光纤传感技术在相似模型试验中监测采场支护压力分布规律的创新应用

这篇研究创新性地将脉冲预泵浦布里渊光时域分析（PPP-BOTDA）光纤传感技术应用于厚砾岩层下采场支护压力分布的相似模型试验中。通过建立几何尺寸为3.6 m×2.0 m×2.0 m的物理模型，结合压力传感器与光纤传感元件，系统监测了底板支护压力演化规律。研究验证了分布式光纤测试系统的高精度（空间分辨率达厘米级）和抗干扰能力，其监测结果与传统压力传感器（CL-YB-116B）及理论计算（峰值压力35 MPa，影响范围200 m）高度吻合，为深部煤矿支护设计提供了实时、连续监测的新思路。

　　

引言

煤炭作为中国能源结构的核心支柱，其开采深度增加导致深部围岩稳定性问题日益突出。尤其在厚砾岩层（总厚度410.2 m，弹性模量32×10³ MPa）条件下，传统支护压力监测技术面临精度不足和抗干扰能力差的挑战。本研究通过融合PPP-BOTDA光纤传感技术与相似模型试验，为实时监测采场压力分布提供了创新解决方案。

理论模型与数值模拟

基于关键层理论建立的倾向支承压力计算模型显示，厚砾岩层下压力分布呈现三大特征：峰值压力达35 MPa、峰值位置距煤壁85 m、影响范围扩展至200 m。FLAC3D数值模拟进一步验证，当工作面推进至960 m时，塑性区发展至地表，上下砾岩层完全破坏，与理论预测的应力集中系数（1.24–3.04）高度一致。

相似模型试验设计

试验采用几何相似比1:400的三维模型（模拟实际工作面长度240 m），以河砂、石膏和碳酸钙模拟岩层。创新性地在底板埋设CL-YB-116B压力传感器（量程0–200 kg）和单模传感光纤（直径2 mm），通过监测布里渊频移（Δν_B=4.88ν_B(0)ε）反演应力分布。光纤与传感器的空间定位误差控制在±2 cm以内，并通过预压应力消除界面滑移影响。

监测结果与对比分析

光纤D1–D3的频移曲线揭示了支护压力的三阶段演化规律：初始稳定→急剧上升（频移峰值达11 MHz）→缓慢回落。与压力传感器数据对比显示，光纤监测的采动影响范围（平均81.3 m）较传感器（50 m）更广，尤其在工作面推进至746 m时，D3光纤捕捉到滞后影响距离113 m，较理论值（200 m）更精确反映砾岩层破断效应。

技术优势与工程价值

PPP-BOTDA技术展现出三大优势：

1. 1.

   高空间分辨率（10 cm级），可识别局部应力集中（如传感器60#未检出的微应变）；

2. 2.

   抗电磁干扰，在模型材料收缩变形下仍保持信号稳定性；

3. 3.

   长距离监测能力（单纤覆盖720 m工作面），优于传统点式传感器。

展望

未来研究需优化光纤布设密度以适配非均质岩层，并通过多物理场耦合算法提升动态响应精度。该技术为深部矿山压力监测提供了从实验室到工程实践的完整方法论链条。