由度)和实现submillimeter-level垂直表面位移测量。Zhang et al。27)使用倾斜钻探植入采样领域的分布式传感光缆的相似模拟试验为了实现应变场监测在开采上覆岩层变形。茶等。28)光纤分布式应变技术应用于三维物理相似模拟试验进行定量描述的内部岩层采动覆的变形和破坏。

在这项研究中,分布式光纤传感技术(BOTDA)应用于物理相似模拟试验。分布式光纤传感器用于测试的内部应变表土重复开采条件下,探索上覆岩层之间的关系失败,面对冲击压力,光纤监测结果。这项研究的结果提供一个有用的依据分布式光纤传感的应用在采矿工程的相似模拟测试。

2。相似模拟试验基于分布式光纤传感监测

2.1。PPP-BOTDA原则

光在光纤的传播产生三个散射信号:瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。布里渊散射光非线性相互作用是由入射光和热声子兴奋在光传播媒介。这种由布里渊散射光频率的变化转移和传播相反的方向相对于入射光(29日]。图1显示监控BOTDA原则。

BOTDA相比,PPP-BOTDA(即。,pulse-prepump-Brillouin optical time domain analyzer) [26),可获得更高的空间分辨率。这是通过加载一个适当pulse-prepumped光preexcite声子之前引入脉冲光(抽运光。)PPP-BOTDA有较小的半值宽度和更高的频率分辨率的布里渊增益谱,实现空间分辨率的10毫米和0.0025%应变测试精度。

人们已经发现,有一种布里渊频移之间的关系(BFS)和温度或应变 ;的关系可以表示如下(30.]:

在哪里是布里渊散射的频移在一定温度与压力 , 布里渊频移分散没有应变温度 , 光纤对温度的敏感性系数,是应变灵敏度系数的纤维,然后呢是初始温度。的1.07 MHz /°C,是0.0497 MHz /με。

值得注意的是,温度引起的布里渊频移小得多,由于应变(0.002% /°C)。因此,当测量布里渊频移造成的压力,如果在5°C,温度变化的温度可以忽略。

2.2。相似模拟试验设计

研究了上覆地层的运动在采矿工程一个黑盒的问题。相似材料模拟试验提供了一种有效的解决方案为研究上覆岩层变形和岩石结构进化在煤矿(31日]。相似模型建成使用 毫米( )平面应力模型框架和基于Ningtiaota煤矿的地质条件。相似模型包含两个煤层可以挖掘。上部煤层的厚度1²是1.95米,其上覆岩层的厚度为123.05米。降低煤层的厚度2²是4.65米,其上覆岩层的厚度为158.35米。煤层的倾角范围从来 。两个煤层之间的距离是33.35米,即。,短途煤层。相似材料是由石英砂、石膏、云母粉。这些材料混合比例根据计算结果和相似理论(31日)(表1)。几何相似比,容重相似比,和压力相似比例是1:150年,1:1.56,和1:234年,分别。

煤层是发掘从模型的左后侧。剩下一个30厘米宽煤柱边界两侧的模型来消除边界效应的影响在相似模拟试验。在每个煤层开挖步骤是3厘米,发掘的数量是77,和开挖长度是240厘米。煤层1²是挖掘第一相似模拟试验。在开挖后,模型被允许接受两周。背后的采空区覆后的压实,煤层2²被发掘。

2.3。监控系统布局

相似模拟试验监控系统包括nx - 6055布里渊散射光时域分析,分布式光纤传感器、cl - yb - 114压力传感器,测微计。分布式光纤传感器(自由度)是常见的单模纤维直径2毫米。分布式光纤传感器布局如图2。四个垂直分布式光纤传感器(V1、V2、V3和V4)是嵌入在相似模型监控上覆岩石的变形特性。垂直的分布式光纤传感器之间的间距是60厘米,横向之间的分布式传感器是39厘米。每个光纤传感器连接在系列与另一个光纤传感器,然后与一个nbx - 6055光学应力分析仪。

3所示。监测结果分析

图3显示了自由度的应变监测结果V1-V4煤层工作面开采1²。图4显示了应变监测结果的自由度工作面开采2²煤层。垂直轴的数字3和4代表相似模型的高度,横轴表示提供的光纤应变监测值。当应变值是正数,光纤拉伸。应变值为负时,光纤被压缩。

光纤远离时,包含光纤的上覆岩层压力条件下的原始岩石,和应变值提供的光纤不受开采的影响。脸被发掘,菌株的自由度V1-V4先后受到开挖的影响。面对接近岩石时,光纤被光纤报道负增长小振幅,以及应变峰值发生在煤层的顶部附近的岩石。面之间的距离和光纤下降,最初的应变峰值增加,然后降低。当达到和通过岩石,光纤被应变峰值从负到正不断增加。表土的应变峰值也逐渐增加,发生在中间和上部覆盖的部分。当面对远离光纤,应变峰值降低,然后变得稳定。煤层开挖期间1²和2²光纤的应变监测曲线V1-V4表现出明显趋势数值和结构形式的脸被发掘。因此,光纤应变监测可以用来反覆在采矿过程中故障特征。

4所示。时间和空间分布特征分析上覆岩层压力

4.1。分析时间和空间演进的上覆岩层压力

图5显示了光纤的应变分布V3煤层开采中面临1²,纵轴代表相似性模型高度和水平轴代表面之间的距离和V3。距离是负数时,脸靠近光纤。当距离是积极的,脸是远离光纤。压缩和紧张地区由0με曲线。在相似模型的建设,一定的预应力应用于分布式光纤传感器的分布式光纤传感器的变化更加敏感地静压力在矿业的脸。因此,在面对开采之前,模型的下部在0-53厘米的高度范围是轻微的压缩,在模型的上部53 - 120 cm的身高范围受到轻微的紧张。当面对接近光纤V3, V3的压缩应变范围增加由于先进的支承压力的影响。当面对先进V3的位置,压应力影响扩大的高度范围0 - 79厘米相似模型。提供的压缩应变光纤传感器附近的脸是最大的,达到−452.29με。面对过后V3,拉伸应变出现在上覆地层。脸被发掘,拉伸应变的范围扩大,峰值应变位置向上移动。当面对先进42厘米过去光纤V3,拉伸应变峰值达到了最大值为7627.85με,发生在上覆岩层的高度51.0厘米以上的煤层1²。面对发展远离V3,纤维应变逐渐从抗拉抗压,表明在采空区上覆岩层逐渐被压实。

图6显示了V3的应变分布在煤层开采2²。脸被发掘后在煤层开采1²,过重的负担逐渐恢复到原来的岩石的应力水平。相似模型的底部(0-24厘米的身高范围)是受压力的影响。当面对接近V3,破碎在煤层采空区上覆岩层岩石1²没有任何能力来维持负载。因此,所有的岩石屈服了向下的采空区煤层2²二次开采的影响下,导致光纤的压缩范围逐渐增加。当面对远离V3 21-58厘米,表土的压缩应变范围是最大的,和整个高度范围0 - 114厘米压缩应变下的相似模型。当面对通过发展远离V3的位置,变形特征类似于上覆地层的变形特性在煤层开挖1²。当面对远离V3 39厘米,的范围和峰值拉伸应变达到了最大值,7867.18的最大拉伸应变με和最大拉伸应变的位置位于一个身高88厘米以上的煤层2²。

4.2。光纤监测分析上覆岩层破坏

图7显示了光纤应变曲线当面对先后接近,通过,逐渐远离光纤传感器。光纤应变曲线之间的直接关系和上覆岩层变形特征在不同开挖条件下成立。

应变监测曲线的脸接近V1如图7(一)。当面对被发掘,从0到40厘米,变得逐渐接近光纤。光纤在煤壁支撑区域的脸。推进支承压力的影响下,压缩应变发生在较低的光学监测纤维的一部分。面对先进的光纤,最初增加然后减少的压缩应变。最大压应变−295.52με,它发生在开挖先进31厘米从V1。光纤的压缩应变的变化趋势在面对前验证前预先支承压力的分布特征的脸5]。压缩应变峰值的位置是一样的位置前面的最大支持先进的压力。

应变监测曲线的情况下面对通过V1如图7 (b)。当面对从43挖掘到85厘米,通过光纤。当面对通过经历厘米的光纤,光纤拉伸应变。面对进一步被发掘,纤维的应变曲线表现出三步分布。光纤的应变是消极面对0-31厘米以上的高度范围,对应于35 - 66厘米的高度相似性模型,和压缩应变逐渐增加。纤维的应变是积极的高度范围大约31-52厘米以上的脸,对应66 - 87厘米的高度相似模型。根据three-zone理论的上覆岩层32),一步-应变曲线与上覆岩层断裂带,支离破碎的岩石逐渐压实,导致压缩应变逐渐增加。一步积极应变曲线与上覆岩层裂缝区,光纤的紧张。一个弯曲下沉带上方的裂纹区。光纤的弯曲应变减少沉降区。

应变监测结果的情况下面对远离V1如图7 (c)。当面临88至240厘米,出土脸上远离光纤。在这个阶段,因为面对被充分挖掘,上覆岩层的岩石倒在一个大区域,逐步,坚决按较低的屈服区,消除中间的裂缝裂缝带和造成负面的压力光纤由于整体压缩效果。相似模型的上部是一个弯曲下沉区,纤维的应变变化很少。

随着面临的进行远离V1,矿业的影响在光纤的信号变得疲弱,而光纤V2, V3,和V4逐渐受到矿业在更大程度上和压力的变化趋势类似于V1。这些分析结果表明,先进的峰值位置的高度支持面临的压力和屈服区和覆采空区中断裂带可以估计基于相对位置的光纤和光纤上的脸,监测不同表土变形条件下的特性曲线。

5。光纤监测分析,面对压力的影响

5.1。面对影响压力和光纤频移之间的关系

煤层没有出土时,上覆岩石没有被挖掘,以及纤维的布里渊频移相似模型中并没有改变。脸被发掘时,大规模崩溃引起的上覆地层压力的影响在脸上。面对压力的影响安全的重视。表土崩溃引起的大面积存在巨大差别纤维相似的布里渊频移模型。因此,纤维频移的变化可以用来描述发生的冲击压力。

的概念的变异程度光纤频移可以解释如下。有收集样本的频移光纤监测数据库,还有为每个数据样本采样点。两个样本收集的频率变化的差异在一个给定的空间是规范化描述岩石结构的变形程度和反映岩石的强度运动。变异程度表达如下: 在哪里的变异度光纤时频移在测试的脸是发掘距离 ,和是光纤取样点的数量。覆岩的经验小变形时,频移变化的监测纤维很小。当表土地层经历大分离或甚至打破,秋天,频移变化很大。

5.2。描述基于光纤频移的面对影响压力变化

在面对开采,地层含纤维V1-V4受开采扰动的影响。因此,光纤频移的变化程度在整个挖掘过程脸上每个光纤的变异度的总和(V1、V2、V3和V4)(数据8和9)。图中的横轴代表矿业面临的距离,,纵轴代表的变异程度光纤频移。

图8表明,总共有14的光纤峰值频移曲线煤层开采中面临1²,表明有14集压力的影响表现在脸上,对应于开挖距离,37岁,今年58岁,76,91,109,124,136,151,163,178,190,205,220,235厘米。第一个峰值对应的第一个冲击压力时,脸被发掘37厘米,98.69 MHz的频移,脸上第一次冲击压力的行为。它发生在基本表土挑檐达到张成的空间限制,剪切骨折形成沿煤壁的脸的影响下岩石重量和压力引起的上覆岩石。一步距离,采矿工作面长度的时间影响最后的时间压力,压力的初始冲击压力是37厘米。破裂带的高度是4.5厘米。上覆岩层崩落角是52°远离脸部。上覆岩层崩落角是46°靠近的脸。岩石分离发生以上基本覆盖屋顶,阶层差距的最大高度是1厘米。阶层差距逐渐关闭继续开挖。位于采空区上覆岩石进入卸压区。 The second peak in Figure8脸上58厘米,出土时发生频移变化程度的16.41兆赫,第一周期冲击压力发生在脸上。向采空区破碎岩石旋转不稳定。这一步的距离第一个周期冲击压力是21厘米。第二次峰值后,脸上压力采取多个周期的影响。它可以观察到,一步的距离的周期性影响压力厘米,平均15.5厘米。光纤的变异度频移12.44 - -98.69 MHz。

图9表明有16度变化曲线的峰值的光纤频移的煤层2²在采矿过程中,表明压力的影响表现在脸上16次,其中包括初始冲击压力和15周期性的压力。一步距离的初始冲击压力是36厘米,而一步距离的周期性压力9到18厘米,平均13.27厘米。频移的变异度是60.52 - -103.45 MHz。可以看出,一步的距离的影响压力降低煤层的开采不到那些开采上部煤层的短途煤矿。

5.3。比较在短途煤层开采面临冲击压力

低煤层的开采2²反复扰动引起上覆地层的压力,导致压力的强度影响代理从表面上在降低煤矿不同于上面的煤矿。图10显示的变化程度的对比光纤频移在脸上的冲击压力事件1煤层的开采²和2²。

图10表明,煤层的开采的平均变异度1²和2²分别为30.92和80.06 MHz,比1:2.64。这表明的平均强度开采煤层的冲击压力2²2.64倍,在煤层开采1²,反映出更多的暴力煤层开采环境2²。这一现象的原因是上游煤矿建成后,上覆岩层从完整的岩石破碎的岩石,就掉进了采空区岩石屈服了。屈服了岩石的load-sustaining能力大大降低,导致其荷载直接作用于采空区煤层地板。当一个关键层在低煤层2²表土坏了在面对采矿、表土的屈服在最初的采空区是影响二次开采,导致整体剪表土沉降的崩溃和步骤。这就是为什么这种类型的影响的强度压力矿业大于single-coal-seam矿业。此外,降低煤层的开采高度是上部煤层的2.38倍。更高的采矿造成更大的垂直高度上覆岩层的变形。煤层间距较小的时候,就更容易降低煤层上覆岩层的裂缝渗透的采空区上部煤层。因此,压力的影响在短途开采的煤层开采更暴力比single-coal-seam矿业。

5.4。压力传感器测量结果的比较分析

上覆地层的压力在煤炭开采过程中测量使用cl - yb - 114压力传感器安装在底部的相似模型。煤层开挖造成先进的支持过重的压力,持续的煤壁前的脸。冲击压力发生时,先进的支持的峰值压力迅速增加。因此,先进的监测曲线的峰值压力支持可以用来判断一个冲击压力事件发生。

开采煤层的面孔的1²和2²的比较,光纤频率的变异度变化和先进的支持的高峰值压力由压力传感器提供如图所示11。的初始压力过重的压力传感器测量的前脸被发掘。最初支持在煤层开采1压力测量²为4.30 MPa,而在煤层2²为4.00 MPa。这是由于上覆岩层压力降低了煤层开采1²。煤壁的上覆岩层压力持续增加逐渐在开挖期间的脸,和先进的支持的高峰值压力也逐渐增加。压力传感器的展品连续凸的曲线峰值。峰值发生时,初始冲击压力或周期性压力发生在脸上。在开采煤层1²和2²压力,压力传感器检测到14和16个影响事件,分别。此外,一步距离的影响压力压力传感器检测到的符合信号反映的变化程度的光纤频移。因此,频移变化可以用来描述冲击压力作用于脸上。

6。结论

在这项研究中,关键问题在应用分布式光纤传感监测表土变形使用相似模拟试验研究。光纤监测之间的关系,上覆岩层变形,面对冲击压力进行了探讨。得出了以下的结论。(1)上覆岩层压力监测整个开采过程中实现在不同相对位置之间的分布式光纤传感器和面对。峰值位置的高级支持压力作用于面部。布里渊频移的三步特征曲线的垂直分布式光纤传感器反映了采空区上覆岩层运动的动态变化。他们可以定量描述的高度演化特征上覆岩层破碎区和裂隙区相似模型(2)提出了一种新的方法来描述冲击压力作用于面对基于光纤频率的变化程度的转变。冲击压力事件的数量光纤检测到的频移变化基本上是与压力传感器监测结果一致,从而验证该方法(3)的变异特征影响压力作用于面对在短途煤矿被分析的特点,揭示了光纤频移变化曲线。一步距离的影响压力在降低煤层的开采不到那些在上部煤层的开采,但影响的强度压力大于,在上部煤层的开采

数据可用性

所有的数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

我们感激财政支持的关键项目中国国家自然科学基金(51804244号,41027002,和52004203)和陕西省教育部科研项目(16 jk1488)。多谢指导去教授j·柴。我们还要感谢王博士和杜博士对他们有价值的意见和建议改进手稿。

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