分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望.pdf

第 48 卷增 1煤炭学报Vol.48Supp.12023 年4 月JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYApril2023安全科学与工程分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望侯公羽1，胡志宇1，李子祥2，赵庆儒1，冯东兴1，程成1，周航1(1中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083;2 安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001)摘要:目前国内煤矿普遍采取高强度(大采高)的开采现状，伴随着煤矿开采智能化快速发展，对煤矿安全监测也提出了更高的要求。现有的煤矿巷道一般长达几千米，工作面面积更是能达到几平方千米，很难通过人工方式或使用传统的点态传感器来准确、实时地获取如此大面积的监测信息。由于光纤材质具有易于加工、耐磨性高、耐腐蚀性强、绝缘性好、抵抗地下水和电磁干扰能力强等优点，随着近代光学基础理论及光纤通信的发展，各种光学器件的制造成本也在不断降低，将光纤监测技术用于监测领域是发展的必然结果。而且光纤主要成分为二氧化硅，属于本质安全型传感器，特别适合于在煤矿等高危环境下监测。本文系统总结了各类光纤传感技术的基本原理、优缺点和适用条件，重点介绍了采用光纤光栅及分布式光纤传感技术在煤矿安全监测中进行煤矿立井壁变形、采空区地层沉陷变形、采动覆岩变形、巷道安全及稳定性、煤矿瓦斯监测预警等方面的应用现状，展望了分布式光纤监测技术的应用前景。通过对已有文献的分析，获得了如下结论:光纤传感技术能够满足在不同条件下对煤矿安全监测的基本要求，可以在各种恶劣环境下使用。与现有的传统人工监测、点态传感器等常规测试方式和技术相比，光纤监测技术的灵敏度高、监测范围大、能够在时空上进行连续、大范围的分布式监测，在煤矿安全监测中具有极大的优势，拥有较好的应用前景。关键词:光纤传感;布里渊光时域反射;变形监测;温度监测;安全监测中图分类号:TP212文献标志码:A文章编号:02539993(2023)S1009615移动阅读收稿日期:20220418修回日期:20220526责任编辑:郭晓炜DOI:1013225/jcnkijccs20220527基金项目:国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合重点资助项目(U1261212，U1361210);国家自然科学基金委员会与 2020 年度高速铁路基础研究联合基金重点资助项目(U2034205)作者简介:侯公羽(1965)，男，辽宁灯塔人，教授，博士生导师，博士。Email:hgyht126com通讯作者:胡志宇(1998)，男，河南商丘人，硕士研究生。Email:huzhiyuhh163com引用格式:侯公羽，胡志宇，李子祥，等 分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望J 煤炭学报，2023，48(S1):96110HOU Gongyu，HU Zhiyu，LI Zixiang，et al Present situation and prospect of coal mine safety monitoring basedon fiber bragg grating and distributed optical fiber sensing technology J Journal of China Coal Society，2023，48(S1):96110.Present situation and prospect of coal mine safety monitoring based on fiberbragg grating and distributed optical fiber sensing technologyHOU Gongyu1，HU Zhiyu1，LI Zixiang2，ZHAO Qingru1，FENG Dongxing1，CHENG Cheng1，ZHOU Hang1(1School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and TechnologyBeijing，Beijing100083，China;2School of Civil Engineeringand Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan232001，China)Abstract:At present，domestic coal mines generally adopt the mining status of high intensity(large miningheight)With the rapid development of intelligent coal mining，higher requirements are put forward for coal mine safe-ty monitoring The existing coal mine roadway is generally thousands of meters long，and the working face area canreach several square kilometers It is difficult to obtain such a large area of monitoring information accurately and in增刊 1侯公羽等:分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望real time by manual means or using traditional point state sensors Because the optical fiber material has the advanta-ges of easy processing，high wear resistance，strong corrosion resistance，good insulation and strong resistanceto groundwater and electromagnetic interference，with the development of modern optical basic theory and optical fi-ber communication，the manufacturing cost of various optical devices is also decreasing It is an inevitable resultof the development of optical fiber monitoring technology in the field of monitoring The main component of optical fi-ber is silica，which is an intrinsically safe sensor，especially suitable for monitoring in high-risk environments suchas coal mines This paper systematically summarizes the basic principles，advantages，disadvantages and applica-ble conditions of various optical fiber sensing technologies，and focuses on the application status of optical fiber gratingand distributed optical fiber sensing technology in coal mine safety monitoring，such as coal mine shaft wall deforma-tion，goaf stratum subsidence deformation，mining overburden deformation，roadway safety and stability，coalmine gas monitoring and early warning，etc，The application prospect of distributed optical fiber monitoring technologyis prospected Through the analysis of the existing literature，the following conclusions are obtained:Optical fibersensing technology can meet the basic requirements of coal mine safety monitoring under different conditions and canbe used in various harsh environments Compared with existing conventional testing methods and technologies suchas traditional manual monitoring and point-state sensor，optical fiber monitoring technology has high sensitivity，large monitoring range，and can carry out continuous and large-scale distributed monitoring in time and spaceIt has great advantages in coal mine safety monitoring and has a good application prospectKey words:optical fiber sensing;brillouin optical time domain reflection;deformation monitoring;temperature monito-ring;safety monitoring煤炭是目前支撑国内工业生产活动及生活的主要能源，我国丰富的煤炭储量为国民经济发展提供了可靠保障，未来几年煤炭资源将继续在一次能源消费结构中占据优先地位13。随着我国部分地区浅部煤层的日益枯竭，煤矿的开采深度在逐渐增加，致使煤矿安全生产面临的灾害威胁越来越多，确保煤炭资源的安全开采成为了人们必须面对的关键问题4。煤矿事故是影响安全开采的重要因素，事故的发生一部分原因是由于支护不当造成。相关研究5 通过对常规条件下巷道支护设计的原理与方法进行总结，指出巷道的支护设计必须依据围岩与支护结构的相互作用机制来确定或估算支护结构受到的荷载大小。其研究成果对减少煤矿支护事故，降低支护成本具有重要的意义与价值。除支护不当原因外，对煤矿的安全监测不足也会导致发生事故。现有的煤矿巷道长达几千米，工作面面积更是多达几平方千米，在这种情况下现有的传统人工监测手段、点态传感器等常规测试方式很难准确、实时地获取工作面大面积的监测信息6。光纤传感技术伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成，是一种新型的传感技术。技术本身具有抗电磁干扰、测量精度高、自动化程度高等优点，因此在煤矿安全领域逐渐得到应用。和传统的监测技术相比，分布式光纤传感技术的特点在于:造价低廉，分布式光纤技术使用标准的通信光纤做为传感器，并在外部封装各种保护措施，其低廉的造价为光纤在工程中大规模使用及实现分布式监测提供了可能性。感测点分布连续性、测点覆盖性好，不存在监测盲区，大大降低了漏检的可能。传感器本质安全，且石英材质耐地下水侵蚀及抗电磁干扰能力强，力学性质较为稳定。基于光纤原理设计的传感器具有应变测量精度高、温度感知灵敏度高等特点，能够满足各类对测量精度控制严格的工程健康监测的要求79。近年来，相关行业的科研人员利用分布式光纤传感技术，在各类管道工程10、市政与岩土工程11、资源勘探12 等领域已经开展了众多卓有成效的研究。本文系统总结了目前煤矿安全监测中分布式光纤及光纤光栅传感技术的一些应用实例和技术分析，展望了未来的应用前景。1光纤传感定义及原理1.1光纤传感技术及相关定义光纤传感技术，是指以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。其原理是光在光纤中传播时，与光纤中的二氧化硅及其他掺杂的杂质作用，产生光的散射现象。现有的光纤传感技术，也多是利用了光的散射原理进行各种参量的感知。基于待测量的空间分布，光纤传感器可分为 3类(图 1)，主要区别13 如下:79煤炭学报2023 年第 48 卷(1)点式传感器。测量是在空间中的一个点上进行的，但可能使用多个通道来处理多个点。例如单光纤布拉格光栅(FBG)传感器。(2)准分布式传感器。通过一根信号传导线将相关的传感器串联起来，形成一个分布式感测网络，待测参数是一根传导线上若干固定或离散的点。最常见的例子是多路 FBG 传感器。(3)分布式传感器。传导线具有信号传输和传感监测两方面功能，可以获得沿线被测量的全分布信息。图 1光纤传感技术概念Fig.1Conceptual diagram of optical fiber sensing technology光纤监测系统是利用计算机、通信技术以及光纤特性测量技术，对光纤传输网进行远程分布式的实时监测，并对光缆线路的状况信息集中收集、处理和存储的一种自动化监测系统。系统一般由前端光纤传感器、光纤解调仪、数据库、显示终端等组成，具备周期测试、数据综合分析和自动告警等功能。图 2 为光纤光栅监测系统应用于现场的工作流程14。图 2光纤光栅闭环监测系统Fig.2Fiber Grating closed-loop monitoring system1.2分布式光纤传感技术简介(1)光纤中散射光的分类。光的散射是一种普遍现象，产生的原因是光在传播过程中由于被介质中的物质影响而发生偏折。现有的光纤传感技术也普遍是利用光的散射原理实现对各种参量的感知。根据散射光的频段分布及在不同带宽范围内的光强高低，由低频带到高频带可以分为:瑞利散射光、布里渊散射光、拉曼散射光、背向(后向)布里渊散射光，散射光的光谱分布如图 3 所示。图 3光纤中不同的散射光类型Fig.3Different types of scattered light in optical fiber(2)布里渊光时域反射技术(BOTD)。布里渊光时域反射技术(简称 BOTD 技术)是一种工程中应用较广泛的技术，它利用了布里渊自发散射光的频率和功率同光纤中的温度和应变成正比的性质，通过测量光纤中的背向自发布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。由于BOTD 具有单端测试、无需形成闭环回路、光纤中的断点易寻等优良性质，所以在隧道、桥梁等工程中得到了大规模的应用。其基本原理如图 4 所示(图 4中，vB(0)为当应变为 0 时的布里渊频率的漂移量，MHz;vB(e)为当应变为 e 时的布里渊频率的漂移量，MHz;Z1，Z2为沿光纤方向上的距离，m)。图 4布里渊散射分布式光纤应变感测技术Fig.4Brillouin scattering distributed optical fiber strainsensing technology(3)布里渊光频域分析技术(BOFDA)。布里渊光频域分析技术采用了基于受激布里渊散射光的双端测试的原理，其一端输出泵浦光，另一端输出的是脉冲光，利用了泵浦光和脉冲光在光纤中相互碰撞，继而产生大量声学声子的性质。光纤内的布里渊声学声子其能量和温度以及应变为线性关系，从而使光89增刊 1侯公羽等:分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望纤能够实现温度和应变的测量。和 BOTD 技术所采用的自发布里渊散射光相比，BOFDA 产生的受激布里渊散射光功率更高，因此具有更高的空间分辨率和监测精度。以目前的技术，其应变监测精度可以达到 2106。(4)光频域反射技术(OFD)。光频域反射技术(简称 OFD)，是近年来以高精度、高空间分辨率为目标开发出的一种新型分布式光纤传感技术，其利用的为光纤中的瑞利散射光。光纤制造工艺中因折射率分布不均，有特定瑞利散射频谱分布，光纤某位置受温度或应变影响，发生瑞利散射频移，频移量与温度和应变成线性关系。OFD 技术具有极高的空间分辨率，可以达到毫米级别，但是其缺点是测量距离较短，一般只有几十到几百米。(5)拉曼 散 射 技 术(OTD)。拉 曼 散 射 技术(简称 OTD)，是一种以分布式测温为目标开发出的一种新型分布式光纤传感技术。其利用的为光纤中的拉曼散射光，拉曼散射光和光纤中的介质发生弹性碰撞，会释放出斯托克斯光和反斯托克斯光。依据二者之比和温度变化之间的物理关系，可以实现对温度的测量。由于拉曼散射只对温度敏感，而对应变、变形等参量不敏感，所以目前该技术被广泛应用于各种特殊工程的温度监测中。1.3光纤光栅传感技术简介光纤光栅传感器(简称 FBG 传感器)，属于光纤传感器家族中的一种特殊类型。光纤光栅的传感原理和分布式光纤技术有所不同，它是通过紫外线腐蚀等特殊手段，在一整段完整的光纤中预先刻制好带有不同间隔栅距的光栅，而这些光栅和外界物理参量之间可以通过波长的调制来感受环境变化信息，因此传感器本质上是通过光栅对波长的调制进行感知。光纤光栅的的原理结构如图 5 所示。其结构主要包含一个 ASE 或 SLDE 和一个具有固定带宽的环形器。光源中可以发射出能量高低不等的激光，并直接通过内部的环行器入射到传感器中，传感器内部的光纤中刻制的格栅距离不等的光纤负责对波长进行解调，解调后的光纤信号再重新经由环行器接入解调器内部，读出光纤内部的波长变化值。从图 5 可以看出(图 5 中，l 为散射光的强度，mW;为反射光的波长，nm;B为波长的漂移量，nm;B为栅距产生变化后的波长，nm;，T 分别为应变、温度;B/B0为比例系数;为栅距，nm;neff为常数)，当传感器探头所感知到的外界温度、压力等参量发生变化时，将会改变光栅栅距，从而会使得反射光的波长产生变化，通过解调装置的检测和扫描，即可被光纤所感知。依据光纤光栅的感知原理不同，可以将其进行以下分类:一是布拉格光栅，其特征是光纤内部反射光的周期较短;另一类则相反，其光栅间隔较长，又称为长周期光栅或透射光栅。如果依据光栅的栅距间隔进行分类，可以将其设计成具有周期性的反射结构和不具有周期性的反射结构。根据反射光色散的补偿类型，还可以将其分为色散补偿型光栅和非周期性解调的非色散补偿型光栅(又称为啁啾光栅)。图 5光纤光栅原理Fig.5Fiber Bragg grating schematic diagram随着光纤通信理论的不断成熟及光纤通信产业的发展，各类光纤器件的成本逐渐降低，光纤传感器凭借其在价格上的优势和优秀的传感稳定性，在各种结构健康监测中得到大量应用。特别是其中作为代表的分布式光纤传感技术和光纤光栅传感技术，因光纤具有灵敏度高、质量轻、易于铺设、体积小等优势，受到了广大科研人员的青睐。各行的科研人员利用分布式光纤传感技术和光纤光栅传感技术，在航空航天工程、医疗化工、市政与岩土工程、资源勘探、电网基础设施等领域已经开展了众多卓有成效的研究。近年来在煤矿地质领域，光纤传感技术的应用刚刚起步，不难看出，光纤监测技术在此领域上具有广阔的应用前景。2光纤监测技术在煤矿安全监测领域的应用综述目前国内外研究人员已经认识到了光纤传感技术在煤矿地质领域的应用前景和应用价值，开始将光纤传感技术用于煤矿覆岩变形监测、露天矿边坡监测等方面。本节主要针对这些研究，从煤矿立井井筒变形、采空区地层沉陷变形、采动覆岩变形、巷道安全及稳定性、煤矿瓦斯监测预警等方面，对现有的研究成果进行综述和展望。2.1煤矿立井井筒变形的光纤监测技术煤矿井筒是连接地面和井下巷道的重要结构，也是人员进出矿井、井下煤炭运输的重要作业通道。因99煤炭学报2023 年第 48 卷此，煤矿井筒的稳定直接关乎井下作业人员的安全和设备的正常使用。煤矿井筒属于深长型永久型结构，其服役期较长，且容易在地应力和地下水、有害化学环境的腐蚀等作用下出现井壁开裂受损现象，威胁井壁结构的承载力，甚至可能导致立井结构出现失稳、坍塌等重大灾害事故，严重威胁井下工作人员的生命安全1516。因此，对井壁的安全状态，包括变形、应变等进行实时监测对于保障安全生产十分重要17。现有的监测立井结构的方法，在变形监测方面主要有水准仪、全站仪、钢丝式收敛计等;在应力应变监测上主要利用压力计、应变计等一些点态传感器18。但这些方法一方面耗时耗力，人工工作量大，传感器价格昂贵，监测成本大;另一方面，这些监测方式均为点式监测，即需要人工预先设置若干监测断面，其判断结果非常依赖于人工主观判断，而在监测断面与监测断面之间没有布设测点或传感器的部分，则无法获得结构的变化情况，大大降低了结构失稳的测出率。在分布式光纤技术还没有推广到地质监测领域之前，最初的研究人员对井筒变形的监测研究主要是通过光纤光栅传感器:朱磊等19 对井筒附近容易发生井壁结构破坏的地层区间进行了调研，在井壁上和井筒周围的地层中布设了光纤光栅传感器，并对监测系统采集到的数据进行了详细的分析。通过研究发现光纤光栅的监测数据变化和地层的动态变化具有非常强的相关性，松散层附近的井筒更容易发生结构破坏，且光纤光栅的波长变化和水位的变更呈现正相关。在地层压缩期传感器的波长减小，而在地下水位上升时，波长会增大。由此可以依据地层的变形情况对井筒安全状态进行动态判断。黄明利等20 采用光纤光栅技术，基于监测数据对井筒结构的变形以及受力机理进行了理论研究，通过分析井筒受力和变形数据的动态过程，提出了基于测量参数的井筒破坏的应力预警阈值，并将理论研究结果与光纤光栅布设技术等融合到了光纤光栅井筒监测系统的开发中，为井筒安全监测评价提供了一整套行之有效的方案。但是在监测数据的连续性上，光纤光栅属于准分布式的传感器，虽然相较于传统的点态传感器有所进步，但其在井筒大范围、长距离监测上的优势并不是非常突出。为了解决光纤光栅传感器在长距离大范围监测上的不足，在南京大学研究团队将分布式光纤引入到地质工程监测中后，更多学者开始将分布式光纤传感技术运用到岩土工程监测中。在煤矿井筒变形监测中，目前也有了较多研究:LIU Z 等21 系统的探究了光纤的粘贴方式、黏接厚度、不同胶体、基体的弹性模量、剪切模量等对应变传递机制的影响，推导了应变传递效率的表达式，解决了分布式光纤在井筒监测中的施工工艺问题，为光纤在井壁上的布设提供了理论基础。PIAO C 等22 主要针对注浆作用下井筒的变形机制以及如何通过 BOTD 技术监测井壁的膨胀变形等问题开展了研究，在对光纤的布设工艺进行优化后，分析了在注浆过程中井筒的变形机制及变形演化规律，并对监测数据的异常点进行了分析。郭建伟等23 同样应用分布式光纤技术对井筒注浆期间的变形情况进行了监测研究。在其研究中重点关注了采用不同注浆浆液时，井壁的应变增长位置和注浆点所在位置的相对关系，通过光纤监测数据发现，采用水泥注浆初期，井筒产生的应变为压应变，且应变一直保持增长，井筒应变增长点和注浆点的位置一致;而采用化学注浆时，井筒的应变增长点和注浆点的位置差异较大，分析得出这是两种注浆浆液的流动性不同而造成的注浆范围扩散差异引起的，由此证明了分布式光纤技术的可靠性。从目前的研究可以看出，和传统的点式传感器以及光纤光栅传感器相比，分布式光纤监测技术在类似井筒等一些狭长结构的大范围、长距离监测中优势明显，监测的安全性、准确性和可靠性比传统监测方式更有保障，监测的效率得到了大大提高。这说明分布式光纤监测技术用于煤矿井筒应力应变以及变形监测是可行的，应用前景广阔。2.2煤矿巷道变形的光纤监测技术现有的煤矿巷道，其纵向长度一般都在几千米左右，且随着我国采煤深度越来越深，巷道也易受到深部围岩高地应力、高地温等高风险恶劣环境的威胁，巷道围护结构的安全面临着越来越严峻的挑战。尤其是巷道穿越地质构造带，周围有断层结构，或者是沿着巷道走向的围岩力学强度分布复杂，在坚硬岩层中夹杂有上覆或下卧软弱围岩时，会使得巷道在地应力作用下发生局部破坏，进一步导致巷道内部的应力分布失衡24。因此，亟需一种能够对巷道全长进行高效、分布式无盲区的监测手段，来面对巷道深部复杂地质灾害的威胁，从而保障井下工作人员的生命安全和生产设备的使用25。近年来，为了解决传统传感器在面对巷道长距离监测上的不足，国内外研究人员已经开始逐步研究如何利用分布式光纤技术对巷道的变形、应力应变等开展安全监测，并在理论和应用方面取得了许多可喜的成果:TANG B 等26 指出 TBM 在煤矿巷道掘进过程中，只依靠在后方的传感器，无法对工作面前方开展超前地质探测。为了解决这一问题，TANG B 等在掘001增刊 1侯公羽等:分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望进工作面的前方打设了超前钻孔，并通过特殊的施工工艺将分布式光纤植入到了超前钻孔之中，对掘进工作面前方大范围内围岩的应力、应变和变形进行了探测，为 TBM 掘进工程中掘进工作面前方围岩控制和监测提供了一种行之有效的解决方案。笔者团队2730 针对巷道顶板的沉降模式进行了研究，并提出了一系列基于分布式光纤水平方向的应变反演顶板垂直方向变形的反演模型，并通过室内试验验证了其可行性。在笔者团队31 的另一项研究中，针对传统的光纤在巷道顶板采用直线式布设方式灵敏度不高的问题上，对其进行了改进，用锯齿状布设代替了直线式布设。其研究结果表明，在巷道产生相同沉降变形的条件下，光纤应变监测的灵敏度大大提高，解决了使用光纤监测巷道的微小变形灵敏度不高的问题。另外关于光纤在巷道的布设研究方面，侯公羽等还提出了埋入式32 和定点固定式33 的应变传递模型，探明了光纤巷道衬砌间的应变传递机制。孙斌杨等34 使用分布式光纤技术对巷道底板的应变场测试方法进行了研究。通过在巷道的底部打设底板钻孔，用特殊工艺将光纤植入进去，并将光纤另一端通过传输光纤接入回路解调仪，同时还在底板内加入了电阻率测试元件共同构成了巷道底板监测系统。通过监测系统获得了在工作面回采期间底板岩层的微应变变化情况，并和电阻率层析法的结果进行了比较，发现两者具有高度的一致性，都可以对回采过程中底板岩层的破坏进行准确的判断。张平松等35 基于分布式光纤技术，对煤矿巷道的底板岩层进行分析，判断出了最危险监测断面，并在该断面内打设了数个光纤钻孔，然后在钻孔内植入了光纤，通过对回采工作面经过时光纤监测数据的时空变化进行详细分析后发现，在工作面的回采过程中，底板破坏的超前应力现象明显，和实际回采过程的理论结果吻合。同时张平松等还对如何判断底板岩层的破坏深度进行了系统的分析研究，认为底板可能存在破坏的位置和多个岩层控制层面有关。通过光纤应变监测数据判断得到的破坏深度和电阻 CT 法的监测结果十分吻合。由此证明了分布式光纤技术在巷道底板监测中的可行性和优越性。通过对上述已有研究的分析，可以发现分布式光纤具有长距离、大范围、分布式的特点，十分适用于巷道监测。可见分布式光纤技术是监测巷道及围岩应力应变的一种十分高效的手段，可以在巷道监测中进行大面积推广使用。2.3煤矿采动覆岩变形的光纤监测技术煤矿的开采，必然会引发上覆岩层的应力重分布。在岩层二次应力不断调整直至达到平衡的过程中，总是会伴随着岩层的不断变形、运动，而覆岩的运移可能会导致冲击地压、突水或瓦斯突出等一系列的次生灾害。因此，对覆岩的变形运移进行监测，对于降低矿井安全隐患及保障井下人员安全至关重要。目前，研究采动覆岩变形的方法主要有经验公式36、相似材料模拟试验37、数值模拟38、物探方法39。经验公式法适合于估算覆岩破坏的高度，但是无法对覆岩破坏的细节做出判断;相似模拟试验虽然能够获得覆岩破坏的细节，但是难以真实地还原现场的岩层分布与复杂地质构造，因此和现场试验方法得出的结果往往有较大的出入。物探方法主要针对覆岩破坏进行监测，目前主要有现场压水试验法、钻孔电视法、止水胶囊法等。压水试验法的缺陷在于只依靠漏水量，难以确定覆岩在空间上的破坏演化规律，无法精确定位岩层破坏严重的位置;钻孔电视法的缺点在于成像精度容易受到钻孔泥浆和其他破碎岩块的干扰，不利于对深部覆岩的变形进行判断;而止水胶囊法存在止水胶囊下放工艺复杂、实施困难等缺点。因此，亟需一种能够对覆岩破坏实现分布式、大范围监测且易于操作、节省人力的监测手段。近年来，随着光纤监测技术被引入到岩土工程领域，国内外众多学者运用分布式光纤传感技术在覆岩变形和运移监测领域做了大量的研究工作，对覆岩变形破坏规律有了更深的认识。LIU Y 等40 采取了从地表打设垂直钻孔至开采工作面，然后在钻孔中植入光纤的方式，对工作面回采过程中的覆岩变化情况进行了监测，获得了工作面回采过程中覆岩的变形和运移规律，并通过对比 3 种不同的分布式光纤的监测结果，对光纤的选型进行了研究。张丹等41 采取在巷道内打设 2 组不同角度但方向平行于巷道走向的超前钻孔，然后在钻孔内布设光纤来监测工作面前方的覆岩变化情况，通过 BOTD 解调仪，获得了工作面回采过程中覆岩的应变变化曲线，并结合现场工作面上方覆岩力学参数，在对应变曲线反推后得出了裂隙带和垮落带的高度，为研究覆岩两带发育提供了一种新的方法。在使用光纤监测技术研究覆岩采动的室内试验方面，CHAI J 等4243 对采场覆岩在不同工况下的灾害进行了归纳分类，然后分别对不同覆岩破坏工况建立了相似试验模型，并使用内埋式光纤布设工艺，进行了开采过程中覆岩应力应变和变形的实时监测，通过光纤监测数据还原了现场真实覆岩破坏的力学机制。笔者团队44 利用 BOFDA 分布式光纤传感技术，按照山西省阳泉市荫营煤矿的实际情况，针对 15 号101煤炭学报2023 年第 48 卷煤层 13 工作面开展了采动相似模拟试验。通过对开采过程中覆岩的力学特征进行理论推导，在光纤应变覆岩运动高度二者之间建立了理论解析式，并基于试验结果详细分析了光纤应变和覆岩裂隙带、垮落带高度之间的关系，从而获得了基于光纤应变监测的煤矿覆岩两带高度定位、表征方法，为现场试验提供了重要参考依据。柴敬等45 综合利用准分布式光纤传感器(FBG)和分布式光纤技术(BOTDA)，通过开展相似模拟试验，研究了工作面采动过程中隔水关键层的破坏机制，通过研究发现开采工作面两侧在采动时会形成一定垮落角的斜向裂隙，在试验模拟条件下裂隙沟通至地表形成渗流通道，导致地下水沿着渗流通道引向工作面发生突水灾害。除此之外，通过相似模拟试验还发现在岩层断裂处埋设的光纤，其应变曲线呈现“双峰”特征，应变峰值的位置可用来表征覆岩断裂带的产生位置，为深部覆岩断裂破坏识别提供了一种有效的方法。笔者团队4648 采用 BOFDA 技术研究了覆岩变形和光纤频移曲线之间的映射关系，指出了覆岩变形、运移可以用光纤的频移曲线进行表征，并在实验室内建立了相似模拟试验模型进行验证。通过在采场覆岩模型中埋设了 5 条垂直巷道方向的光纤和 4 条不同高度处平行于巷道方向的光纤，发现光纤频移曲线的凸台宽度可以很好地表征岩层垮落的宽度，而频移量的大小则和裂隙带的发育宽度有关，研究结果为现场光纤测试提供了重要的理论依据。从以上研究结果可以看出，使用分布式光纤技术监测覆岩采动变形和运移是一种行之有效的方法，可以充分发挥光纤监测距离长、范围大、灵敏度高等优势。总体来看，对于覆岩的监测方案有 2 种方式，一种是从地表向下打设垂直钻孔到工作面，这种方法简单直观易于施工，但是在覆岩超前采动应力方面的监测相对受限。另一种方案为在巷道内部向上方覆岩打设超前钻孔，这种施工工艺相对复杂，但是可以很好的探测覆岩前方的超前采动应力。从监测垮落带、断裂带的角度来讲，2 种方案在实际监测中都是可行的。在现场监测时，可根据实际工程的工况，选择合适的方案。与传统的传感器相比，光纤不仅可以直接植入到覆岩中，获得开采过程中覆岩的力学变化行为，更能大大提高监测的灵敏度和灾害定位准确度。除此之外，光纤还具备定量获得覆岩破坏高度等参数的特点，对预防煤矿灾害的发生也有一定的指导意义。2.4采空区岩层变形的光纤监测技术以煤炭行业为主要经济来源的城市，采空区问题是城市发展进程中面临的重要问题之一49。对于地下开采的井工矿，一旦地下煤层开采完毕，上覆岩层由于失去煤层支撑，必然会产生失稳、破碎，形成垮落带、断裂带、弯曲下沉带三带。而弯曲下沉带的产生，会使地表产生塌陷区，称为采空区。采空区会对上覆的农田、地表建构筑物等造成较大的破坏，随着煤层的不断开采，采空区的范围不断扩大，严重影响了人们的正常生产生活。因此，有必要对采空区的岩层变形进行监测，及早发现出现采空区的地层，从而及早治理，将经济损失降到最低。目前，针对采空区的监测手段有 InSA(合成孔径干涉雷达)技术、GPS 遥感技术、GNSS/北斗卫星位移监测技术等。这些技术可以有效地观测到采空区的地表沉陷变形，操作简便，效果直观，已经被大量科研工作者证实了其可行性。但是，这些技术只能感测到采空区地表表面的沉降变形，对于采空区内部的情况无能为力。而采空区产生的根本原因在于地下岩层的不断陷落、运动，煤层上覆岩层中的弯曲下沉带的不断弯曲、变形、塌陷。因此，面对以上监测方式的不足，亟需一种能够从根源上监测采空区变形的手段。分布式光纤本身具有可以测量大范围应变的特点，在披覆特制力学护套后，可以承受更高的外部应力。另一方面，光纤的体积小、质量轻，易于通过钻孔埋入等方式植入到采空区下方的弯曲下沉带岩层中，因此光纤传感器很适合于采空区变形的监测。目前也有学者对光纤在采空区变形监测中的应用做了相关研究:李世念等50 选取某煤矿采空区进行了现场勘察后，对地层稳定性进行了评价，根据评价结果选取了一段经过采空区上方风险较高的地铁线路，通过在其下方布设 5 mm 钢绞线光纤和 5 mm 定点感测光纤对采空区地层整体进行监测后，指出了 2 种类型光缆应变曲线的不同:其中 5 mm 钢绞线光纤和地层变形的一致性较好，能够真实地反映出采空区地层中每一处的变化趋势，而 5 mm 定点感测光纤其特殊的制造工艺能够加大光纤的应变测量范围，不会因为局部的裂缝开展而使得光纤遭到损坏，因此更适用于采空区较大裂缝的监测。在实际工程中，可根据采空区的沉降变形情况灵活选用。通过现有的研究可以发现，光纤监测技术，尤其是分布式光纤监测技术，其测量范围大、空间分辨率高、监测的灵敏度更高，在煤矿采空区这种大范围的地质灾害监测中十分有优势。和传统的监测技术相比，其主要优势除了可以实现分布式、无盲区监测外，还能够监测到采空区深部弯曲下沉带岩层的应变、应201增刊 1侯公羽等:分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望力、位移变化，这是依靠 InSA 和 GPS 等传统针对地层表面的监测技术所无法探知的。因此使用光纤监测技术，可以从采空区变形的产生根源上进行早期预测、预警，将煤矿采空区带来的次生灾害减小到最小。2.5露天矿边坡的光纤监测技术在我国的一些城市，富藏有大量出露地表的煤矿，对于这些天然的露天煤田来说，使用爆破和大型机械等进行露天开采是主要的作业手段。而露天矿边坡和地下井工开采不同，往往较少采取支护手段，所以在施工中穿孔爆破和大型机械的振动荷载等，必然会对露天矿边坡的稳定性造成影响。特别是我国一些储量较大的露天煤矿已经经过了数十年的开采，许多永久边坡已经达到了服役年限，坡体内部不可避免的会因施工等影响出现采动裂隙，因此必须对露天矿边坡进行必要的监测。目前针对边坡监测也有很多先进的技术手段，如北斗/GNSS 监测、机载激光雷