CN112016201A - 基于dfos应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，包括以下步骤：包括监测系统的构建、超前支承压力的应变体数据采集、海量应变数据体的处理与分析、重构采场超前支承压力演化模型、修正采场超前支承压力演化模型等。本发明提供的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，采用DFOS技术中的BOTDR技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态，获得超前支承压力分布特征，建立采动过程中超前支承压力分布的二维地质模型，具有适用性强、操作便捷的特点，对预防巷道围岩失稳、冲击地压及煤与瓦斯突出等可提供良好的安全保障。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿采场巷道围岩稳定性监测治理技术领域，特别是涉及一种基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法。
背景技术
目前，深部化煤炭开采已进入实施阶段，随着开采深度的增加，井下空间煤岩体的应力分布变得越来越复杂，与之有关的岩石力学问题频繁发生。在煤层开采过程中充分了解支承压力的分布特征对于矿井地质灾害的防治起到关键性作用，诸如：冲击地压、煤(岩)体突出、巷道变形、底板突水等，上述矿井地质问题对煤矿安全生产造成极大的威胁。因此，采场支承压力分布的研究对于矿井安全生产具有重要意义。其中，根据支承压力分布状态与工作面之间的空间关系可将其分为超前支承压力、采空区倾向支承压力、工作面后方重新压实区支承压力(残余支承压力)。
针对深部矿井开采所带来的工程地质问题，国内外相关专家做了大量的基础理论研究，提出深部岩体具有脆-延转化、流变性以及扩容缺失等特征。其中对于支承压力的研究主要有数值模拟、物理相似模拟、理论计算、现场实测等方法。主要包括以下几个方面：1)通过建立支承压力理论模型对其进行理论计算，然后搭载模型试验验证光纤光栅频移变化与支承压力变化具有良好的一致性，获得倾向支承压力的分布特征；2)采用大型非线性三维计算机数值模拟不同开采高度对支承压力分布规律的影响；司荣军等利用模拟得到工作面推进过程中支承压力的动态变化；3)利用FLAC3D、UDEC2D4.0等软件数值模拟工作面超前支承压力分布规律；4)通过在工作面不同深度内埋设钻孔应力计，分析得到煤壁超前应力受采动影响的范围；5)其次常规的现场实测方法还有水压致裂法、声发射法、应力解除法、声波观测法等。在实际应用过程中，上述方法均存在一定的不足，其定量化程度不高，难以实时动态获取有效数据，数据体较少且无法准确反映岩层变化的时空规律特征等等。而且对于应力数据的获取多是采用点式传感器中的电阻式和振悬式传感器，在煤矿恶劣的操作环境下常规的传感器存活率较低并且容易漏检。因此所获得的数据体难以重构采动整个过程中支承压力的分布特征及发育规律。
基于此设计一种能够对采场工作面超前支承压力进行全方位、实时监测的方法，同时基于海量的应变数据重构深部采场超前支承压力演化模型，已成为本领域热点话题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，采用DFOS技术中的BOTDR技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态，获得超前支承压力分布特征，建立采动过程中超前支承压力分布的二维地质模型，具有适用性强、操作便捷的特点，对预防巷道围岩失稳、冲击地压及煤与瓦斯突出等可提供良好的安全保障。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，该方法包括以下步骤：
S1，构建底板钻孔BOTDR测试系统：在工作面两巷合适位置施工一底板钻孔，钻孔朝向工作面内部与回采方向正交，钻孔施工完毕，在孔内安装传感光缆，所述传感光缆与BOTDR测试主机连接；
S2，采场工作面超前支承压力应变体数据采集：传感光缆安装完毕且钻孔注浆耦合后，由BOTDR测试主机输出一束脉冲光，利用布里渊光时域反射测量技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态；
S3，海量应变数据体的处理与分析：通过仪器捕捉到某时刻传感光缆沿线布里渊频移的变化值，得到整个探测区域传感光缆沿线目标体的应变值大小，同时判断异常区所处位置，得到整个监测周期内分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系，获得超前支承压力的相关特征参数；
S4，重构采场超前支承压力演化模型：根据获得的超前支承压力的相关特征参数，对煤层采动过程中超前支承压力的分布进行重构，建立采动过程中超前支承压力分布的二维地质模型。
可选的，所述方法还包括步骤S5，修正采场超前支承压力演化模型，具体包括：
在同一矿区的临近工作面底板布置一模型验证钻孔，该钻孔参数与所述步骤S1中的钻孔一致，且均为垂直钻孔；
重复步骤S1至S3，利用相同的监测手段进行超前支承压力的动态测试，获取相应工作面超前支承压力的分布特征；
综合分析两次钻孔监测数据，对模型参数进行修正，重构适用于研究矿区的超前支承压力分布的二维地质模型。
可选的，所述步骤S1中，钻孔施工完毕，在孔内安装传感光缆，具体包括：
利用固定元件将传感光缆捆扎于串接PVC管外壁，保证光缆布设不发生扭曲和缠绕，设定固定间距为1.5m；
通过串接装置顺次延长PVC植入管长度同时如上述方式固定光缆，将光缆植入钻孔目标深度；
封闭孔口进行全孔注浆，注浆时自里向外分段对应，注入与各个岩层对应强度的配比材料，以保证注浆凝固效果并且使得光缆与围岩完全耦合，进而获得光缆与围岩协同应变的应力场变化特征。
可选的，所述步骤S2中，由BOTDR测试主机输出一束脉冲光，利用布里渊光时域反射测量技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态，具体包括：
数据采集过程中，设定采集参数如下：量程0.5km；采样分辨率：0.05m；应变系数：0.0499MHz/με；中心频率：10.950GHz；折射率：1.4800；累加次数：2^13；脉冲宽度：10ns；起始频率：10.700GHz，终止频率：11.100GHz，频率间隔：5MHz；
应变体数据的采集根据工作面回采进度进行动态测试，确保每日获取一组有效数据。
可选的，所述步骤S3中，通过仪器捕捉到某时刻传感光缆沿线布里渊频移的变化值，得到整个探测区域传感光缆沿线目标体的应变值大小，同时判断异常区所处位置，得到整个监测周期内分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系，获得超前支承压力的相关特征参数，具体包括：
通过仪器捕捉到某时刻传感光缆沿线布里渊频移的变化值，由(1)式可以推算得到整个探测区域光纤沿线目标体的应变值大小：
vB(ε)＝vB(0)+Cεε (1)
式中，ε表示轴向应变，Cε表示应变系数，vB(ε)表示受力状态下布里渊频移，vB(0)表示初始状态下布里渊频移；
判断异常区所处位置，利用(2)式对其进行定位：
L＝ct/(2n) (2)
式中，c为真空中光传播速度，t为脉冲光从发射到接收散射光的双程走时，n为光纤纤芯折射率，L表示仪器主机与受力点之间的距离；
利用(1)(2)式确定光纤沿线各点的应变值，得到保护煤柱区段底板下方一定区域内各岩层应变分布情况，根据时空对比判断底板岩层应变变化特征，获得超前支承压力的相关特征参数。
可选的，所述步骤S3中，利用(1)(2)式确定光纤沿线各点的应变值，得到保护煤柱区段底板下方一定区域内各岩层应变分布情况，根据时空对比判断底板岩层应变变化特征，获得超前支承压力的相关特征参数，具体包括：
基于(1)(2)式的计算结果，绘制整个监测周期内分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系图，根据工作面与监测钻孔的相对位置不同，呈现出三种类型的应变分布特征，两者之间的对应位置主要分为工作面远离监测钻孔、工作面逐渐靠近监测钻孔、工作面跨过钻孔三个阶段；
绘制整个监测周期内岩层应变变化时空分布图，反映煤层开采过程中岩层在时间和空间上的变化；
选取钻孔内不同深度的特征点，根据工作面的推进距离绘制煤层底板岩层应变变化曲线；
根据分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系图、岩层应变变化时空分布图、煤层底板岩层应变变化曲线，得到超前支承压力的相关特征参数，所述参数包括超前影响距离、支承压力峰值、应力集中系数。
可选的，所述步骤S4中，所述二维地质模型横向分布上应力场分别为超前应力影响区、采空卸压区和应力重新平衡区；纵向上由于超前支承压力及采空区倾向支承压力的影响将产生底板破坏区、底板扰动影响区及原岩应力区。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，采用DFOS技术中的BOTDR技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态，一方面，基于布里渊散射原理的分布式光纤应变传感监测技术已逐渐完善，具有抗高压、抗电磁干扰、耐腐蚀性强、耐高温、绝缘性好、成本低廉等优点，同时可进行实时动态监测，能够及时发现异常并精准定位，从而可有效预防矿井地质灾害的发生；另一方面，改变传统的点式传感器难以分布式测量的不足，利用分布式传感光缆进行动态捕捉应变信号，并且可利用光时域分布式应变测量仪对光缆沿线任一点进行准确定位，同时采用钻孔植入的方法，使得传感器与围岩的耦合程度大大提高；同时，本发明综合矿井工程地质学、光学、采矿学对深部采场超前支承压力进行动态监测，利用相关数据进行重构超前支承压力演化模型；本发明提出的深部采场超前支承压力演化模型方法对类似工作面的安全生产具有科学指导作用，可有效预防底板突水、巷道变形等矿井地质问题，对预防巷道围岩失稳、冲击地压及煤与瓦斯突出等可提供良好的安全保障，可有效降低防治水等治理成本，提高生产效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为底板钻孔BOTDR测试系统的结构示意图；
图2钻孔内光缆应变分布示意图；
图3煤层回采过程中岩层应变变化时空分布图；
图4煤层底板岩层特征点应变曲线；
图5采动过程中超前支承压力分布模型；
图6(a)工作面未跨过孔口光缆应变分布图；
图6(b)工作面跨过孔口光缆应变分布图；
图7修正后超前支承压力分布模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，采用DFOS技术中的BOTDR技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态，获得超前支承压力分布特征，建立采动过程中超前支承压力分布的二维地质模型，具有适用性强、操作便捷的特点，对预防巷道围岩失稳、冲击地压及煤与瓦斯突出等可提供良好的安全保障。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，包括以下步骤：
S1，构建底板钻孔BOTDR测试系统：在工作面两巷合适位置施工一底板钻孔，钻孔朝向工作面内部与回采方向正交，钻孔施工完毕，在孔内安装传感光缆，所述传感光缆与BOTDR测试主机连接；
S2，采场工作面超前支承压力应变体数据采集：传感光缆安装完毕且钻孔注浆耦合后，由BOTDR测试主机输出一束脉冲光，利用布里渊光时域反射测量技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态；
S3，海量应变数据体的处理与分析：通过仪器捕捉到某时刻传感光缆沿线布里渊频移的变化值，得到整个探测区域传感光缆沿线目标体的应变值大小，同时判断异常区所处位置，得到整个监测周期内分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系，获得超前支承压力的相关特征参数；
S4，重构采场超前支承压力演化模型：根据获得的超前支承压力的相关特征参数，对煤层采动过程中超前支承压力的分布进行重构，建立采动过程中超前支承压力分布的二维地质模型。
其中，所述方法还包括步骤S5，修正采场超前支承压力演化模型，具体包括：
在同一矿区的临近工作面底板布置一模型验证钻孔，该钻孔参数与所述步骤S1中的钻孔一致，且均为垂直钻孔；
重复步骤S1至S3，利用相同的监测手段进行超前支承压力的动态测试，获取相应工作面超前支承压力的分布特征；
综合分析两次钻孔监测数据，对模型参数进行修正，重构适用于研究矿区的超前支承压力分布的二维地质模型。
如图1所示，所述步骤S1中，钻孔施工完毕，在孔内安装传感光缆，具体包括：
利用固定元件将传感光缆捆扎于串接PVC管外壁，保证光缆布设不发生扭曲和缠绕，设定固定间距为1.5m；
通过串接装置顺次延长PVC植入管长度同时如上述方式固定光缆，将光缆植入钻孔目标深度；
封闭孔口进行全孔注浆，注浆时自里向外分段对应，注入与各个岩层对应强度的配比材料，以保证注浆凝固效果并且使得光缆与围岩完全耦合，进而获得光缆与围岩协同应变的应力场变化特征。
在实施例中，为了获得工作面回采过程中超前支承压力分布特征，在61103工作面回风顺槽距离切眼120m处施工一底板钻孔，钻孔朝向工作面内部与回采方向正交，钻孔长约64m，俯角为45°。钻孔施工过程中，为了防止塌孔在孔口安装10m左右的铁质套管。钻孔施工完毕，在孔内植入传感光缆单元。其中传感光缆为特制光缆。
传感光缆安装完毕且钻孔注浆耦合后，利用光纤应变分布测试仪进行应变数据采集。其工作原理基于传感光缆兼具传感和传输的功能，利用布里渊光时域反射测量技术，由BOTDR测试主机输出一束脉冲光，泵浦光沿光缆传输的过程中如遇到光缆某点因外界应变或温度变化，将使得该点发生布里渊散射，产生布里渊频移。该测试主机可单端测量，无需构成回路。
所述步骤S2中，由BOTDR测试主机输出一束脉冲光，利用布里渊光时域反射测量技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态，具体包括：
数据采集过程中，设定采集参数如下：量程0.5km；采样分辨率：0.05m；应变系数：0.0499MHz/με；中心频率：10.950GHz；折射率：1.4800；累加次数：2^13；脉冲宽度：10ns；起始频率：10.700GHz，终止频率：11.100GHz，频率间隔：5MHz；
应变体数据的采集根据工作面回采进度进行动态测试，确保每日获取一组有效数据。
所述步骤S3中，通过仪器捕捉到某时刻传感光缆沿线布里渊频移的变化值，得到整个探测区域传感光缆沿线目标体的应变值大小，同时判断异常区所处位置，得到整个监测周期内分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系，获得超前支承压力的相关特征参数，具体包括：
通过仪器捕捉到某时刻传感光缆沿线布里渊频移的变化值，由(1)式可以推算得到整个探测区域光纤沿线目标体的应变值大小：
vB(ε)＝vB(0)+Cεε (1)
式中，ε表示轴向应变，Cε表示应变系数，vB(ε)表示受力状态下布里渊频移，vB(0)表示初始状态下布里渊频移；
煤层开采过程中，采动空间的应力变化及扰动，会引起岩层发生形状、结构及宏观连续变化。岩体形态上变化的直观表现即发生位移，由围岩内部各点位移量大小客观反映岩体松动范围和围岩稳定状态。测试中传感光缆受到外力作用而发生轴向应变ε，布里渊频移vB也会产生相应的改变。最终利用频移与应变之间的线性相关，求得该点应变值。
判断异常区所处位置，利用(2)式对其进行定位：
L＝ct/(2n) (2)
式中，c为真空中光传播速度，t为脉冲光从发射到接收散射光的双程走时，n为光纤纤芯折射率，L表示仪器主机与受力点之间的距离；
利用(1)(2)式确定光纤沿线各点的应变值，得到保护煤柱区段底板下方一定区域内各岩层应变分布情况，根据时空对比判断底板岩层应变变化特征，获得超前支承压力的相关特征参数。
所述步骤S3中，利用(1)(2)式确定光纤沿线各点的应变值，得到保护煤柱区段底板下方一定区域内各岩层应变分布情况，根据时空对比判断底板岩层应变变化特征，获得超前支承压力的相关特征参数，具体包括：
基于(1)(2)式的计算结果，绘制整个监测周期内分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系图，根据工作面与监测钻孔的相对位置不同，呈现出三种类型的应变分布特征，两者之间的对应位置主要分为工作面远离监测钻孔、工作面逐渐靠近监测钻孔、工作面跨过钻孔三个阶段，如图2所示；当工作面距离钻孔较远，煤层采动对于传感光缆所处岩层影响较小，未发生较大的变化，岩层仍保持原岩力学性质。随着煤层的持续开挖，工作面逐渐靠近监测钻孔，当达到某一距离L时，工作面超前支承压力显现，传感光缆所处部分岩层发生较为明显的压缩变化，并逐级递增，当L位于超前支承压力范围内，传感光缆测试曲线则受压表现压应变，同时L也即是工作面超前支承压力最大影响范围，当工作面跨过钻孔时，采空区内底板岩层将受到前方工作面侧向压力、采空区煤壁倾向支撑压力及残余支承压力的影响，发生底鼓膨胀现象，传感光缆应变的响应机制则主要表现为压应变逐渐减小并产生拉应变；
如图2中的hb层位，孔深10～15m范围内呈现规律性的压应变递增现象。其中工作面距离监测孔口5.1m时，压应变增加到最大值为-695με。但是hc和hd层位中当工作面距离监测孔口15.9m左右时压应变开始出现回弹现象，应变值逐渐减小。通过工作面与监测钻孔之间的距离变化，传感光缆呈现不同的应变响应机制，主要是由于煤层的开挖，工作面前方一定范围内将出现超前支承压力，使得岩层发生压缩呈现压应变。
绘制整个监测周期内岩层应变变化时空分布图，反映煤层开采过程中岩层在时间和空间上的变化，如附图3所示；
选取钻孔内不同深度的特征点，根据工作面的推进距离绘制煤层底板岩层应变变化曲线，如附图4所示；
根据分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系图、岩层应变变化时空分布图、煤层底板岩层应变变化曲线，得到超前支承压力的相关特征参数，所述参数包括超前影响距离、支承压力峰值、应力集中系数。
根据煤层底板岩层特征点应变变化曲线，可将底板超前支承压力划分为5个区域：应变稳定区(A)，该区域工作面距离钻孔60～116.5m，此时监测断面基本处于稳定状态；应变缓慢增高区(B)，该阶段工作面距离钻孔26～60m，该区域在经历应变稳定之后，在超前支承压力的作用下底板一定范围内应变稍微升高，但总体大致处于-150～-300με之间；应变明显升高区(C)，此时工作面距离孔口5.1～26m，应变有很大的升高趋势，并且达到峰值，此时工作面距离孔口5.1m，应变峰值达到-695με；应变降低区(D)，底板岩层应变达到峰值以后，工作面距离孔口0～5.1m期间，底板应变将开始降低，并且浅部和深部一定范围内岩层将达到恢复暂时的应力平衡状态；应变转换区(E)，当工作面跨过孔口时，监测断面区域将发生底鼓膨胀，不再受超前支承压力的影响，底板岩层发生拉压转换，同时拉应变明显增加，岩层发生拉伸变形随之光缆错断，光信号缺失。
根据图2、图3及图4可得：工作面回采过程中，前方煤层底板受到超前支承压力的影响具有明显的分层性，弹性模量较小的岩层如泥岩以及岩性分界面附近岩层的应变值较大；根据底板岩层的低应变响应特征，分析砂岩为底板关键层。超前支承压力的横向影响范围为0～26m；支承压力峰值在水平方向上位于工作面前方5.1m，垂直方向上位于底板垂深11.5m，应变值达到-695με；支承压力峰值点位于泥岩层，取其弹性模量为E＝3.45×104MPa，则支承压力峰值根据公式(3)，求得σ为23.98MPa；将煤上覆岩层密度均一化处理，取平均密度为2300kg/m3，煤层底板埋深取平均值为545.25m，则该工作面超前支承压力的应力集中系数根据公式4，求得k为1.91。
σ＝Eε (3)
σ＝kλh (4)
公式(3)、(4)中，σ为支承压力峰值；E为弹性模量；ε为峰值点应变；k为应力集中系数；λ为覆岩平均密度；h为底板埋深即煤层埋深加煤厚。
最后根据超前支承压力受力状态分析以及现场实测结果，对煤层采动过程中超前支承压力的分布进行重构，如附图5所示。在采动过程中，横向分布上应力场将经历多次变化，分别为超前应力影响区(A、B、C、D)，采空卸压区(E)和应力重新平衡区(F)；纵向上由于超前支承压力及采空区倾向支承压力等力的影响将产生底板破坏区，底板扰动影响区及原岩应力区。由此模型可得：61103工作面超前应力影响范围为0～26m；超前支承压力峰值位于工作面前方5.1m左右，支承压力峰值可达23.98MPa；超前支承压力的最大影响深度与底板破坏深度近似约14m。
所述步骤S4中，所述二维地质模型横向分布上应力场分别为超前应力影响区、采空卸压区和应力重新平衡区；纵向上由于超前支承压力及采空区倾向支承压力的影响将产生底板破坏区、底板扰动影响区及原岩应力区。如附图5所示。
由重构模型可得：研究区工作面超前应力影响范围为、超前支承压力峰值的位置、支承压力峰值、超前支承压力的最大影响深度与底板破坏深度。
所述步骤S5修正采场超前支承压力演化模型，是为了验证模型的有效性，以便在相同地质条件的矿井进行推广使用，在同一矿区的临近工作面底板布置一模型验证钻孔，该钻孔参数与上述钻孔一致均为垂直钻孔。为了监测煤层回采期间，工作面超前支承压力的分布特征，同样在工作面距离监测孔口120m时开始进行监测，一直到工作面跨过孔口一定距离时结束监测。从监测数据中，筛选部分典型数据进行分析。数据采集、处理及分析步骤与上述类似。
如附图6中haa区域应变分布较为紊乱的原因和61103钻孔一致，均是由于铁质套管的影响。整个监测周期内应变分布特征与61103监测钻孔所获得的信息基本一致。工作面在未跨过孔口时主要承受超前支承压力的作用，随着工作面的持续推进超前支承压力影响区应变值逐渐增大，如图6(a)中的haa所示。图6(a)中hcc区域垂深22.5m处上下两端应变基本保持在-100με以内，而垂深22.5m处应变却发生较大的变化，分析是由于此层位正好处于砂岩和泥岩的分界面，当受到外力作用时极易发生形变，因此，hcc区域受超前支承压力影响较小，其主要影响区为hbb以上，垂深13m。当工作面跨过孔口，采空区将受到倾向支承压力和残余支承压力等多个力的作用，形成拉伸变形，如图6(b)中的hbb和hcc。其中超前支承压力峰值位于工作面前方6.4m，底板下方12m的泥岩层，根据(3)和(4)式可得支承压力峰值为21.98MPa，应力集中系数为1.22。
综合分析61103工作面底板监测钻孔与61201工作面底板验证钻孔超前支承压力特征值。同一矿区不同工作面超前支承压力分布特征具有较高的一致性，为了提高模型的准确度，对其进行参数修正。横向分区上：工作面前方大于60m的层位不受超前支承压力影响；26.5～60m的层位受超前支承压力影响较小，可忽略不计；0～26.5m超前支承压力影响较为明显；应力峰值位于工作面前方5.1～6.4m，峰值范围21.98～23.98MPa。纵向分区上：超前支承压力最大影响深度范围位于垂深13～14m层位。修正后的二维地质模型如附图7所示。
通过对深部采场超前支承压力分布特征的光纤测试分析，构建超前支承压力分布模型，并通过钻孔对比验证，获得了相应的认识：
(1)基于61201工作面监测数据对61103工作面超前支承压力二维地质模型进行修正，提出适用于该矿区的模型。
(2)根据钻孔监测数据分析可得：超前支承压力在横向和纵向上具有明显的分区，其中横向上可以分为超前支承压力缓慢升高区、明显升高区、过渡区；垂向上分为超前支承压力影响区及未影响区，同时超前支承压力是决定底板破坏程度的关键因素。
(3)研究矿区工作面超前支承压力影响范围为0～26.5m，应力峰值位于工作面前方5.1～6.4m，峰值可达21.98～23.98MPa，应力集中系数介于1.22～1.91之间；垂向影响深度范围为13～14m。
可见，本发明将分布式光纤传感测试技术应用于采煤面超前支承压力测试具有高度的可行性，并且较常规传感器具有突出的优势。上述良好的试验结果对类似地质条件矿井的巷道支护、冲击地压防治等具有一定的指导意义。基于研究时间和内容的有限，下一步将获取更全面可靠的试验结果，进一步优化超前支承压力分布模型，从而扩大其适用范围。
本发明提供的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，采用DFOS技术中的BOTDR技术，通过在底板钻孔内埋设传感光缆，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态，分析采动作用下超前支承压力的动态变化过程，得到工作面超前支承压力分布特征及相关变化规律，同时基于研究工作面超前支承压力分布特征，建立采动过程中超前支承压力分布的二维地质模型。为了验证模型的有效性，在研究矿区相近工作面施工一底板验证钻孔，利用相同的监测手段进行超前支承压力的动态测试，获取相应的分布特征，综合分析两个钻孔监测数据，对模型参数进行修正，重构适用于研究矿区的超前支承压力分布的二维地质模型，对预防巷道围岩失稳、冲击地压及煤与瓦斯突出等可提供良好的安全保障。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，构建底板钻孔BOTDR测试系统：在工作面两巷合适位置施工一底板钻孔，钻孔朝向工作面内部与回采方向正交，钻孔施工完毕，在孔内安装传感光缆，所述传感光缆与BOTDR测试主机连接；
S2，采场工作面超前支承压力应变体数据采集：传感光缆安装完毕且钻孔注浆耦合后，由BOTDR测试主机输出一束脉冲光，利用布里渊光时域反射测量技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态；
S3，海量应变数据体的处理与分析：通过仪器捕捉到某时刻传感光缆沿线布里渊频移的变化值，得到整个探测区域传感光缆沿线目标体的应变值大小，同时判断异常区所处位置，得到整个监测周期内分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系，获得超前支承压力的相关特征参数；
S4，重构采场超前支承压力演化模型：根据获得的超前支承压力的相关特征参数，对煤层采动过程中超前支承压力的分布进行重构，建立采动过程中超前支承压力分布的二维地质模型。
2.根据权利要求1所述的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S5，修正采场超前支承压力演化模型，具体包括：
在同一矿区的临近工作面底板布置一模型验证钻孔，该钻孔参数与所述步骤S1中的钻孔一致，且均为垂直钻孔；
重复步骤S1至S3，利用相同的监测手段进行超前支承压力的动态测试，获取相应工作面超前支承压力的分布特征；
综合分析两次钻孔监测数据，对模型参数进行修正，重构适用于研究矿区的超前支承压力分布的二维地质模型。
3.根据权利要求1所述的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，其特征在于，所述步骤S1中，钻孔施工完毕，在孔内安装传感光缆，具体包括：
利用固定元件将传感光缆捆扎于串接PVC管外壁，保证光缆布设不发生扭曲和缠绕，设定固定间距为1.5m；
通过串接装置顺次延长PVC植入管长度同时如上述方式固定光缆，将光缆植入钻孔目标深度；
封闭孔口进行全孔注浆，注浆时自里向外分段对应，注入与各个岩层对应强度的配比材料，以保证注浆凝固效果并且使得光缆与围岩完全耦合，进而获得光缆与围岩协同应变的应力场变化特征。
4.根据权利要求1所述的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，其特征在于，所述步骤S2中，由BOTDR测试主机输出一束脉冲光，利用布里渊光时域反射测量技术，动态捕捉煤层回采过程中采场底板一定深度范围内岩层的应变状态，具体包括：
数据采集过程中，设定采集参数如下：量程0.5km；采样分辨率：0.05m；应变系数：0.0499MHz/με；中心频率：10.950GHz；折射率：1.4800；累加次数：2^13；脉冲宽度：10ns；起始频率：10.700GHz，终止频率：11.100GHz，频率间隔：5MHz；
应变体数据的采集根据工作面回采进度进行动态测试，确保每日获取一组有效数据。
5.根据权利要求1所述的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过仪器捕捉到某时刻传感光缆沿线布里渊频移的变化值，得到整个探测区域传感光缆沿线目标体的应变值大小，同时判断异常区所处位置，得到整个监测周期内分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系，获得超前支承压力的相关特征参数，具体包括：
通过仪器捕捉到某时刻传感光缆沿线布里渊频移的变化值，由(1)式可以推算得到整个探测区域光纤沿线目标体的应变值大小：
vB(ε)＝vB(0)+Cεε (1)
式中，ε表示轴向应变，Cε表示应变系数，vB(ε)表示受力状态下布里渊频移，vB(0)表示初始状态下布里渊频移；
判断异常区所处位置，利用(2)式对其进行定位：
L＝ct/(2n) (2)
式中，c为真空中光传播速度，t为脉冲光从发射到接收散射光的双程走时，n为光纤纤芯折射率，L表示仪器主机与受力点之间的距离；
利用(1)(2)式确定光纤沿线各点的应变值，得到保护煤柱区段底板下方一定区域内各岩层应变分布情况，根据时空对比判断底板岩层应变变化特征，获得超前支承压力的相关特征参数。
6.根据权利要求5所述的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，其特征在于，所述步骤S3中，利用(1)(2)式确定光纤沿线各点的应变值，得到保护煤柱区段底板下方一定区域内各岩层应变分布情况，根据时空对比判断底板岩层应变变化特征，获得超前支承压力的相关特征参数，具体包括：
基于(1)(2)式的计算结果，绘制整个监测周期内分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系图，根据工作面与监测钻孔的相对位置不同，呈现出三种类型的应变分布特征，两者之间的对应位置主要分为工作面远离监测钻孔、工作面逐渐靠近监测钻孔、工作面跨过钻孔三个阶段；
绘制整个监测周期内岩层应变变化时空分布图，反映煤层开采过程中岩层在时间和空间上的变化；
选取钻孔内不同深度的特征点，根据工作面的推进距离绘制煤层底板岩层应变变化曲线；
根据分布式传感光缆的应变分布特征与岩层的对应关系图、岩层应变变化时空分布图、煤层底板岩层应变变化曲线，得到超前支承压力的相关特征参数，所述参数包括超前影响距离、支承压力峰值、应力集中系数。
7.根据权利要求1所述的基于DFOS应变重构深部采场超前支承压力演化模型的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述二维地质模型横向分布上应力场分别为超前应力影响区、采空卸压区和应力重新平衡区；纵向上由于超前支承压力及采空区倾向支承压力的影响将产生底板破坏区、底板扰动影响区及原岩应力区。
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