2 煤礦地質(zhì)光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹          

國內(nèi)外研究者利用分布式光纖傳感技術(shù)，在煤礦地質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中開展了不同程度的試驗(yàn)和研究. 本文主要介紹布里淵光時(shí)域反射光纖傳感技術(shù)在煤礦安全高效生產(chǎn)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.

作為煤礦生產(chǎn)的咽喉通道，礦山井筒是保證煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié). 煤礦開采深度逐漸增加、復(fù)雜的地質(zhì)條件、環(huán)境因素等使井壁的受力情況也復(fù)雜多變[14]. 煤礦采動(dòng)、地應(yīng)力變化、地下水位下降、井壁混凝土腐蝕等情況，導(dǎo)致井筒在服役過程中受到不均勻荷載作用和有害化學(xué)環(huán)境腐蝕等因素的多重破壞. 從而誘發(fā)井筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)損傷和化學(xué)變化，使井壁結(jié)構(gòu)承載力急劇下降而失效. 嚴(yán)重威脅煤礦工人生命安全并給煤礦造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[15].因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井壁的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)對(duì)于保證煤礦的安全生產(chǎn)尤為重要[16].

目前井筒變形的監(jiān)測(cè)方法主要有利用精密水準(zhǔn)儀、鋼絲基準(zhǔn)線法、激光垂準(zhǔn)儀、GPS 等直接測(cè)量技術(shù)和基于傳感器（如測(cè)斜儀、壓力計(jì)、應(yīng)變計(jì)）的間接推演方法[17]，但這些方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)井筒變形進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè). 同時(shí)，由于井壁所處的復(fù)雜地質(zhì)條件和環(huán)境因素，傳統(tǒng)電學(xué)傳感器很容易受到井壁變形、水和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境的影響而失效.

近年來，利用光纖傳感技術(shù)對(duì)煤礦井筒變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)引起研究者的極大關(guān)注. 最初主要采用光纖光柵技術(shù)對(duì)井筒變形的監(jiān)測(cè)和預(yù)警開展研究[18-19]. 與光纖光柵傳感技術(shù)相比，分布式光纖傳感技術(shù)具有分布式、不漏點(diǎn)的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，在煤礦井筒變形監(jiān)測(cè)中也取得了較好的應(yīng)用效果. 通常情況下，分布式光纜的布設(shè)方式如圖2 所示. 文獻(xiàn)[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(duì)監(jiān)測(cè)效果的影響，為井筒變形的分布式光纖監(jiān)測(cè)提供了經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ). 文獻(xiàn)[21] 基于BOTDR 光纖傳感技術(shù)，研究傳感光纜的布設(shè)方法和異常變形的檢測(cè)方法，得出了灌漿引起的井筒變形的演化規(guī)律. 文獻(xiàn)[22]利用分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)對(duì)治理井壁滲漏期間的井筒變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了壁后注漿技術(shù)治理井壁滲漏過程中的井筒應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析了注漿液的擴(kuò)散情況. 光纖傳感技術(shù)已經(jīng)在煤礦井筒變形監(jiān)測(cè)中獲得了一定程度的試驗(yàn)和應(yīng)用，為煤礦井筒變形監(jiān)測(cè)提供了一種新型、可靠、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)方法.

深部巷道處于高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓的特殊地質(zhì)環(huán)境，各種煤礦安全事故的發(fā)生幾率很高. 特別是當(dāng)巷道走向的巖體強(qiáng)度不均勻時(shí)（如巷道穿過軟硬交替的巖層、含水?dāng)鄬踊蛄芽p等），局部軟弱部位的變形破壞帶來的應(yīng)力不均會(huì)進(jìn)一步加劇巷道其他部位的失穩(wěn)，進(jìn)而破壞整段巷道[23]. 因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道及其周圍巖體的變形情況，針對(duì)變形嚴(yán)重的部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和治理，對(duì)確保深部煤炭資源安全、高效開采作用重大[24].

近年來，國內(nèi)外研究者利用分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)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(yàn)和研究，并取得了一定的研究成果. 文獻(xiàn)[25]將分布式光纜安裝在開挖面前方的鉆孔中，利用BOTDR 技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（tunnel boring machine, TBM）掘進(jìn)巷道過程中圍巖變形行為，解決了傳統(tǒng)傳感器只能安裝于掘進(jìn)面后方而無法監(jiān)測(cè)掘進(jìn)面前方的應(yīng)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(xiàn)[26-27] 采用BOTDR 光纖應(yīng)變傳感技術(shù)，針對(duì)巷道頂板變形監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下的光纜選取和布設(shè)工藝開展研究，并通過室內(nèi)試驗(yàn)建立起頂板沉降變形與光纖應(yīng)變之間的關(guān)系模型. 文獻(xiàn)[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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光纜的應(yīng)變變化，進(jìn)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(shù)的應(yīng)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(shù)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(guān)鍵問題之一. 地下開采導(dǎo)致上覆地層應(yīng)力的重新分布，在重力等構(gòu)造應(yīng)力的作用下，工作面上覆巖層發(fā)生變形、分離、破裂和坍塌. 上覆巖層的變形和垮塌會(huì)破壞巷道安全，進(jìn)而引發(fā)突水事故、沖擊地壓、瓦斯突出等災(zāi)害，給煤礦安全生產(chǎn)帶來重大隱患；同時(shí)也會(huì)引起地下水位下降、地表沉陷、環(huán)境破壞等多種生態(tài)環(huán)境問題. 因此，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)覆巖變形的分布和破壞范圍并分析其動(dòng)力學(xué)特征和演化規(guī)律，可以為煤礦地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)對(duì)保障煤礦的安全生產(chǎn)具有十分重要的意義.

目前，針對(duì)上覆巖層的變形和破壞常用的分析和測(cè)量方法有：經(jīng)驗(yàn)公式[30]、相似材料模擬試驗(yàn)[31]、數(shù)值模擬[32]、物探方法[33]. 這些方法提高了覆巖變形的計(jì)算或估算精度，為保障煤礦的安全、高效生產(chǎn)提供了支持. 但在實(shí)際應(yīng)用過程中，上述方法存在定量化水平不高，難以準(zhǔn)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(jiān)測(cè)覆巖的變形和受力情況，并針對(duì)覆巖變形開展了研究. 文獻(xiàn)[34] 將3 種不同的變形感測(cè)光纜植入工作面上方的地表鉆孔中，利用分布式的BOTDR 技術(shù)監(jiān)測(cè)煤炭地下采動(dòng)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(xiàn)[35] 在煤礦工作面斜上方的兩個(gè)不同角度鉆孔中植入分布式光纜，利用BOTDR 光纖感測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)煤層開采過程上覆巖層的動(dòng)態(tài)受力和變形的情況，并結(jié)合覆巖的巖性組合分析了垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度. 文獻(xiàn)[36-38] 利用光纖光柵和分布式光纖傳感技術(shù)，針對(duì)采場(chǎng)覆巖變形開展了一系列模擬試驗(yàn)，將光柵傳感器或分布式光纜埋入巖土試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究了煤炭開采過程中光纖應(yīng)變與采場(chǎng)覆巖垮落演化特征之間的關(guān)系.文獻(xiàn)[39-40] 利用分布式光纖傳感技術(shù)開展針對(duì)煤礦采動(dòng)過程中覆巖變形的試驗(yàn)?zāi)M和現(xiàn)場(chǎng)研究，通過構(gòu)建試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃偷乇磴@孔中植入分布式光纜，研究了煤炭采動(dòng)引起的覆巖變形的變形模式.

與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法相比，光纖傳感技術(shù)為研究覆巖變形的提供了一種更準(zhǔn)確的方法. 通過在煤巷上覆巖層中布設(shè)光纖傳感器或光纜，可以實(shí)時(shí)感測(cè)煤巖開采過程中覆巖的應(yīng)變狀態(tài)，分析覆巖變形和破裂的動(dòng)力學(xué)過程. 對(duì)預(yù)防煤礦災(zāi)害和地表生態(tài)保護(hù)具有重要意義.

采空區(qū)是因開采作業(yè)引發(fā)的圍巖變形、失穩(wěn)而產(chǎn)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(qū)域，是引起地面塌陷和地裂縫形成的原因之一. 采空區(qū)上覆巖體的坍塌變形對(duì)地表形態(tài)、土地資源及農(nóng)田、地面建筑、鐵路公路、地下水、地表水等會(huì)造成較大的影響和破壞，嚴(yán)重影響采空區(qū)上覆及其周圍環(huán)境內(nèi)人們正常的生產(chǎn)和生活，進(jìn)而帶來一系列嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題.

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市邊界不斷擴(kuò)展，煤礦采空區(qū)土地成為城市發(fā)展的重要自然資源. 建筑物下方采空區(qū)、鐵路（地鐵）下方采空區(qū)、公路下方采空區(qū)等問題成為城市發(fā)展進(jìn)程中面臨的重要問題[41]. 因此分析采空區(qū)的剩余變形量和評(píng)價(jià)采空區(qū)的穩(wěn)定性，對(duì)于保障城市建設(shè)、維護(hù)公共安全具有重要意義.

目前，采空區(qū)地層變形的監(jiān)測(cè)主要以地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)為主，如合成孔徑干涉雷達(dá)（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）技術(shù)、遙感影像、GPS 技術(shù)等. 這些技術(shù)都是通過對(duì)地表變形情況進(jìn)行測(cè)量來反演地層變化情況，但無法獲得地層各層位的真實(shí)變形數(shù)據(jù)，對(duì)于地下各層位的沉降變形情況并沒有有效的觀測(cè)手段. 分布式光纖感測(cè)技術(shù)具有分布式特點(diǎn)，可以感知測(cè)量感測(cè)光纜沿線每一點(diǎn)的應(yīng)變變化. 感測(cè)光纜本身纖細(xì)微小，易于施工植入到鉆孔內(nèi)，因此可以感知測(cè)量鉆孔內(nèi)全地層的變形情況，并實(shí)現(xiàn)全地層變形的精細(xì)化測(cè)量.

本文選取某條經(jīng)過煤礦采空區(qū)的地鐵線路開展地層穩(wěn)定性的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，監(jiān)測(cè)地鐵施工過程中采空區(qū)上覆巖層的變形情況. 綜合地層變形布設(shè)和監(jiān)測(cè)的要求，選擇了直徑為5 mm 的金屬基應(yīng)變感測(cè)光纜用于采空區(qū)覆巖地層整體變形的監(jiān)測(cè)，其主要性能參數(shù)和光纖結(jié)構(gòu)分別如表1 和圖3 所示；選取了點(diǎn)距為5 m 的定點(diǎn)式應(yīng)變感測(cè)光纜用于采空區(qū)局部地層變形的精細(xì)監(jiān)測(cè)，其主要性能參數(shù)和光纖結(jié)構(gòu)分別如表2 和圖4 所示；選取溫度感測(cè)光纜用于變形數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償，其主要性能參數(shù)和光纖結(jié)構(gòu)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(qiáng)度、較高的應(yīng)變傳遞性能，能夠滿足鉆孔的布設(shè)和監(jiān)測(cè)需求，光纜布設(shè)方式如圖6所示.

監(jiān)測(cè)設(shè)備采用南京法艾博光電科技有限公司自主研發(fā)的基于BOTDR原理的Ada-3032D型分布式光纖應(yīng)變/溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該設(shè)備能夠獲取傳感光纖上任意點(diǎn)處的布里淵散射光頻譜信息并據(jù)此同步解算出沿傳感光纜的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及損耗分布，具有單端無損監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)精度高、傳感距離長(zhǎng)以及測(cè)量重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn).

埋入鉆孔的光纜與地層穩(wěn)定耦合之后，針對(duì)該處采空區(qū)的覆巖變形情況進(jìn)行了多組測(cè)量，圖7 分別為5 m 定點(diǎn)光纜和金屬基應(yīng)變感測(cè)光纜的應(yīng)變曲線. 對(duì)比兩種類型光纜的應(yīng)變曲線可知，定點(diǎn)光纜具有良好的局部地層的應(yīng)變感知能力且各定點(diǎn)之間的變形不會(huì)互相影響，使局部地層的應(yīng)變測(cè)量更加精細(xì)；金屬基應(yīng)變感測(cè)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(gè)地層的變形曲線.

該處地鐵未開始施工，兩組光纜觀測(cè)到的多期應(yīng)變結(jié)果并沒有明顯差異，表明該處采空區(qū)目前處于穩(wěn)定狀態(tài). 但在后期地鐵線路的施工過程中，是否會(huì)對(duì)采空區(qū)地層變形產(chǎn)生影響，需要在工程開展后對(duì)光纖變形數(shù)據(jù)持續(xù)監(jiān)測(cè)分析.