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解决方案

分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用

       煤炭一直是中国的主体能源,煤矿地质监测是煤矿安全生产的重要保障. 分布式光纤传感技术具有感测点连续、高精度、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,在煤矿地质监测中有重要的应用. 该文介绍了布里渊光时域反射(Brillouin optical time domain reflectometry, BOTDR)技术在煤矿地质监测中的应用. 重点介绍了采用分布式光纤传感技术进行采空区地层变形监测的方法和结果. 结果表明,分布式光纤监测技术能够满足煤矿地质监测需求,具有良好的应用前景.

      煤炭是中国重要的主体能源,在能源供给结构中处于重要战略和主导地位. 中国煤炭资源储量丰富,预测地质储量超过4.5 万亿吨. 煤炭在一次能源生产和消费结构中常年占据60%以上,到2020年,国内一次能源消费总量控制约48 亿吨标准煤,煤炭消费控制在62% 以内[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.

在煤矿开采生命周期中,实现煤炭的绿色开采和安全生产是关系煤炭工业持续健康发展的头等大事. 因此,煤矿地质保障技术及装备作为煤矿高效、安全、绿色开发的关键技术之一,被列入高产高效矿井的五大保障体系.

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.

分布式光纤传感技术具有感测点连续分布、抗电磁干扰、应变测量精度高、韧性好、抗变形、磨损能力强等适合工程应用的特点,非常符合地质和工程安全监测的应用需求[7-9]. 近年来,研究者利用分布式光纤传感技术,在油气管道安全监测[10]、岩土工程安全监测[11]、石油勘探[12]、输电线路安全监测[13]等领域中都开展了不同程度的研究和应用. 本文介绍了目前煤矿地质监测中分布式光纤传感技术的一些应用,并给出了在煤矿采空区地层稳定性监测中的应用实例.


1 分布式光纤传感原理



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.

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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

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式中,vB(") 为实际测量出的布里渊频率的漂移量,vB (0)为当应变为0 时的布里渊频率的漂移量,dvB(") d" 为比例系数,在1 550 nm 波长其取值约为493 MHz/%. 通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频率漂移量vB 就可以得到光纤沿线的应变分布信息,从而实现分布式光纤应变传感.

在目前发展较成熟的基于布里渊散射的分布式光纤应变感测技术中,布里渊光时域反射(Brillouin optical time-domain reflectometry, BOTDR)技术基于光时域反射原理与自发布里渊散射,可以实现单端检测而不需要提供回路光纤,在岩土与地质工程中具有明显优势.目前商用的BOTDR 仪器测试距离通常可达数十km,在空间分辨率为m 量级的情况下,应变测试精度可保证在数十μ" 量级.

2 煤矿地质光纤监测技术介绍          


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.

2.1 煤矿井筒变形监测技术

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.

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2.2 巷道变形光纤监测技术

深部巷道处于高地应力、高地温、高渗透压的特殊地质环境,各种煤矿安全事故的发生几率很高. 特别是当巷道走向的岩体强度不均匀时(如巷道穿过软硬交替的岩层、含水断层或裂缝等),局部软弱部位的变形破坏带来的应力不均会进一步加剧巷道其他部位的失稳,进而破坏整段巷道[23]. 因此,实时监测巷道及其周围岩体的变形情况,针对变形严重的部位进行重点监测和治理,对确保深部煤炭资源安全、高效开采作用重大[24].

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.

2.3 煤矿采动覆岩变形光纤监测技术

矿井开采过程中,覆岩变形是影响煤矿开采安全性的关键问题之一. 地下开采导致上覆地层应力的重新分布,在重力等构造应力的作用下,工作面上覆岩层发生变形、分离、破裂和坍塌. 上覆岩层的变形和垮塌会破坏巷道安全,进而引发突水事故、冲击地压、瓦斯突出等灾害,给煤矿安全生产带来重大隐患;同时也会引起地下水位下降、地表沉陷、环境破坏等多种生态环境问题. 因此,实时、准确地监测覆岩变形的分布和破坏范围并分析其动力学特征和演化规律,可以为煤矿地质灾害的评价和预测提供可靠的数据支撑,同时对保障煤矿的安全生产具有十分重要的意义.

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.

研究者们将光纤传感器或分布式光缆植入地表或煤巷的钻孔中,监测覆岩的变形和受力情况,并针对覆岩变形开展了研究. 文献[34] 将3 种不同的变形感测光缆植入工作面上方的地表钻孔中,利用分布式的BOTDR 技术监测煤炭地下采动过程中的覆岩变形情况,研究了开采下覆岩的变形和破坏过程. 文献[35] 在煤矿工作面斜上方的两个不同角度钻孔中植入分布式光缆,利用BOTDR 光纤感测技术监测煤层开采过程上覆岩层的动态受力和变形的情况,并结合覆岩的岩性组合分析了垮落带和导水裂隙带的发育高度. 文献[36-38] 利用光纤光栅和分布式光纤传感技术,针对采场覆岩变形开展了一系列模拟试验,将光栅传感器或分布式光缆埋入岩土试验模型,研究了煤炭开采过程中光纤应变与采场覆岩垮落演化特征之间的关系.文献[39-40] 利用分布式光纤传感技术开展针对煤矿采动过程中覆岩变形的试验模拟和现场研究,通过构建试验模型和地表钻孔中植入分布式光缆,研究了煤炭采动引起的覆岩变形的变形模式.

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.

3 采空区地层变形监测研究



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.

随着城市化进程的不断加快,城市边界不断扩展,煤矿采空区土地成为城市发展的重要自然资源. 建筑物下方采空区、铁路(地铁)下方采空区、公路下方采空区等问题成为城市发展进程中面临的重要问题[41]. 因此分析采空区的剩余变形量和评价采空区的稳定性,对于保障城市建设、维护公共安全具有重要意义.

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.

本文选取某条经过煤矿采空区的地铁线路开展地层稳定性的分布式光纤监测技术研究,监测地铁施工过程中采空区上覆岩层的变形情况. 综合地层变形布设和监测的要求,选择了直径为5 mm 的金属基应变感测光缆用于采空区覆岩地层整体变形的监测,其主要性能参数和光纤结构分别如表1 和图3 所示;选取了点距为5 m 的定点式应变感测光缆用于采空区局部地层变形的精细监测,其主要性能参数和光纤结构分别如表2 和图4 所示;选取温度感测光缆用于变形数据的温度补偿,其主要性能参数和光纤结构分别如表3和图5所示. 以上3种光缆具有良好的抗拉和抗压强度、较高的应变传递性能,能够满足钻孔的布设和监测需求,光缆布设方式如图6所示.

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.

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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.

该处地铁未开始施工,两组光缆观测到的多期应变结果并没有明显差异,表明该处采空区目前处于稳定状态. 但在后期地铁线路的施工过程中,是否会对采空区地层变形产生影响,需要在工程开展后对光纤变形数据持续监测分析.

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4 结 语


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.







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