柴敬 雷武林 李昊 袁強(qiáng) 張丁丁 張吉

摘?要：為了研究深部開采巨厚礫巖關(guān)鍵層對(duì)礦山地表移動(dòng)變形的影響機(jī)理。以千秋煤礦為背景，采用三維物理模型試驗(yàn)，利用壓力傳感器、多點(diǎn)位移計(jì)、分布式光纖傳感等多種手段監(jiān)測(cè)了覆巖及地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)演化過程，對(duì)采動(dòng)巨厚礫巖與礦山地表移動(dòng)變形的內(nèi)在聯(lián)系機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，分布式光纖可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到關(guān)鍵層和地表的移動(dòng)變形量，巨厚礫巖作為主關(guān)鍵層，控制著地表移動(dòng)變形，并有效減緩了覆巖變形由下向上傳遞給地表，且由于煤層埋藏深度大，主關(guān)鍵層未破斷，地表下沉量和變形值都較小;預(yù)測(cè)隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，巨厚礫巖主關(guān)鍵層將會(huì)達(dá)到極限跨距而破斷失穩(wěn)，采場(chǎng)將發(fā)生強(qiáng)礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，地表出現(xiàn)臺(tái)階性下沉，甚至?xí)a(chǎn)生地表裂縫。

關(guān)鍵詞：巨厚礫巖;地表移動(dòng)變形;關(guān)鍵層;三維物理模型

中圖分類號(hào)：TD 327

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）02-0204-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0203開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Simulate of the surface movement of fully-mechanized

caving mining under the deep thick conglomerate

using 3D physical model

CHAI Jing1，2，LEI Wu-lin1，3，LI Hao1，YUAN Qiang4，ZHANG Ding-ding1，2，ZHANG Ji1

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.College of Energy Engineering，Longdong University，Qingyang 745000，China;

4.College of Resource and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract：In order to study the influence mechanism of the key stratum of huge-thick conglomerate deep mining on ground surface movement and deformation，the Qianqiu Coal Mine was taken an example in this paper.The three-dimensional physical model test was used to monitor the dynamic process of mining overburden and ground surface movement by means of pressure sensor，multi-point displacement meter and distributed optical fiber sensor，thus exploring the intrinsic relationship between deformation of huge-thick conglomerate and surface movement.The results show that the distributed optical fiber sensing technology is suitable for the ground surface movement and deformation monitoring in physical model test.As the main key stratum，the huge-thick conglomerate controls the ground surface movement and effectively slows down the deformation of the overburden from the bottom to the surface.And the depth of the coal seam is large，the huge-thick conglomerate is not broken and unstable，the maximum subsidence and deformation value of the surface are

comparatively

smaller due to its protection.It is predicted that as the working facecontinues to advance，the huge-thick conglomerate would break and lose stability when it reaches the ultimate span，the dynamic phenomena of strong rock pressure occur in the stope，and the surface subsides would appear stepped subsidence and even ground fissures.

Key words：huge-thick conglomerate;surface movement and deformation;key stratum;three-dimensional physical model

0?引?言

煤炭開采地表沉陷已引發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)和環(huán)境問題，給煤炭在人民心中的形象帶來極大的負(fù)面影響，也極大地制約煤炭行業(yè)健康發(fā)展[1-2]。近年來，隨著煤炭資源開采深度由淺部200～300 m逐漸發(fā)展到深部700～800 m，礦井采礦地質(zhì)力學(xué)環(huán)境發(fā)生明顯改變，使得采動(dòng)地表移動(dòng)變形機(jī)理更加復(fù)雜，特別是特厚煤層的綜放開采或大采高，采動(dòng)后地表移動(dòng)變形量大、沉降速度快、影響范圍廣，易出現(xiàn)地表斑裂、臺(tái)階下沉、塌陷坑等非連續(xù)地表變形問題，給礦區(qū)地表生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害[3-5]。

為了減輕深部煤炭資源開采地表損害，保證煤炭資源安全綠色開采，許多專家學(xué)者對(duì)此做了大量的研究工作。劉天泉研究了地表變形的一般規(guī)律，分析了巖性、水文地質(zhì)、傾角、地形及構(gòu)造對(duì)地表變形的影響[6];鄒友峰等基于地表移動(dòng)變形的基本假設(shè)，推導(dǎo)出水平煤層及傾斜煤層采動(dòng)地表移動(dòng)變形的數(shù)學(xué)模型[7];吳侃應(yīng)用時(shí)序建模對(duì)采動(dòng)地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)的概率積分法基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立了地表沉陷動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型，該模型可對(duì)未開采區(qū)域的參數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)[8]。余學(xué)義基于地表沉陷動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了YLH-8開采沉陷預(yù)計(jì)評(píng)價(jià)軟件，是早期預(yù)計(jì)評(píng)價(jià)地表變形破壞的先進(jìn)工具之一[9]。曹麗文研究了基于GIS的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在開采沉陷預(yù)計(jì)的應(yīng)用，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法對(duì)地表沉陷進(jìn)行建模，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)計(jì)誤差進(jìn)行了定性分析[10];鄧喀中建立了深部開采時(shí)不充分采動(dòng)條件下地表沉陷概率積分法預(yù)測(cè)參數(shù)的計(jì)算公式，給出了深部寬條帶開采的設(shè)計(jì)依據(jù)及控制沉陷方法[11]。地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)方法可有效指導(dǎo)開采沉陷治理，但預(yù)計(jì)效果與實(shí)際測(cè)量值常常具有一定的偏差，因而部分學(xué)者開始嘗試從巖層內(nèi)部移動(dòng)變形機(jī)理研究地表沉陷問題。錢鳴高于1996年首次提出巖層移動(dòng)與控制的關(guān)鍵層理論，突破了傳統(tǒng)采動(dòng)地表移動(dòng)變形研究的局限性，打開了地表沉陷研究的新視角[12]。許家林對(duì)比分析了覆巖移動(dòng)與地表沉陷資料，在此基礎(chǔ)上采用物理模擬和數(shù)值計(jì)算方法，探究了覆巖關(guān)鍵層對(duì)地表下沉動(dòng)態(tài)影響過程[13];劉玉成基于關(guān)鍵層理論，用彈性薄板理論選取了地表沉陷盆地形狀的撓曲函數(shù)，并建立了緩斜煤層開采沉陷盆地的力學(xué)模型，并討論了模型的參數(shù)選擇和適用性[14];郭文兵運(yùn)用三維數(shù)值模擬軟件分析了不同推進(jìn)尺度下覆巖塑性區(qū)與垂直位移云圖，對(duì)比分析地表沉降動(dòng)態(tài)過程，得出覆巖破壞邊界呈正八字型，地表移動(dòng)邊界呈倒八字型，覆巖及地表最終呈類沙漏型移動(dòng)變形邊界[15];王金莊以礦山實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，采用物理相似材料模擬試驗(yàn)，揭示了厚松散層地表變形和巖體內(nèi)部移動(dòng)破壞機(jī)理及內(nèi)在聯(lián)系[16];王利對(duì)華豐礦巨厚覆巖下采動(dòng)地表變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巨厚覆巖下采動(dòng)地表存在連續(xù)性下沉和反彈，及地表非連續(xù)變形的斑裂現(xiàn)象[17];李春意深入分析了大采深巨厚關(guān)鍵層開采條件下地表移動(dòng)變形異常的原因，得出受關(guān)鍵層控制作用，在整個(gè)地表監(jiān)測(cè)過程中，地表一直處于緩慢下沉狀態(tài)，沉降速度的反彈可作為關(guān)鍵層破斷的依據(jù)，也可作為沖擊地壓危險(xiǎn)的預(yù)報(bào)信息[18];于秋鴿將采場(chǎng)覆巖簡(jiǎn)化為松散層、關(guān)鍵層、關(guān)鍵層下部軟弱巖層3部分，基于關(guān)鍵層理論建立地表偏態(tài)下沉模型，分析巖層碎脹系數(shù)、關(guān)鍵層高度、關(guān)鍵塊長度等對(duì)下沉偏態(tài)程度的影響[19]。

但對(duì)于豫西礦區(qū)這種埋深近千米，采厚十幾米，覆巖中存在幾百米厚的礫巖層特殊地質(zhì)情況，國內(nèi)研究較少，開采引起的地表移動(dòng)變形規(guī)律和機(jī)理尚不明確，需進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

通過分析千秋煤礦采礦地質(zhì)條件，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建三維物理模型，模擬深部巨厚礫巖下特厚煤層開采覆巖關(guān)鍵層和礦山地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)過程，并采用分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段對(duì)采動(dòng)覆巖及地表移動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。深入分析對(duì)比光學(xué)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系及優(yōu)缺點(diǎn)，探究分布式光學(xué)傳感監(jiān)測(cè)礦山地表移動(dòng)變形的適用性;研究巨厚礫巖關(guān)鍵層和地表移動(dòng)變形之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示巨厚礫巖關(guān)鍵層對(duì)礦山地表移動(dòng)變形的控制作用機(jī)理，為豫西礦區(qū)的地表損害治理提供一定理論依據(jù)。

1?地質(zhì)采礦條件

義馬煤業(yè)集團(tuán)千秋煤礦地處河南省義馬市南部新區(qū)，礦井生產(chǎn)能力為210萬t/a，主要可采煤層為2#煤，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，局部含有加矸，完整性差，具有一定沖擊性;試驗(yàn)工作面開采的2#煤層平均厚度約為16 m，傾角為3°～11°，平均埋深約800 m，屬于埋深大的近水平特厚煤層;工作面傾向長度約為130 m，走向推進(jìn)長度約為1 485 m，開采方式為走向長壁綜放開采，采用全部垮落法管理頂板，無大斷層等地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單。

2#煤層直接頂為泥質(zhì)砂巖、泥巖，厚度為23.1～27.6 m，平均約為25.4 m;直接底為含碳質(zhì)的煤矸互疊層，平均厚度約為5.3 m，強(qiáng)度較低;2#煤層上方約112 m位置發(fā)育一層厚度約40.6 m的細(xì)砂巖，彈模為3.4×104 MPa，抗拉強(qiáng)度為6.5 MPa，抗壓強(qiáng)度為70.0 MPa，為礦井上覆巖層的亞關(guān)鍵層;2#煤層上方約225 m位置發(fā)育有厚度約為410.5 m的巨厚礫巖，巖體整體性好，完整性參數(shù)約為0.88，中部存在約1 m的軟弱夾層將其分為上下2組，屬于典型的巨厚堅(jiān)硬巖層，為礦井上覆巖層的主關(guān)鍵層。地表為丘陵地帶、溝谷發(fā)育、地形復(fù)雜，多為土黃色粉砂質(zhì)粘土和黏土層，常保留不全，中下部為磚紅色砂質(zhì)粘土、鈣質(zhì)砂姜粘土和含礫粘土，常出露地表，厚度約為15.2 m;試驗(yàn)地層柱狀示意圖如圖1所示。

2?物理相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1?模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)條件以千秋煤礦綜放工作面為原型，參照煤系地層鉆孔柱狀圖，結(jié)合煤巖物理力學(xué)性質(zhì)，依據(jù)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的三維試驗(yàn)臺(tái)尺寸（3 600 mm×2 000 mm×2 200 mm）及試驗(yàn)?zāi)康?，根?jù)相似原理確定出幾何相似比αL=1∶400，容重相似比αγ=1∶1.6，應(yīng)力相似比ασ=1∶640，時(shí)間相似比αt=1∶20.根據(jù)煤巖地層的強(qiáng)度變形參量，試驗(yàn)材料選用河砂、粉煤灰、黏土為骨料，石膏、大白粉（碳酸鈣）為膠結(jié)材料，云母粉為分層材料，水為拌合物。在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定出各巖層材料的配比號(hào)及材料消耗量，見表1.

2.2?模型鋪裝

三維模型鋪裝與常規(guī)二維模型鋪裝基本流程一樣，唯一區(qū)別三維模型材料用量大、人工勞作強(qiáng)度

大;本試驗(yàn)采用自動(dòng)攪拌機(jī)、上料機(jī)和振動(dòng)打夯

機(jī)，有效減輕試驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度。試驗(yàn)鋪設(shè)最大難點(diǎn)是內(nèi)部位移計(jì)的布設(shè)、傳感光纜的埋設(shè)、煤層的開挖;內(nèi)部位移測(cè)點(diǎn)布設(shè)采用預(yù)埋垂直測(cè)管，在觀測(cè)巖層位移布置測(cè)點(diǎn)，利用漁線引出測(cè)點(diǎn)的方法;傳感光纖埋設(shè)時(shí)，提前在模型架護(hù)板打孔，以便光纖引出，鋪設(shè)時(shí)給予一定預(yù)應(yīng)力，保證光纖水平或垂直;煤層用鍍鋅方管替代，每次抽出一根方管即代表煤層開發(fā)一次。模型正面用透明亞克力板加槽鋼固定，其它三面采用剛性側(cè)護(hù)板和鐵板密封，如圖2所示。

2.3?測(cè)試系統(tǒng)

2.3.1?內(nèi)部位移測(cè)量裝置

內(nèi)部位移測(cè)量裝置由測(cè)管、漁線（測(cè)線）、位移測(cè)點(diǎn)、讀數(shù)刻度盤、滑輪和支架等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其原理為預(yù)埋在巖層中的位移測(cè)點(diǎn)與巖層同步變形，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位移發(fā)生變化，拉動(dòng)漁線帶動(dòng)讀數(shù)刻度盤旋轉(zhuǎn)，刻度盤轉(zhuǎn)角產(chǎn)生變化。刻度盤旋轉(zhuǎn)角與測(cè)點(diǎn)位移量的換算關(guān)系為式中?ω為測(cè)點(diǎn)位移量，mm;φ為刻度盤旋轉(zhuǎn)角度，（°）;r為滑輪半徑，mm.立體模型中，分別在工作面上覆巖層中沿走向布置3套測(cè)量裝置（分別距離切眼600，1 200，1 800 mm），每套測(cè)量裝置上的2個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于亞關(guān)鍵層細(xì)砂巖中部、主關(guān)鍵層巨厚礫巖中部（高度分別為460，1 380 mm），共計(jì)布設(shè)12個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體分布位置如圖4所示。

2.3.2?傳感光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)模型試驗(yàn)巖層變形監(jiān)測(cè)需求，模型中鋪設(shè)直徑為2 mm的聚氨酯緊套傳感光纖，與相似材料耦合性好，應(yīng)變傳遞性能高;傳感光纖沿模型走向布設(shè)，分別在亞關(guān)鍵層、主關(guān)鍵層、地表粘土層中部分別布設(shè)傳感光纖，采用預(yù)埋方式布設(shè)。傳感光纖感知信號(hào)選用NBX-6055光納儀采集，基本設(shè)置為采樣間隔1 cm，空間分辨率5 cm，掃頻范圍10.65～10.95 GHz，平均化次數(shù)213，脈沖寬度1 ns;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。

2.4?模型開挖及數(shù)據(jù)采集

模型鋪裝完成后，待自然風(fēng)干6個(gè)月達(dá)到試驗(yàn)強(qiáng)度要求，則開始進(jìn)入試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將模型中鋪設(shè)的光纖全部熔接串聯(lián)在一條回路上，節(jié)省采集數(shù)據(jù)時(shí)間成本;然后開始對(duì)光纖進(jìn)行定位，采用溫度加熱定位法確定分布式光纖監(jiān)測(cè)位置;待定位完成后，對(duì)模型光纖的初始頻移進(jìn)行采集，采集3次，取均值。再對(duì)壓力傳感器、內(nèi)部位移測(cè)點(diǎn)初始值進(jìn)行記錄，則所有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初始值測(cè)試完畢。最后開挖煤層，每開挖一次，待垮落穩(wěn)定后，開始進(jìn)行分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)，內(nèi)部位移計(jì)和壓力傳感器數(shù)據(jù)采集，開挖時(shí)間、距離等信息記錄，全部完成后再進(jìn)入下一個(gè)開采循環(huán)。整個(gè)試驗(yàn)共開采120次，直至開采結(jié)束。

3?試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1?支承壓力測(cè)試

工作面每開挖一次，記錄一次壓力值，其峰值變化如圖6所示。當(dāng)開采至200 mm時(shí)，第1次峰值為45.6 MPa;隨后繼續(xù)開采峰值周期性減小、增大，峰值基本在42.3～52.7 MPa范圍內(nèi);當(dāng)開采至920 mm時(shí)，峰值出現(xiàn)第1次大的跳躍，第1次峰值約為77.5 MPa，即為亞關(guān)鍵層細(xì)砂巖第1次破斷引發(fā)的;當(dāng)開采至1 360，1 920，2 320 mm時(shí)，亞關(guān)鍵層細(xì)砂巖在該位置發(fā)生周期性破斷，分別出現(xiàn)第2次峰值68.4 MPa，第3次峰值95.8 MPa，第4次峰值65.6 MPa;第3次破斷時(shí)，峰值最大，因?yàn)榈?次破斷時(shí)主關(guān)鍵層也發(fā)生破斷，最大峰值是由亞關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層破斷共同引發(fā)的。工作面支承壓力峰值呈現(xiàn)一大一小周期性變化，說明煤層上覆巖層存在若干層堅(jiān)硬巖層，控制著巖層的變形，其不同破斷或斷裂距離帶來支承壓力峰值的不同變化規(guī)律。

3.2?內(nèi)部位移測(cè)試

模型開挖過程中，覆巖內(nèi)部測(cè)點(diǎn)位移變化曲線如圖7所示，縱坐標(biāo)是位移測(cè)點(diǎn)的垂直位移量，橫坐標(biāo)是工作面開挖距離。1-A1，1-A2，1-A3測(cè)點(diǎn)位于亞關(guān)鍵層細(xì)砂巖中部，3個(gè)測(cè)點(diǎn)垂直位移曲線基本呈臺(tái)階狀變化，均出現(xiàn)了3次突變，測(cè)點(diǎn)1-A1分別在600，960，1 360 mm位置發(fā)生突變，對(duì)應(yīng)的垂直位移分別為2.2，8.8，13.3 mm;測(cè)點(diǎn)1-A2分別在1 200，1 360，1 840 mm位置發(fā)生突變，對(duì)應(yīng)的垂直位移分別為3.8，7.5，13.7 mm;測(cè)點(diǎn)1-A3分別在1 800，1 960，2 280 mm位置發(fā)生突變，對(duì)應(yīng)的垂直位移分別為3.3，5.4，8.9 mm;最大峰值為13.7 mm，垂直位移突變位置960，1 360，1 840，2 280 mm也與細(xì)砂巖破斷位置相吻合;1-B1，1-B2，1-B3測(cè)點(diǎn)位于主關(guān)鍵層巨厚礫巖中，3個(gè)測(cè)點(diǎn)垂直位移趨勢(shì)均是前期保持不變，后期逐漸增大到最大值保持穩(wěn)定，垂直位移峰值分別為4.5，5.4，4.2mm，對(duì)應(yīng)的開采位置分別為1 840，1 880，2 320mm;1-C1，1-C2，1-C3測(cè)點(diǎn)位于地表粘土層中，峰值分別為4.25，5.10，3.95 mm，對(duì)應(yīng)的開采位置分別為1 840，1 880，2 320 mm;3個(gè)測(cè)點(diǎn)垂直位移變化趨勢(shì)與主關(guān)鍵層距離礫巖變化趨勢(shì)相同，但垂直位移值整體較巨厚礫巖偏小，出現(xiàn)峰值的開采距離較巨厚礫巖偏大，說明巨厚礫巖作為主關(guān)鍵層控制著地表的移動(dòng)變形，地表移動(dòng)變形滯后于地下覆巖變形。

3.3?光纖傳感測(cè)試

工作面推進(jìn)過程中，亞關(guān)鍵層細(xì)砂巖的傳感光纖應(yīng)變表征如圖8所示。在推進(jìn)距離0～520 mm范圍內(nèi)，光纖應(yīng)變值未發(fā)生明顯波動(dòng)變化;當(dāng)推進(jìn)距離為560 mm時(shí)，光纖應(yīng)變曲線開始明顯波動(dòng)，峰值為542 με，處于拉應(yīng)力區(qū);工作面繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)變值呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)開采至920 mm，光纖應(yīng)變曲線由單峰狀變?yōu)殡p峰狀，峰值為8 832 με，說明亞關(guān)鍵層發(fā)生初次破斷，兩側(cè)破斷位置的拉應(yīng)力較大，整體受拉應(yīng)力作用。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，雙峰曲線影響范圍不斷擴(kuò)大，左側(cè)峰值前移，峰值呈周期性變化，分別在1 360，1 840，2 320

mm位置出現(xiàn)應(yīng)變峰值，即亞關(guān)鍵層周期性破斷位置。

工作面推進(jìn)過程中，主關(guān)鍵層巨厚礫巖的傳感光纖應(yīng)變表征如圖9所示。工作面由切眼位置沿走向開始推進(jìn)，在推進(jìn)至760 mm前，光纖應(yīng)變未產(chǎn)生明顯變化;在800～1 800 mm時(shí)，光纖應(yīng)變曲線呈單峰狀，且影響范圍不斷擴(kuò)大，峰值不斷增大，達(dá)到最大峰值為3 319 με;工作面繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)變峰值有一定回落，峰值為2 816 με;說明巨厚礫巖應(yīng)變?cè)? 840 mm達(dá)到最大峰值，在此位置發(fā)生了斷裂，但峰值曲線仍為單峰狀，這是由于巨厚礫巖厚度大、距離煤層遠(yuǎn)，且中間有1 m軟弱夾層，斷裂未貫穿整個(gè)關(guān)鍵層厚度，僅僅軟弱夾層下部發(fā)生破斷，即主關(guān)鍵層未破斷失穩(wěn)。

工作面推進(jìn)過程中，地表粘土層的傳感光纖應(yīng)變表征如圖10所示。工作面推進(jìn)距離在0～760 mm范圍內(nèi)，由于埋藏深，巨厚礫巖層控制作用，地表未發(fā)生移動(dòng)變形，傳感光纖應(yīng)變曲線未產(chǎn)生明顯變化;當(dāng)推進(jìn)距離在800～1 320 mm范圍內(nèi)，光纖應(yīng)變曲線變化明顯，基本呈單峰狀，光纖整體受拉應(yīng)力作用，且隨開采距離增加，應(yīng)變曲線影響范圍不斷擴(kuò)大，峰值不斷增大，峰值由458.43 με增大至1 304.60 με，說明隨著開采范圍的增大，地表的影響范圍不斷擴(kuò)大，下沉量不斷增大，反映地表沉陷盆地動(dòng)態(tài)變化的過程。當(dāng)推進(jìn)至1 360 mm，光纖應(yīng)變曲線由單峰狀變?yōu)殡p峰狀，且峰值增大為1 888.95 με，中部應(yīng)變減小，說明地表下沉盆地形成后，在下沉盆地邊緣處受拉，在盆地中部受壓;當(dāng)推進(jìn)至1 840～1 960 mm時(shí)，應(yīng)變峰值徒增，最大峰值為2 344.85 με，說明此時(shí)地表移動(dòng)變形劇烈，產(chǎn)生較大變形;當(dāng)推進(jìn)距離由2 000～2 400 mm時(shí)，變化幅度較小，最大峰值基本穩(wěn)定在2 592.50～2 892.50 με之間，說明巨厚礫巖破斷后并未失穩(wěn)，仍成一定結(jié)構(gòu)控制上覆巖層，有效的阻礙了地表移動(dòng)變形進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)地表移動(dòng)變形起了很好的控制作用。因模型尺寸受限，若繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)尺寸達(dá)到主關(guān)鍵層巨厚礫巖的失穩(wěn)破斷距離，地表會(huì)發(fā)生劇烈大變形，甚至?xí)霈F(xiàn)較大裂縫，帶來一系列地表采動(dòng)損害。

3.4?監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

將壓力傳感器獲得的支承壓力峰值曲線與光纖感知的亞關(guān)鍵層應(yīng)變峰值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖11所示。在推進(jìn)距離2 400 mm范圍內(nèi)，光纖傳感監(jiān)測(cè)到分別在920，1 360，1 840，2 320 mm位置處，亞關(guān)鍵層細(xì)砂巖發(fā)生了4次破斷，應(yīng)變曲線也出現(xiàn)4次峰值，對(duì)應(yīng)位置支承壓力也出現(xiàn)了4次峰值，說明亞關(guān)鍵層細(xì)砂巖的每一次破斷，都會(huì)引起光纖應(yīng)變出現(xiàn)較大波動(dòng)，使工作面支承壓力迅速增大;同時(shí)也證明光纖傳感不僅能反應(yīng)巖層變形，還能監(jiān)測(cè)出來壓步距。

為了說明覆巖運(yùn)移與地表移動(dòng)變形的關(guān)系，將亞關(guān)鍵層細(xì)砂巖、主關(guān)鍵層巨厚礫巖、地表粘土層位置的光纖應(yīng)變峰值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖12所示。亞關(guān)鍵層應(yīng)變波動(dòng)范圍較大，共出現(xiàn)4次較大周期性變化，而地表應(yīng)變基本呈單調(diào)遞增，二者變化趨勢(shì)無明顯關(guān)聯(lián)。主關(guān)鍵層應(yīng)變與地表應(yīng)變變化規(guī)律相同，都呈單調(diào)遞增，且分別在1 840，1 920 mm達(dá)到最大峰值，說明地表移動(dòng)變形主要受主關(guān)鍵層巨厚礫巖的控制，其與巨厚礫巖基本保持同步變形。二者區(qū)別為地表應(yīng)變均小于巨厚礫巖應(yīng)變，且地表出現(xiàn)峰值位置滯后于巨厚礫巖的峰值位置，說明巨厚礫巖控制著其上方巖層及地表變形，變形由下向上傳遞過程中變形逐漸減緩和傳遞滯后時(shí)間效應(yīng)。

將地表位移峰值與光纖應(yīng)變峰值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖13所示。在推進(jìn)距離800 mm時(shí)，光纖應(yīng)變感知到地表變形，而位移計(jì)監(jiān)測(cè)到地表開始變形的距離為840 mm，說明光纖傳感監(jiān)測(cè)更靈敏;在開采距離為1 760～1 920 mm范圍內(nèi)，位移峰值與應(yīng)變峰值增長速度最快，說明該階段主關(guān)鍵層巨厚礫巖與地表移動(dòng)變形較為劇烈。整個(gè)推進(jìn)過程中，位移峰值曲線和應(yīng)變峰值曲線基本都呈單調(diào)遞增，且兩者變化范圍與變化趨勢(shì)基本保持一致，說明光纖監(jiān)測(cè)地表變形具有較好的適用性。

4?結(jié)?論

1）分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明光纖感測(cè)技術(shù)適用于物理模型試驗(yàn)的覆巖與地表的移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)。

2）深部巨厚礫巖下采動(dòng)地表移動(dòng)變形規(guī)律具有特殊性。地表受主關(guān)鍵層巨厚礫巖控制作用，變形向上傳遞受阻，地表變形整體上均小于巨厚礫巖，但二者基本保持同步變形，且地表變形有明顯滯后效應(yīng)。

3）模型試驗(yàn)開采尺寸有限，未達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài);預(yù)測(cè)工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)巨厚礫巖達(dá)到其極限垮落步距時(shí)，巨厚礫巖破斷失穩(wěn)，采場(chǎng)會(huì)發(fā)生強(qiáng)礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，地表會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階性下沉，甚至?xí)a(chǎn)生地裂縫，帶來一系列采動(dòng)地表災(zāi)害事故。

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