寧殿艷

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710054)

煤礦深部開采過程中，隨著煤層采掘擾動，導(dǎo)致煤層底板發(fā)生變形破壞，削減隔水層強度，使底板突水危險性增加[1-4]。開展深部煤層采掘擾動下底板溫度場、應(yīng)力場、滲流場監(jiān)測是突水災(zāi)害辨識與預(yù)警的主要手段，變得越來越必要。對其裝備的開發(fā)是煤層底板突水監(jiān)測預(yù)警和制定工作面底板水害防治措施的基礎(chǔ)[5，6]，具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

近年來，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，基于光纖的監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦安全監(jiān)測中的發(fā)展和使用有所增加[7-10]。與傳統(tǒng)以電學(xué)原理為主的底板多場監(jiān)測技術(shù)相比[11]，光纖光柵傳感技術(shù)因其具有適用于嚴(yán)苛環(huán)境、抗電磁干擾、遠程傳感、長期穩(wěn)定性好、尺寸微小、量測效率高、疲勞耐久性強等優(yōu)勢，突破了傳統(tǒng)電學(xué)感測技術(shù)的不足，可實現(xiàn)底板突水的準(zhǔn)分布式監(jiān)測，能全面地獲得底板多場的變化信息[8]。然而，這項技術(shù)的實際應(yīng)用仍然需要進一步的發(fā)展，以實現(xiàn)有效的使用。本文針對工作面底板各場特點，設(shè)計了一種基于光纖光柵多參數(shù)傳感的煤層底板突水監(jiān)測系統(tǒng)，通過在FPGA中進行在線自動多峰檢測，實現(xiàn)多參數(shù)光纖光柵的波長實時、準(zhǔn)確解調(diào)。此外，通過對河北邢臺葛泉煤礦煤層底板突水監(jiān)測，獲得了溫度場、應(yīng)變場、滲壓場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了系統(tǒng)的科學(xué)實踐性，該系統(tǒng)的實現(xiàn)為煤層底板突水監(jiān)測提供了良好的裝備支撐。

1 光纖光柵傳感原理及數(shù)據(jù)處理

1.1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵(FBG)傳感器是一個反射型的窄帶濾波器，其結(jié)構(gòu)與傳感光譜如圖1所示，對不同波長的光具有選擇作用，即當(dāng)入射光通過光柵時，光柵中心波長對應(yīng)的光波會被反射，其他光波會全部透射通過。由耦合模理論可知，光纖光柵的中心反射波長如公式：

λB=2neffΛ

(1)

式中，λB為光纖光柵的中心發(fā)射波長；neff為導(dǎo)模的有效折射率；Λ為光柵的固有周期[12]。

圖1 光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)與傳感光譜

FBG對于應(yīng)力和溫度都很敏感，應(yīng)力通過彈光效應(yīng)和光纖光柵周期的變化來影響λB，溫度則是通過熱光效應(yīng)和熱脹效應(yīng)來影響λB。

應(yīng)力和溫度的變化都會改變有效折射率和光柵周期，導(dǎo)致FBG傳感器反射峰值波長的變化，假設(shè)二者引起的光柵中心波長變化是相互獨立的，光纖布拉格光柵的中心反射波長變化公式：

式中，ΔλB為中心波長漂移；ε是光纖的軸向應(yīng)變；Pe是有效彈光系數(shù)；αs為光纖的熱脹系數(shù)；ζs為光纖的熱光系數(shù)；kε和kT分別為光柵應(yīng)變和溫度系數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

在監(jiān)測時，需要將解調(diào)后的中心波長轉(zhuǎn)換為對應(yīng)傳感器的測量值，下面將分別介紹溫度、應(yīng)變和滲壓傳感器的轉(zhuǎn)換計算公式。

1.2.1 溫度

通過采用二次擬合的公式進行溫度的計算，可使測溫精度提高到 0.2℃，計算公式：

T=A(λ-λ0)+B(λ-λ0)+T0

(3)

式中，A為二次項系數(shù)，℃/nm2；B為一次項系數(shù)，℃/nm；λ為光柵當(dāng)前波長，nm；T為當(dāng)前溫度，℃；λ0為溫度傳感器在T0溫度下的波長，一般取T0=0℃附近的波長。

1.2.2 應(yīng)變

采用的應(yīng)變傳感器中帶有溫度補償傳感器，應(yīng)變傳感器在溫度修正后的應(yīng)變計算公式：

ε=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)

(4)

式中，ε為應(yīng)變量；K為應(yīng)變系數(shù)，μm/nm；B為溫度修正系數(shù)，℃/nm；λ1為應(yīng)變柵當(dāng)前的波長值，nm；λ0為應(yīng)變柵初始的波長值，nm；λt1為溫補光柵當(dāng)前波長值，nm；λt0為溫補光柵初始波長值，nm。

1.2.3 滲壓

采用的滲壓傳感器中帶有溫度補償傳感器，滲壓傳感器在溫度修正后的壓強計算公式：

P=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)

(5)

式中，P為壓強，kPa；K為滲壓計傳感器系數(shù)，kPa/nm；B為溫度修正系數(shù)，℃/nm；λ1為壓力光柵當(dāng)前的波長值，nm；λ0為壓力光柵初始的波長值，nm；λt1為溫補光柵當(dāng)前波長值，nm；λt0為溫補光柵初始波長值，nm。

2 光纖光柵傳感系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)包括地面服務(wù)器、顯示屏、光纖光柵解調(diào)儀、多芯鎧裝光纜及已有井下光纖光柵溫度、應(yīng)變、滲壓傳感器，如圖2所示。該系統(tǒng)采用串、并行相結(jié)合的方式進行FBG傳感器多路復(fù)用設(shè)計，可實現(xiàn)16通道，每個通道最大可復(fù)用80個傳感器的準(zhǔn)分布式實時監(jiān)測。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)通過光纖解調(diào)儀光源模塊發(fā)出16束寬帶光波，由光纖耦合器將光波耦合到鎧裝光纖中，再傳至測試點布設(shè)的埋入式多參數(shù)光纖光柵傳感器上；光纖光柵傳感器對光波調(diào)制后，帶著傳感器實時信息的光波反射回來，進入光纖光柵解調(diào)儀的光電探測模塊；光電探測模塊將調(diào)制后的光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，并傳送到FPGA測控模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在FPGA上信號處理模塊將得到的數(shù)字信號通過在線自動多峰檢測的譜峰定位方法，準(zhǔn)確測量物理量變化調(diào)制后光纖光柵傳感器的中心波長。

系統(tǒng)終端參數(shù)設(shè)置界面設(shè)定各傳感器位置、通道號、傳感器參數(shù)類型、原始中心波長、參考配對、溫度修正系數(shù)等參數(shù)，實時計算對應(yīng)通道對應(yīng)應(yīng)變、溫度及滲壓傳感器的測量值，并將結(jié)果傳回監(jiān)測中心的服務(wù)器進行存儲與顯示，以實現(xiàn)底板突水狀態(tài)遠程實時監(jiān)測。

2.2 實時多峰檢測方法

2.2.1 方法

多參數(shù)準(zhǔn)分布式光纖光柵解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)難點是在線多個傳感器中心波長的峰值點準(zhǔn)確檢測[13]。到目前為止，已經(jīng)發(fā)展了多種不同的在線尋峰技術(shù)，主要包括基于傳統(tǒng)的窗口閾值技術(shù)[14]、小波變換及希爾伯特變換[15]、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解[16]、強度加權(quán)方差[17]等，這些算法的主要不足是為了更具普適性，就必須選擇更自由的參數(shù)(即窗口長度或閾值)。2012年Scholkmann提出了一個簡單而有效的自動多峰檢測(AMPD)普適算法[18]，該算法是利用矩陣計算所有的輸入數(shù)據(jù)來求峰值點，其特點是：在分析之前無需用戶選擇參數(shù)的特性；能夠檢測周期和準(zhǔn)周期信號中的峰值；具有相當(dāng)穩(wěn)健的峰值檢測效率[14]。為了在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)上實現(xiàn)AMPD算法，2018年Alperen Mustafa Colak在AMPD的基礎(chǔ)上進行了改進，并在FPGA上實現(xiàn)了時間序列數(shù)據(jù)的實時譜峰定位[19]，提高了AMPD算法在FPGA上實現(xiàn)的性能和效率。

本文采用Alperen Mustafa Colak的方法進行譜峰定位，實現(xiàn)多參數(shù)光纖光柵傳感實時解調(diào)。改進的AMPD算法及其在FPGA中的實現(xiàn)流程如圖3、圖4所示，在FPGA中用一個邏輯門創(chuàng)建一個進程，將輸入和輸出的矩陣生成器串行連接，應(yīng)用方差生成局部最大尺度矩陣，在每個時鐘周期內(nèi)，每個矩陣生成器的數(shù)據(jù)與順序移動的新采樣數(shù)據(jù)進行比較，生成每個尺度矩陣的元素，并依次求和與求平方和，然后保存所有值到寄存器中，當(dāng)矩陣所有元素比較生成后，使用一個基本的峰值標(biāo)志來比較確定一個值是否對應(yīng)于一個零點，即是否檢測到一個峰值點。

圖3 改進的AMPD算法流程

2.2.2 試驗測試

為了測試系統(tǒng)性能，在實驗室對各個通道采用多個不同波長的傳感器進行試驗，對于同一傳感器各個通道測試數(shù)據(jù)一致，不再贅述；不同傳感器試驗如下：隨機取10個傳感器，并設(shè)置采樣頻率10Hz，連續(xù)采樣10min，將測量值求平均值、均方根，系統(tǒng)波長測量精度小于1pm，譜峰檢測測試結(jié)果見表1；在第6通道接入13個不同波長的傳感器進行多譜實時檢測測試，系統(tǒng)可以實時準(zhǔn)確檢測出多個譜峰，與傳感器標(biāo)定一致，系統(tǒng)波長分辨率可達0.1pm。

圖4 FPGA算法實現(xiàn)流程

表1 譜峰檢測測試結(jié)果

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場概況

該監(jiān)測系統(tǒng)對葛泉煤礦11913工作面底板進行了2個多月突水監(jiān)測，實時地對底板危險區(qū)應(yīng)變、滲壓和溫度在采動過程中的數(shù)據(jù)采集。

葛泉煤礦11913工作面開采煤層為9號煤層，埋深約200m，煤層底板標(biāo)高-100～-40m，煤層走向傾角約15°，地下水位高程為+20m左右，工作面布置主要采用走向長壁及傾斜長壁等方式帶壓開采，開采方式為綜合機械化。9號煤層頂部有含水層，9號煤層下伏有兩個含水層，含水層1為本溪組巖溶裂隙含水層，層厚為7m，其頂距9號煤層底部16.3m，該含水層富水性中等、厚度較薄，水害風(fēng)險較??；含水層2為奧陶系巖溶裂隙含水層，其頂距9號煤層底部23.3m，該含水層富水性好、呈巨厚層狀，水害風(fēng)險較大，是礦井主要水害防治對象。此外，兩含水層具有一定的水力聯(lián)系，含水層水頭高度為+20m左右，帶壓開采的9號煤層，存在底板巖溶突水威脅[3]，綜合柱狀圖如圖5所示。

圖5 11913工作面綜合柱狀圖(m)

3.2 底板變形破壞監(jiān)測點位置確定

綜合分析葛泉煤礦11913工作面煤層賦存特征、開采技術(shù)條件、開采工藝以及之前物探、鉆探成果和監(jiān)測時溫度傳感器需要盡量布置在離水源近的一側(cè)，滲壓傳感器須在鉆孔底放置約40cm的砂子，應(yīng)變傳感器的鉆孔盡量形成高俯角，且傳感器須與鉆孔周圍耦合良好等傳感器的技術(shù)要求因素，確定監(jiān)測系統(tǒng)布置方案?，F(xiàn)場兩個監(jiān)測點鉆場布置4個鉆孔，其中兩個埋置應(yīng)變傳感器鉆孔(JC1、JC2)，兩個設(shè)置滲壓、溫度傳感器共用鉆孔(JCS1、JCS2)。JC1與JCS1布于SF6-1斷層尖滅處，工作面運輸巷內(nèi)1#鉆場，JC2與JCS2布于工作面運輸巷內(nèi)2#鉆場，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)平面布置

JC1和JC2應(yīng)變監(jiān)測孔鉆孔進尺40m，垂深17.1m，鉆孔剖面圖如圖7(a)所示，終孔層位為9號煤層以下17～19m，應(yīng)變傳感器分別布設(shè)于垂深12m和17m處，采用水泥漿將傳感器與孔壁固結(jié)為一體；JCS1和JCS2滲壓、溫度監(jiān)測孔鉆孔進尺47m(垂深18m)，鉆孔剖面圖如圖7(b)所示，滲壓傳感器布設(shè)于垂深12m處，溫度傳感器布設(shè)于垂深17m處，采用砂子填充于傳感器與孔壁間，保護水壓無損失傳遞，且不影響測點溫度的準(zhǔn)確。

圖7 鉆場鉆探鉆孔布置

傳感器布設(shè)使用了4個通道，每個通道串接2個傳感器的復(fù)用方式，采樣頻率為6次/h。

3.3 現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)及分析

8月24至11月3日，系統(tǒng)對葛泉煤礦11913工作面設(shè)置的8個傳感器進行了連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，采集到了1#鉆場中2個應(yīng)變傳感器、1個溫度傳感器和1個滲壓的傳感器的全過程實時數(shù)據(jù)，采集到了2#鉆場中2個應(yīng)變傳感器、1個溫度傳感器和1個滲壓的傳感器的部分?jǐn)?shù)據(jù)。2#鉆場中傳感器數(shù)據(jù)采集不全是由于其離回采工作面較近，開采將其破壞。本研究僅對1#鉆場采集數(shù)據(jù)進行分析，2#鉆場采集數(shù)據(jù)作為結(jié)果定性判斷的依據(jù)。

3.3.1 溫度數(shù)據(jù)分析

1#鉆場的溫度傳感器監(jiān)測時間為9月24—11月3日，采集數(shù)據(jù)分析，如圖8所示，溫度均值為20.40℃，峰峰值為0.77℃。與傳統(tǒng)(電學(xué)原理)傳感器抽查量測結(jié)果20.5℃一致，峰峰值小于變化幅度1.0℃，表明測試結(jié)果可信，準(zhǔn)確度和精度高于傳統(tǒng)測法?？纱_定地下溫度在量測時為恒溫20.40±0.34℃。

圖8 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.3.2 滲壓數(shù)據(jù)分析

1#鉆場的滲壓傳感器監(jiān)測時間為10月11—11月3日，采集數(shù)據(jù)分析，如圖9所示，滲壓均值為1846.40kPa，峰峰值為57.49kPa。傳統(tǒng)(電學(xué)原理)傳感器抽查量測結(jié)果均在對應(yīng)量測時間測試結(jié)果±5kPa范圍內(nèi)，正負(fù)均有，表明測試結(jié)果可信。滲壓值變化比較大：在10月12日、10月17日和10月28日分別有明顯降低，在10月21日有明顯升高，是由于工作面推進煤層開采，地下水的導(dǎo)升對水頭高度影響所致。

圖9 滲壓監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.3.3 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

1#鉆場的2個應(yīng)變傳感器(傳感器1垂深17m、傳感器2垂深12m)監(jiān)測時間為9月24—11月3日，采集數(shù)據(jù)分析，如圖10所示，傳感器1的應(yīng)變均值為-638.47με(負(fù)號表示壓縮應(yīng)變，下同)，峰峰值為88.20με；傳感器2應(yīng)變的均值為-272.02με，峰峰值為30.85με。工作面底板下巖層應(yīng)變受采動影響和深度有關(guān)，一般情況下，因開采使得采空區(qū)域底板上部荷載減除淺部變化較深部頻繁且變化大。實際測試時，傳感器1(深部)量測的數(shù)據(jù)較傳感器2(淺部)波動頻繁，傳感器2(淺部)量測的數(shù)據(jù)較傳感器1(深部)變化大，由量測巖層狀態(tài)和量測位置決定的：傳感器1(深部)設(shè)置于16.3m厚的砂質(zhì)泥鋁土頁巖等隔水層的底部，傳感器2(淺部)設(shè)置于隔水層的中部[20]。隔水層下伏7.0m含水層，水力與9號煤層及其上方含水層有聯(lián)系；下伏含水層水頭高度與水的導(dǎo)升密切相關(guān)。

圖10 應(yīng)變數(shù)據(jù)

10月2日之前受下伏含水層水頭高度影響，傳感器1與傳感器2測量結(jié)果變化趨勢一致，因傳感器1(深部)所在巖層接近下伏含水層，變化幅度大。10月2日到10月17日，主要受開采卸荷影響，傳感器1與傳感器2測量結(jié)果變化趨勢一致，因傳感器2(淺部)所在巖層接近開采煤層，變化幅度大。10月17日到10月28日，傳感器1(深部)所在巖層受下伏含水層水頭高度影響顯著，受開采卸荷影響次之，傳感器2(淺部)主要受開采卸荷影響，故傳感器1測量結(jié)果表現(xiàn)波動的同時，又表現(xiàn)與傳感器2測量結(jié)果一致的變化趨勢。10月28日到10月30日，開采卸荷影響基本結(jié)束，受卸荷后應(yīng)力逐漸平衡，轉(zhuǎn)為應(yīng)變受下伏含水層水頭高度影響。因埋設(shè)應(yīng)變傳感器的鉆孔傾角為39°非垂直對應(yīng)關(guān)系，受開采平面位置的影響，傳感器1位置卸荷后應(yīng)力平衡晚于傳感器2位置。10月30日后，卸荷應(yīng)力平衡，受下伏含水層水頭高度影響，傳感器1與傳感器2測量結(jié)果變化趨勢一致，因傳感器1(深部)所在巖層接近下伏含水層，變化幅度大，二者關(guān)系與10月2日之前一致。

因傳統(tǒng)(電學(xué)原理)傳感器體積大，遇潮易壞就，實施難度高，測量的準(zhǔn)確性與精確度不高，在應(yīng)變測試過程未進行抽檢。測試結(jié)果表明，基于鉆孔的光纖光柵便于設(shè)置，可連續(xù)量測，實時傳輸，全過程觀測工作面底板的壓力變化規(guī)律。

3.3.4 耦合分析

9月24—11月3日，量測時監(jiān)測點巖層為恒溫20.40± 0.34℃，對應(yīng)變傳感器性能變化的影響很小，可忽略不計。應(yīng)變波動與滲壓變化趨勢如圖11所示，但是當(dāng)距開采底部距離較小時，開采卸荷對應(yīng)變的影響起主導(dǎo)作用；當(dāng)距開采底部距離較大，離下伏含水層較近時，滲壓(或下伏含水層水頭高度)對應(yīng)變的影響起主導(dǎo)作用。

圖11 耦合分析

從測試結(jié)果看，煤層開采過程中卸荷作用、地下水導(dǎo)升是影響巖層應(yīng)變的主要因素，深度較大時巖層溫度基本處于恒溫狀態(tài)，溫度的影響可忽略不計。根據(jù)底板突水機理，當(dāng)?shù)装鍘r層應(yīng)變超過允許值，下伏含水層較大時，暴發(fā)底板突水，將底板巖層強度(勘察時獲得)、實時底板巖層應(yīng)變、滲壓等因素綜合分析，確定煤層底板巖層實時完整情況、下伏含水層水頭高度，可實現(xiàn)暴發(fā)底板突水分級預(yù)警，保證工作面安全。

4 結(jié) 語

基于FBG傳感的可靠傳感器的光纖光柵多參數(shù)傳感監(jiān)測系統(tǒng)，通過引入在FPGA中應(yīng)用簡單普適的多峰檢測的技術(shù)，實現(xiàn)了波長分辨率可達0.1pm，測量精度達1pm的多參數(shù)解調(diào)能力。并將其應(yīng)用于葛泉煤礦煤層底板突水監(jiān)測，試驗的結(jié)果表明，系統(tǒng)適應(yīng)性強、穩(wěn)定性好，可連續(xù)、實時量測、時效性高，且精度高于傳統(tǒng)儀器。將底板巖層強度、實時底板巖層應(yīng)變、滲壓等因素綜合分析，可確定煤層底板巖層實時完整情況、下伏含水層水頭高度，進而可實現(xiàn)底板突水分級預(yù)警。同時采用時域特征提取和聚類算法等對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行多參數(shù)耦合分析，在煤層底板突水預(yù)警過程中將具有巨大的潛力。但在試驗過程中，存在監(jiān)測點隨工作面回采而破壞的現(xiàn)象，應(yīng)做好監(jiān)測設(shè)備的保護。后續(xù)將繼續(xù)進行現(xiàn)場試驗，不斷優(yōu)化監(jiān)測系統(tǒng)，完善數(shù)據(jù)處理，摸索有效的現(xiàn)場監(jiān)測方法，研發(fā)更可靠的高時效的煤層底板突水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。