类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由Wenlong Zhou（中国地质大学地球物理与地球信息学院）、Pingsong Zhang（安徽理工大学地球与环境学院）、Rongxin Wu（安徽理工大学地球与环境学院）和Xiangyun Hu（中国地质大学地球物理与地球信息学院，通讯作者）合作完成，发表于2019年2月的《Journal of Applied Geophysics》（第163卷，132–138页）。

学术背景
研究领域为深部采矿工程与地球物理监测，聚焦于特厚煤层底板（extra-thick coal seam floor）在深部开采中的变形与破坏特征。随着开采深度增加，承压含水层上方的突水灾害频发，威胁煤矿安全。传统研究多针对浅部煤层，而深部特厚煤层的底板破坏机制尚不明确。本研究旨在通过分布式光纤传感技术（BOTDR, Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）和三维电阻率法（3D resistivity method）的动态监测，揭示深部特厚煤层底板的变形分层特征及破坏深度，为突水灾害防控提供技术参数。

研究流程
1. 现场监测系统设计
- 研究对象：中国某煤矿61,101工作面6号煤层（平均埋深528.09米，厚度16.1米），受奥陶系灰岩水威胁（水压1.1 MPa）。
- 钻孔布置：在回风巷道内施工两个倾斜钻孔（1#孔倾角10°，控制垂深12.7米；2#孔倾角43°，控制垂深40.3米），植入PVC管包裹的光纤传感电缆和电极，注入水泥浆耦合围岩。
- 数据采集：2017年2月安装系统，4月至7月动态监测（每日1组数据），共40组有效数据，覆盖工作面推进243米至过钻孔4米的全过程。

1. BOTDR技术应用

   • 原理：脉冲光在光纤中产生布里渊散射（Brillouin scattering），频率漂移与轴向应变（strain）和温度线性相关（应变系数493 MHz/%，温度系数1 MHz/℃）。通过公式 ( v_B(ε) = v_B(0) + \frac{dv_B(ε)}{dε}ε ) 计算应变分布，空间分辨率0.1米。
     
   • 数据分析：提取钻孔轴向应变曲线，结合岩性（如细砂岩、砂质泥岩）分析分层变形特征。
     

2. 三维电阻率法监测

   • 原理：开采扰动导致岩层电阻率升高（破裂带电阻率达背景值4–5倍）。通过有限元法反演（公式 ( δd = Gδm ) 和 ( (G^TG + λC^TC)δm = G^Tδd )）获取三维电阻率分布，识别变形带与破裂带。
     

3. 综合对比分析

   • 结合应变与电阻率数据，划分底板破坏深度、扰动深度及超前应力影响范围。
     

主要结果
1. 应变分布特征
- 1#孔以拉应变为主（最大+3500με），5米深度处应力集中；2#孔出现压应变（-1500με），12米和24米深度为岩性界面。工作面推进至36米时，应变显著变化，显示超前应力影响范围。
- 破坏分层性：软岩（如砂质泥岩）优先变形，硬岩（细砂岩）表现为脆性破坏，光纤断点对应破裂位置。

1. 电阻率变化特征

   • 破裂带（0–12米深度）电阻率达1200 Ω·m（背景值4倍），变形带（12–26米）电阻率400 Ω·m。工作面推过后，高阻区稳定，局部因导水裂隙充水电阻率下降。
     

2. 关键参数

   • 底板破坏深度12米，扰动深度26米，超前应力影响范围36米。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次揭示深部特厚煤层底板变形的动态分层机制，证实岩性结构和地层界面主导破坏优先发育。
2. 应用价值：BOTDR与电阻率法的综合监测技术成本低、操作简便，可精准捕捉底板破坏细观特征，为深部开采突水风险评估提供可靠方法。

研究亮点
1. 技术创新：结合光纤应变与电阻率三维反演，实现多参数动态监测。
2. 发现新颖性：明确深部煤层底板破坏深度远超浅部（传统研究多小于10米），且分层特征显著。
3. 工程指导性：提出的36米超前应力影响范围可为煤矿安全开采设计提供依据。

其他价值
研究得到国家自然科学基金（41630317、41474055）和国家重点研发计划（2017YFC0602405）支持，相关技术已具备推广潜力，未来需进一步开发全空间三维观测系统。