区段煤柱稳定性的光纤监测试验研究

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在煤炭开采过程中留设区段煤柱,是保持回采巷道稳定性、控制采空区地表沉陷量的重要方法。同时,为保证留设煤柱后的回采煤量,在保证安全生产前提下需尽量减小煤柱尺寸,因此煤柱稳定性的研究成为关键问题。  本文对煤柱载荷、煤柱强度及确定煤柱稳定性的塑性区宽度、应力分布状态进行理论分析,且结合 FLAC3D数值模拟分析不同宽度区段煤柱的铅直应力分布与塑性区分布;以工程实际为背景设计相似材料模拟试验,将光纤Bragg光栅传感技术与脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术(Pulse-PrePump Brillouin Optical Time Domain Analysis, PPP-BOTDA)应用到相似材料模拟试验中,建立了基于光纤传感技术的区段煤柱稳定性监测系统,使用该系统对区段煤柱的受力分布与塑性区宽度进行监测,实现了区段煤柱稳定性的实时、分布式检测。通过对FBG传感器、PPP-BOTDA传感器的监测数据与理论分析、数值模拟的计算结果进行对比分析,确定了光纤传感技术监测煤柱稳定性的合理性与优越性。  研究表明,区段煤柱的光纤监测应变量曲线显示1#区段煤柱应力分布呈马鞍形,2#区段煤柱应力分布为极限马鞍形,光纤监测得出的屈服区宽度与理论计算、数值模拟结果基本一致;对比理论分析和数值模拟得出1#区段煤柱应力峰值至煤柱边缘距离,即屈服区宽度为10m,2#区段煤柱屈服区宽度为11m;并将光纤监测得到的屈服区宽度代入煤柱保持稳定的最小宽度计算公式得出1#区段煤柱稳定,2#区段煤柱不稳定,并通过核区率计算公式进行验证,两者结果基本一致。
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