侯公羽，胡濤，徐桂城，馬占彪，梁海平，王順光，鄭綱

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院， 北京 100083；2.中電科儀器儀表有限公司， 山東 青島 266555；3.山西省陽泉蔭營煤礦， 山西 陽泉 045011；4.中煤科工集團西安研究院有限公司， 陜西 西安 710054)

0 引言

煤礦巷道頂板變形監(jiān)測是煤礦安全監(jiān)控的研究重點之一。傳統(tǒng)巷道頂板變形主要通過人工或機械式頂板離層儀測量，技術(shù)人員用現(xiàn)場觀測、手工抄錄的方式記錄數(shù)據(jù)，存在觀測不便、誤差較大、數(shù)據(jù)實時性差等缺點。當前巷道頂板變形監(jiān)測方式為基于井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)的在線實時監(jiān)測，采用電子式和光纖光柵式的位移傳感器并以無線方式連接。如文獻[1-4] 研究了基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與 485 總線的頂板監(jiān)測系統(tǒng)；文獻[5-7]提出了基于ZigBee和LoRa 技術(shù)的頂板監(jiān)測系統(tǒng)，解決了無線通信技術(shù)無法同時兼顧遠距離和低功耗的問題；文獻[8-11]將光纖位移傳感器應用到巷道圍巖和頂板監(jiān)測中?，F(xiàn)有研究基本實現(xiàn)了巷道頂板變形實時、在線、自動監(jiān)測，大大提高了煤礦生產(chǎn)的安全性。但是，當前使用的頂板監(jiān)測系統(tǒng)還存在如下問題：① 傳感器為點式布設，布設間距受頂板自然條件和人為因素影響很大，可能存在較多監(jiān)測盲點，從而造成漏報、誤報頂板事故，不能完全準確反映頂板變形情況和有效預防頂板事故[12-13]。② 頂板離層量與沉降量并不相等[14]，采用離層位移傳感器監(jiān)測頂板變形可能造成較大誤差。③ 系統(tǒng)在斷電和斷網(wǎng)情況下無法正常工作。

針對上述問題，本文提出了基于分布式光纖技術(shù)的煤礦巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以布里淵光時域反射計(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer，BOTDR)為核心部件，實現(xiàn)了巷道頂板光纖應變數(shù)據(jù)的采集、存儲、預警和查詢功能，達到了對整個巷道頂板進行實時動態(tài)監(jiān)測的目的。通過分析光纖應變監(jiān)測數(shù)據(jù)，對巷道的安全性與穩(wěn)定性作出正確及時的評價，可及早發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生頂板冒落的區(qū)域，及時采取措施，避免巷道頂板事故，減少財產(chǎn)損失與人員傷亡。

1 系統(tǒng)總體設計

基于分布式光纖技術(shù)的煤礦巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，井下部分主要包括傳感光纖、通信光纖等，井上部分由光纖跳線、光開關、BOTDR、本地服務器主機、數(shù)據(jù)中心服務器、備用電源、網(wǎng)絡交換機、通信防雷擊保護和設備防雷擊保護等組成。

圖1 煤礦巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井下傳感光纖固定到煤礦巷道頂板表面或內(nèi)部，頂板變形使光纖產(chǎn)生應變。應變信息包含在背射布里淵光信號內(nèi)。多個巷道布設的傳感光纖分別冷接不同纖芯的通信光纖。多個包含光信號的通信光纖在井上接入光開關。光開關通過光纖跳線輸出到BOTDR。井下數(shù)據(jù)采集和傳輸無需供電。

井上BOTDR 向井下光纖發(fā)射單端脈沖光信號，在同一端接收反射回來的布里淵背射光信號，并對其進行分析處理，得到井下不同巷道頂板上光纖任意位置的應變信息，形成數(shù)據(jù)文件和實時監(jiān)測曲線。

井上本地服務器主機接收BOTDR處理的應變數(shù)據(jù)并保存在本地數(shù)據(jù)庫；通過控制光開關切換監(jiān)測線路，監(jiān)控各條監(jiān)測線路應變趨勢；比較頂板變形程度與閾值設置，判斷是否報警，并進一步確定報警級別。報警有多種方式，包括本地聲光報警及通過手機或網(wǎng)絡客戶端發(fā)送報警信息等。此外，本地服務器還具有用戶權(quán)限管理、服務管理、數(shù)據(jù)管理、消息管理、日志管理等功能。

2 系統(tǒng)原理

2.1 分布式光纖技術(shù)

布里淵光時域反射技術(shù)基于布里淵背向散射原理，是在光時域反射技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的一種新型的光電傳感監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)優(yōu)點：① 實現(xiàn)了分布式測量。② 最大量程達 80 km，能夠滿足大型或超大型結(jié)構(gòu)的需要，且傳感光纖既可作為傳感體，又可作為傳輸體，可實現(xiàn)長距離、全方位監(jiān)測。③ 光纖是非金屬絕緣材料，能夠避免電磁干擾，抗酸堿腐蝕，且光波易屏蔽，外界光的干擾也很難進入光纖。④ 屬于單端監(jiān)測，即使光纖有斷點也不影響光纖監(jiān)測。⑤ 可通過網(wǎng)絡與計算機終端連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)測[10]。

BOTDR將被測參量作為光纖位置和長度的函數(shù),可對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進行連續(xù)測量，獲取被測物理參量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息。當 BOTDR 向光纖注入短脈沖光時光纖某處的應變發(fā)生變化，其散射的布里淵光頻率也發(fā)生相應改變，如圖2所示。

圖2 BOTDR的應變測量原理

在實驗室對5 mm鋼絞線光纖進行測試，得到拉伸長度-光纖應變-頻移變化曲線，如圖3所示。可見，布里淵頻率漂移與光纖應變呈很好的線性關系。

光纖沿線某一點的應變值計算公式為

(1)

式中：ε為應變值；νB(ε)為應變ε對應的布里淵光頻移值；νB(0)為自由狀態(tài)的布里淵光頻移值；dνB(ε)/dε為比例系數(shù)，即圖3中直線的斜率，在入射脈沖光波長為1.55 μm 時，5 mm鋼絞線光纖的比例系數(shù)約為 0.051 933。

圖3 拉伸長度-光纖應變-頻移變化曲線

將傳感光纖布設在結(jié)構(gòu)物表面或植入結(jié)構(gòu)物內(nèi)部，結(jié)構(gòu)物在荷載作用下發(fā)生變形時，相應部位的光纖也產(chǎn)生應變，應變段光纖所反映的入射光的布里淵背向散射光的頻率將發(fā)生改變。在脈沖光的入射端，通過 BOTDR 測量接收到的布里淵背向散射光功率，完成光纖上各點布里淵頻移的測量和定位。根據(jù)布里淵頻移與應變的線性關系，可得到結(jié)構(gòu)物的外表面的應變分布。

2.2 頂板變形測量原理

將光纖粘貼于頂板表面或植入頂板內(nèi)時，頂板變形會帶動光纖同步變形，兩者變形耦合一致。煤礦井下巷道頂板由層狀沉積巖層組成，頂板沉降變形常形成下凹的不規(guī)則圓弧形。對固定長度光纖和不同長度光纖2種情況進行分析。

(1) 假設光纖AB粘貼于煤礦巷道頂板，AB段長度為l，當此段長度內(nèi)的頂板沉降變形時，光纖AB變形為圓弧ACB，ADB，AEB等，如圖4所示。其中X軸表示沿頂板方向，Y軸表示與頂板垂直方向。

圖4 固定長度光纖隨頂板變形

設頂板沉降變形程度為δ，頂板沉降量為Δh，圓弧ACB，ADB，AEB的光纖應變分別為εACB，εADB，εAEB，則

δ= Δh/l

(2)

εAEB>εADB>εACB

(3)

式(2)和式(3)說明頂板變形范圍一定時，沉降位移越大，附著的光纖應變越大。固定于頂板表面的光纖應變可以反映頂板變形情況，且應變大小與頂板沉降變形程度成正比。

(2) 假設頂板沉降位移量一定，在巷道軸向范圍內(nèi)沉降變形的長度發(fā)生變化，如圖5所示，EF>CD>AB, 頂板沉降位移量一致，為Δh。根據(jù)式(2)得到EF段頂板變形最小，AB段頂板變形最大。此時，EF段頂板表面附著的光纖應變最小，AB段頂板表面附著的光纖應變最大。同樣得到光纖軸向應變量與頂板沉降變形程度成正比。

圖5 不同長度光纖隨頂板變形

上述分析說明頂板沉降變形使其表面附著的光纖受到軸向拉伸，產(chǎn)生軸向應變，光纖拉應變變化數(shù)值與頂板沉降變形程度成正比。通過分析光纖應變范圍和應變值，可得到頂板沉降變形程度。

3 光纖選型及其布設和固定方式

3.1 光纖選型

受巷道掘進和工作面回采等影響，頂板常常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，表面煤層破碎嚴重，經(jīng)常會不均衡地、區(qū)域性地和突發(fā)性地發(fā)生沉降、斷裂和冒落等。因此，必須選擇抗拉性和抗剪切破壞強度較大的光纜，以避免被頂板破碎巖塊壓斷破壞。本文選用高強度5 mm鋼絞線光纖，如圖6所示，其物理力學性質(zhì)見表1。

(a) 光纖結(jié)構(gòu)

(b) 光纖實物

表1 5 mm 鋼絞線光纖物理力學參數(shù)

3.2 光纜布設及固定方式

常規(guī)的表面粘貼光纖和內(nèi)部植入光纖的方式在煤礦工作面巷道頂板很難做到。為了使光纖和頂板變形運動一致，設計了通過頂板錨桿、錨索定點固定光纜的間接固定方式，如圖7所示。

(a) 實驗室模擬錨桿固定光纜

(b) 巷道頂板采用錨桿索固定光纜

將一個防止變形的直角彎曲的高強度金屬托盤用螺母緊緊地固定在錨桿上，托盤下端靠4個螺絲上緊2個金屬夾片，夾片中間有凹槽，正好放置5 mm鋼絞線光纜。依靠錨桿或錨索間接地把光纜固定在頂板上。

系統(tǒng)用于監(jiān)測巷道走向上的頂板變形情況，因此，在巷道走向的頂板上布設一條或幾條光纜，使光纖全分布地無縫覆蓋巷道走向的頂板。

通過BOTDR不斷向傳感光纖泵入脈沖光，并接收、處理和分析傳感光纖返回的布里淵背射散射光信號，實現(xiàn)了分布式光纖應變信息即整個巷道頂板變形信息的實時監(jiān)測。這種監(jiān)測方式不受人為因素和斷電影響，且光纖應變定位準確，保證了巷道頂板變形監(jiān)測的及時性、準確性和客觀性。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)主界面如圖8所示。左側(cè)豎欄為所要監(jiān)測的煤礦巷道名稱，按照煤礦名稱-采區(qū)名稱-工作面名稱-進風巷或回風巷名稱4級結(jié)構(gòu)命名。中間部分為所監(jiān)測巷道的平面示意圖。右下側(cè)為實時監(jiān)測的光纖應變圖，右上側(cè)為監(jiān)測段煤礦巷道頂板實際圖像。菜單欄包括報警設置、系統(tǒng)設置、曲線設置和測試設置。測試設置：設置測試量程、取樣分辨率、應變系數(shù)、初始光纖折射率、脈沖光的脈沖寬度、掃描間隔和掃描的起始終止頻率等。曲線設置：設置應變曲線的橫坐標和縱坐標范圍。系統(tǒng)設置：設置需要監(jiān)測的巷道的名稱、屬性、平面圖和頂板實際拍攝圖像等。報警設置：設置光纖應變報警值和報警級別。

圖8 煤礦巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面

5 現(xiàn)場應用

在山西省陽泉蔭營煤礦150313工作面的進風巷安裝頂板監(jiān)測系統(tǒng)，該進風巷為5.4 m×3.0 m的矩形巷道，擔負輸送帶運輸和進風功能，頂板為15號煤層，采用錨桿索和W鋼帶支護?，F(xiàn)場光纜測試位置為頂板W鋼帶的424—698排，監(jiān)測總長度為274 m。采用錨索固定光纜，如圖9所示。從圖9右上角放大圖可見，光纜采用高強度直彎金屬托盤固定在錨索上，托盤外側(cè)下端固定塑料夾片，利用4個螺絲上緊夾片以固定光纜。該進風巷錨索間距1 000 mm，符合BOTDR的空間分辨率要求。

圖9 頂板監(jiān)測光纜現(xiàn)場布設

頂板監(jiān)測系統(tǒng)從2018-12-01開始監(jiān)測，每天一次，到2019-05-01，共監(jiān)測6個月，期間工作面還沒開始回采。入射光波長為1.55 μm，空間分辨率、采樣分辨率、平均數(shù)和掃描頻率分別為1 m，0.2 m，213和10 MHz。將第1天測得的應變值作為初始值，以后測得的應變值減去初始值，得到頂板光纖應變監(jiān)測結(jié)果。選取幾個日期的應變數(shù)據(jù)，如圖10所示。424—698排鋼帶之間光纖應變在初始值附近波動，最大波動值在±40×10-6內(nèi)，說明光纖應變基本沒有變化，巷道頂板穩(wěn)定。

在監(jiān)測光纖應變的同時，采用頂板離層儀和十字法測量頂板位移，得到監(jiān)測周期內(nèi)頂板監(jiān)測段的頂板離層曲線和頂板位移曲線，如圖11所示。

圖10 光纖應變變化曲線

圖11 頂板離層儀和十字法測量結(jié)果

從圖11可見，頂板離層儀監(jiān)測數(shù)據(jù)基本在1～3 mm范圍內(nèi)波動，處于穩(wěn)定狀態(tài)，與光纖應變表征的結(jié)果一致；利用十字法觀測的頂板位移量在5～7 mm范圍內(nèi)波動，頂板沉降變化微小，表明150313工作面進風巷在沒有受到回采影響的條件下，頂板一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。基于光纖應變的頂板監(jiān)測結(jié)果和頂板離層儀監(jiān)測結(jié)果、十字法觀測結(jié)果一致，驗證了基于分布式光纖技術(shù)的煤礦巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)的準確性。

6 結(jié)論

(1) 采用分布式光纖監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)了對煤礦巷道頂板的實時在線分布式監(jiān)測，為煤礦提供了一種無需供電、長距離、耐腐蝕、抗干擾和布設方便的巷道監(jiān)測手段。

(2) 通過錨桿或者錨索端部固定光纖，可使煤礦頂板與光纖變形一致，能切實保證整條巷道頂板得到分布式監(jiān)測，保證頂板變形監(jiān)測的實時性和準確性。

(3) 煤礦頂板沉降變形使光纖產(chǎn)生拉應變，用光纖應變表征頂板變形程度消除了人為因素和斷電等影響，保證了監(jiān)測結(jié)果的客觀性。

(4) 現(xiàn)場應用結(jié)果表明，光纖應變變化能夠?qū)崟r準確地反映頂板變形情況，基于光纖應變的頂板監(jiān)測結(jié)果與頂板離層儀監(jiān)測結(jié)果、十字法觀測結(jié)果一致。