柴敬;张亮;曹敬强;杨雷磊;张丽华
【摘 要】为定量化研究矿山相似材料模型的岩层移动规律,采用光纤Bragg光栅传感器、百分表和光学全站仪等多种测量手段,建立了基于光纤Bragg光栅传感器的模型应力应变检测系统,模拟采场上覆岩层由于采动引起的移动变形过程.实验室搭建3m×1.15m×0.2m的采场上覆岩层移动的相似材料模型,几何相似比1∶200,模型中埋入3个不锈钢封装和6个醋酸乙烯封装光纤Bragg光栅传感器,1个陶瓷封装的温度光纤光栅传感器用以温度补偿,模型共架设14个百分表和6条全站仪测线.实验结果表明,光纤传感器对模型开挖过程中的应力状态变化形成了监测,光纤传感器的波长漂移量与相应岩层的垮落形态密切相关;模型实际岩层运移影响了光纤传感器波长漂移量曲线的变化,在岩块断裂时引起的FBG04的最大波长漂移量为1 504.24 pm;实验所用的不锈钢封装传感器的平均灵敏度为32.53 pm/mm,醋酸乙烯封装传感器的平均灵敏度为56.32 pm/mm,醋酸乙烯封装的光纤Bragg光栅传感器平均灵敏度是不锈钢封装的1.73倍.证据智能系统
【期刊名称】《西安科技大学学报》
【年(卷),期】2014(034)006
【总页数】8页(P656-663)
【关键词】相似模拟;光纤Bragg光栅传感器;应力应变状态;波长漂移
优化训练【作 者】柴敬;张亮;曹敬强;杨雷磊;张丽华
【作者单位】西安科技大学能源学院,陕西西安710054;教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室,陕西西安710054;西安科技大学能源学院,陕西西安710054;西安科技大学能源学院,陕西西安710054;西安科技大学能源学院,陕西西安710054;西安科技大学通信与信息工程学院,陕西西安710054
【正文语种】中 文
【中图分类】TD325;TP212
0 引 言
矿山开采给岩体带来开采扰动，产生采动应力场，受扰动岩体将发生变形直至断裂破坏。覆岩垮落将对采场形成来压，在岩层内部造成裂隙和离层，引起岩体内流体的运移，导致
地表沉陷从而造成地表构筑物和环境破坏［1］，而采动应力集中也是造成煤矿冲击矿压和煤与瓦斯突出的主要原因之一［2］。采动应力变化是岩体变形-破裂-运动之源，由于原岩应力状态和采动应力场难以测定，形成了采动岩体中的“灰结构”，给相关的理论研究和现场测定带来困难［3］。二维液相谱
相似材料模型实验是一种建立在相似理论基础上，研究对应原型的力学运动以及其他相关特性的力学实验方法。能很好地再现力学破坏机理等特点，在基本满足相似原理的条件下，能避开数学和力学上的困难，较真实、全面、直观、准确地反映采场岩层的破裂、冒落和移动规律，以及岩体整体力学特征、变形趋势及稳定特点，在研究岩体垮落及应力应变规律方面具有显著优势［4-7］。
光纤传感技术诞生于20 世纪70 年代，具有体积小、抗干扰、高灵敏度、可复用等优点。光纤Bragg 光栅作为传感器的一个重要用途就是埋入结构中来实现对材料、结构内部应变分布的实时监测，它可以成为观测岩层变形的新方法。Alavie，Schulz，Yongwang 等将光纤Bragg 光栅埋入混凝土结构中测试应力应变，进行结构完整性无损评估和内部应力应变状态检测［8-9］，光纤Bragg 光栅已应用在岩石力学性能测试［10-12］，相似模拟实
验的测试［13-14］，巨厚松散层沉降及注水的测试。为了在实验室测试覆岩采动应力变化规律，采用相似材料模型实验方法，在传统测试方法如百分表、全站仪等基础上，用光纤光栅传感器对模型覆岩运移中的应力状态进行检测。
l65621 光纤光栅传感测试原理
当宽带光在光纤光栅中传输时，产生模式耦合，满足反射条件的光被反射，其余的成为透射光，如图1 所示反射光波长满足以下条件
式中 λB为光纤光栅中心波长;neff 为光纤光栅有效折射率;Λ 为光栅周期。
图1 光栅结构及其反射能量分配Fig.1 FBG structure and its properties of light reflecting and transmitting
应变(或应力)和温度是最能直接显著改变光栅波长的物理量。温度恒定，光纤光栅仅受轴向应力时，由式(1)可推得波长变化与应变基本关系为
式中 ］为光纤光栅相对波长漂移应变灵敏度系数;p11和p12为弹光系数;ε为轴向应变。由上
式可知，光纤在受轴向拉应力时，ε 增大，光栅中心波长值增大;反之减小。由式(2)可将波长变化数据处理成应变结果。对纯石英光纤，K 值约为0.22. 因此，当光纤光栅中心波长变化不大时，每一个微应变对应的波长变化约为1.2 pm.
2 模型概况
2.1 煤层赋存条件
模拟实验以某煤矿综采工作面为原型。该采面沿煤层倾向推进，设计采高5 m，工作面长度299.5 m，推进长度4 252 m，面积为1 273 474 m2.该工作面钻孔揭露煤厚度8.27 ～10.41 m，平均9.13 m，工作面地质储量827. 8 万t，可采储量769.8 万t，工作面回采率93%.该工作面整体由西南向东北缓倾，倾角约0.5°，该煤层层位稳定，结构简单，厚度变化小。地层构造详细情况见表1.
表1 模型分层性质及厚度Tab.1 Layer thickness and properties of model序号 岩性 厚度/m 累积厚度/m 弹性模量/104 MPa抗压强度/MPa干燥 饱和 抗拉强度/MPa 230 28 沙土 26 226 松散层27 黄土 50 200 26 泥岩 2 150 25 中砂岩 5 148 24 粉砂质泥岩 3 143 风化带23
中砂岩 10 140 1.8 22 粉砂质泥岩 2 130 1.6 21 中砂岩 24 128 4.0 54.4 34.5 3.7 20 泥岩 7 104 8.5 152.4 39.9 2.0 19 细砂岩 2 97 6.0 87.6 46.2 2.9 18 泥岩 3 95 8.5 152.4 39.9 2.0 17 细砂岩 2 92 6.0 87.6 46.2 2.9 16 粉砂质泥岩 4 90 1.6 55.1 22.0 9.7 15 中砂岩 3 86 4.0 54.4 34.5 3.7 组合关键层14 泥岩 3 83 8.5 152.4 39.9 2.0 13 中砂岩 25 80 4.0 54.4 34.5 3.7 12 泥岩 1 55 2.0 152.4 39.9 2.0 11 粉砂岩 4 54 3.8 65.5 45.1 3.0 10 粉砂质泥岩 2 50 1.6 55.1 22.0 9.7 9中砂岩 3 48 4.0 54.4 34.5 3.7 8 泥质粉砂岩 4 45 9.6 98.8 47.1 2.2 7泥岩 2 41 2.0 152.4 39.9 2.0 6中砂岩 3 39 4.0 54.4 34.5 3.7 5 泥质粉砂岩 6 36 9.6 98.8 47.1 2.0 4粉砂岩 2 30 3.8 65.5 45.1 3.0 3中砂岩 16 28 4.0 54.4 34.5 3.7 亚关键层2粉砂岩 8 12 3.8 65.5 45.1 3.0直接顶1中砂岩 4 4 4.0 54.4 34.5 3.7 29 风积沙4煤层8 0.6 22.65 1.75
2.2 实验设计
实验模拟岩层厚度为230 m，若选用1∶100 的几何相似比，可以很好的模拟上覆岩层的移动变形过程，但模型高达2.3 m，造成模型高、宽比例超大，不利于模型搭建;选择1∶200 几何相似比，模型高度为1.15 m，这样既可以很好的模拟上覆岩层的移动变形过程，还可
以对地表移动变形过程进行模拟。根据模拟上覆岩层结构和岩石力学性能参数，确定模型高度为1 150 mm，设计模型尺寸3 000 mm×1 150 mm×200 mm，模型长3 000 mm.基岩厚度700 mm，松散层厚度450 mm.上覆基岩有2 个关键层，亚关键层为粉砂岩和中粒砂岩，厚度为35 m，位于煤层上方4 m 处;主关键层为粉砂岩和细砂岩，厚度21 m，位于煤层上方67 m 处。相似材料以河砂为骨料，以大白粉、粉煤灰和石膏为胶结物，以云母粉为分层材料，模型岩层铺装详细见表2.
表2 模型层位铺装及相似材料配比Tab.2 Model of pavement and ratio of similar material序号 岩性 实际厚度/m 铺设厚度/m 积累厚度/m 配比号 材料/kg 29 风积沙河沙/kg 石膏/kg 大白粉2.0 115.0 928 8.64 0.192 0.768 28 沙土 26 13.0 113.0 928 8.64 0.192 0.768 松散层27 黄土 50 25.0 100.0 828 8.56 0.214 0.856 26 泥岩 2 1.0 75.0 746 8.40 0.480 0.720 25 中砂岩 5 2.5 74.0 828 8.56 0.214 0.856 24 粉砂质泥岩 3 1.5 71.5 828 8.56 0.214 0.856 风化带23 中砂岩 10 5.0 70.0 828 8.56 0.214 0.856 22 粉砂质泥岩 2 1.0 65.0 828 8.56 0.214 0.856 21 中砂岩 24 12.0 64.0 828 8.56 0.214 0.856 20 泥岩 7 3.5 52.0 746 8.40 0.480 0.720 19 细砂岩 2 1.0 48.5 728 8.40 0.240 0.960 18 泥岩 3 1.5 47.5 746 8.40 0.480 0.720 17 细砂岩 2 1.0 46.0 728 8.40 0.240 0.960 16 粉砂质泥岩 4 2.0 45.0 828 8.5
6 0.214 0.856 主关键层15 中砂岩 3 1.5 43.0 828 8.56 0.214 0.856 14 泥岩 3 1.5 41.5 746 8.40 0.480 0.720 13 中砂岩 25 12.5 40.0 828 8.56 0.214 0.856 12 泥岩 1 0.5 27.5 746 8.40 0.480 0.720 11 粉砂岩 4 2.0 27.0 837 8.56 0.321 0.749 10 粉砂质泥岩 2 1.0 25.0 828 8.56 0.214 0.856 9 中砂岩 3 1.5 24.0 828 8.56 0.214 0.856 8 泥质粉砂岩 4 2.0 22.5 846 8.56 0.428 0.642 7泥岩 2 1.0 20.5 746 8.40 0.48 0.720 6 中砂岩 3 1.5 19.5 828 8.56 0.214 0.856 5 泥质粉砂岩 6 3.0 18.0 846 8.40 0.428 0.642 4 粉砂岩 2 1.0 15.0 837 8.56 0.321 0.749 3 中砂岩 16 8 14.0 828 8.56 0.214 0.856 亚关键层2 粉砂岩 8 4 6.0 837 8.56 0.321 0.749直接顶1 中砂岩 4 2 2.0 828 8.56 0.214 0.856 4煤层8 4 7.8
根据实验要求和相似原理，确定了模型的相似常数见表3.
光纤数据由光纤光栅传感器采集和压力传感器数据由模型底部压力传感器采集，光纤光栅传感器和温度传感器埋设在相应的层位，从左下到右上依次为FBG01 至FBG09，不锈钢封装光纤光栅传感器(图2(a))，醋酸乙烯封装光纤光栅传感器(图2(b))。待模型干燥后在其背面布置了14个百分表，光纤点百分表架设与百分表结构如图3所示。#1 至#9 用于测量相对光纤变化，模型顶部的#10 至#14 用于测量地表下沉量，光纤光栅传感器及百分表布置如图3 所示。
表3 模型相似常数Tab.3 Constant of similar model相似常数 数值 相似常数 数值几何相似常数 1∶200 容重5∶8位移相似常数 1∶200 弹性模量 1∶320时间相似常数 1∶14 强度 1∶320速度相似常数 1∶14 应力 1.56 ×10 -3重力加速度相似常数 1∶1 外力 9.76 ×10-3
在模型表面共布置了6 排150 个全站仪位移测点，如图4 所示，从下至上依次为A，B，C，D，E，F等6 条测线，每条测线从左到右共25 个测点。实验时通过测量测点的坐标变化，来分析上覆岩层的变化。测线布置充分考虑了上覆岩层情况，测线A布置于煤层底板上方16 cm处，位于可能的覆岩垮落范围内;测线B 布置于亚关键层位置;测线D 布置于主关键层位置。
图2 光纤光栅传感器Fig.2 Structure of fiber bragg grating sensor(a)不锈钢封装 (b)醋酸乙烯封装
图3 光纤光栅传感器和温度传感器及百分表布置Fig.3 Arrangement of structure of fiber bragg grating sensor and dial indicator
3 实验过程
3.1 模型搭建
根据实验设计，模型首先安装并校核模型底部压力传感器，同时准备模型铺装所需的物品。然后按设计的配比首先将煤灰与石膏和水混合铺装到模型架，其次将岩体相似材料—河砂、大白粉、石膏—依次铺装在煤层上方;用云母粉对模型进行模拟分层，考虑到现场上覆岩层的结构，分层厚度以1 cm 一层为准，关键层位置以2 ～3 cm为准。卷积编码
植物细胞培养
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