基于光纤传感的倾斜煤层顶板破断规律实验研究及其应力分布特征分析

针对大倾角煤层开采中顶板非对称变形与应力分布难题，研究团队采用分布式光纤传感技术（BOTDA/PPP-BOTDA）开展物理相似模拟实验，实时监测模型应变场演化。结果表明：光纤对顶板离层敏感（应变突变>2000 με），定量揭示倾角43°煤层开采的顶板破断分区特征，为复杂地质条件下岩层控制提供新技术路径。

　　

在煤炭开采领域，大倾角煤层（35-55°）因其特殊的地质条件被称为"开采界的硬骨头"。与水平煤层不同，这类煤层开采时顶板岩层会出现"一边倒"的变形——由于矸石沿底板滑移导致采空区填充不均，上部悬空、中部半填、下部压实，形成独特的应力"跷跷板"效应。这种非均衡应力环境极易引发煤壁片帮、支架倾倒等事故，严重制约高产高效开采。传统监测手段如机械式仪表在潮湿环境中易锈蚀失效，且难以捕捉岩体内部微小变形，就像用老式血压计测量危重病人生命体征，既不准又不及时。

针对这一难题，西安科技大学（根据基金项目推断）的研究团队创新性地将分布式光纤传感技术引入物理相似模拟实验。他们以枣泉煤矿2#煤层（倾角43°）为原型，构建几何相似比1:100的模型，沿煤层倾向布设光纤传感器。通过脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术（PPP-BOTDA），实现了对模型表面和内部应变场的"CT式"扫描，空间分辨率可达厘米级。这项研究成果发表在《Optical Fiber Technology》，为复杂煤层安全开采提供了新的监测范式。

研究团队运用三项核心技术：1）高精度PPP-BOTDA系统，通过预泵浦脉冲克服传统布里渊散射28 ns声子激发限制；2）三维数字散斑（DIC）技术同步监测模型表面位移场；3）平均应变增量（ASI）算法定量表征顶板离层发育程度。实验模拟了120210工作面（长度183.7 m，煤厚8.15 m）的渐进开采过程。

【顶板运动规律理论分析】

建立考虑矸石滑移效应的力学模型，揭示大倾角煤层顶板呈现"上拉下压"的非对称破坏模式，上部岩层受拉形成离层，下部岩层受压导致应力集中。

【BOTDA工作原理】

PPP-BOTDA系统通过探测布里渊频移（与应变线性相关）实现分布式测量，其空间分辨率取决于泵浦脉冲宽度，本研究通过预泵浦技术将分辨率提升至厘米级。

【物理相似模型建立】

采用河砂、石膏等材料模拟岩层，光纤以43°倾角嵌入模型。通过相似准则控制（密度相似比1.67，强度相似比100），确保模型能准确反映原型力学行为。

【光纤响应特征】

监测发现：工作面推进至光纤布设位置时，应变突增超过2000 με；ASI值>400标志顶板离层形成。首次定量揭示开采过程中顶板"三阶段"破坏规律：弹性变形→离层发育→垮落稳定。

【结论】

1）光纤传感可捕捉岩体微米级变形，顶板初次垮落前ASI值出现拐点；

2）采空区中部基岩应变集中系数达2.1，倾向分区特征明显；

3）PPP-BOTDA技术实现模型内部应变场可视化，弥补传统监测手段缺陷。

该研究将航天领域的光纤传感技术成功移植到采矿工程，如同给岩层装上了"神经末梢"。其创新性在于：首次建立倾角煤层光纤应变响应数据库，提出的ASI阈值（400）可作为顶板失稳预警指标。相关成果对高倾角煤层智能化开采中的岩层控制具有重要指导价值，基金支持来自陕西省重点研发计划（2024GX-YBXM-492）和自然科学基金（2024JC-YBQN-0272）。