利用分布式光纤传感技术，在采矿过程中动态监测煤柱中的扰动特性

《Optical Fiber Technology》：Dynamically monitoring disturbance characteristics in coal pillars during mining using distributed optical fiber sensing technology

　　•通过实验室/MTS测试验证了光纤应变测量的可靠性。•在煤柱中观察到了不对称的“马鞍形”应变模式。•精确量化了采矿扰动深度和压力区域范围。

1. 引言
煤柱是在采矿过程中有意保持其自然状态的一段煤，既用于维护巷道空间，也用于控制上覆地层的沉降[1]。在煤炭开采的背景下，评估煤柱的稳定性和内部力分布对于确保采矿作业的安全至关重要[2]。煤柱的内部变形和破坏机制非常复杂，这已成为阻碍研究的一个关键科学问题[3]、[4]、[5]。目前，采用多种方法来分析应力分布和评估煤柱的稳定性，包括经验参考值、理论计算、数值模拟、相似模型测试以及原位测量等[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。由于不同采矿区域的情况差异较大，因此煤柱所承受的支护压力也呈现出复杂性和多样性[11]、[12]。此外，煤和岩石的物理性质差异明显，存在非均匀的应力分布、弱结构面（煤岩裂隙）等问题[13]、[14]。即使在同一矿山内，不同工作面的情况也可能不同，因此经验参考值、理论计算和数值模拟可能无法提供准确的结果[15]。另外，在动态采矿过程中，工作面的应力条件和由于 roof 塌落产生的采矿压力会有很大变化，这进一步导致煤柱所受载荷的波动[16]、[17]、[18]。目前关于动态载荷下煤柱不稳定性的研究主要集中在应力演变和尺寸效应上。研究表明，诱导水平应力的突然释放会导致灾难性破坏，在坚硬的地层中，剪切应变能达到峰值应力的两倍[19]；煤柱的破坏表现出空间传播特性，受几何形状、布局和环境因素的影响[20]；在宽度与高度比为 1.5–6.0 的情况下，能量演变表现出显著的尺寸依赖性，区分了承力煤柱和失稳煤柱的能量耗散机制[21]；耦合离散元方法和机器学习分析进一步揭示了几何形状和结构协同增强了强度，建立了非线性机械响应模型[22]。总之，煤柱的机械行为表现出多因素耦合控制的特性，其破坏机制极其复杂且特定，这使得使用传统方法评估煤柱的应力变得更加困难。理论计算和数值模拟在复杂的采矿条件下的适用性不佳。对于室内模型测试，由于它与原始岩石环境分离，因此在分析现场条件时存在更多的不确定性[23]、[24]、[25]。因此，通过原位测量来评估煤柱的稳定性并确定其设计宽度非常重要[26]。特别是在智能煤炭开采的发展趋势下，探索更好的测量方法以关注煤柱受力情况是一个热点问题。

随着煤柱研究的发展，通过不同的研究方法对其受力和稳定性特性进行了广泛研究。钻孔应力计经常被用来监测和分析保护巷道中煤柱的纵向和倾斜运动，以及承力的分布范围和峰值位置[27]、[28]。数值模拟[29]、[30]、[31]被用来计算已知尺寸和应力的煤柱的稳定性，并提供了煤柱稳定性的概率评估[32]、[33]、[34]。类似的模型和数值模拟被用来研究深井开采中不同煤柱宽度下的应力和位移演变机制[34]、[35]、[36]。使用钻孔应力计测试装置监测和分析了煤柱在巷道中的纵向和倾斜运动支护力的特性，并收集了支护力的分布范围和峰值位置[37]、[38]、[39]、[40]。这些研究为煤柱的宽度保持提供了基础。使用钻孔应力计比较了长度分别为 30 米和 5.5 米的煤柱的内部承力和领先承力的分布特性[40]。研究结果还划分了煤柱中的压力释放区、应力增加区、应力减小区和原始岩石应力区。上述方法的缺点在于测试深度通常较浅，测试设备难以安装，且测试过程不够稳定[41]、[42]、[43]、[44]。尽管上述方法和测试装置被广泛认为是煤柱受力分析的更准确方法，但它们不适合在现场规模工程应用中进行实时动态应变监测。由于煤柱受到地质条件（如采矿应力和深度）的影响，现场数据的收集和评估仍然存在困难[41]、[45]。换句话说，测试深度浅、施工过程复杂、传感器容易损坏、施工成本过高等都是煤柱原位测试的局限性[46]、[47]。传统传感器在现场测试中的应用常常受到湿度、压力、水、灰尘等因素的影响[48]、[49]。因此，有必要开发更好的传感装置和方法来测试煤柱上的受力[42]。实时准确地监测煤柱应力对地质和采矿工程师来说是一个巨大的挑战[50]。不幸的是，目前还没有有效的实时监测系统来研究煤柱的动态状态。BOTDR 技术是一种分布式测试技术，可以实现 5 厘米的测量分辨率。传感器光缆的特殊封装技术的进步使其能够用于深部煤岩体的应变测试，两种类型的光缆的物理参数见表 1。

表 1. 用于现场监测和实验室的传感光缆参数。

在这项研究中，提出了一种基于 BOTDR 分布式光纤传感技术的新分布式监测方法，用于监测煤柱的应力状态。我们设计了一个实验室实验，使用分布式光纤技术进行岩体断裂测试，并将测试结果与 MTS 进行了比较。测试结果为工程现场测试提供了良好的参考。通过实施光纤监测系统，实现了一种新的煤柱监测系统布置。在工作面两侧的巷道中设置了两个监测点，以收集采矿过程中煤柱的应变分布特性，从而提供了沿钻孔线性方向的煤柱受力分布。分布式光纤的应用为采矿过程中的煤柱稳定性评估和宽度保持提供了新的思路。此外，这一思想和设置的可行性和可操作性得到了验证。

2. 监测技术原理
2.1. 光纤测试原理
分布式光纤传感技术是一种新兴的传感技术，可以根据光来感知和传输被测对象的信息[35]、[51]。其测量原理是：将具有特定频率的脉冲光束注入光纤中，由于光纤芯部的折射率分布不均匀，当入射光传播并返回到入射端时会产生布里渊散射光[52]、[53]。由于光纤芯部折射率的不均匀分布，当入射光传播时会产生布里渊反射光，该光会返回到入射端口[54]、[55]。布里渊散射光的频率随着光纤的轴向变形而漂移（见图 1）。漂移量与光纤的轴向应变成正比。因此，可以通过测量布里渊光的漂移量来获得光纤传感区域的轴向应变[56]。BOTDR 测试技术的示意图见图 1[55]。
图 1. BOTDR 测试技术的示意图。

BOTDR 技术的频率漂移可以根据方程 (1) 进行求解[57]：
(1) ?????(??)=?????(0)+????????(??)????????
其中 ?????(??) 是布里渊频率偏移；?????(0) 是初始布里渊偏移；d??????(??)/ d??? 表示应变系数；?? 是光纤的应变。

2.2. 测试材料介绍
本文中的室内模拟实验和现场工程监测都使用了基于相同基底的定制传感光缆。然而，根据各自的应用场景和可靠性要求，对这些光缆进行了专门的设计和优化。其中，用于现场工程的光缆还配备了保护性护套结构。这种设计旨在提高光缆在复杂工程环境中的机械强度和耐用性，有效抵抗铺设和长期使用过程中可能出现的压缩、摩擦和化学腐蚀等外部力。这是确保监测系统在现场条件下长期稳定运行的关键技术解决方案。而室内实验用的光缆没有这样的厚重保护层，它的设计目的是直接获取传感单元的响应特性，并满足实验室可控环境中的测试要求。两种类型光缆的结构示意图分别见图 2 和图 3。

2.3. 传感电缆的校准
为了精确建立传感光缆的布里渊频率偏移与应变之间的定量关系，在实际应用之前，对用于室内模拟和现场工程监测的两种定制光缆进行了校准实验。校准结果通过数据拟合曲线进行了表征和分析，如下图所示。分析表明，两种光缆的应变响应（即布里渊频率偏移与应变之间的函数关系）在形式上高度一致，拟合优度（R2）均高于 0.999，表明它们的传感机制稳定，测试数据可靠。尽管经过拟合后两种光缆的应变系数略有差异，这主要是由于它们的结构设计不同（现场光缆包含保护层），但这种差异并不明显，并且在校准过程中已经得到了准确量化，可以通过相应的拟合公式进行校正，从而不影响同一技术系统中传感单元作为应变传感元件的可靠性和数据可比性。结果证实，经过针对不同应用场景的定制设计后，传感单元仍保持一致的应变感知性能。实验室传感光缆的应变响应拟合曲线见图 4a，现场传感光缆的监测数据拟合曲线见图 4b。
图 4a. 实验室传感光缆的应变响应拟合曲线。
图 4b. 现场传感光缆的监测数据拟合曲线。

2.4. 测试仪器介绍
本研究利用布里渊光时域反射法（BOTDR）分布式光纤传感技术对煤柱内的应变场进行动态监测。数据采集和解调任务由 AV6419 单端接入型分布式光纤应变解调器完成。示意图见图 5。这种仪器是整个监测系统的核心，负责触发光信号、捕获后向散射的布里渊散射信号、进行频率偏移分析以及计算应变。为了明确该设备的性能界限和测量精度，其性能参数如表2所示。

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图5. BOTDR光纤应变/温度测量仪。

表2. AV6419的性能指标。

波长 / nm：1.55 × 10^3
光纤类型：SMF
应变精度 / με：0.05
采样点：2 × 10^4
最大采样分辨率 / με：±50
应变范围 / με：?1.5 × 10^4 至 ?1.5 × 10^4
最大动态范围 / dB：15.0

2. 光纤测试与岩体变形之间的一致性测试

分布式光纤岩石破裂测试使用了MTS [52] 进行。如图6所示，将分布式光纤固定在岩石表面以收集应变信号。实验装置包括伺服控制的单轴压缩M815设备、分布式光纤、661.98C/D轴向载荷计以及用于记录位移的LVDTS [58]、[59]。

分布式光纤用环氧树脂牢固地粘附在岩石样品表面，并在样品的两个部分以螺旋形状紧密缠绕，以减少可能干扰光纤信号采集的端部效应。岩石样品选自研究区域的砂岩样本，直径为5厘米，高度为10厘米。这些样品符合国际岩石力学与岩石工程学会（ISRM） [60]、[61] 制定的生产标准。MTS的加载参数为0.1kN/s，加载直到岩石损坏，并获取岩石加载过程和光纤应变数据。

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图6. 分布式光纤岩石破裂测试：(a) 基于伺服控制的单轴加载原理图，使用M815；(b) 分布式光纤与砂岩表面的布置；(c) 岩石破裂的图像记录。

图7 展示了砂岩样品的应力-应变加载曲线。该过程包含三个不同的阶段：弹性变形、塑性变形和峰值破坏 [62]。

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图7. 从单轴压缩测试中获得的应力-应变关系。

在达到峰值强度之前，轴向应变继续压缩，而周向应变表现出膨胀的特征。当达到破裂阈值时，岩石样品发生破裂，然后在达到峰值强度后卸载。通过比较基于光纤周向排列的MTS仪表变化的结果，可以获得宝贵的见解。

图8 (a) 显示了岩石破裂的光纤测试结果。分布式光纤揭示了砂岩样品在不同位置的应变分布特性。在整个加载过程中，岩石样品表面的应变分布显示出不连续性，主要表明了拉伸应变，与实际变形一致。当达到光纤的破裂阈值时，光纤本身会断裂。在图8 (b) 中，展示了同一位置MTS仪表和光纤测试的应变结果。它们与图8 (a) 中观察到的光纤变形阈值非常吻合，证实了分布式光纤监测岩石破裂的可行性和准确性，光纤在阈值内的测试结果能够准确地反映变形情况。

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图8. 分布式光纤测试结果分析：(a) 光纤应变随时间的分布曲线；(b) 分布式光纤与MTS仪表测试结果的比较及误差分析。

3. 原位煤柱光纤监测系统的布局

3.1. 项目介绍

中国淮南的一个煤矿的设计年产量为300万吨。1213 (1) 采煤工作面位于1号矿区的东部。工作面地面的海拔高度为?778.3至839.1米，走向长度为1366米，倾斜长度为240米。11–2煤层的厚度范围为0.2至8.0米，平均值为2.5米。其倾角为0°至10°，平均值为4°。工作面采用全高度一次性开采的机械化长壁开采方法。煤层两侧巷道的横截面尺寸为2.8米×4米。

3.2. 测试钻孔的布置

在1213 (1) 采煤工作面，分别在尾巷和头巷布置了两组监测区，钻孔方向垂直于开采方向。其中，测量点1位于尾巷的G119处，距离工作面切割位置1190米；测量点2位于头巷的Y121处，距离工作面切割位置1210米。测试系统布局如图9所示。

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图9. 煤柱钻孔测量点的位置图：(a) 煤柱监测平面布局示意图；(b) 分布式光纤监测图；(c) 测试中使用的传感器电缆；(d) 用于测试的光纤解调器；(e) 监测钻孔的设计和结构；(f) 监测钻孔的现场保护措施。

测量点1和2的钻孔施工参数设计为直径108毫米的钻孔。钻孔深度达到5米后，安装2米的套管并灌浆直至灌浆材料固化。然后根据钻孔设计参数继续钻孔过程，并在最后的孔中测量倾斜度，以确保钻孔施工轨迹符合设计要求。主要钻孔参数如表3所示。

表3. 煤柱的测试钻孔参数。

测量点 | 倾角（°） | 方位角（°） | 深度（m） | 备注
---------|---------|---------|--------|----------
1 | ?67 | 718 | 100 | 在巷道顶部下方1.8米 |
2 | 0 | 718 | 100 | 在巷道顶部下方0.2米 |

根据基本地质数据，工作面巷道两侧煤柱测试点附近的岩层综合直方图如图10所示。

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图10. 煤柱测试区域内煤层顶部和底部底板岩层的综合直方图。

3.3. 测试过程

在煤柱中安装钻孔光纤测试系统后，最初的步骤是线路检查。使用光解调器的检测功能检查整个测量线路的长度，以确保两个测试点的完整性。根据施工计划，应立即调整测试频率，以确保准确测量煤柱内的应变分布。在测量点1和2共收集了15组监测数据。随着工作面向监测钻孔推进140米，这个过程持续进行，直到测试完成。

4. 结果与讨论

为了更精确地表达光纤传感数据，拉伸应变被定义为正值，表示煤柱岩体沿钻孔方向的拉伸变形。相反，压缩应变被定义为负值，表示煤柱岩体沿钻孔方向的压缩变形。考虑到测量点附近的地质热梯度和形成条件，在此测试中可以忽略温度效应。因此，可以根据钻孔参数转换确定应变的分布特性、峰值承载压力区域以及开采条件下的影响深度。

4.1. 测量点1处的电缆应变分布和变化特性

测量点1处的应变分布如图11所示。测量点1处的光纤传感器应变主要反映了工作面开采过程中尾巷内G119测量点以外的煤柱应变特性。

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图11. 钻孔1中传感电缆的应变分布。(a) 不同开采位置和测量点1的应变分布曲线；(b) 工作面开采过程中钻孔内的应变监测云图。

在图11.(a)中，横轴是钻孔深度，纵轴是传感光纤的应变值。在图11.(b)中，横轴是钻孔深度，纵轴是工作面开采位置与测量点之间的相对距离。在钻孔深度范围内有不同的应变值，通常显示拉伸应变的特点。随着工作面接近测量点，传感光纤的拉伸应变值逐渐增加，表明在覆盖层负载下煤柱的支撑压力逐渐增加。因此，拉伸应变的变化也证明了煤柱附近的岩石随着支撑压力的增加而向巷道空间横向移动。此外，还表明承载压力主要分布在钻孔深度的0–51.2米范围内，说明开采作用下尾巷外煤柱的受扰动钻孔深度范围达到了51.2米。

图12显示了钻孔传感光纤的应变分布与测量点1处地层之间的对应关系。该图还补充了巷道的空间位置，有助于更好地可视化钻孔应变分布与地下挖掘之间的几何关系。结合图12中的数据，可以看出在开采过程中应变集中在不同的钻孔深度，即对应不同的地层。在开采作用的影响下，集中区内的地层首先发生变形，最大应变值达到2177 με。由于靠近孔口的套管和巷道中的支撑作用，孔深0–2米范围内的应变特性发生变化。此外，该区域的应变状态与其他应变集中区不同，应变值相对较低，约为250–500 με。在2–10米范围内，拉伸应变是传感光纤的主要变形形式。有两个峰值区域I和II，相应的地层分别为11–2煤层和7砂质泥岩界面。煤层和岩石在巷道附近的强度较小，地层的接触面首先在覆盖层负载的作用下发生变形。此外，该区域的应变值在监测初期随着深度的增加而线性增加。随着开采活动的影响，10–51.2米范围内的煤层和岩石质量的应变值也逐渐增加，并且有四个峰值区域III、IV、V、VI。最大应变值出现在37.8米深度的位置VI，为2177 με。这种明显的应变峰值主要归因于该位置存在巷道；巷道挖掘改变了局部应力场，促进了周围岩体内的应变集中。根据III、IV、V和VI峰值点的数据特征分析，煤层工作面开采空间周围的岩石在不同深度发生了变形，但变形首先发生在岩体力较弱或结构平面较弱的部分，以及岩层内部。根据应变增加幅度的关系，0–10.7米深度范围是煤柱支撑压力的主要压缩范围。随着工作面的接近，煤柱的峰值支撑压力位于侧壁深度的4.5–7.3米处。

下载：下载高分辨率图像（265KB）
下载：下载全尺寸图像测试点1的光纤电缆应变与煤柱钻孔中地层之间的对应关系。为了进一步研究开采对煤柱内力变化特性的影响，图13提供了煤柱钻孔内不同深度应变集中区内的应变结果。在初期，随着工作面接近测量点，光纤传感器中的应变保持相对稳定。然而，随着煤柱所受支护压力的增加以及开采对巷道附近岩体产生了显著影响，应变条件持续变化，并最终形成峰值特征。根据图13所示的地层对应关系和应变变化的峰值，选择了0.5米、4.3米、7.5米、15.4米、21.6米、24.2米、26.8米、28.7米和38.2米钻孔深度的峰值点来分析工作面开采过程中的应变趋势，其中21.6米和26.8米的点代表压缩应变的变化，其余点则是拉应变峰值的特征点。当工作面距离测量点48米时，拉应变峰值的增长速率加快，表明采矿对煤柱的影响逐渐增强。直到距离测量点26米时，扰动进一步加剧，拉应变值也显著增加。显然，当工作面距离测量点130至48米时，采矿作用对煤柱没有明显影响。当距离小于48米时，对煤柱的扰动逐渐增加。

图13. 测量点1处传感光纤电缆峰值特征点的应变趋势。

测试点2反映了Y121入口处巷道外侧煤柱的应力和应变状态。图14显示了测试点2钻孔传感电缆的应变分布。可以看出，在不同的钻孔深度范围内，应变值有所不同，应变曲线的特征与测试点1相似。总体而言，它们都表现出拉应变的特点。在2–18米、20–25米和51.5–63.5米段落中，电缆的应变逐渐增加，表明在开采作用的影响下，巷道外侧的煤柱向巷道空间靠拢。此外，随着前移支护压力的增加，煤柱内部的影响范围也逐渐扩大。从测试数据可以看出，在监测期间，巷道外侧煤柱的支护压力主要分布在0–28.5米的深度范围内，这意味着在开采过程中煤柱的扰动深度达到了28.5米。在28.5米以上的深度，应变特征不明显，应变数据相对较小。与巷道入口内侧和外侧煤柱的应变特征相比，可以发现巷道入口一侧的外侧煤柱应变值要高得多，但巷道入口一侧煤柱的扰动深度较小。

图14. 测试点2钻孔内传感电缆的应变分布。(a) 不同开采位置和测试点2的应变分布曲线；(b) 工作面开采过程中钻孔内的应变监测云图。

测试点2的煤柱钻孔布置与测试点1类似，也是一种近水平设计。根据钻孔施工参数，测试点2的传感器电缆也反映了煤柱在近水平方向的应变变化。图15显示了测试点2的传感电缆应变分布与地层之间的关系。根据图15的数据，随着工作面逐渐接近测试点2，煤柱中也形成了一个应力集中区，其特征与测试点1类似。测试点2的传感电缆在不同地层深度显示出不同的应变值，最大应变值出现在10.7米钻孔深度，为12,227 με。0–2米钻孔深度的应变数据也受到套管和巷道支护的影响。此外，应变变化的幅度相对较小，基本分布在-400–400 με范围内。2–18米钻孔深度的应变数据随着工作面的前进而线性增加，并在6层砂质泥岩地层达到传感光纤电缆的最大应变。然而，在18–20米钻孔深度段落中，应变值相对稳定。随着工作面的前进，拉应变增加，但增幅不大。显然，在采矿期间，25–52.5米钻孔深度的应变值没有显著变化。这条曲线的特征表明，该段落钻孔深度的煤柱状态基本稳定。然而，在52.5–67米钻孔深度段落中，拉应变增加。通过地层对应关系可以看出，该位置正好经过一个断层。在采矿作用下，断层的上壁和下壁发生了扰动和移动。对应于断层滑动面的应变值为2614 με，这反映了随着工作面的接近，断层受到了扰动和拉伸。结合图12，测试点2处煤柱的峰值支护压力区比测试点1大约9.7倍，也就是说，工作面的下部分主要由巷道入口外侧的煤柱支撑。可以分析出，钻孔的0–18.5米深度范围是柱体支护压力的主要压缩区域。随着煤层的发展，巷道附近的煤柱支撑压力峰值位于8–10.9米侧壁深度。

基于图15，分析了测试周期内1.6米、7.8米、10.7米和21.2米深度处的峰值特征点的对应关系。从图16可以看出，随着工作面靠近监测段，传感光纤电缆在早期的应变增加速率相对较小，而在中期和后期，煤柱内部的侧向力起着更重要的作用。当工作面距离监测点82米时，峰值特征点的应变数据增加更快，其变化特征与测试点1的趋势高度一致。当工作面前进距离为35米时，应变增长速率进一步增加，表明采矿对煤柱的前进扰动作用更为显著。

从测试点1和2的结果可以看出，在1213（1）工作面开采过程中，巷道入口和出口两侧煤柱的应变条件不同。与工作面两侧传感光纤电缆的测试数据相比，结果显示出相似的趋势。特别是，在扰动范围内的煤柱显示出明显的拉应变，且测试点1和2在2米深度处的应变值范围和趋势相似。不难看出，采矿作用引起的扰动距离和应变变化基本相同。为了更好地表达工作面两侧测试点1和2的测试结果，分别分析了煤柱采矿的扰动范围、煤柱支护压力的分布范围、煤柱支撑压力的峰值范围、测量线的最大应变、煤柱峰值支撑压力的最大应变、领先影响距离和显著影响距离等细节。详细内容见表4。

表4. 工作面两侧煤柱的测试结果比较。

由于采矿活动引起的扰动，工作面两侧的煤柱表现出非对称分布特征。这主要由以下因素控制：(1) 煤层以及顶板和底板地层的倾斜角度，这些角度在控制煤柱应力分布方面起着根本性作用；(2) 孔洞与地层之间的角度，导致测量的地质参数存在空间差异；(3) 工作面采矿过程的差异，这引发采矿诱导应力的演变并加剧了煤柱扰动的不平衡。

图17（a）和（b）显示了煤柱1和2的传感光纤电缆随工作面采矿距离变化的时间-空间关系图。可以看出，从数据采集开始，煤柱钻孔靠近巷道的浅层部分逐渐显示出拉应变的特征，但其深度通常小于7米，变化值相对较小。这主要是由于巷道横截面的空间收敛所致。随着工作面靠近监测点，这种增强效应变得明显。图17（a）和（b）清楚地显示了这种增强效应。随着采矿的进行，煤柱承受压力的分布范围逐渐扩大。煤柱近隧道处的应变持续增加的区域是煤柱支撑压力的主要分布区。尽管该范围之外的煤柱岩体也发生了变形，但这种变化应该是采矿对煤柱岩体扰动的结果。因此，煤柱内部煤岩体的结构平面发生了变形，这种影响的深度可以为设定煤柱宽度提供技术参考。

图17（a）和（b）显示了测试点1和2的煤柱钻孔中传感光纤电缆与工作面之间的时空距离关系。在煤柱支护压力分布范围内，内部载荷的分布呈现出“鞍形”峰值的特征。随着工作面的接近，峰值压力从“鞍形”变为“驼峰形”，如图18所示。煤柱两侧的载荷分布表明，煤柱的应力集中区深度小于20米。煤层的倾斜也会导致损伤类型的变化。测试点2位于工作面的下方倾斜处，煤柱的应变测量显示，在巷道入口处应变值较高。此外，煤柱内的岩体显示出分区损伤现象，既有连续的受损区域，也有未受损的区域。下载：下载高分辨率图像（267KB）下载：下载全尺寸图像 图18. 工作面两侧煤柱的应变分布特征。5. 结论 (1) MTS岩石断裂测试的结果表明，分布式光纤测试结果能够准确获取岩石断裂的非线性变形，并定位测试阈值内的断裂位置。这为岩石断裂观测提供了一种新的技术手段，并为分布式光纤在工程领域的应用提供了基础数据。 (2) BOTDR分布式光纤传感技术不仅能够监测采矿条件下的煤柱应变分布，还能从数值、位置和形状三个方面反映工作面两侧煤柱应变的变化。由于采矿范围的不同，工作面两侧的峰值支撑压力位置和深度也不同，因此力的分布表现出明显不对称的特性。靠近巷道的煤柱应力状态最初类似“马鞍形”，随着工作面的推进逐渐变为“驼峰”形状。测量点1和2处煤柱的支撑压力分布范围分别为0–10.7米和0–16.9米，峰值支撑压力区分别为4.5–7.3米和8.0–10.9米。测试结果显示，煤柱采矿扰动的影响深度分别为51.2米和28.5米。 (3) 在采矿过程中，测量点1和2处煤柱应力状态与工作面前进距离之间的时空关系非常明确。当工作面距离测量点1为48米时，工作面采矿对煤柱沿轨道通道的应力影响开始增加；当距离为26米时，这种影响变得更加明显。然而，当工作面距离测量点82米时，工作面前进对煤柱沿巷道槽的影响开始逐渐增强。随着变形的累积，应变值持续增加。随着影响程度的变化，煤柱的应变值呈现出持续的快速增长。煤柱中应力集中区的强度越高，其影响距离显著更长。本研究的结果可以为提高煤柱的利用率、确保矿山安全和保护环境提供可靠的技术支持。资金来源 本研究得到了安徽科技大学高层次人才引进科研启动基金项目（项目编号：2024rcyj184）和深空特殊空间探索与利用关键技术及示范国家科技重大专项（项目编号：2024ZD1004101）的支持。CRediT作者贡献声明 徐翔：写作——审阅与编辑、资源管理、项目实施、资金获取。左启兴：写作——初稿撰写、可视化处理、数据管理。张平松：项目实施、概念构思。吴海波：验证、数据分析。陈敖：可视化处理、数据管理。孙必阳：验证、数据分析。李胜林：软件开发、概念构思。奚超强：可视化处理、软件开发。徐翔 | 左启兴 | 张平松 | 吴海波 | 陈敖 | 孙必阳 | 李胜林 | 奚超强