采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比.pdf

第4 6 卷第l 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ． 2 0 2 l 采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比 柴敬1 ”，杨玉玉1 ，欧阳一博1 ，张丁丁1 ”，杜文刚1 ，李淑军3 1 ．西安科技大学能源学院，陕西西安7 1 0 0 5 4 ；2 ．西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安7 1 0 0 5 4 ；3 ．陕西郭 家河煤业有限责任公司，陕西宝鸡7 2 1 5 0 5 摘要物理相似模型试验是煤矿采场上覆岩层变形破坏规律研究的主要手段，将B O T D A ，F B G 与 D I C 光测方法相结合，建立“点一线一面”的试验测试系统以提高测试精度十分必要。基于光测原 理，分析了B O T D A ，F B G 和D I c 技术的应变测量，探究了应变局部化带对D I c 检测应变的影响， B O T D A 和F B G 测试本质上是一种“线应变”，而D I C 是“面应变”。统计已有的试验研究，得出了 不同工况下物理模型试验B O T D A 。F B G 光纤应变监测数据范围。搭建3m 平面应力相似模型，模 拟煤矿工作面开挖7 7 次。推进2 4 0c m 。通过埋设在模型内部的l 根B O T D A 传感光纤以及3 个 F B G 传感器对模型关键层内部变形状态进行监测，同时以D I C 实时观测模型表面变形，研究这3 种不同的光测技术所获得的关键层应变测试结果，进行对比分析覆岩变形破坏规律，得出3 种不同 的光测技术测试应变的量化关系，并分析他们对应变测试存在差异的原因。试验结果表明，B O T ． D A 和F B G 的测试应变量级相同，在均匀连续变形区域D I C 与B O T D A 监测的应变比值为1 5 ．5 2 一 1 6 ．7 0 ，在非均匀变形区域D I c 与B 0 7 r D A 监测的应变比值为2 7 ～1 3 3 ；在应变曲线峰前阶段，D I C 与F B G 测试应变一致性好，峰后阶段D I c 更好地反映了上覆岩层的变形；尽管在测试结果上有量 级的差异，但随着岩层变形破断以及离层裂隙的张开、闭合，3 种光测方法均可以反映岩层内外部 同步性的变形，其发展趋势基本一致，B O T D A ，F B G 和D I c 应变曲线峰值位置偏差较小；对离层出 现位置，F B G 的偏差为1 1 3 ％，F B G 测试结果更好；对关键层破断范围，D I C 测试的破断范围偏差 为1 ．6 2 ％。测试结果更好。 关键词覆岩变形破坏；布里渊分布式光纤传感技术；光纤布拉格光栅；数字图像相关技术；物理模 型试验 中图分类号T D 3 2 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 卜0 1 5 4 一l O C o m p a r i ∞n0 fo p t i c a lm e a s u r e m e n tm e t h “I sf o rd e f o m a t i o n 锄df a i l u r e s i m l l l a t i o nt e s to fo v e r b u r d e ni nw o r 瞄n gf a c e C H A IJ i n g ‘”，Y A N GY u y u l ，O U Y A N GY i b 0 1 ，Z H A N GD i n g d i n 9 1 ”，D UW e n g a n g ‘，L IS h u j u n 3 1 ．S 矾蒯旷脚S 渤讹口，l d 抛i ，聊一昭，射’口，l ‰矗梆以矿＆据，黜n 以删l ，l o 肠彰，瓜’口n7 1 0 0 5 4 ，蕊伽口；2 ．研k 6 D 删o ，y 矿耽甜绷胧肥脚如i 一 纽￡￡帆口，l d 舶∞尉P ，m 眦洳，腧缸可旷＆k 叭幻n ，船’口，l ‰i M j 妙矿＆洒Ⅻn 以‰ ，l o 妇 ，，肌’∽7 1 0 0 5 4 ，C 肠m ；3 ．s o 口职fG Ⅱ彬o k ‰Zm d 潞竹 c o ．，删．，B 唧7 2 1 5 0 5 ，∞讹 A b s t r a c t 7 I h ep h y s i c a ls i m i l a r i t ym o d e lt e s t ，c o m b i n i n gB r i l l o u i nO p t i c a lT i m e D o m a i nA n a l y s i s B O T D A ，F i b e r 收稿日期2 0 2 0 一0 2 一0 5修回日期2 0 2 0 一0 5 一l O责任编辑黄小雨D o I l O ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk j ．j c c s ．2 0 2 0 ．0 1 4 l 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 1 0 2 7 0 0 2 ，5 1 8 0 4 2 4 4 作者简介柴敬 1 9 6 4 一 ，男，宁夏平罗人，教授，博士生导师。T e l 0 2 9 8 5 5 8 7 2 9 3 ，E m a i l c h a U x u s l ．e d u ．c n 引用格式柴敬，杨玉玉，欧阳一博，等．采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 1 1 5 4 1 6 3 ． C H A I j i n g ，Y A N GY u y u ，0 U Y A N GY i b 0 ，e ta 1 ．C o m p 赫∞no fo p l i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o d sf o rd e f o m a t i o na n d f a i l u r es i m u l a t i 仰t e s to fo v e r b u r d e ni nw o r k j n gf a c e [ J 】．J o u m a lo f c h i Mc o a lS o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 1 1 5 4 一1 6 3 ． 移动阅读 万方数据 第l 期柴敬等采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比 1 5 5 B r a g gG r a t i n g F B G a n dD i g i t a lI m a g eC o n ℃l a t i o n D I C o p t i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o d st oi m p r o V et h et e s ta c c u r a c y ， i st h em a i nm e t h o dt os t u d yt h ed e f o r | n a t i o na n df a i l u r el a wo fo v e d y i n gs t r a t ai nac o a lm i n e ．I ti sn e c e s s a r yt oe s t a b - l i s ha “p o i n t - l i n e 唱u r f a c e ”t e s ts y s t e m ．B a s e do nt h ep r i n c i p l eo fo p t i c a lm e a s u r e m e n t ，i ti sk n o w nt h a tB O T D Aa n d F B Gt e s ti se s s e n t i a l l ya “l i n es t r a i n ’’，w h i l eD I Ct e s ti sa “f 她es t r a i n ”，t h r o u g ha n a - l y z i n gt h es t r a i nm e a s u r e m e n to f B 0 呵’D A ，F B Ga n dD I Ct e c h n o l o g i e s ，a n de x p l o r i n gt h ei n n u e n c eo fs t r a i nl o - c a l i z a t i o nb a n do nt h ed e t e c t i o ns t I ．a i no f D I C ．A f t e rs t u d y i n gs o m ep r e v i o u se x p e r i m e n t s ，t h em o n i t o r i n gd a t aI ．a n g eo ff i b e rs t r a i no fB O T D Aa n dF B Gp h y s i c a l m o d e lt e s t su n d e rd i f k r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sw a so b t a i n e d ．A3m p l a n es t r e s ss i m i l 撕t ym o d e lw a sb u i l t ，t l l ee x t r 丑l c - t i o no ft h ec o a lw o r k i n gf 如ew 鹅s i m u l a t e d7 7t i m e s ，a n dt h ec o a lw o r k i n gf a c ew a sa d v a n c e d2 4 0c m ．7 r h r o u g ho n e B O T D As e n s i n gf i b e ra n dt h r e eF B Gs e n s o l l se m b e d d e di nt h em o d e l ，t h ei n t e m a ld e f o 珊a t i o ns t a t eo ft h ek e yl a y e ro f t h em o d e lw a sm o n i t o r e d ．A tt h es a m et i m e ，t h es u d ．a c ed e f o m a t i o no ft h em o d e lw a so b s e n r e di nr e a l t i m eb yD I C ．B y s t u d y i n gt h es t r a i nt e s tr e s u l t so ft h ek e yl a y e ro b t a i n e db yt h e s et h r e ed i f 玷r e n to p t i c a lm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e s ，c o m - p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ed e f o 咖a t i o na n df a i l u r el a wo ft h eo v e r b u r d e n ，t h eq u a n t i t a t i V er e l a t i o n s h i po ft h et e s ts n ．a i no f t h r e ed i f 玷r e n t 叩t i c a lm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e sw a so b t a i n e d ．T h e nt h er e a s o no ft h ed i f ＆r e n c eb e t w e e nt h e mw a sa n - a l y z e d ．I ti ss h o w ni nt h et e s tt h a tt h em a g n i t u d eo ft e s ts t r a i no fB O T D Aa n dF B G i st h es a m e ，t h ed i f ．f e r e n c eo ft e s t s t m i nb e t w e e nB O T D Aa n dD I Ci nu n i f o mc o n t i n u o u sd e f o m a t i o na r e ai s1 5 ．5 2 一1 6 ．7 0t i m e si nt h e o r y ，a n d2 7 一1 3 3 t i m e si nn o n u n i f o 咖d e f o n n a t i o na r e a ．A tt h ep r e - p e a ks t a g eo ft h es t r a i nc u n ，e ，t h ec o n s i s t e n c yo ft e s ts t r a i nb e t w e e n D I Ca n dF B Gi sg o o d ，w h i l ea tt h ep o s t - p e a ks t a g e ，D I Cr e n e c t st h ed e f o 瑚a t i o no fo V e d y i n gs t m t ab e t t e r ．A l t h o u g h t h e r ei ss o m ed i 矗’e r e n c ei nt h et e s tr e s u I t s ，w i t ht h ef o 咖a t i o na n dd e f o 珊a t i o no ft h es t m t u m ，b r e a k i n ga n dt l I eo p e n i n g a n dc l o s i n go ft h es e p a r a t i o nf h c t u r e s ，a Uo ft h et h r e eo p t i c a lm e a s u r e m e n tm e t h o d sc a nr e n e c tt h ei n t e m a la n de x t e 卜 n a ls y n c h r o n o u sd e f o m a t i o nw i t l lt l l eb a s i c a l l ys 锄ed e v e l o p m e n tt r e n d ．T h ed e v i a t i o no ft h ep e a kp o s i t i o no ft h es t r a i n c u r v e so fB O T D A ，F B Ga n dD I Ci ss m a l l ．F b rt h ep o s i t i o no ft h es e p a r a t i o n ，t h eF B Gt e s tr e s u l ti sb e t t e rw i t had e V i a - t i o no f1 ．1 3 ％．F b rt h ef h c t u r er a n g eo ft h ek e yl a y e r ，t h ef I ．a c t u r eo fD I Ct e s ti sb e n e rw i t ht h e 啪g ed e V i a t i o no f 1 ．6 2 ％． K e yw o r d s d e f o 珊a t i o na n df a i l u r eo fo v e r l y i n gs t r a t a ；B r i l l o u i nO p t i c a lT i m e - D o m i nA n a l y s i s B O T D A ；F i b e r B r a g gG r a t i n g F B G ；D i g i t a lI m a g eC o r r e l a t i o n D I C ；p h y s i c a lm o d e lt e s t 煤层开采引起上覆岩层产生移动，由此发生了一 系列力学现象，研究开采引起的覆岩运移规律是发展 开采技术的基础J 。然而，由于现场研究费用高、难 度大及监测设备受限等因素，物理模型试验是研究覆 岩变形破断规律、顶板来压特征的主要手段【2J 。目 前，物理模型试验中位移测试多采用近景摄影、全站 仪、百分表等，应力应变监测多采用应变片、压力传感 器等手段，由于测试精度低、操作多为点式测量等原 因，这些测试手段难以连续、实时进行整场测量。 光纤传感技术由于其可以实现长距离、高精度、 分布式测量等诸多优点，被广泛应用于各种工况下的 结构健康检测。其中布里渊光时域分布式光纤传感 技术 B O T D A 优点突出，精度高，实现分布式测试， 可测量绝对温度和应变J 。光纤布拉格光栅 F B G 是应用最为广泛的光纤传感技术之一，现已被广泛应 用于电力、矿业和建筑等多个领域H J 。B O T D A ／F B G 联合应用于实验室、现场的研究已逐步成熟。柴敬等 综合利用光纤光栅和分布式光纤传感技术对采动覆 岩变形进行联合监测，形成了顶板来压规律、覆岩垮 落形态、物理相似模型温／湿度场的检测等一系列的 研究成果【5 书J 。施斌和张丹对煤层采动过程中覆岩 变形与破坏的发育规律进行了监测和分析，揭示覆岩 变形与破坏的发育特征一J 。张丁丁等研究松散层沉 降光纤光栅监测的应变传递规律并在工程中应 用0 | 。吴冰，朱鸿鹄等利用光纤光栅对冻土含冰量 进行监测，得出部分规律“。 数字图像相关 D i 西t a l I m a g ec o m l a t i o n ，D I C 技 术是一种基于非接触式图像的光学方法，利用数字图 像获取结构体全场位移和应变响应，相关学者已将其 应用于岩石力学试验中2 叫3 | 。朱鸿鹄在砂土质地基 模型试验中，基于F B G ，B O T D A 和粒子图像测速 P a n i c l eI m a g eV e l o c i m e t r y ，P I V 结合技术获得了土 体的应变，其中P I v 与D I C 原理相同。2 种方法在具 体数值有较大的差异，在小变形条件下，F B G 读数的 稳定性明显好于P I V 4 。15 I 。对于光纤传感技术与 D I C 测量精度的研究，鲜有相关文献报道。 笔者将B O T D A ，F B G 和D I C 技术应用于物理相 似模拟试验中，用B O T D A 以及F B G 传感器进行结构 万方数据 1 5 6 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 内部应变测试，用D I C 进行表面应变实时监测，研究 不同原理测试方法在获得数据上的关系，建立对应换 算比例。分析不同光测方法对同一对象观测的应变 值差异较大的原因。 1 光测方法原理 1 ．1B o T D A 应变 B O T D A 为利用光纤作为传感元件，当被测光纤 受到外力或温度变化时，光纤中受激布里渊散射光的 频率将发生变化，通过转换就能获得光纤沿线的应变 信息。布里渊频移变化量与温度和应变变化6 I 为 △占 [ △y 。一c 。△r ] ／c 1 其中，△s 为应变变化量；△‰为布里渊频移量，M H z ； C 。为温度灵敏度系数，M H z ／℃；△7 为温度变化 量，℃；G 为应变灵敏度系数，1 0 3G H z 。该方法基于 光的散射原理，测量布里渊散射光的频率变化。 1 - 2F B G 应变 利用光纤材料特性，在纤芯形成空间相位光栅， 即F B G ，应变与温度的变化都能够引起的反射光波 长变化⋯。为 ， 、 △s f 竺坐i K ，△r 1 ／尺， 2 ＼A Ⅲ／ 。 其中，△A 。．为光纤光栅中心波长的变化量，n ，； h 扛l ，2 为光栅初始中心波长，n m ；K ，为温度灵敏 度系数，对于室温下，一般取值o ．7 9 4 ；△s ，△丁为光栅 应变、温度变化量；K ，为应变灵敏度系数，对于典型 石英光纤，取值0 ．7 8 。依据公式可以方便求出外界 应变△占的值。该方法基于光纤耦合模式理论，测量 反射光的波长变化。 上述2 种方法在温度变化较小的情况下 如 5 ℃ ，可忽略温度的影响。 1 ．3 D I C 应变测量原理 D I c 技术是使用工业相机获取物体表面的散斑 图像，基于算法进行图像分析以定量提取被测结构体 表面的三维坐标、位移场及应变场等变形信息。D I c 通过求取变形图像前后子区中心点的位移差来获取 测量点尸， i 1 ，2 ，3 的位移，如图1 所示。 D I C 应变计算本质上是对位移的求导，子区测量 点在空间中的变化可用梯度矩阵F 引表示 3 其中，共有6 个未知数，M ，，z ，。为测量点P 朋勺横向和竖 向位移分量，F ⋯F 。，F 。，F 为梯度矩阵F 的各元 素分量。因此，至少需要3 个测量点的变形信息，采 用最小二乘法计算变形张量，拉伸张量u 表示为 P2 “2 ，J ’ u 历 I | ，。] 尸1 ’ x ，’，“ 图1数字图像相关应变计算原理 4 f ’i g ．1 C aJ c u I a l l ，np l ‘l n 【‘1 p l en fd 】g l I u l1 1 1 1 a g ec o l - l e I a t l ns t r a l l l 由式 4 中可以得出被测物体T 和1 ‘方向的应 变。 B O T D A ，F B G 测试方法是以光为载体、光纤为媒 介对外界信号进行感知和传输，本质上是一种“线应 变”。D I C 应变测量通过至少3 个测量点的位移数据 求出应变，本质上是“面应变”。 2 测试数据差异性 2 ．1 应变范围 对于掺锗石英光纤，B O T D A 应变灵敏度系数C 通过标定实验得出，其值为4 8G H z ；F B G 应变灵敏度 系数K ， 0 ．7 8 。本次试验，B O T D A 与F B G 所测应变 表示为 B O T D A △占， △L 7 。／0 ．0 4 8 5 F B G △s 、 1 0 0 △A m ／0 ．7 8 A l “ 6 对于直径为2n m 的单模紧套光纤进行分布式 光纤应变监测时，△y 。在0 ～4 8 0M H z ；对于典型的聚 烯乙酯封装的F B G 传感器，△A 。范围在0 ～8 Ⅷ。 由此可得，F B G 传感器 15 5 0 1 m 最大监测应变为 6 ．6 1 7 1 0 一；B O T D A 最大测试应变为1 0 一。 图2 为不同地质条件下模拟煤矿上覆岩层变形 破断时，由B O T D A 和F B G 监测出的最大应变值，横 坐标为物理模型模拟开挖工作面的推进距离，数据点 来自文献的研究成果№’8 1 9 ‘2 川。引入高采 比丘 矗 ／“ z 表述上覆岩层的位置，，l 为光纤的埋设 位置，m 代表煤层的采高，即从0 ～3 0 倍的高采比进 行统计。由图2 可知，当覆岩产生破断时，B O T D A ／ F B G 测得应变离散程度高，但是总体上，随着高采 比七的增大，测得的应变相对要小些，这符合覆岩变 形的基本规律；B O T D A 测得的应变大致为0 ～7 1 0 ～，平均应变3 ．6 5 6 1 0 ～；F B G 监测结果分布在 0 ～5 1 0 ，平均应变2 ．3 5 2 1 0 。试验测试结果在 万方数据 第1 期柴敬等采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比 1 5 7 量级上与理论值基本一致。 D I C 为基于连续变形假设的光测方法，其监测应 变的测试范围为5 1 0～2 0 ，获取应变场的大范围 数据，因此，从理论卜讲，B O T D A ，F B G 和D I C 测试结 果在量级上可能存在l ～2 ．8 6 1 0 3 倍的差异。 推进距离／c m a B O T D A 应变检测数据 推进趴l 驾／c m b F B G 应变检测数拂； 图2 模型役岩破断时的光纤测试数据 F i g ．20 p t i c a Jl l a t ao fn 1 I I P lo V P r l u i ’d e nb l ’P a k i l l g 2 ．2 监测应变差异性 根据1 ．3 节，D I C 的应变测试本质是基于连续变 形对位移的求导，测点位于均匀变形区域时，应变测 试数据接近实际应值；测点位于裂隙及其附近非均匀 变形区域时，应变测试数据有差异。图3 为D I C 测量 裂隙周围变形示意，测点l 位于裂隙上，其所在的正 方形子区涵盖了裂隙区域以及应变局部化带内的非 均匀变形区域，D I C 无法有效计算裂隙上的位移数 据，测点1 的位移值必定与实际位移值相差较大忙引。 测点2 布置在应变局部化带边界上，其所在子区涵盖 了应变局部化带内的非均匀变形区域和应变局部化 带外的均匀变形区域，D I c 不可能同时准确获取非均 匀变形区域和均匀变形区域的位移值，因此测点2 的 位移值必然与实际位移值相差较大，这与前人的研究 成果一致P 引。测点3 位于应变局部化带之外，子区 包含应变局部化带外的均匀变形区域，测点3 的位移 值与实际位移值相吻合。 裂隙子区 应变局部化带测点l户口 触 测≤ 图3D I C 测{ 建裂隙周围变形门i 总 F i g ．3D i a g I ’a n lo ff l e “ 1 ．1 n a t i o na H u n 1 f I ’a 1 t u r en l e a s u r e d l J 、7D I C D I c 的应变测量可以等效于在模型表面一定大 小的应变片，在此称作虚拟应变片，虚拟应变片的边 长￡v 。为 ￡、州 [ L 。一1 L ，。 L 。] ／0 7 其中，L 。为正六边形半径上除应变测点之外的测点 数；L 。为子区间距；L 。为子区大小；“为测试系统放 大倍率。为了保证D I c 的测量精度，最终确定L 。为 3 ；L 。为5p i x e l ；L 。．为3 4p i x e l ； Y 为1 ．8p i x e l ／n 1 I n ，由 式 7 求得￡、。为2 4 ．4 4m n ，。此外，本次试验中D I c 测量系统位移分辨率为0 ．0 lp i x e l ，D I c 测量系统的 精度为0 ．0 0 6n l l l l 。 对于G O M A R A M I s 软件，其虚拟应变片为正六 边形，虚拟应变片面积为l5 5 2 ．1 5m m 二；B O T D A 解调 仪空间分辨率设置为5 0 Ⅱ，，，对于直径为2m m 光 纤，其与岩层的接触面积为1 0 0t n m ，也就是说光纤 在某点的应变实际为光纤与岩层接触面积上所有应 变的平均值。由此得出，当D I c 测点位于均匀变形 区域时，D I c 与B O T D A 的应变测试结果比值为 1 5 ．5 2 ． 3 相似物理模型试验 3 ．1 模型概况 试验以某矿为研究背景，选用河砂、粉煤灰、石 膏、大白粉作为相似材料。选取几何相似比 为1 1 5 0 ，制作相似模型，模拟开挖的煤层编号为 l1 1 煤，煤层厚度m 1 ．3c m ，关键层位于煤层上 方矗 1 9c m 处。模型两侧边界煤柱3 0c m ，开切眼 1 0c n ，，模拟工作面开挖步距为3c n ，，从保护煤柱向 右侧推进，累计开挖7 7 次，共推进2 4 0c m 。采用光 纤监测关键层变形破坏，由光纤埋设位置得七 1 5 ．8 。 3 ．2 监测系统布置 模型共布置有3 种光测传感监测系统，B O T D A ， F B G 和D I c 技术的监测系统如图4 所示，各测量系 统均在每次开挖结束后采集数据。 埋设3 支F B G 应变传感器，编号为F B G 0 l A I ；l l5 3 5 ．5 81 1 1 1 1 ，F B G 0 2 A 眦 l5 5 5 ．7 3n n l ，此 万方数据 1 5 8 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 外还有1 支温度补偿传感器F B G 0 3 ，采用竖直埋没的 方法，监测结果中数据为正表明岩层处于受拉状态， 数据为负表明岩层处于受压状态。一根直径2m n 的单模紧套光纤，埋设于关键层最中间位置，埋设光 纤直径小于2m m 时岩层位移变化误差小于5 ％，对 岩层变形影响小P “。D I C 监测系统由两个c C D 数 字摄像机组成，分辨率为6 0 0 万像素。 3 ．3 试验覆岩变形破坏过程 工作面自保护煤柱推进至2 5c t n 时，直接顶垮 落，垮落高度1 ．1c m ，垮落长度2 2c m ；推进至3 7c m ， 工作面初次来压，垮落高度4 ．5c m ，垮落长度3 4c m ； 推进至5 8c m ，顶板上部1 0 ．5 州n 处出现离层，张开度 0 ．8c m ，长度达到2 lc m ，工作面第1 次周期来压；推 进至7 6c m ，顶板上部9 ．6c ㈨处出现新的离层，张开 度为0 ．3 ，，长度达到2 5 ．5c m ，；工作面推进至 1 1 5c n ，，采空区中部离层裂隙被压闭合，上覆岩层 2 0 ～3 9 ．6 n 处新的离层裂隙进一步发育，如图5 a 所示；推进至1 2 lc - 1 1 覆岩变形至上表面，地表出现 明显下沉，裂隙带被压实，此时裂隙带高度在 3 3 ．5c n ，；推进至1 7 8 【_ { | 1 1 时，顶板垮落高度5 ．6c f l l ，长 度1 7 2c n l ；推进至2 2 0c n l ，I 作面上部岩层1 4 ．5 1 1 处产生离层，张开度0 ．5c m ，，长度2 7c m ；推进至 2 4 0c n ，，垮落带高度达到8c m ，裂隙带高度为 3 6 ．5c n ，，覆岩变形如图5 1 ， 所示，回采结束，模型顶 部下沉量为0 ．9c m ，岩层左侧垮落角5 4 。，右侧垮落 角为5 6 。。 i 簟蠹簟善誊j j j ； j ； j j ；； j ； ；；；；；； j ；； ；； 簟蠹蠹誊囊誊；{ ；荤辐醴唆 t F 鼍焚m 3 ≥ ⋯⋯⋯⋯一 。⋯ ⋯‘ ⋯⋯。。⋯。’’ ⋯ ‘ } ⋯ 关键层 一1 二煤 H “q l 1 1 ‘；q ∞ ／ 一22 煤 一 l3 0 06 0 011 0 0 图4 物理模型光测监测系统布置 I 晦4L a y o u to fo f t i ’a 1n l o l l i t 洲f l gs y s I e mf o r1 1 1 1 ，s i c a l 1 1 1 ‘ 1 e l 餐9 黄土 砂质泥√ 粉砂岩 中粒砂 煤 细粒砂2 a 工作面推进至1 1 5c m b 工作嘶推进蕈2 4 0c m 图5 物理模型试验覆岩变形及对应D I C 应变云图 F i g ．5 D e f o r m a t i o no fo v e I b u r 1 e ni np h y s i c a ln 1 1 e lf e s la n 1c o l ‘r P s p o n d i n gD I Cs I r a i f l1 1 e I h o g r a 4 试验结果与分析 4 ．1 均匀变形区域的应变对比 工作面推进至2 2c m 时，由B O T D A 与D I C 获得 的关键层应变监测结果如图6 所示，此时工作面覆岩 区域为均匀连续变形，D I c 测试的平均应变 3 ．7 0 4 1 0 _ 与B O T D A 测试的平均应变 2 ．2 2 1 0 。 比值为 1 6 ．7 0 ，与理论计算值1 5 ．5 2 ，较为接近。 为了能够准确评价D I C 测量的精度，利用工作 面推进至2 2 0t m ，时全站仪测点的观测值，与D I c 的 测试结果进行对比如图7 所示，D I C 与全站仪所测结 果整体变化趋势一致，误差为8 ．3 ％。说明试验选取 的D I c 子区大小、以及子区问距的参数可行，保证’广 D I C 测量精度对试验观测的需要。 4 ．2 F B G 监测应变 在工作面推进过程中，F B G 传感器测试的应变 变化如图8 所示，横坐标为模型长度。F B G 0 l 距离模 型边界1 3 0 州1 1 应变变化曲线如图8 a 所示，当1 作 面推进至7 6c m 时，受到覆岩运移影响，岩层弯曲下 沉，F B G 0 1 应变值开始变化；推进至1 0 0c m 时，工作 一■歌 万方数据 第l 期柴做等采场覆彳变形破坏模拟试验的光测力’法对比 1 5 9 面雏本位于F B G O I 传感器下力‘，F B G o l 的应变为 一1 ．6 3 l o ；当推进至1 3 3c ㈨时，f 专感器位置的岩层 形成悬臂梁结构，应变迅速达到最大2 ．5 7 3 1 0 。1 ；此 后随着工作面推进，岩层破断、垮落和逐渐被压实，应 变又变为负值并趋于稳定。F B j 0 2 距离模型边界 1 9 0t m ，应变变化曲线如图8 1 ， ，工作面推进至 1 5 7 1 1 时，应变值为一1 ．2 9 l o ；当推进至1 7 5 _ J n 时，应变迅速达到最大2 ．7 6 8 1 0 。‘，此后随着工作面 推进，F B c 0 2 应变值减小至负值最后逐渐稳定。 。， 呈 制 目 模，钭K 度／c m 图61 3 0 T D A 与D I C 应变时比 ’ 呈 制 瑙 g ．6 帅p a r i ⋯1 “m 曲1 h e t w e ㈨I ； J ，1 1 D Aa n r l D I 【 ●l 呈 ＼ 制 倒 模型长度／c m a F B G O l 4 ．3 D I C 监测应变 图9 为工作面推进过程中，F B G 0 l ，F B G 0 2 所在 位置的D I C 测试应变曲线。图9 a r 1 1 ，当工作面推 进1 0 6c - m 之前，D I C 所测得应变基本为0 ，在此期间， F B G 0 l 所在位置并未发生离层裂隙。此后应变开始 阶段性增大，当工作面推进至1 1 2t ㈨时，应变为 2 ．2 4 2 1 0 ；推进至1 2 4c m 时，应变为3 ．2 4 8 1 0 ～； 推进至l3 6c r n 时应变达到最大值6 ．0 7 6 1 0 ～。 岩层t l t f 现离层，并逐渐变小直至稳定。 2 制 毯 钡0 点编号 图7 全站仪和D I c 测量结果对比 1 7 噱7C m 1 I a I ’i s