类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的作者包括Yu Liu、Wenping Li（通讯作者）、Jianghui He、Shaowei Liu、Liyong Cai和Gang Cheng，分别来自中国矿业大学（China University of Mining and Technology）、伍伦贡大学（University of Wollongong）和华北科技学院（North China Institute of Science and Technology）。该研究发表于《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》2018年第106卷。

学术背景
本研究属于岩土工程与采矿工程交叉领域，重点关注地下开采引起的覆岩变形与破坏动态监测。传统监测方法（如理论公式、数值模拟、钻孔探测等）存在量化程度低、依赖主观判断、难以反映实时动态变形等问题。为解决这些问题，研究团队引入了一种全分布式光纤传感技术——布里渊光时域反射仪（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry, BOTDR），旨在通过高精度、长距离、抗干扰的光纤传感网络，实时捕捉覆岩变形与破坏的全过程动态数据。研究目标包括：（1）验证BOTDR技术在覆岩监测中的适用性；（2）分析覆岩变形与破坏的力学机制；（3）确定导水裂隙带（fractured zone）的动态高度及其演化规律。

研究流程与方法
1. 实验设计与传感器选型
- 传感器选择：研究对比了三种光纤传感器：金属铠装传感光缆（MKS）、玻璃纤维增强传感光缆（GFRS）和10米间隔定点传感光缆（10m IFS），通过实验室拉伸试验标定了其应变-频移关系（图5）。
- 钻孔布置：在陕西金鸡滩煤矿108工作面中心线布置两个垂直钻孔（J1和J2），分别距开切眼582米和1746米，埋设160米长的光纤传感器（图1）。

1. 传感器安装与数据采集

   • 安装流程：钻孔清理→光纤与配重固定→分层注浆（根据岩性调配注浆材料）→温度补偿电缆辅助定位→密封保护（图9）。
     
   • 数据采集设备：使用AV6419 BOTDR应变分析仪（表2），采样间隔0.1米，应变测量范围±15,000 με，动态监测面板推进过程中的应变分布（图6）。
     

2. 覆岩变形分析

   • 应变分布特征：通过Surfer软件生成应变时空分布图（图13），结合岩性柱状图分析不同岩层的变形状态（压缩/拉伸）。
     
   • 变形一致性验证：通过自制试验装置（图9）和岩石单轴压缩试验（图12），验证光纤与围岩的变形协调性，最大应变差异小于15%。
     

3. 导水裂隙带高度确定

   • 破坏判据：对比BOTDR监测应变与实验室岩样屈服应变（表3），划分覆岩弹性变形、压缩破坏和拉伸破坏区（图14）。
     
   • 动态高度计算：导水裂隙带高度（Hf）=破坏带顶部深度（Dt）-煤层顶板深度（Dr）。
     

主要结果
1. 传感器性能对比：MKS光缆因强度高（抗拉强度6.5 MPa）和精度佳（频移灵敏度0.0490 MHz/με），优于易断裂的GFRS和阶梯状响应的10m IFS（图7）。
2. 覆岩变形机制：
- 超前影响：工作面距钻孔-89米时，中部岩层受超前剪切应力影响出现拉伸应变，超前影响角为58.98°。
- 动态演化：覆岩经历“压缩→拉伸→再压缩”三阶段（图8），拉伸峰值（+11,500 με）出现在距工作面90米处，硬岩层（如细砂岩）以压缩为主，软岩层（如泥质砂岩）以拉伸为主。
3. 导水裂隙带高度：最大高度达215米（28.67倍采高），显著高于传统钻孔液漏法测得的185.85米（图15），因BOTDR能捕捉闭合裂隙和微小渗透率变化。

结论与价值
1. 科学价值：首次将BOTDR技术应用于覆岩动态监测，揭示了覆岩变形与岩性、开采位置的定量关系，提出了导水裂隙带高度的动态判定方法。
2. 应用价值：为预防突水事故和生态地质灾害（如潜水流失）提供精准数据支持，尤其适用于西部脆弱生态区的浅埋煤层开采。

研究亮点
1. 技术创新：开发了分层注浆与温度补偿结合的传感器埋设工艺，解决了光纤与围岩变形协调难题。
2. 发现新颖性：揭示了覆岩垂直压缩与杨氏模量的反比关系，以及导水裂隙带高度的动态跃迁特征（图14）。
3. 跨学科意义：将光纤传感技术引入采矿工程，为岩土体变形监测提供了新范式。

其他价值
研究补充数据（在线附录）包含注浆配比表和初始应变分布图，为后续实验提供参考。