煤巷頂板分布式光纖監測的可行性試驗研究

杜傳偉，胡 濤，2，李業宏，王嘉鈺

(1.齊魯理工學院 土木工程學院，山東 濟南 250200；2.山東省煤炭技術服務有限責任公司，山東 濟南 250032)

在我國，90%以上的煤礦采用長壁開采技術[1]，此技術中，工作面回采巷道中煤巷占煤礦巷道總長度的80%以上[2]。在眾多煤礦事故中，煤巷頂板事故是最常見的事故[3]，也是造成煤礦人員傷亡、設備損壞和生產損失的主要原因之一[4]。實踐證明，當頂板下沉量等于或大于離層量時，就會誘發頂板事故[5-6]，頂板沉降位移監測具有較好的預警和報警功能。因此，為預防頂板事故，世界各國煤礦普遍采用在頂板埋設傳感器進行頂板位移監測，這也是現行各國煤礦安全規程的強制性要求[7]。但是，煤礦頂板事故仍不能得到有效遏制，其重要原因之一是：傳統的傳感器都是采用點式布設，其布設間距較大，不可避免地存在傳感器之間的監測盲區和監測遺漏點[8-9]，造成頂板離層和位移等監測數據太少，無法正確反映頂板變形特征，許多相應的預警信息和報警征兆往往會被忽視。因此，各國相關科技工作者在傳統監測技術的基礎上，努力探索一種無監測盲區和遺漏點的分布式監測新方法，從而有效覆蓋監測盲區和遺漏點，提高煤礦頂板監測的技術水準，并進一步提升煤礦巷道頂板的安全性。

分布式光纖傳感技術(Distributed Fiber Optic Sensing,簡稱DFOS)正是一種可以有效彌補傳統監測技術“監測盲區和遺漏點”缺陷的技術，已被廣泛應用于煤礦安全監測的各個方面，例如煤礦導水裂隙帶高度[10]和覆巖采動變形[11]現場監測、礦井溫度在線監測和預警[12]、煤礦采空區自燃區域監測[13]，以及煤礦膠帶輸送機托輥軸溫監測[14]等。DFOS技術單端測量的布里淵時域反射測量技術(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR)作為發展較成熟的一項尖端技術，已被一些主要發達國家競相研究[15-19]，并已經被廣泛應用到結構健康變形監測中。施斌等[19]針對BOTDR在大型基礎工程(如地下隧道、高架橋、跨江大橋、江河堤防等構筑物)健康診斷中的應用可行性進行了研究，通過規則幾何外形和表面平整建筑結構的BOTDR監測，提出了相關課題研究的方向；侯公羽等[20]研究了當隧道頂板變形為圓弧、拋物線和三角形等規則幾何形狀時，利用光纖應變表征頂板的沉降；盧毅等[15]采用定點布設技術，通過光纖軸向拉伸量對地裂縫變形進行了監測；劉永莉等[21]提出通過光纖的軸向應變進行整個滑坡面的變形狀況BOTDR監測。目前，學者們主要是采用光纖的軸向拉伸變形量來直接表征被測結構的變形程度，或者針對結構體的規則幾何變形進行光纖應變測量研究，但是對于不規則表面結構(例如煤巷頂板)，目前鮮有關于BOTDR監測其沉降變形的研究和應用報道。

由于BOTDR具有單端分布式測量、抗電磁干擾、抗高溫、耐腐蝕、防水防潮和防爆等性能，符合煤礦防爆本質安全的要求，能夠滿足煤巷頂板分布式監測的應用需求。因此，在傳統點式監測的基礎上，嘗試進行煤巷頂板沉降變形的BOTDR監測技術研究，形成彌補監測盲區和遺漏點的新型全分布式監測方法。該研究對提高我國煤巷頂板安全管理水平，促進我國煤礦安全生產的可持續發展具有重要的參考價值。

1 BOTDR分布式光纖傳感技術

受到光纖中不均勻雜質的影響，光信號在光纖中傳播時會發生光散射，同時光波與聲波在光纖中相互作用產生具有洛倫茲型功率光譜的布里淵背向散射光(Brillouin Backscattered Light, BBL)[16]。當光纖受應變或溫度影響時，BBL會發生一種多普勒效應的布里淵頻移(Brillouin Frequency Shift, BFS)，BBL光譜最大化時的峰值功率數值(νB)與光纖中的應變/溫度分布成線性比例關系[17]：

νB(T,ε)≈νB(T0,ε0)+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0)

(1)

式中:νB(T,ε)為溫度T和應變ε時的BFS；νB(T0,ε0)為光纖初始溫度T0和初始應變ε0時的BFS；CT為光纖的溫度系數；Cε為光纖的應變系數。

光纖中溫度/應變發生變化的位置根據光在光纖中的傳播時間t確定。可見，BOTDR通過對BBL進行處理，將BBL光譜的BFS轉化為光纖長度上的應變分布，實現溫度和應變的光纖測量[18]，如圖1所示。

圖1 BOTDR測量原理

光纖應變監測中，為消除溫度對應變測量的干擾，需要進行溫度補償，本文采用經驗公式方法[19]進行計算：

εcor=εrel+αΔT

(2)

式中：εcor為修正應變；εrel為實測應變；α為比例系數；ΔT為溫差。

2 煤巷頂板沉降變形的光纖監測理論研究

工作面回采巷道煤巷頂板通常為軟弱煤層，其內部節理和裂隙發育，不僅會因風化和氧化作用而發生破壞，而且還容易受掘進、采動、二次采動、自重應力和構造應力作用等影響，造成煤巷頂板巖層變形、移動，誘發頂板失穩、區域性頂板破壞，使煤巷頂板形成不同面積、不同區域的沉降[22]。因此，煤巷頂板沉降變形可以分為2種形式：頂板破碎煤巖塊體局部小范圍的零星冒落和頂板煤巖塊體整體大面積沉降變形。

2.1 結構變形的BOTDR測量

鑒于BOTDR是直接測量光纖應變，無法直接進行煤巷頂板沉降位移測量，需要根據材料力學等理論將測量得到的光纖應變轉換為頂板沉降位移。

假設初始長度為d的光纖發生均勻應變變化，其變形量δ通常表示為：δ=εd，變形后的光纖長度為：l=δ+d=d(1+ε)。可見，通過合理地布設光纖，再結合變形特點采用相應的計算方法[19]，就可以計算出頂板的整體變形與局部變形[20]。

根據煤巷頂板賦存和變形狀態，采用預拉伸光纖定點布設技術進行煤巷頂板沉降位移監測。即按一定間距定點固定的方式鋪設光纖，2個固定點間的應變可近似認為是均勻應變，按上述理論可以計算得到光纖沿線的不均勻變形，再結合煤巷頂板沉降變形特點和幾何理論，進行煤巷頂板沉降位移量的計算分析。

2.2 煤巷頂板光纖定點布設技術

目前光纖的固定方式主要有2種：粘貼式和植入式[22]。粘貼式是采用粘合劑把光纖粘貼在被監測對象上；植入式是把傳感光纖植入被監測對象中，使光纖和被監測對象成為一體，保持同步變形。上述研究均是針對有規則幾何外形且介質均勻的被監測體，如鋼筋混凝土梁和隧道的內襯等。但是對于表面和淺部巖層為塑性、松散破碎體的煤巷頂板，植入式固定需要在頂板上開挖坑槽，不但會破壞前期的錨網—W鋼帶支護體系，危險系數大、工作量大，而且光纖會因受破碎煤塊介質切割而被折斷，監測效果受到限制；粘貼式的鋪設工藝同樣面臨光纖易被切割破斷的危險。更重要的是，此時光纖只表現了破碎煤塊的變形，無法表現整體煤巷頂板的變形。因此，針對煤巷頂板煤層的賦存狀態、變形狀況和前期支護等復雜的條件，需要提出一種適合煤巷頂板的光纖固定方式以滿足長期監測的需求。

根據以上分析，提出煤巷頂板定點布設光纖技術，將預拉伸光纖固定在支護煤巷頂板的其中一列錨桿(索)的端部，沿錨桿(索)的排列方向水平布設光纖，如圖2所示。

圖2 煤巷頂板光纖的定點布設示意圖

由于錨桿(索)的位移變化不僅反映了錨固體的沉降位移，同時也反映了頂板巖層的離層變化，利用頂板上已有的錨桿(索)作為固定點布設光纖，一方面可以分布式監測頂板沉降變形，另一方面使光纖遠離破碎煤塊、避免光纖被割斷破壞。國內煤礦煤巷頂板錨桿(索)通常為1.0～1.5 m等間距設計，符合BOTDR空間分辨率的要求，因此，基于BOTDR的特性，在錨桿(索)端部固定光纖，使光纖沿煤巷頂板的走向整體布設(見圖2)。將等間距的相鄰錨桿(索)之間的光纖應變視為平均應變，可實現巷道長度范圍內的光纖水平軸向應變監測，并根據應變結果推算出錨桿(索)的垂直位移(即頂板巖層的沉降變形量)。

2.3 煤巷頂板沉降位移光纖測量技術

根據煤巷頂板錨桿(索)定點布設光纖技術，假設相鄰固定點AB之間的距離為d，B點隨頂板沉降到B′點，固定點之間光纖的均勻應變為ε，定點之間光纖的初始長度為d，變形后定點間光纖的直線長度為l，B點的沉降位移量為h，如圖3所示。

圖3 錨桿定點布設光纖的煤巷頂板沉降位移示意圖

當煤巷頂板在上覆巖層荷載作用下只有垂向位移變形時，B點沉降到B′點，則變形后ABB′形成一個直角三角形，根據幾何原理，由h2=[d(1+ε)]2-d2得到光纖應變和頂板沉降位移的關系表達式：

(3)

式中:h為頂板B點沉降到B′點時沉降位移；d為相鄰固定點的初始長度；ε為光纖AB′的平均應變。

綜上所述，在煤巷頂板只有垂向位移變形的情況下，采用等間距錨桿(索)端部定點固定布設光纖，利用BOTDR測試得到光纖應變數值，可以通過公式(3)進行相鄰錨桿(索)間煤巷頂板沉降計算。根據相鄰錨桿間的垂直位移變形，累加求解可得沿煤巷走向頂板整體沉降位移。

3 煤巷頂板沉降BOTDR測量室內模擬試驗

3.1 煤巷頂板沉降的光纖定點拉伸室內試驗

為了模擬煤巷頂板“零星冒落”時光纖拉伸變形的狀況，進行如下室內試驗：將一段預拉伸光纖兩端固定在試驗臺上，模擬光纖被定點布設在煤巷頂板上；然后，在光纖中點垂直拉伸光纖，模擬煤巷頂板局部“零星冒落”，通過BOTDR測試光纖應變并實際測量光纖的拉伸距離。

在試驗平臺上，預拉伸后用環氧樹脂將一條長4 000 mm的?0.9 mm聚氨酯緊套光纖兩端A點和B點，并定點粘貼在試驗臺表面，按照1 mm的步距，在光纖AB中點O定點垂直拉伸光纖，如圖4所示。

圖4 固定長度光纖垂直定點拉伸變形試驗和力學示意圖

試驗測試儀器采用AV6419 BOTDR，測試參數為1 m的空間分辨率和0.05 m的采樣分辨率，定點拉伸步距為1 mm，OC=CD=DE=……=1 mm光纖。應變測試結果為逐級抬升的單峰值曲線，如圖5所示。

圖5 預拉伸定點布設光纖垂直定點拉伸應變曲線

應用公式(3)由光纖應變變化計算得到每級拉伸距離下光纖中點被垂直拉伸的位移變化，將其與實際拉伸長度對比，如圖6所示。

圖6 實際測量拉伸距離和應變計算最大位移曲線

將圖6中應變量化表征的光纖最大位移與光纖被定點垂直拉伸的距離相比，兩者的最大誤差為0.690%，光纖定點拉伸的距離與應變表征的光纖位移數值基本一致，一方面說明公式(3)計算頂板沉降位移的可行性，另一方面也說明當頂板為“零星冒落”局部沉降變形時，通過定點布設光纖的應變變化計算頂板沉降位移是可行的。

3.2 煤巷頂板沉降的光纖區段整體拉伸室內試驗

為模擬煤巷頂板區域面積整體沉降變形的情況，用一個金屬長條塊模擬整體沉降的頂板，進行室內試驗，如圖7所示。

(a)現場圖

在試驗平臺上，將長4 000 mm的?0.9 mm聚氨酯光纖預拉伸，兩端A點和B點采用環氧樹脂膠固定在試驗臺；中間部位長度1 000 mm的CD段光纖被同樣方式全面粘貼到一個可滑動的金屬長方體的側面下部，這樣由金屬塊體粘貼的CD段光纖成為一段應變固定的光纖段。

試驗中，設定步距1 mm，推動金屬塊體從平行于初始光纖位置，逐漸垂直遠離初始光纖布設位置，如圖7(b)所示。應變曲線如圖8所示，可以看出，應變為逐級抬升的左右2個曲線段(AC段和BD段應變曲線)，而中間的CD段光纖基本沒有應變變化。

圖8 預拉伸定點布設光纖區段垂直拉伸應變曲線

根據公式(3)計算得到無應變段光纖(金屬塊體)的沉降位移，如圖9所示。

圖9 金屬塊體位移和其實際推拉距離的對比曲線

由圖9可以看出，左側光纖應變表征的C點位移值與金屬塊體推拉距離的最大誤差為1.460%，右側光纖應變表征的D點位移值與金屬塊體推拉距離的誤差為1.630%，整體平均誤差為1.545%。金屬塊體在不同推動距離下，左右兩側光纖應變段表征的光纖最大沉降位移(金屬塊體兩側位移)與金屬塊體推動距離表現出一致性，表明底面粘貼光纖的金屬塊體推動距離與光纖應變計算的金屬塊體位移數據基本一致，再次說明了前文討論的利用光纖應變計算頂板沉降位移數學表達式是科學合理的，這也相應地證明了利用光纖應變計算煤巷頂板區域大面積整體沉降位移的可行性。

通過以上定點布設光纖的定點垂直拉伸試驗和區段垂直拉伸試驗，反映了光纖應變表征的光纖垂向位移數值符合實際推拉測量數值，也同時表明了預拉伸定點布設條件下，光纖應變量化表征頂板沉降位移理論計算的正確性。

4 采煤工作面回采巷道頂板光纖監測現場試驗

為確定基于BOTDR的定點布設技術監測煤巷頂板沉降位移的有效性，在山西省蔭營煤礦150313工作面運輸巷進行現場工業性監測試驗。該工作面采用長壁綜放開采技術，開采平均厚度為7.31 m的15號煤層，采用全面垮落法管理頂板。偽頂為1.00 m厚的炭質泥巖，直接頂為12.50 m厚的K2灰巖，如圖10所示。

圖10 工作面巖性柱狀圖及運輸巷支護圖

150313運輸巷為矩形煤巷，寬5.4 m，高3.0 m，采用錨桿(索)、W型鋼帶、鋼絲網等常規支護形式。巷道走向方向錨桿(索)間距為1 m，超前工作面20 m頂板采用先進的強力移動式液壓支架加固。998排W鋼帶位置為工作面開切眼位置，終采線位于50排W鋼帶處。根據巷道走向，在頂板A點(428排W鋼帶)和B點(698排W鋼帶)之間按照礦方設計錨索的布設間距，每隔1 m利用相應錨索作為固定點進行光纖定點布設。監測總長度為270 m，如圖11所示。

圖11 工作面頂板沉降位移的分布式監測示意圖

現場試驗采用AV6419 BOTDR作為測試儀器，采用?5 mm 鋼絞線光纜(簡稱SS光纜)為傳感光纖。

4.1 工作面煤巷頂板BOTDR監測系統布置

為利用現有錨索在煤巷頂板布置光纖，設計了專用托盤夾具。另外新加裝一個錨索鎖具，將托盤夾具緊固。托盤長軸方向與煤巷方向垂直，托盤下端用4個螺釘擰緊2個金屬夾片，夾片中間有個凹槽，SS光纜正好放在槽內進行固定和布設。布設時，首先對固定點之間敷設的光纜進行預拉伸使其產生初始應變，然后水平布設。布設完畢，進行光纜通路測試，然后將SS光纜與普通通信光纜熔接，再將普通通信光纜敷設到主巷道的觀測位置，最后通過光纖跳線連接至AV6419 BOTDR。光纖監測系統布設如圖12所示。

(a)現場監測試驗光纖布設實景圖

4.2 現場試驗光纖應變監測結果

現場光纖監測的主要內容：隨工作面推進，監測頂板沉降變形時光纖應變變化量。試驗于2019年6月1日工作面回采開始后進行。此時，開切眼至698排W鋼帶光纖固定點B的距離為300 m，同時再次進行了光纖應變初始化，自此每天測量2次光纖應變變化情況；在2019年8月31日采煤工作面距離B點小于20 m時，傳感光纖受到超前支架的破壞而損壞，現場監測試驗結束，歷時3個月。期間同時采用加密頂板十字交叉法觀測(Cross Observation Method, COM)進行驗證。

BOTDR現場測試得到原始應變曲線如圖13所示，在工作面距離光纖監測區間較遠時，光纖應變無明顯變化。光纖的初始應變曲線為不規則的鋸齒狀，相對應變曲線為接近0的水平波狀線。同時還發現，在工作面推進到距離被測光纜35 m之前，應變變化穩定，頂板處于穩定狀態。

圖13 BOTDR實測原始光纖應變曲線

8月27日下午，工作面在試驗光纖B點前35 m處，原光纖應變曲線開始出現2個異常拉伸應變區，即異常應變區(i)和(ii)。從圖13中看出，異常應變區光纖應變27日以后變化穩定，直到8月31日現場試驗結束，不再隨工作面推進而發生變化。其他區域的應變變化輕微。

將BOTDR測試的應變與初始應變進行差分處理，得到的差分應變曲線如圖14所示。

圖14 BOTDR 現場實測光纖差分應變曲線

由圖14可見，應變異常區(i)為單峰峰值差分應變曲線，應變異常區(ii)為雙峰峰值差分應變曲線。應變異常區(i)的范圍距A點52～61 m，最大峰值約為250×10-6；應變異常區(ii)的范圍距A點151～173 m，雙峰應變約為300×10-6，兩峰之間的中間段應變變化很小，距離A點159～165 m。

在8月27日至31日的井下實際觀測中，頂板存在一個零星漏冒的小沉降區域，位于異常區(i)的范圍；在異常區(ii)存在范圍較大的沉降區域；其他區域的頂板保持穩定。可見，頂板光纖應變分布可以反映頂板變形范圍和破壞程度。

4.3 煤巷頂板位移的光纖應變定量表征

根據光纖應變量化頂板沉降位移理論，沉降變形區頂板位移由式(3)求得，結果如圖15所示。

圖15 光纖應變量化頂板位移曲線

由圖15可知，異常區(i)采樣點在8月27日至8月31日期間的位移曲線呈倒三角形，其空間位置在距A點51.88～61.07 m時，最大位移變化范圍為61.89～66.29 mm，平均64.09 mm。8月27日至8月31日，異常區(ii)的沉降位移為倒梯形分布，在距A點151.33～172.16 m時，左腰線最大沉降位移變化范圍為135.17～140.23 mm，右腰線最大位移為131.02～139.66 mm；兩腰之間的梯形底邊最大位移范圍為131.02～140.23 mm,平均135.63 mm。

為驗證BOTDR測量頂板沉降變形的可行性，試驗中通過十字觀測法對頂板變形區域進行了測量。并將頂板沉降變形的特征區域(i)和(ii)的頂板沉降位移和重要點的光纖應變量化位移數據進行對比，結果如表1所示。

表1 十字觀測法(COM)測量結果與應變定量表征位移的比較

由表1可見，光纖應變測量法得到的位移數值稍大，但2種方法測量結果基本一致。十字觀測法實測頂板變形范圍與光纖應變定量表征范圍的最大誤差為5.60%；頂板位移最大誤差為4.96%，頂板垂直位移的絕對差值小于4 mm。試驗結果表明，采用BOTDR進行煤巷頂板沉降變形監測是可行的。

4.4 現場試驗結果討論

現場監測試驗不僅表明了煤巷頂板沉降變形BOTDR監測的可行性，而且光纖監測數據還說明了該工作面周期性礦山壓力顯現不明顯，采動超前支撐應力對所監測煤巷頂板沒有明顯的破壞影響。造成這個現象的原因主要是150313工作面進風巷煤巷頂板受3個方面保護作用：①上覆12.5 m厚的K2灰巖和上覆堅硬砂巖關鍵層的保護；②傳統的“錨帶網”主動支護和超前工作面20 m移動式強力液壓支架的保護；③采后工作面和巷道頂板的及時人工放頂、及時卸載覆巖采動壓力的保護。該礦的歷史生產技術資料和礦壓監測數據也說明了這一問題，與光纖應變表征的結果一致。

5 結論

通過BOTDR應變測量理論的研究分析，采煤工作面兩巷煤巷頂板光纖監測技術的理論分析，室內BOTDR光纖拉伸試驗和現場BOTDR煤巷監測試驗研究，得到如下結論：

在現場監測試驗中，光纖應變表征出最大沉降位移平均值為64.09 mm和135.63 mm的2個頂板沉降區域。與井下十字觀測法測量值相比，頂板沉降變形范圍的最大誤差為5.60%，頂板位移的最大誤差為4.96%，符合煤巷頂板監測要求，驗證了采用BOTDR定量表征頂板的沉降變形范圍和沉降位移的可行性。說明結合傳統“點”式監測技術，進行煤礦頂板沉降變形的BOTDR監測，可以形成彌補監測盲區和遺漏點的新型全分布式監測方法。這對預防頂板事故，提高我國煤巷頂板安全管理水平，促進我國煤礦安全生產的可持續發展具有重要意義。但研究過程中，尚未考慮頂板橫向位移對測試結果的影響，在后續研究中，將應用深度學習等新技術對縱向位移、橫向位移和BOTDR監測數據之間的關系進行更深入的研究，并對更復雜的不規則結構體形變分布式監測方法開展研究。