本发明涉及采空区压力预测，特别涉及光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法。
背景技术：
1、煤矿安全生产中，采空区作为隐患已引起国家的高度重视并加大了监管与治理力度。在煤矿生产中，工作面推进与伴生的采空区覆岩变形破坏，造成矿山压力显现。因此，掌握采空区应力大小及分布对煤矿工作面安全生产起着关键作用。
2、大多数研究者采用理论分析和数值模拟技术对采空区的应力和变形分布特征进行了研究。钱鸣高提出了岩层内部移动曲线以负指数曲线更接近于实际；蒋力帅等通过对模拟垮落带与裂隙带的特征，对采动应力场和采空区覆岩“两带”特征进行耦合分析，得到垮落矸石压实过程压力增长呈指数型特点；隋旺华等按最大主应力和最小主应力的性质将采动岩体内应力分布分为五个区；屠洪盛等根据应力叠加原理，给出了刀柱采空区的应力分布计算公式；王作宇等通过现场观测提出了“顶板有限作用原理”、“三个活动期一个间歇期”及顶、底板岩体移动在时-空条件下的一致性。上述研究对采空区覆岩垮落形态和采空区应力应变进行了分析，但考虑采空区垮落破碎岩体应力应变特征和关键层破碎综合影响的采空区覆岩变形和压力分布反演分析方法尚未提出。由于煤矿工作人员难以进入采空区，采空区覆岩变形及其压力数据监测困难，对采空区内部压力分布特征的理论和现场实测研究较少。
3、常规的物理模型实验在位移和变形上多由点状传感器测量，例如位移计和全站仪，这些方法操作繁琐且精度较低，对模型表面只做到分辨率较低的局部监测。dofs技术在物理模拟实验的应用可以克服这些限制，提升实验效率且保证精度输出。分布式光纤传感器体积较小，具有抗干扰、监测模型表面分辨率较高等优点，近年来为结构稳定性检测提供了一种新的方法，被广泛应用于物理模型实验的动态检测。然而，大多数研究仅做到获取光纤监测被测物体的变形数据，没有进一步基于光纤数据驱动并结合理论模型深入挖掘被测物体的参数信息。
4、为此，我们提出光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于提供光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法，可以有效解决背景技术中大多数研究仅做到获取光纤监测被测物体的变形数据，没有进一步基于光纤数据驱动并结合理论模型深入挖掘被测物体的参数信息的问题。
2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
3、光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法，具体包括以下步骤：
4、步骤1：将分布式光纤埋设在关键层中，并与botda解调仪进行连接；
5、步骤2：对煤矿采空区的煤层采高、采空区低应力距离、工作面走向推进长度、压实区岩体残余碎胀系数与直接顶厚度参数进行采集，建立分段函数来表述上覆岩层裂隙带剖面对应顶界面抛物线曲线，建立的函数表达式为：
6、
7、式中：m为煤层采高，ll为采空区低应力距离，b为工作面走向推进长度，b'为压实区岩体残余碎胀系数，h为直接顶厚度；
8、步骤3：在基本顶初次破断之后，周期性的破断可视为以抗拉强度为主的岩梁破裂，岩梁破裂距离(基本顶周期来压步距)l可按下式计算：
9、
10、式中：l为岩块长度，h为开采深度，γ为上岩层单位重量，rt为基本顶抗拉强度，hk为基本顶厚度；考虑到破碎岩体的碎胀程度，基本顶弯曲下沉量ss的量可以根据下式计算：
11、ss＝0.05m1.2 (3)
12、综上所述，抗拉强度对基本顶的周期性破断起主导作用；在给定的上覆岩层坍塌角θ下，低应力距离lι的表达式为：
13、
14、步骤4：在关键层破断前，用分布式光纤测得的应变数据推算出关键层弯曲挠度，关键层弯曲变形模型中心为弯曲段最大挠度处，弯曲段变形呈圆弧状，此变形特征可将光纤变形形态构建成圆弧模型，进而对几何关系定量描述，岩层弯曲挠度sx的关系表达式为：
15、sx＝r(1-cosθ) (5)
16、式中，θ和r分别为关键层模型变形的圆弧弧度和半径，关系式为：
17、
18、式中，l为光纤的初始埋设长度，ld为光纤受轴向拉伸后的变形长度；其中ld可通过光纤各采样点应变求和得出，其表达式为：
19、
20、式中，n为埋入关键层光纤采样点数量；ι为设置的空间采样间隔；εi为各采样点应变；
21、步骤5：根据材料力学原理，得到视为简支梁的关键层弯矩，从而推算出光纤的应力分布；
22、步骤6：以三次垮落形成砌体梁结构的关键层模型为例；视最中间垮落岩块与关键层初始位置平行；岩块不同位置光纤破断后长度l1'、l2'、l3'可由初始长度l1、l2、l3与光纤测得的应变求得，表达式为：
23、l1'＝l1(1+ε1) (8)
24、其中ε1为l1段的受到的拉伸应变，此处光纤的下沉量h1的表达式为：
25、
26、同理，第二段裸露光纤位置处可按下式计算：
27、
28、随岩层破断发生位置变化的光纤与初始位置的关系，可看作边分别为l1、l1'、h1和l1'+l2'、h2、l1+l2的相似三角形，其表达式为：
29、
30、将公式(8)带入得：
31、
32、得到的h3即关键层破断后下沉的量sx，整合后的表达式为：
33、
34、根据公式(8)-(13)的原理，可通过埋设在岩块内的光纤应变变化来推断出各关键层断裂形态为砌体梁的各个断裂点的下沉量，并且光纤受到的拉伸应变可以表征这个下沉变形量和关键层垮落程度；具体表达式如下：
35、
36、式中x为距离煤壁距离，s’x为关键层破断后不同位置处的下沉量；
37、步骤7：垮落带高度hc的表达式为：
38、
39、式中：hm为开采高度，ss为采空区上部岩层底部弯曲下沉量，ssmax为最大允许下沉量，b为垮落岩体碎胀系数；如果上覆岩层破坏而没有任何下沉，即ss＝ssmax＝0，则垮落高度为：
40、
41、采空区应变取决于距煤壁的距离和岩层特性，距离煤壁x处的采空区应变εx的表达式为：
42、
43、将公式(15)带入公式(17)得：
44、
45、式中sx为采空区距煤壁x距离处冒落矸石的变形量；
46、步骤8：直接顶与基本顶会因垮落产生离层，上覆岩层重量则全部转移到围岩上；工作面继续推进，直接顶继续垮落填充采空区，垮落的直接顶开始接触到基本顶，此时顶板岩层的大部分重量还在四周的围岩；随着工作面的不断推进，顶板垮落和破坏的范围向上覆岩层不断发展，垮落的矸石被不断压缩直至压实，承受上覆岩层的重量也相应增加，上覆岩层的压力已不再由围岩承担；因此，距离x处的采空区应力的表达式为：
47、
48、式中：e0为初始切线模量，(其值与体积膨胀系数、岩体单轴抗压强度有关，本实验取411.1238mpa)；εm为垮落岩体在上覆岩层应力作用下的最大应变，其值可如下确定：
49、
50、步骤9：采空区内相同埋深的岩体总垂直应力保持恒定(不考虑构造应力)，在回采工作面周围采空区方向存在明显的应力降低，煤壁前方荷载增加形成应力集中；
51、将公式(1)-(3)带入公式(19)可得到关键层破断前光纤监测采空区应变；将公式(10)带入公式(19)为关键层破断后光纤监测采空区应变，具体表达式如下：
52、
53、步骤10：将分布式传感光纤水平埋设在相似物理模型关键层内，随工作面推进监测关键层的结构变形，根据测得的光纤监测结果，可以反映采空区覆岩的破裂程度和范围，从而反演出采空区峰值压力的位置和变化。
54、进一步的，步骤1中采用分布式光纤传感技术(dofs)对关键层变形进行监测。
55、进一步的，步骤4中dofs监测关键层变形在于当关键层受采动影响并发生微小变形时，埋设在关键层中的光纤也随之弯曲；岩石变形的力学结构可视为简支梁结构，光纤主要受上覆岩层施加的连续均布载荷影响。
56、进一步的，步骤5中当关键层变形较大时，某一位置会出现纵向裂隙，埋设在其中的光纤暴露在裂隙处，此时断裂的两段岩层在裂隙处对光纤施加拉伸，导致光纤在该位置处应力突变；裂隙段剪切应力和岩石与光纤之间的摩擦力相互作用，会产生沿裂隙线的集中应力fa和fb，这些应力会分解为垂直力fav和fbv，以及水平力fah和fbh；其中，在水平力fah和fbh的作用下，光纤形成压应力集中；为了保持外力平衡，光纤将形成反作用力fta和ftb在破裂段两侧的稳定关键层内。
57、进一步的，步骤7中采空区内的压力主要来自上覆垮落岩层的自重，从开采煤壁向采空区内部压力由零逐渐达到最大，最大压力等于原岩应力，同时工作面走向推进长度决定采空区应力能否达到原岩应力；工作面走向推进长度如果过窄，直接顶不规则垮落，覆岩压力传递到围岩上，岩层未形成铰接结构，采空区的压力近似等于垮落岩石的重量。
58、进一步的，步骤10中在分析采空区冒落破碎岩体应力应变特征的基础上，结合关键层断裂力学模型和下沉轨迹抛物线函数模型，建立煤层采动空间应力演化模型，定量表征关键层破断与采空区压力变化之间的对应关系；得到botda光纤传感技术判断关键层的破裂范围的方法，预测采空区压力分布。
59、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
60、本发明通过将分布式传感光纤水平埋设在相似物理模型关键层内，随工作面推进监测关键层的结构变形，根据测得的光纤监测结果，可以反映采空区覆岩的破裂程度和范围，从而反演出采空区峰值压力的位置和变化。在分析采空区冒落破碎岩体应力应变特征的基础上，结合关键层断裂力学模型和下沉轨迹抛物线函数模型，建立煤层采动空间应力演化模型，定量表征关键层破断与采空区压力变化之间的对应关系。得到botda光纤传感技术判断关键层的破裂范围的方法，预测采空区压力分布。
1.光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法，其特征在于：步骤1中采用分布式光纤传感技术(dofs)对关键层变形进行监测。
3.根据权利要求1所述的光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法，其特征在于：步骤4中dofs监测关键层变形在于当关键层受采动影响并发生微小变形时，埋设在关键层中的光纤也随之弯曲；岩石变形的力学结构可视为简支梁结构，光纤主要受上覆岩层施加的连续均布载荷影响。
4.根据权利要求1所述的光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法，其特征在于：步骤5中当关键层变形较大时，某一位置会出现纵向裂隙，埋设在其中的光纤暴露在裂隙处，此时断裂的两段岩层在裂隙处对光纤施加拉伸，导致光纤在该位置处应力突变；裂隙段剪切应力和岩石与光纤之间的摩擦力相互作用，会产生沿裂隙线的集中应力fa和fb，这些应力会分解为垂直力fav和fbv，以及水平力fah和fbh；其中，在水平力fah和fbh的作用下，光纤形成压应力集中；为了保持外力平衡，光纤将形成反作用力fta和ftb在破裂段两侧的稳定关键层内。
5.根据权利要求1所述的光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法，其特征在于：步骤7中采空区内的压力主要来自上覆垮落岩层的自重，从开采煤壁向采空区内部压力由零逐渐达到最大，最大压力等于原岩应力，同时工作面走向推进长度决定采空区应力能否达到原岩应力；工作面走向推进长度如果过窄，直接顶不规则垮落，覆岩压力传递到围岩上，岩层未形成铰接结构，采空区的压力近似等于垮落岩石的重量。
6.根据权利要求1所述的光纤监测数据驱动下的采空区压力反演方法，其特征在于：步骤10中在分析采空区冒落破碎岩体应力应变特征的基础上，结合关键层断裂力学模型和下沉轨迹抛物线函数模型，建立煤层采动空间应力演化模型，定量表征关键层破断与采空区压力变化之间的对应关系；得到botda光纤传感技术判断关键层的破裂范围的方法，预测采空区压力分布。
