分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用 - 信息谷 - ICITU

内[1]. 预计到2050 年煤炭在一次能源生产中仍将占50%[2]. 以煤为主的能源结构在相当长的一个时期内不会改变，开发利用煤炭资源是能源禀赋、能源结构和经济社发展的必然选择.

随着中国浅层煤炭资源储量的不断减少，煤炭的开采深度逐渐向深部发展[3]. 深部巷道处于高地应力、高地温、高渗透压的特殊地质条件下[4]，容易引发剧烈的巷道变形和采场矿压，进而导致发生岩爆与冲击地压事故、煤与瓦斯突出事故、突水事故的几率增加[5]，严重影响煤矿的安全生产. 目前通常采用地质勘查、物探、钻探、化探等技术解决煤层结构、瓦斯赋存、水害防治等煤矿地质问题，保障煤矿的安全生产[6]. 上述技术在煤矿地质保障中发挥了重要作用，但也存在传感器使用寿命较短、电学传感器存在安全隐患、难以实时测量等方面的问题.

光波与光纤介质中的粒子相互作用产生散射. 光纤中的散射光包括瑞利散射（Rayleigh scattering）、布里渊散射（Brillouin scattering）、拉曼散射（Raman scattering），如图1所示.

布里渊散射是由光子和声学声子的相互作用产生的，由于存在多普勒效应，布里渊散射光相对于入射光存在一个布里渊频移B. 当探测脉冲光注入传感光纤后，其在光纤沿线各位置处产生的背向布里渊散光沿光纤原路返回到光纤入射端，且各位置处B的数值与该位置处光纤的应变量之间呈现出良好的线性关系，可表示为

国内外研究者利用分布式光纤传感技术，在煤矿地质监测领域中开展了不同程度的试验和研究. 本文主要介绍布里渊光时域反射光纤传感技术在煤矿安全高效生产监测中的应用.

作为煤矿生产的咽喉通道，矿山井筒是保证煤矿安全生产的一个重要环节. 煤矿开采深度逐渐增加、复杂的地质条件、环境因素等使井壁的受力情况也复杂多变[14]. 煤矿采动、地应力变化、地下水位下降、井壁混凝土腐蚀等情况，导致井筒在服役过程中受到不均匀荷载作用和有害化学环境腐蚀等因素的多重破坏. 从而诱发井筒内部结构的力学损伤和化学变化，使井壁结构承载力急剧下降而失效. 严重威胁煤矿工人生命安全并给煤矿造成巨大的经济损失[15].因此，实时监测井壁的应力、应变状态对于保证煤矿的安全生产尤为重要[16].

目前井筒变形的监测方法主要有利用精密水准仪、钢丝基准线法、激光垂准仪、GPS 等直接测量技术和基于传感器（如测斜仪、压力计、应变计）的间接推演方法[17]，但这些方法难以实现对井筒变形进行长期、连续、实时、稳定的监测. 同时，由于井壁所处的复杂地质条件和环境因素，传统电学传感器很容易受到井壁变形、水和化学腐蚀等恶劣环境的影响而失效.

近年来，利用光纤传感技术对煤矿井筒变形进行监测引起研究者的极大关注. 最初主要采用光纤光栅技术对井筒变形的监测和预警开展研究[18-19]. 与光纤光栅传感技术相比，分布式光纤传感技术具有分布式、不漏点的测量优势，在煤矿井筒变形监测中也取得了较好的应用效果. 通常情况下，分布式光缆的布设方式如图2 所示. 文献[20] 研究了不同的光纤传感器粘贴方式、粘接材料和施工工艺对监测效果的影响，为井筒变形的分布式光纤监测提供了经验和理论基础. 文献[21] 基于BOTDR 光纤传感技术，研究传感光缆的布设方法和异常变形的检测方法，得出了灌浆引起的井筒变形的演化规律. 文献[22]利用分布式光纤应变传感技术对治理井壁渗漏期间的井筒变形情况进行监测，获得了壁后注浆技术治理井壁渗漏过程中的井筒应变数据，进一步分析了注浆液的扩散情况. 光纤传感技术已经在煤矿井筒变形监测中获得了一定程度的试验和应用，为煤矿井筒变形监测提供了一种新型、可靠、准确和实时的监测方法.

近年来，国内外研究者利用分布式光纤应变监测技术，对煤矿开采过程中巷道表面及周围岩体的变形情况开展了一些试验和研究，并取得了一定的研究成果. 文献[25]将分布式光缆安装在开挖面前方的钻孔中，利用BOTDR 技术实时监测全断面岩石掘进机（tunnel boring machine, TBM）掘进巷道过程中围岩变形行为，解决了传统传感器只能安装于掘进面后方而无法监测掘进面前方的应变和变形的问题，为围岩变形控制工作提供了重要参考. 文献[26-27] 采用BOTDR 光纤应变传感技术，针对巷道顶板变形监测场景下的光缆选取和布设工艺开展研究，并通过室内试验建立起顶板沉降变形与光纤应变之间的关系模型. 文献[28-29]将分布式光缆植入巷道底部钻孔，在工作面回采过程中实时监测光缆的应变变化，进而分析巷道底板下方围岩的变形破坏范围和演化特征. 分布式光纤传感技术的应用，为煤矿巷道及其围岩变形和破坏的演化特征研究提供了一种全新的技术手段.

目前，针对上覆岩层的变形和破坏常用的分析和测量方法有：经验公式[30]、相似材料模拟试验[31]、数值模拟[32]、物探方法[33]. 这些方法提高了覆岩变形的计算或估算精度，为保障煤矿的安全、高效生产提供了支持. 但在实际应用过程中，上述方法存在定量化水平不高，难以准确反映上覆岩层的变形、破坏和垮塌的全过程等问题.

与传统的监测方法相比，光纤传感技术为研究覆岩变形的提供了一种更准确的方法. 通过在煤巷上覆岩层中布设光纤传感器或光缆，可以实时感测煤岩开采过程中覆岩的应变状态，分析覆岩变形和破裂的动力学过程. 对预防煤矿灾害和地表生态保护具有重要意义.

采空区是因开采作业引发的围岩变形、失稳而产生位移、开裂、破碎、垮落，甚至上覆岩土层整体弯曲、下沉所引起的地表变形和破坏的区域，是引起地面塌陷和地裂缝形成的原因之一. 采空区上覆岩体的坍塌变形对地表形态、土地资源及农田、地面建筑、铁路公路、地下水、地表水等会造成较大的影响和破坏，严重影响采空区上覆及其周围环境内人们正常的生产和生活，进而带来一系列严重的经济和社会问题.

目前，采空区地层变形的监测主要以地面沉降监测技术为主，如合成孔径干涉雷达（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）技术、遥感影像、GPS 技术等. 这些技术都是通过对地表变形情况进行测量来反演地层变化情况，但无法获得地层各层位的真实变形数据，对于地下各层位的沉降变形情况并没有有效的观测手段. 分布式光纤感测技术具有分布式特点，可以感知测量感测光缆沿线每一点的应变变化. 感测光缆本身纤细微小，易于施工植入到钻孔内，因此可以感知测量钻孔内全地层的变形情况，并实现全地层变形的精细化测量.

监测设备采用南京法艾博光电科技有限公司自主研发的基于BOTDR原理的Ada-3032D型分布式光纤应变/温度监测系统，该设备能够获取传感光纤上任意点处的布里渊散射光频谱信息并据此同步解算出沿传感光缆的应力场、温度场以及损耗分布，具有单端无损监测、监测精度高、传感距离长以及测量重复性好等优点.

埋入钻孔的光缆与地层稳定耦合之后，针对该处采空区的覆岩变形情况进行了多组测量，图7 分别为5 m 定点光缆和金属基应变感测光缆的应变曲线. 对比两种类型光缆的应变曲线可知，定点光缆具有良好的局部地层的应变感知能力且各定点之间的变形不会互相影响，使局部地层的应变测量更加精细；金属基应变感测光缆更能反映出地层的整体变化情况，不同地层之间的变形相互影响，共同作用于整个地层的变形曲线.

分布式光纤传感技术具有抗电磁干扰、无名火、本质安全、抗腐蚀等特点，近年来在煤矿地质监测领域逐渐受到重视并得到应用. 本文介绍了分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的一些应用，重点介绍了采用分布式光纤传感技术对采空区地层变形进行监测的方法和结果.结果表明，分布式光纤传感技术能够适应煤矿复杂的地质环境，准确、实时、可靠地监测煤矿中不同地层或结构的变形情况，与传统方法相比具有明显的优势，应用前景良好.