分布式光纖傳感技術在煤礦地質監測中的應用

2 煤礦地質光纖監測技術介紹          

國內外研究者利用分布式光纖傳感技術，在煤礦地質監測領域中開展了不同程度的試驗和研究. 本文主要介紹布里淵光時域反射光纖傳感技術在煤礦安全高效生產監測中的應用.

作為煤礦生產的咽喉通道，礦山井筒是保證煤礦安全生產的一個重要環節. 煤礦開采深度逐漸增加、復雜的地質條件、環境因素等使井壁的受力情況也復雜多變[14]. 煤礦采動、地應力變化、地下水位下降、井壁混凝土腐蝕等情況，導致井筒在服役過程中受到不均勻荷載作用和有害化學環境腐蝕等因素的多重破壞. 從而誘發井筒內部結構的力學損傷和化學變化，使井壁結構承載力急劇下降而失效. 嚴重威脅煤礦工人生命安全并給煤礦造成巨大的經濟損失[15].因此，實時監測井壁的應力、應變狀態對于保證煤礦的安全生產尤為重要[16].

目前井筒變形的監測方法主要有利用精密水準儀、鋼絲基準線法、激光垂準儀、GPS 等直接測量技術和基于傳感器（如測斜儀、壓力計、應變計）的間接推演方法[17]，但這些方法難以實現對井筒變形進行長期、連續、實時、穩定的監測. 同時，由于井壁所處的復雜地質條件和環境因素，傳統電學傳感器很容易受到井壁變形、水和化學腐蝕等惡劣環境的影響而失效.

近年來，利用光纖傳感技術對煤礦井筒變形進行監測引起研究者的極大關注. 最初主要采用光纖光柵技術對井筒變形的監測和預警開展研究[18-19]. 與光纖光柵傳感技術相比，分布式光纖傳感技術具有分布式、不漏點的測量優勢，在煤礦井筒變形監測中也取得了較好的應用效果. 通常情況下，分布式光纜的布設方式如圖2 所示. 文獻[20] 研究了不同的光纖傳感器粘貼方式、粘接材料和施工工藝對監測效果的影響，為井筒變形的分布式光纖監測提供了經驗和理論基礎. 文獻[21] 基于BOTDR 光纖傳感技術，研究傳感光纜的布設方法和異常變形的檢測方法，得出了灌漿引起的井筒變形的演化規律. 文獻[22]利用分布式光纖應變傳感技術對治理井壁滲漏期間的井筒變形情況進行監測，獲得了壁后注漿技術治理井壁滲漏過程中的井筒應變數據，進一步分析了注漿液的擴散情況. 光纖傳感技術已經在煤礦井筒變形監測中獲得了一定程度的試驗和應用，為煤礦井筒變形監測提供了一種新型、可靠、準確和實時的監測方法.

深部巷道處于高地應力、高地溫、高滲透壓的特殊地質環境，各種煤礦安全事故的發生幾率很高. 特別是當巷道走向的巖體強度不均勻時（如巷道穿過軟硬交替的巖層、含水斷層或裂縫等），局部軟弱部位的變形破壞帶來的應力不均會進一步加劇巷道其他部位的失穩，進而破壞整段巷道[23]. 因此，實時監測巷道及其周圍巖體的變形情況，針對變形嚴重的部位進行重點監測和治理，對確保深部煤炭資源安全、高效開采作用重大[24].

近年來，國內外研究者利用分布式光纖應變監測技術，對煤礦開采過程中巷道表面及周圍巖體的變形情況開展了一些試驗和研究，并取得了一定的研究成果. 文獻[25]將分布式光纜安裝在開挖面前方的鉆孔中，利用BOTDR 技術實時監測全斷面巖石掘進機（tunnel boring machine, TBM）掘進巷道過程中圍巖變形行為，解決了傳統傳感器只能安裝于掘進面后方而無法監測掘進面前方的應變和變形的問題，為圍巖變形控制工作提供了重要參考. 文獻[26-27] 采用BOTDR 光纖應變傳感技術，針對巷道頂板變形監測場景下的光纜選取和布設工藝開展研究，并通過室內試驗建立起頂板沉降變形與光纖應變之間的關系模型. 文獻[28-29]將分布式光纜植入巷道底部鉆孔，在工作面回采過程中實時監測光纜的應變變化，進而分析巷道底板下方圍巖的變形破壞范圍和演化特征. 分布式光纖傳感技術的應用，為煤礦巷道及其圍巖變形和破壞的演化特征研究提供了一種全新的技術手段.

礦井開采過程中，覆巖變形是影響煤礦開采安全性的關鍵問題之一. 地下開采導致上覆地層應力的重新分布，在重力等構造應力的作用下，工作面上覆巖層發生變形、分離、破裂和坍塌. 上覆巖層的變形和垮塌會破壞巷道安全，進而引發突水事故、沖擊地壓、瓦斯突出等災害，給煤礦安全生產帶來重大隱患；同時也會引起地下水位下降、地表沉陷、環境破壞等多種生態環境問題. 因此，實時、準確地監測覆巖變形的分布和破壞范圍并分析其動力學特征和演化規律，可以為煤礦地質災害的評價和預測提供可靠的數據支撐，同時對保障煤礦的安全生產具有十分重要的意義.

目前，針對上覆巖層的變形和破壞常用的分析和測量方法有：經驗公式[30]、相似材料模擬試驗[31]、數值模擬[32]、物探方法[33]. 這些方法提高了覆巖變形的計算或估算精度，為保障煤礦的安全、高效生產提供了支持. 但在實際應用過程中，上述方法存在定量化水平不高，難以準確反映上覆巖層的變形、破壞和垮塌的全過程等問題.

研究者們將光纖傳感器或分布式光纜植入地表或煤巷的鉆孔中，監測覆巖的變形和受力情況，并針對覆巖變形開展了研究. 文獻[34] 將3 種不同的變形感測光纜植入工作面上方的地表鉆孔中，利用分布式的BOTDR 技術監測煤炭地下采動過程中的覆巖變形情況，研究了開采下覆巖的變形和破壞過程. 文獻[35] 在煤礦工作面斜上方的兩個不同角度鉆孔中植入分布式光纜，利用BOTDR 光纖感測技術監測煤層開采過程上覆巖層的動態受力和變形的情況，并結合覆巖的巖性組合分析了垮落帶和導水裂隙帶的發育高度. 文獻[36-38] 利用光纖光柵和分布式光纖傳感技術，針對采場覆巖變形開展了一系列模擬試驗，將光柵傳感器或分布式光纜埋入巖土試驗模型，研究了煤炭開采過程中光纖應變與采場覆巖垮落演化特征之間的關系.文獻[39-40] 利用分布式光纖傳感技術開展針對煤礦采動過程中覆巖變形的試驗模擬和現場研究，通過構建試驗模型和地表鉆孔中植入分布式光纜，研究了煤炭采動引起的覆巖變形的變形模式.

與傳統的監測方法相比，光纖傳感技術為研究覆巖變形的提供了一種更準確的方法. 通過在煤巷上覆巖層中布設光纖傳感器或光纜，可以實時感測煤巖開采過程中覆巖的應變狀態，分析覆巖變形和破裂的動力學過程. 對預防煤礦災害和地表生態保護具有重要意義.

采空區是因開采作業引發的圍巖變形、失穩而產生位移、開裂、破碎、垮落，甚至上覆巖土層整體彎曲、下沉所引起的地表變形和破壞的區域，是引起地面塌陷和地裂縫形成的原因之一. 采空區上覆巖體的坍塌變形對地表形態、土地資源及農田、地面建筑、鐵路公路、地下水、地表水等會造成較大的影響和破壞，嚴重影響采空區上覆及其周圍環境內人們正常的生產和生活，進而帶來一系列嚴重的經濟和社會問題.

隨著城市化進程的不斷加快，城市邊界不斷擴展，煤礦采空區土地成為城市發展的重要自然資源. 建筑物下方采空區、鐵路（地鐵）下方采空區、公路下方采空區等問題成為城市發展進程中面臨的重要問題[41]. 因此分析采空區的剩余變形量和評價采空區的穩定性，對于保障城市建設、維護公共安全具有重要意義.

目前，采空區地層變形的監測主要以地面沉降監測技術為主，如合成孔徑干涉雷達（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）技術、遙感影像、GPS 技術等. 這些技術都是通過對地表變形情況進行測量來反演地層變化情況，但無法獲得地層各層位的真實變形數據，對于地下各層位的沉降變形情況并沒有有效的觀測手段. 分布式光纖感測技術具有分布式特點，可以感知測量感測光纜沿線每一點的應變變化. 感測光纜本身纖細微小，易于施工植入到鉆孔內，因此可以感知測量鉆孔內全地層的變形情況，并實現全地層變形的精細化測量.

本文選取某條經過煤礦采空區的地鐵線路開展地層穩定性的分布式光纖監測技術研究，監測地鐵施工過程中采空區上覆巖層的變形情況. 綜合地層變形布設和監測的要求，選擇了直徑為5 mm 的金屬基應變感測光纜用于采空區覆巖地層整體變形的監測，其主要性能參數和光纖結構分別如表1 和圖3 所示；選取了點距為5 m 的定點式應變感測光纜用于采空區局部地層變形的精細監測，其主要性能參數和光纖結構分別如表2 和圖4 所示；選取溫度感測光纜用于變形數據的溫度補償，其主要性能參數和光纖結構分別如表3和圖5所示. 以上3種光纜具有良好的抗拉和抗壓強度、較高的應變傳遞性能，能夠滿足鉆孔的布設和監測需求，光纜布設方式如圖6所示.

監測設備采用南京法艾博光電科技有限公司自主研發的基于BOTDR原理的Ada-3032D型分布式光纖應變/溫度監測系統，該設備能夠獲取傳感光纖上任意點處的布里淵散射光頻譜信息并據此同步解算出沿傳感光纜的應力場、溫度場以及損耗分布，具有單端無損監測、監測精度高、傳感距離長以及測量重復性好等優點.

埋入鉆孔的光纜與地層穩定耦合之后，針對該處采空區的覆巖變形情況進行了多組測量，圖7 分別為5 m 定點光纜和金屬基應變感測光纜的應變曲線. 對比兩種類型光纜的應變曲線可知，定點光纜具有良好的局部地層的應變感知能力且各定點之間的變形不會互相影響，使局部地層的應變測量更加精細；金屬基應變感測光纜更能反映出地層的整體變化情況，不同地層之間的變形相互影響，共同作用于整個地層的變形曲線.

該處地鐵未開始施工，兩組光纜觀測到的多期應變結果并沒有明顯差異，表明該處采空區目前處于穩定狀態. 但在后期地鐵線路的施工過程中，是否會對采空區地層變形產生影響，需要在工程開展后對光纖變形數據持續監測分析.