利用光纤频率 shift variation（FSV）技术对极厚砾岩层下因采矿引起的上覆岩体变形特征进行表征

《Frontiers in Earth Science》：Characterization of mining-induced overburden deformation beneath extremely thick conglomerate using optical fiber frequency shift variation

　　

针对深部极厚砾岩控制的采场中覆岩断裂与矿压连续监测困难的问题，本研究提出基于布里渊光时域分析（BOTDA）分布式光纤传感的平均光纤频率偏移变化方法。结合关键层断裂力学模型，建立了光纤频率偏移变化与工作面来压之间的表征关系。采用二维和三维相似材料模型试验及通用离散元程序（UDEC）数值模拟，研究了采矿过程中覆岩断裂、关键层运动及极厚砾岩的变形特征。结果表明：光纤频率偏移曲线的幅度和形态能有效反映不同层位覆岩的变形程度；平均光纤频率偏移变化可识别工作面来压及关键层结构调整；数值模拟结果与物理模型观测结果吻合良好，验证了所提方法在表征极厚砾岩控制下覆岩断裂与矿压显现方面的可行性。

利用光纤频率偏移变化表征极厚砾岩下采动覆岩变形——论文解读

**研究背景与问题**

深部煤矿开采中，极厚砾岩层作为上覆岩层的重要组成部分，其高强度和完整性对采动覆岩的断裂、运动及矿压显现具有显著控制作用。然而，传统监测方法（如钻孔应力计、位移计）难以实现覆岩内部变形的连续、分布式测量，且无法实时捕捉关键层断裂与来压的演化过程。现有研究多基于相似材料模型或数值模拟定性分析覆岩破坏形态，缺乏将光纤传感信号与覆岩力学行为定量关联的方法。因此，亟需开发一种能够将覆岩内部结构运动转化为可识别、可量化信号的技术，以实现深部极厚砾岩控制下采场覆岩断裂与矿压的智能监测。

**研究目的与意义**

研究人员基于布里渊光时域分析（BOTDA）分布式光纤传感原理，提出平均光纤频率偏移变化方法，并结合关键层断裂力学模型，建立了光纤频率偏移变化与工作面来压之间的表征关系。通过二维/三维相似材料模型试验及通用离散元程序（UDEC）数值模拟，揭示了极厚砾岩控制下覆岩的变形、断裂及运动特征。该研究为深部大采高工作面覆岩变形与矿压预警提供了新的技术手段，论文发表在《Frontiers in Earth Science》。

**关键技术方法**

本研究采用三类主要技术方法：1）基于BOTDA的分布式光纤传感系统，利用布里渊频率偏移（BFS）与应变、温度的关系，通过平均频率偏移变化量（D_x）量化覆岩变形；2）二维和三维相似材料物理模型试验，模型基于陕北某煤矿工程地质条件，几何相似比分别为1:150（二维）和1:400（三维），通过嵌入水平传感光纤获取覆岩不同层位的频率偏移响应；3）通用离散元程序（UDEC）数值模拟，采用摩尔-库仑本构模型和区域接触库仑滑移模型，模拟覆岩破坏过程，与物理模型进行对比验证。

**研究结果**

**二维平面模型实验**
通过二维平面模型试验，研究人员在煤层上方不同层位嵌入三根水平光纤（H1、H2、H3）。结果显示：H1光纤（靠近煤层）频率偏移曲线呈典型鞍形分布，两侧峰值对应采空区边界断裂线，中部平台反映破碎岩块铰接承载状态；H2和H3光纤频率偏移幅度较小，曲线以轻微波动为主，无显著鞍形分布，表明高层位岩层未发生大范围垮落，主要反映采动应力传递引起的局部拉压转换。光纤频率偏移幅度和形态可有效反映不同层位覆岩的变形破坏程度，结果与模型开挖过程中观察到的垮落模式一致。

**三维模型试验**
三维模型试验模拟煤层上方209.5 m处厚度达410.2 m的极厚砾岩层，嵌入H1（复合亚关键层）、H2（亚关键层）、H3（主关键层）三根水平光纤。结果表明：H1频率偏移曲线在开挖初期快速上升并呈双峰特征，反映近煤岩层断裂和铰接变形；H2和H3频率偏移幅度远小于H1，曲线以单峰或双峰为主，表明极厚砾岩主要发生整体弯曲沉陷、非贯穿裂隙发育及拉压应力转换，未出现整体贯穿性失稳。平均频率偏移变化量（D_x）曲线在开挖64 cm处出现首个明显峰值，对应初次来压；后续240 cm内出现13个周期性峰值，反映周期性覆岩断裂、岩块旋转与采空区压实调整。进一步分析表明，平均频率偏移变化量可稳定表征整体覆岩弯曲沉陷、岩块旋转及关键层结构调整，而最大布里渊频率偏移（BFS）可辅助评估局部断裂强度。

**数值模拟验证**
采用UDEC建立与三维物理模型对应的数值模型（走向1440 m，高度886 m，工作面推进960 m），模拟结果显示：覆岩破坏范围、裂隙发育高度及极厚砾岩变形特征与物理模型吻合良好。在H3光纤对应层位（主关键层），光纤频率偏移曲线与数值模拟的水平应力曲线在形态、峰值位置及变化趋势上具有良好一致性，验证了光纤监测结果表征关键层应力状态的可靠性。

**讨论与结论**

讨论部分强调：基于BOTDA的分布式光纤传感可将覆岩内部结构运动转化为连续可识别的频率偏移信号，克服了仅从裂隙形态和垮落范围判断覆岩运动的局限性。平均频率偏移变化量（D_x > 20 MHz）可有效识别整体关键层运动、岩块旋转及矿压显现，最大BFS（阶跃变化 > 60 MHz）可用于评估局部裂隙扩展、岩块铰接及应力集中。二者联合分析可提高覆岩断裂与矿压识别可靠性。研究同时指出，相似材料模型无法完全复现原位应力、断裂粗糙度、时间效应及地下水影响，且阈值与模型相似比、材料配比及地质条件相关，需通过现场监测数据进一步标定。

结论部分翻译如下：
基于布里渊光时域分析（BOTDA）分布式光纤传感原理与岩层断裂特征的光纤表征，建立了光纤频率偏移变化与工作面来压之间的表征模型。结果表明：光纤频率偏移曲线的幅度、峰值位置及形态可反映覆岩的弯曲、断裂、旋转及压实过程；平均频率偏移变化的明显突增可作为识别覆岩断裂与工作面来压的重要判据。二维平面模型试验表明，不同层位水平光纤对覆岩变形破坏的响应不同，低位光纤H1对近煤岩层断裂和垮落最敏感，其频率偏移曲线呈典型鞍形分布；高位光纤H2和H3频率偏移幅度较小，主要反映采动应力向上传递过程中的局部拉压应力转换及关键层承载作用。三维模型试验表明，极厚砾岩控制的覆岩破坏具有明显分层演化特征：近煤软弱岩层先发生垮落和裂隙发育；下部极厚砾岩主要表现为垂直非贯穿裂隙发育和整体弯曲沉陷；上部极厚砾岩以缓慢弯曲沉陷、层内裂隙扩展及拉压应力转换为主。极厚砾岩因其厚度大、强度高、整体性强，对覆岩断裂高度和采场矿压显现具有显著控制作用。平均光纤频率偏移变化可有效识别三维模型中的工作面来压与关键层运动；数值模拟结果与物理模型垮落模式一致，光纤频率偏移曲线与关键层水平应力变化规律吻合良好，进一步验证了利用光纤频率偏移变化表征极厚砾岩控制下覆岩破坏与矿压显现的可靠性。