本文選題：覆巖變形 + 分布式光纖檢測(cè)　； 參考：《西安科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：煤炭開采引起的上覆巖層變形監(jiān)控是煤礦安全與綠色開采的重要組成,建立礦山巖體區(qū)域檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)成為煤礦巖層控制的新方向。采場(chǎng)大空間、覆巖大變形、巖移大范圍是目前采場(chǎng)覆巖變形的新特點(diǎn),成為制約煤炭安全高效開發(fā)的瓶頸。分布式光纖傳感技術(shù)具有分布式、多尺度、高精度等優(yōu)勢(shì),有助于實(shí)現(xiàn)大范圍和多尺度的巖層變形測(cè)試。開展覆巖變形及其結(jié)構(gòu)演化的分布式光纖檢測(cè)研究,是推動(dòng)采場(chǎng)覆巖變形信息化和構(gòu)建智能礦山的有效途徑之一。本文針對(duì)采動(dòng)覆巖變形的分布式光纖檢測(cè),基于物理模型試驗(yàn),結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬,對(duì)巖層變形的分布式光纖檢測(cè)理論、分布式光纖檢測(cè)試驗(yàn)技術(shù)方法、采動(dòng)覆巖變形的分布式光纖表征模型和特殊結(jié)構(gòu)覆巖變形特征的分布式光纖檢測(cè)等問題開展研究。對(duì)巖層變形引起的光纖受力特征進(jìn)行了理論分析,建立了巖層變形的分布式光纖應(yīng)力分布理論模型,揭示了巖層破斷垮落、裂隙離層發(fā)育、彎曲下沉等引起的光纖應(yīng)力分布形態(tài)。表明處于不同變形積度巖層內(nèi)的光纖受力具有階段特性。提出了基于光纖頻移的覆巖變形表征方法,表明巖層與光纖之間的接觸系數(shù)是分布式光纖檢測(cè)的重要影響參數(shù),可通過(guò)建立分布式光纖表征模型來(lái)描述覆巖變形狀態(tài)。利用ANSYS數(shù)值模擬分析了模型試驗(yàn)中光纖對(duì)巖層變形的影響機(jī)制。表明光纖埋設(shè)對(duì)巖層應(yīng)力分布造成附加影響,影響程度隨光纖直徑和彈性模量增大而增大。光纖對(duì)巖層變形的影響范圍呈菱形分布,半徑約10 cm。巖層位移變化特征揭示了光纖參數(shù)對(duì)巖層變形的影響規(guī)律,1～2 mm直徑光纖造成的巖層位移變化影響小于5%;光纖彈性模量在巖層彈性模量2個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí),光纖對(duì)巖層位移變化影響大于25%。用巖層位移變化率表征了光纖對(duì)巖層變形的影響關(guān)系,揭示了光纖直徑和彈性模量對(duì)巖層變形的影響分別為二次函數(shù)和一次函數(shù)關(guān)系,為模型試驗(yàn)的光纖造型提供了依據(jù)。開展了采動(dòng)覆巖變形光纖檢測(cè)模型試驗(yàn),提出了巖層變形光纖檢測(cè)試驗(yàn)技術(shù)方法,得出了覆巖變形的分布式光纖頻移變化基本規(guī)律,建立了覆巖變形的分布式光纖表征模型。討論了模型底端光纖固定方式不同時(shí)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。分析了光纖與工作面位置的響應(yīng)機(jī)制,揭示了垂直光纖頻移曲線的3階段和3臺(tái)階變化,3階段分別與采動(dòng)覆巖橫三區(qū)相對(duì)應(yīng),3臺(tái)階分別與采動(dòng)覆巖豎三帶相對(duì)應(yīng)。提出了光纖測(cè)試頻移平均度概念,其物理意義為頻移平均度越大,巖層變形破壞程度越高。獲得了工作面開挖過(guò)程中覆巖層內(nèi)的拉、壓應(yīng)力分布規(guī)律,區(qū)分出了巖層變形破壞范圍和巖層變形穩(wěn)定范圍。闡述了光纖頻移對(duì)覆巖變形破壞及其結(jié)構(gòu)演化的表征關(guān)系,給出了覆巖變形與光纖頻移的量化關(guān)系式,光纖表征模型與光纖應(yīng)力分布理論模型一致。開展了巨厚礫巖下開采覆巖變形的三維模型試驗(yàn),研究了巨厚礫巖變形特征的光纖檢測(cè)與表征。揭示了巨厚礫巖層的破斷形式,表明下組巨厚礫巖在靠近采空區(qū)一側(cè)形成近距離多條縱向裂隙而破斷變形,上組巨厚礫巖層在采空區(qū)中部位置形成水平層內(nèi)裂隙而彎曲變形。用光纖頻移平均度揭示了巨厚礫巖層的破斷規(guī)律,表明巨厚礫巖層的變形過(guò)程經(jīng)歷了微弱變形、較小變形的累積、初次破斷、周期性大變形,最終垮落穩(wěn)定�；诟矌r變形的光纖表征模型,獲得了巨厚礫巖下開采巖層變形破壞范圍和三帶分布規(guī)律。FLAC 3D數(shù)值模擬表明巖層變形破斷規(guī)律和巖層移動(dòng)破壞范圍與分布式光纖檢測(cè)結(jié)果一致,巖層位移的數(shù)值模擬與光纖檢測(cè)的線性擬合度達(dá)0.9。數(shù)值模擬驗(yàn)證了采動(dòng)覆巖變形的分布式光纖檢測(cè)與表征的正確性。
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【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD325.4
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本文編號(hào)：1761725