程 剛，王振雪，施 斌，朱鴻鵠，李剛強，張平松，魏廣慶

(1.華北科技學(xué)院 計算機學(xué)院，北京 101601；2.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；3.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；4.南京大學(xué)(蘇州)高新技術(shù)研究院，江蘇 蘇州 215123)

近半個世紀(jì)，隨著世界經(jīng)濟的高速發(fā)展，尤其是基礎(chǔ)建設(shè)與應(yīng)用領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，全球煤炭消費量快速增長，其中我國是全球最大的煤炭生產(chǎn)國，同時也是全球最大的煤炭消費國。2021年中國煤炭產(chǎn)量為41.3億t，占全球煤炭總產(chǎn)量的59.31%；煤炭消費量為43.15億t，占全球煤炭消費總量的56%左右。現(xiàn)階段，清潔新能源和可再生資源量產(chǎn)低、大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化存在技術(shù)和經(jīng)濟等方面的難題，難以支撐起經(jīng)濟發(fā)展對能源的需求，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生根本改變，煤炭資源開發(fā)在當(dāng)前和今后相當(dāng)長時期內(nèi)仍將維持一定強度，近5年我國能源消費結(jié)構(gòu)比例如圖1所示。

圖1 2017—2021年中國能源消費結(jié)構(gòu)

然而，煤炭作為“碳達峰、碳中和”重點革新產(chǎn)業(yè)，為積極推動我國“雙碳”目標(biāo)，亟需推進煤炭綠色智能開發(fā)的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，其中開采源頭治理作為綠色開發(fā)的首要環(huán)節(jié)，對整個循環(huán)的健康發(fā)展起著關(guān)鍵作用。

基于我國煤炭資源特殊的賦存條件，從而直接決定了以井工開采方式為主，占全國煤炭產(chǎn)量的90%以上。隨著淺埋煤層已逐步枯竭，開采深度和強度不斷加大，難度日益增加，若開采設(shè)計方法不當(dāng)，往往會直接誘發(fā)各類重大災(zāi)害，如沖擊地壓、巷道變形、地表塌陷、煤與瓦斯突出、礦井突水等(圖2)，其中采動作用下誘導(dǎo)的頂板事故占據(jù)煤礦五大災(zāi)害之首(圖3)，這些災(zāi)害往往都是采動作用下煤層上覆巖層變形、移動與破壞的結(jié)果，它與巖石的礦物組成、地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力場、溫度場、滲流場、地電場等多場相互作用密切相關(guān)，一旦發(fā)生往往會導(dǎo)致重大安全生產(chǎn)事故，同時會引起一系列開采生態(tài)環(huán)境問題。由此可見，當(dāng)前煤礦典型動力災(zāi)害(頂板事故、礦井突水、沖擊地壓、井筒變形等)仍時有發(fā)生。

圖2 深部開采引起的礦井事故與地質(zhì)災(zāi)害

圖3 2020年全國煤礦各類較大以上事故分布

地下煤炭開采時常常會引起煤層上覆巖層產(chǎn)生變形、離層、破斷、垮落，伴隨巖層運動導(dǎo)致礦山壓力顯現(xiàn)，為了科學(xué)揭示采礦過程中礦山壓力現(xiàn)象的本質(zhì)，國內(nèi)外學(xué)者提出了眾多采場假說和理論，表1為采場結(jié)構(gòu)模型發(fā)展的主要假說和理論。

表1 采場結(jié)構(gòu)模型發(fā)展[7-11]

全球礦山科研人員經(jīng)過數(shù)十年的理論探索、試驗研究和應(yīng)用推廣，對煤層開采覆巖變形破壞的探測方法技術(shù)總結(jié)為：工程地質(zhì)比擬法、數(shù)值模擬計算法(包括有限元、離散元、邊界元和有限差分法等)、室內(nèi)試驗法、現(xiàn)場實測法等。表2列舉了煤層采動上覆巖體現(xiàn)行監(jiān)測方法及其特點。

表2 煤層采動上覆巖體現(xiàn)行監(jiān)測方法及其特點

受我國煤炭資源富集區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和成煤環(huán)境的影響，我國礦山開采環(huán)境具有一定的特殊性，主要呈現(xiàn)以下特點：① 主要產(chǎn)煤區(qū)的可采煤層層數(shù)較多；② 絕大數(shù)煤層埋深較大(基本均位于300 m以下)；③ 煤層厚度大且往往存在一定的不連續(xù)性。同時，東部產(chǎn)煤區(qū)存在“三軟”工程地質(zhì)條件下開采問題，西部產(chǎn)煤區(qū)存在地表生態(tài)與地下水埋深關(guān)系密切的問題。我國煤礦主要分為露天礦和井工礦兩大類，露天礦采煤工藝主要包括：穿孔、爆破、采裝、運輸和排土等，井工礦采煤工藝主要環(huán)節(jié)為：破煤、裝煤、運煤、支護、采空區(qū)處理等，其開采工藝也大致經(jīng)歷了4代：① 炮采法；② 普通機械化開采法；③ 綜合機械化開采法；④ 智能化開采法。上述開采工藝為保障我國不同時期的煤炭安全開采做出了積極貢獻，由于影響各采煤區(qū)頂?shù)装宸€(wěn)定性的主要地質(zhì)因素不同，因此在實際生產(chǎn)中各煤礦亦會結(jié)合不同的地質(zhì)條件和生產(chǎn)成本，科學(xué)合理地選取開采工藝，實現(xiàn)煤礦安全高效開采。

由于礦山工程具有范圍廣、多場作用、影響因子疊加效應(yīng)明顯、隱蔽性強、監(jiān)測條件差、動態(tài)響應(yīng)要求高、監(jiān)測周期長等特點，給各類災(zāi)害事故與礦山工程問題的監(jiān)測與預(yù)警帶來了巨大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的監(jiān)測方法難以準(zhǔn)確、實時探測煤層開采過程中上覆巖體的變形對巷道局部變形和地面沉陷的影響。因此，亟需突破煤層安全開采監(jiān)測中的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)從覆巖變形破壞到地表沉陷發(fā)生發(fā)展演化過程的全面認知，揭示采動覆巖變形破壞的時效機理和多場作用關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立一套涵蓋礦井生產(chǎn)全周期的煤層安全開采在線評估體系?；诒O(jiān)測距離和精度的優(yōu)勢，分布式光纖感測技術(shù)已成為全球?qū)W者的關(guān)注焦點。國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過十余年的技術(shù)攻關(guān)，目前已研制出百余種光纖傳感器，南京大學(xué)施斌教授團隊也針對礦山工程特點，研發(fā)了十余種礦山工程監(jiān)測用特種傳感器，實現(xiàn)了對礦山工程從宏觀到微觀，從點到面再到體，從靜態(tài)到動態(tài)的精細化監(jiān)測，為保障礦山安全開采和開采沉陷的防災(zāi)減災(zāi)提供第一手分析評價資訊。

筆者對礦山工程中的采場圍巖變形破壞研究方法進行了系統(tǒng)性概述，從技術(shù)原理、傳感器選型與系統(tǒng)布設(shè)兩大方面重點介紹了幾種典型的分布式光纖感測技術(shù)(FBG，UWFBG，OTDR，BOTDR，BOTDA，BOFDA，DAS)原理及其在礦山工程中的適用場景，總結(jié)了DFOS(Distributed Fiber Optic Sensing)技術(shù)在礦山工程安全監(jiān)測中的應(yīng)用進展，并對DFOS技術(shù)在礦山工程安全監(jiān)測中面臨的關(guān)鍵問題和對策進行了分析。

1 技術(shù)原理

分布式光纖感測技術(shù)相比于傳統(tǒng)的機械、電子類傳感器具有全分布、長距離、高靈敏度、大動態(tài)范圍、強抗電磁干擾等獨特優(yōu)勢。目前，礦山工程安全監(jiān)測領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的光纖感測技術(shù)主要有FBG(Fiber Bragg Grating sensing)，UWFBG(Ultra-Weak Fiber Bragg Grating)，OTDR(Optical Time Domain Reflectometer),BOTDR(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer)，BOTDA(Brillouin Optical Time-Domain Analysis)，BOFDA(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis)和DAS(Distributed Acoustic Sensing)，通過上述技術(shù)持續(xù)性獲得地下巖體應(yīng)變、溫度和振動等信息。實際中多選用BOTDR和DAS技術(shù)進行井下實測，利用FBG，BOTDA及BOFDA技術(shù)進行室內(nèi)物理模型試驗。表3從傳感類型、技術(shù)原理等方面列舉了上述光纖感測技術(shù)的參數(shù)信息，圖4為光纖感測技術(shù)分類。圖4中，為光纖中的初始光頻率；為光纖上某位置受溫度(應(yīng)變)變化影響后產(chǎn)生的光頻率漂移；為光頻率漂移量換算成應(yīng)變值；為光纖未受溫度(應(yīng)變)影響的應(yīng)變初值。

圖4 光纖感測技術(shù)分類

表3 不同光纖感測技術(shù)對比

2 選型與布設(shè)

2.1 感測光纜(器)選型

近年來，光纖感測技術(shù)的應(yīng)用不斷拓展，感測光纜類型也日益增多，然而在實際應(yīng)用過程中需充分考慮監(jiān)測目標(biāo)條件，并根據(jù)光纜特性進行感測光纜選型。針對礦山工程監(jiān)測特點，目前常用的主要為GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)光纜、金屬基索狀光纜和定點光纜。GFRP光纜采用高強度聚氨酯作為光纖的加強件，既保證光纜具有較高的應(yīng)變傳遞性能，又可抵抗測試過程中的拉壓與沖擊，因此廣泛應(yīng)用在礦山工程中的變形、內(nèi)力及損傷監(jiān)測。金屬基索狀光纜采用特種鋼絲擰合封裝工藝，耐磨性強，保證其在高壓噴漿、澆筑回填作用下的存活率，適用于彈性模量較高材料(基巖、混凝土等)的變形監(jiān)測。定點光纜是利用光纜兩定點間的應(yīng)變來計算被測目標(biāo)體的變形大小，適用于巖土體非連續(xù)大變形監(jiān)測，基于兩相鄰固定點間光纜敏感度高，因而可精準(zhǔn)識別覆巖離層及其內(nèi)部微裂隙。不同類型光纜選型見表4。

表4 礦山工程變形監(jiān)測光纜選型[19]

為了對礦山工程中關(guān)鍵部位的變形、溫度、傾角等參數(shù)進行精準(zhǔn)監(jiān)測，可以從2方面進行突破：一是對光纖材料的革新，如20世紀(jì)60年代發(fā)明的塑料光纖(Plastic Optical Fiber，POF)具有大變形能力，但由于光損過大等因素尚無法用于現(xiàn)場測試，目前國內(nèi)外已有學(xué)者展開基于POF感測技術(shù)的研究；另一方面是研究出大小應(yīng)變相互轉(zhuǎn)換的特種傳感器，實現(xiàn)大變形監(jiān)測。國內(nèi)外學(xué)者基于光纖光柵技術(shù)，研發(fā)了一系列礦山工程監(jiān)測用特種傳感器，如圖5所示。

圖5 礦山工程應(yīng)用中的FBG傳感器

柴敬等開展了光纖光柵傳感器技術(shù)在礦山工程應(yīng)用研究，基于光纖光柵技術(shù)的井筒變形、覆巖破壞和斷層活化等，獲得了對光纖光柵應(yīng)用領(lǐng)域范圍的認知，推動了光纖光柵的新應(yīng)用新發(fā)展。

2.2 儀器設(shè)備選型

現(xiàn)階段，DFOS技術(shù)發(fā)展較為成熟，技術(shù)種類繁多且各具優(yōu)勢，目前已衍生出多種可應(yīng)用于實際工程監(jiān)測的商用化設(shè)備(表5)。由于礦山工程規(guī)模大、隱蔽性強、環(huán)境惡劣、實時性監(jiān)測要求高，往往需通過大范圍、長距離的連續(xù)性監(jiān)測，實時獲取礦山開采過程中采場圍巖變形破壞的動態(tài)信息，才可以全面精準(zhǔn)掌握采動覆巖變形破壞規(guī)律與開采沉陷時效機理。因此，在實際應(yīng)用過程中，首先需針對不同礦山的地質(zhì)條件以及監(jiān)測目標(biāo)，正確選擇相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備。FBG為單點光纖測量技術(shù)，具有精度高、成本低、集成化易等優(yōu)點，利用一條光纖將多個FBG點串聯(lián)起來(一般最大為10個光柵點)即可實現(xiàn)準(zhǔn)分布式監(jiān)測，可實時自動采集光纖上各個光柵點的波長變化，并通過原始標(biāo)準(zhǔn)方程計算出各點的應(yīng)變(溫度)變化，進而判定待測巖土體的受力變化過程。然而該技術(shù)無法實時分布式測量，往往會造成某些關(guān)鍵監(jiān)測區(qū)域的漏檢，同時受限于光柵點刻錄工藝水平，當(dāng)監(jiān)測位置受力變形過大時，容易造成柵點損壞。因此，該技術(shù)在數(shù)據(jù)量、耐久性和大變形等監(jiān)測方面的優(yōu)勢均低于DFOS技術(shù)。

表5 主要商用化設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

覆巖變形監(jiān)測最主要的方法為室內(nèi)模擬測試和現(xiàn)場監(jiān)測研究。研究結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)工藝及其質(zhì)量對監(jiān)測結(jié)果具有直接影響。因此，在礦山工程安全開采監(jiān)測中，需結(jié)合不同的測試環(huán)境與測試對象選擇相應(yīng)的布設(shè)方法。目前，礦山工程實際應(yīng)用中大多采用井上和井下聯(lián)合方法進行測試系統(tǒng)布設(shè)。井上布設(shè)方法主要為地面監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)，首先實施地面鉆孔，然后結(jié)合監(jiān)測目標(biāo)和地質(zhì)條件選擇相應(yīng)的光纜(器)進行鉆孔布設(shè)，此過程主要分為制作配重導(dǎo)錘、植入感測光纜、鉆孔回填與待穩(wěn)、感測光纜保護4個階段(圖6)。

圖6 井上測試系統(tǒng)光纜布設(shè)流程

井下布設(shè)方法主要利用高強度輕質(zhì)管件作為光纜(傳感器)附著載體，將其埋設(shè)于煤層上覆巖體中(圖7)。該方法首先根據(jù)采場條件進行井下仰孔設(shè)計，其次實施鉆孔并進行光纜布設(shè)與注漿作業(yè)，最后待鉆孔達到耦合強度后采集初值。在監(jiān)測工作面回采過程中，結(jié)合實際進度進行數(shù)據(jù)的定期采集，基于光纜初值和定期數(shù)據(jù)分析采動作用下鉆孔控制高度內(nèi)覆巖的變形破壞響應(yīng)特征。由于該方法的施工過程中，井下鉆窩的位置和規(guī)格、鉆孔角度與長度都必須經(jīng)嚴(yán)格的計算，因而施工要求較高?？紤]到各礦區(qū)的地質(zhì)條件、開采工藝和監(jiān)測成本，在實際中往往需要進行個性化的定制方案，加之布設(shè)流程的隨意性，對光纜數(shù)據(jù)采集質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，這也是制約光纖感測技術(shù)應(yīng)用普及的一個重要問題，亟需針對礦山工程特點，制定相應(yīng)的光纖測試規(guī)范，加強測試系統(tǒng)布設(shè)流程的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化，提高數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和可靠性。

圖7 覆巖變形井下光纖監(jiān)測系統(tǒng)

3 DFOS技術(shù)在礦山工程安全監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 采動覆巖變形破壞監(jiān)測

隨著地下煤炭資源的不斷采出，從而擾動了煤層覆巖的平衡狀態(tài)，與此相伴地產(chǎn)生覆巖變形、破壞甚至離層垮落，這種影響直至趨于形成新的平衡才逐漸穩(wěn)定。一般情況下，對于近似于水平煤層工作面，當(dāng)開采深度與開采厚度比高于40，采動作用影響效應(yīng)可以視作以采場為中心點，以頂板和煤壁為支撐起點向四周擴散，直至消失?；阢q接巖塊和預(yù)成裂隙梁假說，錢鳴高院士在大量現(xiàn)場頂板巖層運動的觀測及相似模擬試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型，將采動作用沿垂直方向上分為了“豎三帶”，即垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶；沿開采方向上分為了“橫三區(qū)”，即支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)，如圖8所示。覆巖的破壞形式主要分為彎曲破壞和剪切破壞，彎曲破壞的發(fā)展過程主要為：隨著煤層被采出，上覆巖層出現(xiàn)懸露，在重力作用下發(fā)生彎曲變形，一定程度后在煤體端部發(fā)生裂開，并在懸露中部產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，進而使得巖層產(chǎn)生冒落；剪切破壞的發(fā)展過程主要為：煤層頂板懸露后只產(chǎn)生較小彎曲下沉，在懸露巖層端部即發(fā)生了開裂現(xiàn)象，然而在巖層中部并未開裂(或僅有少量裂隙存在)的情況下，巖層發(fā)生大面積的整體塌垮現(xiàn)象，此種破壞形式影響范圍大、速度快，對開采工作面沖擊大，開采過程中應(yīng)當(dāng)給予高度重視。

圖8 采場覆巖“豎三帶”、“橫三區(qū)”分布示意[22]

上述有關(guān)采動覆巖變形破壞模式和演化規(guī)律仍處于探索階段，如何精細化捕捉采動覆巖的受力變形狀態(tài)，進而全面掌握覆巖變形及離層演化全過程是當(dāng)前礦山安全開采監(jiān)測亟需解決的關(guān)鍵問題之一。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者采用電阻應(yīng)變片、沉降標(biāo)、位移計、伸縮計、電極等常規(guī)傳感器開展了大量研究，雖然獲得了煤層覆巖局部位置的應(yīng)變、沉降、位移、應(yīng)力、電阻率等信息，但存在傳感器精度低、埋設(shè)困難、易受電磁干擾、成活率低、耐久性差等缺陷。同時，這些點式數(shù)據(jù)較為離散，存在監(jiān)測盲區(qū)，無法從整體上捕捉煤層上覆巖層不斷累積的形變信息。隨著分布式光纖監(jiān)測理論、技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展，在采動覆巖變形分析理論、測試方法研究等方面均取得了變革性的突破，因其分布式、高精度、長距離、全實時、抗干擾、小體積等獨特優(yōu)勢，即可實時獲取一根光纖(纜)長度方向上所有位置的應(yīng)變、溫度、振動等物理信息，將其按照需求以網(wǎng)狀進行布設(shè)，猶如給上覆巖層植入可感知的“神經(jīng)”，時刻感知上覆巖層的每個“動作”。圖9為地面和井下一體化礦山開采分布式感測網(wǎng)絡(luò)。

圖9 一體化礦山開采分布式感測網(wǎng)絡(luò)

近年來，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用光纖感測技術(shù)開展了大量的煤層開采模型試驗研究，取得了一系列關(guān)于覆巖變形破壞規(guī)律的新認識。柴敬等將分布式光纖分別沿水平和垂直方向埋設(shè)于模擬巖層內(nèi)部，并融合BOTDA，F(xiàn)BG和CRP(Close-Range Photography)多方法建立了“點-線-面”一體化監(jiān)測系統(tǒng)(圖10)，實時監(jiān)測采動作用下上覆巖層內(nèi)部變形和巖層表面位移變化，揭示了采動作用下各巖層的應(yīng)變分布特征，驗證了上述3種方法對巖層內(nèi)外變形監(jiān)測具有良好的一致性。圖11為位于關(guān)鍵層中的水平向監(jiān)測光纖數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖10 “點-線-面”一體化監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)方案

圖11 水平向監(jiān)測光纖數(shù)據(jù)結(jié)果[15]

侯公羽等基于BOFDA和布里淵頻移(Brillouin Frequency Shift，BFS)融合分析技術(shù)，進行采場覆巖變形模型試驗研究，在模型內(nèi)部沿水平向與垂直向布設(shè)傳感光纖，實現(xiàn)開挖過程中的覆巖變形監(jiān)測，并結(jié)合CRP數(shù)據(jù)進行對比分析，獲得光纖頻移值和巖層工作面來壓及覆巖結(jié)構(gòu)演化的對應(yīng)關(guān)系。筆者基于BOTDA技術(shù)進行了覆巖變形的物理模型試驗研究，探究了“光纖-電法-CRP-數(shù)值模擬”多方法融合的應(yīng)用模式，并發(fā)現(xiàn)各方法結(jié)果具有良好的一致性。LIU等基于BOTDR技術(shù)，選用金屬基光纜、玻璃纖維增強光纜和10 m定點光纜對金雞灘煤礦開采過程中的覆巖變形破壞過程進行監(jiān)測。研究結(jié)果表明，金屬基光纜在強度和精度方面優(yōu)于玻璃纖維增強光纜和10 m定點光纜，在煤礦實際監(jiān)測中的適用性更強。

由于采動覆巖變形破壞是一個動態(tài)變化的過程，且不同地質(zhì)條件和開采工藝下的變形破壞特征存在較大差異性，因此在現(xiàn)場應(yīng)用過程中應(yīng)結(jié)合實際的地質(zhì)條件和開采工藝進行感測光纜的選型與布設(shè)，如對于煤層上覆堅硬巖層的地質(zhì)條件，現(xiàn)場監(jiān)測中應(yīng)選用特制定點光纜進行大變形監(jiān)測，同時可精細化捕捉巖層界面間的微裂隙。監(jiān)測儀器也應(yīng)優(yōu)選單端、實時、自動一體化設(shè)備，以適應(yīng)野外復(fù)雜惡劣環(huán)境。

目前，對于基于光纖感測數(shù)據(jù)的“三帶”判別，主要是依據(jù)監(jiān)測曲線進行定性判斷，人為主觀因素對判別結(jié)果產(chǎn)生較大影響，研究人員也嘗試?yán)霉饫w監(jiān)測數(shù)據(jù)躍變點及數(shù)據(jù)趨勢陡然升降來進行“三帶”分布范圍判斷，受限于煤層覆巖受力變形模式的復(fù)雜性，單一數(shù)據(jù)點的躍變往往無法準(zhǔn)確表征出“三帶”變化特征，且往往煤層上覆巖層中的塊狀垮落巖體亦會造成光纖數(shù)據(jù)的突變，從而引起“三帶”判斷誤差。因此，亟需建立考慮時空效應(yīng)的煤層采動覆巖變形光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)表征模型，通過采動過程的覆巖應(yīng)變動態(tài)變化云圖，結(jié)合關(guān)鍵開采進度下的光纖監(jiān)測曲線進行綜合判斷，以實現(xiàn)垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶位置的精準(zhǔn)判定。

3.2 采動作用下的斷層活化監(jiān)測

斷層活化易造成巖體發(fā)生破壞失穩(wěn)，嚴(yán)重影響著深部巖體的穩(wěn)定性。因此，對斷層面運動開展實時監(jiān)測，通過巖體變形的連續(xù)性實時數(shù)據(jù)獲取巖體的受力狀態(tài)，進而分析研究斷層活化規(guī)律，實現(xiàn)對斷層活化臨界狀態(tài)的科學(xué)預(yù)警。根據(jù)煤層工作面與斷層的空間關(guān)系，通常將其分為2種類型：① 工作面與斷層走向呈空間平行關(guān)系；② 回采方向與斷層走向呈空間垂直關(guān)系。基于此，國內(nèi)外科研人員開展了大量的數(shù)值模擬計算研究，受限于測試方法，難以真實的對斷層受力活化演化過程進行分析，光纖感測技術(shù)在礦山工程中的應(yīng)用為獲取斷層受力大小及過程提供了定量化監(jiān)測方法。張丁丁等為研究采動影響下的斷層活化規(guī)律，以河南義馬煤礦為模擬對象搭建模型，基于分布式光纖感測技術(shù)，研究煤層分別自斷層下盤、上盤向斷層面回采中，斷層面的應(yīng)力大小及狀態(tài)變化過程。圖12為模型中光纜布設(shè)示意。試驗結(jié)果(圖13)表明，相比于上盤推進，下盤推進時更易引起斷層活化。因此，在斷層發(fā)育的巖體中，采煤工作面宜優(yōu)先布置于上盤中，這樣將更有利于控制礦壓，從而更好地保障煤層安全高效開采。

圖12 傳感器布設(shè)與煤層推進

圖13 工作面推進過程中光纖數(shù)據(jù)變化[29]

當(dāng)前，受限于煤礦井下工作面鉆孔施工難度，對于煤層采動作用下的斷層活化光纖監(jiān)測還多集中于室內(nèi)物理模型試驗研究，后續(xù)應(yīng)充分利用煤層工作面物探結(jié)果，在此基礎(chǔ)上進行鉆孔設(shè)計與感測光纜布設(shè)，從而降低監(jiān)測成本，并提高監(jiān)測精準(zhǔn)度。

3.3 煤柱設(shè)置及穩(wěn)定性評價監(jiān)測

隨著開采深度的加大和分層開采的日益增多，巷道變形程度愈發(fā)嚴(yán)重。為了保證大采高工作面的穩(wěn)定性，通常在開采過程中需要預(yù)設(shè)煤柱，該方法是解決煤層開采過程安全及資源開采率問題的重要手段之一。為了評價煤柱設(shè)置的科學(xué)性及穩(wěn)定性，柴敬等開展了基于OTDR技術(shù)的煤柱物理模擬試驗研究，驗證了光纖感測技術(shù)應(yīng)用于煤柱變形移動的可行性；隨后，進一步開展了煤柱穩(wěn)定性實時監(jiān)測研究，發(fā)現(xiàn)煤層底板壓力變化與煤柱應(yīng)力應(yīng)變分布呈良好線性關(guān)系。SUN等根據(jù)淮南某礦具體地質(zhì)條件，采用BOTDR技術(shù)獲取工作面煤巖柱區(qū)變形的分布式數(shù)據(jù)，據(jù)此對其內(nèi)部的受力特征進行精細化分析，獲得了采動影響下保護煤柱區(qū)變形破壞過程，并依據(jù)實測數(shù)據(jù)對采動煤柱影響區(qū)范圍進行界定(圖14)。

圖14 保護煤柱區(qū)光纖監(jiān)測結(jié)果[32]

在煤柱穩(wěn)定性監(jiān)測方面，光纖感測技術(shù)由于可實時、分布式獲得煤柱周圍煤巖體變形變化數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了煤柱變形破壞動態(tài)演化過程表征。然而，不同地質(zhì)條件和開采高度下的煤柱設(shè)置大小存在較大差異性，因此對于煤柱監(jiān)測還應(yīng)結(jié)合采高進行監(jiān)測孔深度和光纜布設(shè)種類設(shè)計，以滿足不同條件和開采高度下的煤柱穩(wěn)定性精準(zhǔn)判別。

3.4 采動支承壓力監(jiān)測

煤礦在支承壓力的作用下，會發(fā)生煤巖層破壞壓縮、頂?shù)装逑鄬σ苿右约爸Ъ苁芰Φ痊F(xiàn)象，對工作面穩(wěn)定性具有重要影響。因此，開展工作面支承壓力實時監(jiān)測對保障礦山安全開采具有重要意義。

近年來，全球科研人員圍繞煤層采動支承壓力光纖測試開展了大量試驗探索，探究出光纖波長漂移量與支承壓力間的線性關(guān)系，利用FBG技術(shù)定量化表征了支承壓力及其演變規(guī)律，建立了采動作用下煤層支承壓力的空間分布模型，為采動支承壓力監(jiān)測提供了新方法。張平松等基于BOTDR技術(shù)，對采動支承壓力的分布特征進行測試研究，利用沿煤層底板垂直實施的監(jiān)測鉆孔進行光纜布設(shè)，考慮到監(jiān)測周期和采動支承壓力監(jiān)測范圍，通常布設(shè)2種以上不同強度的感測光纜進行數(shù)據(jù)對比與互補。通過井下實測數(shù)據(jù)，建立了采動作用下煤層支承壓力分區(qū)模型(圖15)，并對模型的有效性進行了驗證修正，使其達到較高的準(zhǔn)確度。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：采動超前支承壓力沿煤層回采方向具有顯著分區(qū)性，即不同位置呈現(xiàn)出穩(wěn)定—緩慢增加—顯著增加—峰值—降低的變化過程，并根據(jù)煤礦現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，定量化劃分出應(yīng)變穩(wěn)定區(qū)、緩慢增加區(qū)、顯著增加區(qū)、過渡區(qū)、采空區(qū)和重新平衡區(qū)，為厘清超前支承壓力演化過程提供了重要支撐。

圖15 超前支承壓力分布模型[35]

3.5 破碎帶注漿效果評價監(jiān)測

注漿技術(shù)是當(dāng)前礦山開采過程中進行井壁和破碎帶加固，以提高其穩(wěn)定性最為常用的方法技術(shù)。在現(xiàn)場實施過程中，注漿壓力控制對注漿效果起著關(guān)鍵性作用。若壓力過小，則漿液擴散距離太近，達不到有效的治理效果；當(dāng)壓力過大，則可能會壓垮井壁和巷道，甚至造成工程事故。因此，對注漿加固穩(wěn)定性進行實時監(jiān)測是礦山開采過程中一項重要監(jiān)測內(nèi)容。

對于破碎帶注漿過程光纖監(jiān)測與效果評價，其核心是精細化獲得注漿前后監(jiān)測巖體的變形過程及其演化特征，因此監(jiān)測對感測光纜的靈敏度和抗破壞力提出了較高的要求，選型中應(yīng)當(dāng)優(yōu)選緊包、耐磨性優(yōu)的光纜，并選用分辨率高的解調(diào)設(shè)備。郭建偉等基于DFOS開展了井筒壁后注漿變形監(jiān)測研究，實時獲取其注漿期間的應(yīng)變數(shù)據(jù)，以確保注漿過程井筒的安全和穩(wěn)定性，分析得出水泥漿液擴散距離遠小于化學(xué)漿液的定性結(jié)論。郝俊等開展了山西某煤層工作面煤柱加固效果評價研究(圖16)，依據(jù)注漿區(qū)與未注漿區(qū)的應(yīng)力大小及特征得出注漿顯著增加了煤柱強度，提升了煤柱的承載力和穩(wěn)定性。

圖16 注漿加固試驗布設(shè)示意

3.6 井筒變形監(jiān)測

礦山井筒是是煤炭開采運輸、通風(fēng)及通訊等功能的重要載體，而變形監(jiān)測是判斷井筒工作狀態(tài)最為重要的手段，在井筒建設(shè)和運行全過程中具有重要意義。目前井筒變形監(jiān)測方法主要有鋼絲繩基線法、嵌入式傳感器法、三維測量法、GPS(Global Position System)監(jiān)測法和激光基準(zhǔn)等，上述方法均可獲得井筒變形的有效數(shù)據(jù)，并從一定程度上對井筒變形和健康狀態(tài)進行判定，然而尚未實現(xiàn)分布式、連續(xù)性和全實時監(jiān)測預(yù)警。光纖感測技術(shù)因具有分布式、實時性和連續(xù)性等優(yōu)點，近年來逐漸被嘗試性應(yīng)用于礦山工程井筒變形監(jiān)測中(圖17)。特別地，由于DFOS技術(shù)以光為載體，具有本質(zhì)安全性，可以更好地適應(yīng)井筒復(fù)雜的工作環(huán)境，滿足現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)的要求。在現(xiàn)場布設(shè)工藝方面，通常是沿井筒豎向布設(shè)兩組“U”型溫度和應(yīng)變感測光纜，實時監(jiān)測井筒豎向變形和溫度變化，同時在井筒不同深度布設(shè)若干組環(huán)向光纜，以實時捕獲井筒環(huán)向變形破裂過程。

圖17 井筒變形破裂監(jiān)測試驗研究

在井筒變形計算方面，考慮到井筒底部與基巖接觸，基本無變形，因而將其視作為不動點，因此對井筒豎向變形的計算即為自底至頂對應(yīng)變數(shù)據(jù)進行積分；對于井筒環(huán)向變形，可通過井筒變形幾何特征建立相應(yīng)的徑向位移函數(shù)，結(jié)合井筒環(huán)向最大位移與監(jiān)測應(yīng)變最大值之間的關(guān)系，計算其相應(yīng)的最大變形量，在此基礎(chǔ)上得到井筒環(huán)向徑向位移的分布。

基于監(jiān)測成本和變形數(shù)據(jù)的實時獲取，應(yīng)用中也常采用FBG傳感器串聯(lián)法，形成準(zhǔn)分布式的井筒變形監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)井筒變形和溫度的實時獲取與即時傳輸，從而可持續(xù)性獲取井筒變形過程。

祝嘉賀等基于新安煤礦副井井筒的現(xiàn)場情況，提出了一種融合光纖感測技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)進行豎井井筒變形監(jiān)測的方法。該方法首先通過鋼絲基線法獲取井筒的變形數(shù)據(jù)建立三維模型，隨后利用FBG技術(shù)建立光纖光柵輔助監(jiān)測系統(tǒng)，分析光纖信號隨井筒變形的變化規(guī)律，進而實現(xiàn)了井筒變形發(fā)展趨勢的有效預(yù)測。圖18為監(jiān)測系統(tǒng)工作流程。

圖18 光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

劉增輝等基于BOTDR分布式光纖感測技術(shù)具有實時、遠程和自動監(jiān)測的優(yōu)點，對井筒不同位置圍巖變形特征進行直觀監(jiān)測，并對比研究了光纖傳感器的布設(shè)方式、黏貼材料以及施工工藝對井筒變形監(jiān)測結(jié)果的影響。中煤新集能源股份有限公司融合分布式應(yīng)變和溫度測試技術(shù)，建立了井筒變形與受力狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，可實時、準(zhǔn)確、全面反映井筒的受力變形情況，并可對井壁的健康狀態(tài)進行在線監(jiān)測和預(yù)警。圖19，20為井筒內(nèi)光纖布設(shè)示意及流程。

圖19 井筒變形監(jiān)測光纖傳感器布設(shè)示意

圖20 光纖傳感器布設(shè)流程

3.7 采空區(qū)地面沉降監(jiān)測

隨著我國深部礦產(chǎn)資源的持續(xù)開采和利用，開采沉陷問題日益突出，特別是厚松散層下煤炭大規(guī)模開采產(chǎn)生的開采沉陷現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，進而導(dǎo)致開采后所產(chǎn)生的地表沉陷范圍、沉陷量和沉陷位置的時空預(yù)測難度加大，同時對覆巖裂隙場、位移場和應(yīng)力場的發(fā)育特征產(chǎn)生顯著影響。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計測算，全國六大產(chǎn)煤區(qū)需治理的開采沉陷在200萬hm以上，且仍保持每年7萬hm的高速增長。大量研究表明，地表開采沉陷是煤層采動覆巖變形破壞的外在展現(xiàn)形式，采動作用引起的上覆地層變形移動是導(dǎo)致沉陷產(chǎn)生的內(nèi)在誘因，同時是造成礦區(qū)范圍內(nèi)各類地質(zhì)災(zāi)害和生態(tài)環(huán)境問題的直接根源。因此，對地表變形塌陷規(guī)律進行研究，核心需要對采動作用下覆巖運移、離層發(fā)育規(guī)律、應(yīng)力-應(yīng)變特征、多場作用關(guān)系等開展深入研究。受限于傳感器耐久性和成本高，分層沉降標(biāo)法、電阻率法和瞬變電磁法等難以實現(xiàn)地層全斷面監(jiān)測，InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)技術(shù)雖然結(jié)果直觀且成本經(jīng)濟，但獲得的是地表形變，且受植被覆蓋影響大，因此難以從源頭上揭示開采沉陷機理。因此，采用FBG和BOTDR融合的精細化感測技術(shù)對煤層開采地面沉降開展長期監(jiān)測(圖21)，可實現(xiàn)從覆巖變形破壞到地表變形沉陷的全過程認知，這對礦山安全開采和塌陷區(qū)綠色修復(fù)等均具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

圖21 煤層開采地面沉降光纖監(jiān)測系統(tǒng)

柴敬等建立了分布式光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)模型，利用光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢來反映地表變形的移動特征，討論了關(guān)鍵層破碎和分離的作用過程，研究了覆巖與地表水之間的內(nèi)在關(guān)系，將地表移動變形分為初始變形、緩慢變形和劇烈變形3個階段，得出了巖土體-光纖之間的耦合性是決定測試數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性的關(guān)鍵要素，證明了DFOS技術(shù)可對地表運動與變形過程進行實時、高精度監(jiān)測。方星等將DFOS技術(shù)應(yīng)用于采空區(qū)的變形監(jiān)測，充分發(fā)揮了其在層位精準(zhǔn)定位與沉降變形精細化監(jiān)測等方面的技術(shù)優(yōu)勢(圖22)，結(jié)合光纖實測數(shù)據(jù)圈定出“三帶”影響范圍，并實現(xiàn)了局部軟巖帶和松散層的精細化連續(xù)性變形過程的實時監(jiān)測。

圖22 變形分區(qū)監(jiān)測結(jié)果

安徽理工大學(xué)基于BOFDA技術(shù)，對淮北市童亭礦開采過程中引起的地面沉降及塌陷開展監(jiān)測研究。通過在監(jiān)測場地實施250 m深鉆孔，布設(shè)金屬基索狀和10 m定點2種應(yīng)變光纜，分別構(gòu)成“U”型測試回路，既可對鉆孔進行全分布式精細化測量，又可對鉆孔非連續(xù)非均勻應(yīng)變進行分段測量，從而實現(xiàn)了采空區(qū)地面沉降、塌陷及沉穩(wěn)變形的全過程監(jiān)測，為開采沉陷防災(zāi)減災(zāi)，并為預(yù)測采空區(qū)各地層進一步發(fā)生沉陷的可能性提供依據(jù)。圖23為現(xiàn)場監(jiān)測布設(shè)流程。

圖23 基于BOFDA的開采沉降布設(shè)工藝流程

目前，采空區(qū)地面沉降光纖監(jiān)測主要存在兩大關(guān)鍵問題：① 感測光纜與鉆孔內(nèi)部巖土體的耦合性判定；② 巖體大變形監(jiān)測與界面裂隙精細化捕捉。在耦合性判定方面，南京大學(xué)施斌和朱鴻鵠教授團隊建立了光纜-巖土體耦合性評價模型，并通過理論計算總結(jié)出耦合性評價公式，為不同地質(zhì)條件下的光纜-巖土體耦合性能評價提供了理論參考標(biāo)準(zhǔn)；張誠成等結(jié)合大量室內(nèi)外試驗的光纖測試數(shù)據(jù)，提出了傳感光纜-巖土體界面滑脫性評價的黏結(jié)性判據(jù)公式：

(1)

其中，為黏結(jié)臨界深度；為光纜彈性模量；為光纜直徑；為土壓力系數(shù)；為土層容重；為光纜-巖土界面摩擦角；[d/d]為最大應(yīng)變梯度，由光纜實測數(shù)據(jù)獲得；為光纜-巖土界面黏聚力。通過式(1)可計算得出黏結(jié)臨界深度，如圖24所示。則有：若>，界面保持黏結(jié)狀態(tài)，即當(dāng)感測光纜埋深大于該深度時，光纜與巖土體的耦合性將得到充分保證，光纖實測值即為采空區(qū)沉降真實值；若<，一定應(yīng)變梯度下界面可能發(fā)生脫黏，即當(dāng)光纜埋深小于該深度時，光纜與巖土體之間可能會出現(xiàn)部分段耦合性欠佳狀態(tài)，此時由光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)計算獲得的采空區(qū)沉降變形往往小于實際變形，因此需對監(jiān)測光纜的結(jié)構(gòu)和安裝工藝進行改進與優(yōu)化。施斌和朱鴻鵠等通過發(fā)明錨固點光纜，解決了臨界深度之上軟弱土層變形分布式光纖監(jiān)測難題，進而突破了光纜-巖土體耦合性這一關(guān)鍵問題。然而，在實際監(jiān)測中也常常會根據(jù)待測體的松散度和鉆孔深度選擇不同的錨固結(jié)構(gòu)，目前的錨固結(jié)構(gòu)主要有圓盤式、圓柱式、正交式和橄欖式，對于不同方式錨固結(jié)構(gòu)的適用性研究將會為完善光纜-巖土體耦合理論提供重要支撐，因而將成為未來光纜-巖土體耦合性研究的重點之一。在大變形監(jiān)測與裂隙精細化捕捉方面，通過研發(fā)不同結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的定點光纜和緊包光纜，分別實現(xiàn)巖體大變形和內(nèi)部微裂紋的精細化捕捉。儀器設(shè)備選型方面，基于UWFBG的密集分布式解調(diào)儀因其穩(wěn)定性高、實時性強，且數(shù)據(jù)價值密度低，將成為未來采空區(qū)地面沉降監(jiān)測的主流設(shè)備。

圖24 光纜-巖土體耦合臨界深度

3.8 含水層壓力監(jiān)測

煤炭資源開采引起的突水事故嚴(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn)，準(zhǔn)確獲取采動條件下覆巖及底板巖體中含水層參數(shù)變化，對煤礦突水預(yù)測和防治工作均具有重要意義。相關(guān)研究表明，含水層壓力變化同上覆巖層的垮落與移動變形密不可分。文獻[27]基于BOTDR和FBG的融合技術(shù)，選用3種典型礦山工程監(jiān)測用應(yīng)變光纜(GFRP、金屬基索狀、5 m定點)，對煤層開采覆巖變形破壞過程進行實時監(jiān)測，同時利用光纖光柵滲壓計監(jiān)測含水層的滲壓變化過程，從而得出煤層開采上覆巖層的豎向變形規(guī)律及“三帶”發(fā)育特征，以及離層大小和深度隨煤層推進的時空變化規(guī)律。圖25為傳感器現(xiàn)場布設(shè)流程。

圖25 含水層壓力監(jiān)測光纖傳感器布設(shè)過程

樸春德等設(shè)計了一種一體式光纖傳感器監(jiān)測采動含水層水壓的方法，如圖26所示。采用高精度緊包應(yīng)變光纖①測量巖土體的豎向變形，松套溫度光纖通過測量含水層溫度變化推算水位高度與裂隙滲水量，緊包應(yīng)變光纖②可進行水壓監(jiān)測，因而實現(xiàn)了單孔多參量的一體化分布式測量。將一體式光纖傳感器安裝于覆巖或底板含水層擾動區(qū)，當(dāng)煤層開采引起裂隙帶發(fā)育并持續(xù)貫通時，含水層水溫變化可直觀反映地下水的補給或裂隙通道，水壓變化直接反映含水層的擾動狀況，應(yīng)變反映導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育情況。因此，通過鉆孔多參量的連續(xù)性變化數(shù)據(jù)，即可開展監(jiān)測區(qū)域突水預(yù)測預(yù)警，有效降低突水事故風(fēng)險。

圖26 一體式光纖傳感器布設(shè)

由于不同埋深和巖性條件下的含水層壓力差異性大，因而在利用光纖感測技術(shù)進行煤層覆巖與底板含水層壓力監(jiān)測中，應(yīng)當(dāng)首先采用常規(guī)手段進行含水層壓力預(yù)判，并根據(jù)預(yù)測值開展光纜選型、鉆孔設(shè)計和光纖光柵滲壓計量程優(yōu)化，以避免因壓力過大造成數(shù)據(jù)失效或因壓力過小導(dǎo)致量程靈敏度不夠。未來，可通過研發(fā)量程自適應(yīng)光纖傳感器，以解決不同壓力含水層的歸一化監(jiān)測與數(shù)據(jù)表征。

3.9 帷幕墻變形監(jiān)測

帷幕墻作為一種重要的止水結(jié)構(gòu)，在礦山工程開采中具有隔水和維持煤層頂板穩(wěn)定性的重要功能。隨著開采深度和范圍不斷加大，注漿帷幕在縱向和橫向上不斷延伸，其穩(wěn)定性對保障礦山工程的安全穩(wěn)定發(fā)展起關(guān)鍵作用。當(dāng)前，帷幕墻變形監(jiān)測主要是通過水壓、水量等間接方法獲得帷幕墻體的抗壓強度，然后根據(jù)彈性力學(xué)原理計算得出的帷幕墻體抗壓強度進行對比分析，研判帷幕墻體是否安全穩(wěn)定。然而，由于此方法無法對帷幕墻體的內(nèi)力與豎向變形進行直接測量，因此難以精確掌握帷幕墻體的實時受力狀態(tài)。隨著光纖感測技術(shù)在礦山工程應(yīng)用方向的不斷拓展，研究人員探索將其應(yīng)用于帷幕墻變形監(jiān)測。其中，弱光纖光柵(UWFBG)技術(shù)因其通過在同一光纖上密集加工數(shù)千個光纖光柵感測點，實現(xiàn)了穿越不同地層和含水層帷幕墻的實時高精度監(jiān)測，在當(dāng)前帷幕墻變形監(jiān)測評價中發(fā)揮著重要作用?；幢钡V業(yè)集團朱仙莊煤礦利用弱光纖光柵技術(shù)對朱仙莊礦五含帷幕截流工程穩(wěn)定性進行監(jiān)測評價，重點開展了大型注漿帷幕內(nèi)力與豎向變形分布式光纖監(jiān)測技術(shù)研究，分析了回采對注漿帷幕穩(wěn)定性影響范圍及程度，在此基礎(chǔ)上建立了一套基于分布式光纖感測的大型注漿帷幕穩(wěn)定性自動化監(jiān)測系統(tǒng)(圖27)，實時顯示帷幕的狀態(tài)特征和演變趨勢，為帷幕截流效果評價提供數(shù)據(jù)支撐。

圖27 基于弱光纖光柵的帷幕穩(wěn)定性監(jiān)測

3.10 露天礦邊坡與光纖微震監(jiān)測

露天礦采場頻繁的爆破作業(yè)和車輛運行震動，使邊坡反復(fù)受到動載荷循環(huán)作用，易形成坡體疲勞損傷。因此，對露天礦邊坡進行長期實時監(jiān)測具有重要意義。程世虎等提出一種將FBG用于監(jiān)測露天礦邊坡長期變形的方法。FBG傳感器具有高穩(wěn)定性、不易受電磁干擾，且可實現(xiàn)遠距離實時傳輸?shù)葍?yōu)點。因而，在工程爆破過程中，F(xiàn)BG傳感器能夠即時捕捉到邊坡巖體的微小形變以及爆破瞬間的動態(tài)信號，從而充分顯示了FBG應(yīng)用于爆破監(jiān)測和露天礦邊坡巖體實時監(jiān)測的獨特優(yōu)勢。

近10 a來，一種基于瑞利光散射的分布式聲學(xué)感測技術(shù)(DAS)在油氣勘探和周界安全監(jiān)測等多個領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用，該技術(shù)不僅擁有光纖感測技術(shù)的優(yōu)點，而且可實現(xiàn)光纖沿線動態(tài)振動的長距離、分布式、連續(xù)性監(jiān)測。

隨著DAS技術(shù)的不斷發(fā)展，地質(zhì)學(xué)家嘗試將其應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)探測與振動監(jiān)測，以實現(xiàn)礦山地下空間的“透明化”探測。未來，可通過將光纖布設(shè)于煤層底板鉆孔，利用該技術(shù)對振動的高靈敏性，持續(xù)性監(jiān)測煤層底板的微震，從而實現(xiàn)對煤礦沖擊地壓的監(jiān)測與預(yù)測。

3.11 礦山溫度監(jiān)測與隱形火災(zāi)探測

自燃火災(zāi)作為礦山工程重大災(zāi)害之一，對礦山安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此，通過開展礦山溫度監(jiān)測來消除自然火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險，對保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。目前，礦山溫度監(jiān)測與隱形火災(zāi)探測主要分為：礦井巷道溫度監(jiān)測與隱形火災(zāi)探測、重要設(shè)施(帶式輸送機、煤場及選煤廠、泵站、配電房、瓦斯抽排管)溫度和火災(zāi)探測及采空區(qū)溫度監(jiān)測。常規(guī)的礦山溫度監(jiān)測多采用模擬量傳感器，主要用于監(jiān)測煤礦井下巷道及瓦斯抽放管道溫度，并將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號傳送至井下監(jiān)測分站。由于井下巷道距離長，管道線路多，離散布設(shè)的傳感器難以覆蓋整個礦井巷道，尤其對于火災(zāi)隱蔽性強的礦井煤自燃監(jiān)測，該種方法往往造成防控難度大等突出問題。由于DFOS測溫技術(shù)采用光纜作為感測與傳輸介質(zhì)，具有本質(zhì)安全的優(yōu)點，尤其適用于煤礦井下溫度監(jiān)測。目前已在礦山工程溫度監(jiān)測中取得了良好的應(yīng)用效果，實踐中通常將溫度光纜布設(shè)于巷道頂部、通風(fēng)(瓦斯)管道表面、帶式輸送機下部和煤倉倉壁等位置(圖28)，用于實時監(jiān)測設(shè)施的溫度及其變化過程，進而研判隱性火災(zāi)發(fā)生的概率。同時，利用該技術(shù)進行煤礦采空區(qū)溫度實時監(jiān)測，通過井下地面聯(lián)合鉆孔建立立體溫度監(jiān)測網(wǎng)，可實現(xiàn)采空區(qū)全覆蓋溫度實時監(jiān)測，極大降低了采空區(qū)自燃事故的發(fā)生率。

圖28 煤礦溫度監(jiān)測與隱形火災(zāi)探測

4 DFOS技術(shù)在礦山工程安全開采監(jiān)測中的關(guān)鍵問題與對策

4.1 覆巖變形破壞與光纜數(shù)據(jù)互饋作用

礦山工程深部巖體變形是一個復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)問題，往往具有強烈的非線性、不連續(xù)和大變形等特點，它是巖體內(nèi)變形場、應(yīng)力場、滲流場、溫度場及化學(xué)場等多場效應(yīng)不斷相互疊加作用產(chǎn)生的結(jié)果。因而，如何充分考慮多場耦合、多因素影響，揭示采動圍巖變形演化機理，尤其是精準(zhǔn)掌握巖體受力破壞從形變段(胡克定律)到運動段(牛頓定律)的破壞規(guī)律，建立采動巖體變形破壞的新理論，是實現(xiàn)礦山工程開采光纖監(jiān)測與精準(zhǔn)判別的基礎(chǔ)。該關(guān)鍵問題的首要任務(wù)是厘清覆巖變形破壞與光纖數(shù)據(jù)的互饋作用機制，克服深部巖體多場監(jiān)測的實時、大變形和自適應(yīng)瓶頸，研制深部多場多參量監(jiān)測裝備，創(chuàng)建礦山工程地下多源多場監(jiān)測協(xié)同處理的一體化監(jiān)測系統(tǒng)(圖29)，揭示多場作用下煤層開采過程中光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的響應(yīng)特征。同時，應(yīng)結(jié)合數(shù)值計算、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實測等方法確定敏感參數(shù)，進一步優(yōu)化傳感器選型與監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)工藝，形成定性認識與定量分析相印證的評價方法。

圖29 礦山工程地下多源多場一體化監(jiān)測系統(tǒng)

4.2 感測光纖與巖土體耦合性能

感測光纖與巖土體間的耦合性直接影響光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)的質(zhì)量，進而對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，該問題直接決定監(jiān)測結(jié)果的可靠性。因此，光纖-巖土體耦合性是礦山工程巖土體變形分布式監(jiān)測必須解決的關(guān)鍵問題。近十幾年，國內(nèi)外學(xué)者通過理論計算、拉拔試驗和現(xiàn)場實測等對光纖-巖土體耦合性能開展了全面研究。朱鴻鵠、程剛等利用BOTDA技術(shù)進行了光纖-砂土耦合性能拉拔試驗研究，全面分析了兩者間的耦合過程及光纖在砂土中的應(yīng)變分布規(guī)律，并將作用過程分為全耦合、半耦合和相對滑動3個階段，建立了位移關(guān)系模型(圖30，其中，為界面剪應(yīng)力；為最大界面剪應(yīng)力；為殘余界面剪應(yīng)力；，為2個界面的剪切剛度，分別代表曲線上升段和下降段的斜率；，，為連接點，其中為彈性段，為軟化段，為殘余段；為界面的相對位移；為對應(yīng)最大界面剪應(yīng)力的界面相對位移；為對應(yīng)殘余界面剪應(yīng)力的界面相對位移；為拉拔力)。

圖30 光纖監(jiān)測準(zhǔn)確性簡化判據(jù)

南京大學(xué)施斌教授課題組通過研制可控圍壓光纜-巖土體相互作用拉拔試驗裝置(圖31)，系統(tǒng)性開展了不同圍壓下感測光纜與松填砂土、擊實砂、黏混合土之間的耦合性，得出了在拉拔狀態(tài)下光纜-巖土體界面呈現(xiàn)漸進性破壞特征，且與圍壓水平密切相關(guān)的認識。

圖31 可控圍壓光纜-巖土體耦合性試驗裝置

向伏林等利用離散元數(shù)值模擬法，構(gòu)建了感測光纜拉拔試驗力學(xué)模型(圖32，其中，為埋入鉆孔段光纜的單位長度；為鉆孔圍壓；為在光纜頂端施加的向上拉拔力；為光纜-鉆孔回填材料界面間摩擦力)，獲得不同圍壓下F-S關(guān)系，以及對光纜-巖土體漸進式破壞模式的認知，證明了DFOS技術(shù)應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測的有效性。模擬過程選用線彈性接觸模型，將法(切)向彈簧力用于模擬離散單元間的作用力，具體如下：

圖32 二維離散元光纜拉拔試驗?zāi)Ｐ?/p>

(2)

=

(3)

其中，為法向力；為法向剛度；為法向相對位移；為斷裂位移；為切向力；為切向剛度；為切向相對位移。初始狀態(tài)下各相鄰顆粒間互相連接，受拉(壓)力的彈簧力作用(=,<)。

當(dāng)兩顆粒間的>時，彈簧將發(fā)生破斷，此時顆粒間失去拉力作用(=0,>0)，僅存在壓力作用(=,<0)。與此同時，基于摩爾-庫侖準(zhǔn)則，彈簧受力存在以下關(guān)系：

=-

(4)

其中，為最大剪切力；為單元間的抗剪力；為單元間的摩擦因數(shù)。當(dāng)切向力高于最大剪切力時，顆粒間的切向連接破斷，此時單元間僅存在滑動摩擦力-。然而，試驗中對模擬的土體單元和感測光纜均做了歸一處理，土體參數(shù)和光纜結(jié)構(gòu)也具有單一性，從而使得模擬結(jié)果與實際過程存在一定誤差。此外，未來可基于本試驗?zāi)M結(jié)果構(gòu)建三維模型開展深入研究，從而更加真實的開展不同地質(zhì)條件、不同類型感測光纜的耦合性研究。

上述研究成果均為科學(xué)認識光纖-巖土體作用關(guān)系、定量分析2者耦合特征提供了數(shù)據(jù)支撐，從而為巖土體變形光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性評價提供了依據(jù)。同時，注漿材料的選擇也在一定程度上影響光纖與巖土體之間的耦合性能。因此，需結(jié)合鉆孔巖性選擇物理力學(xué)性質(zhì)相近的注漿材料進行分段注漿(注漿前應(yīng)根據(jù)各地層厚度精確計算注漿量，以實現(xiàn)注漿材料與對應(yīng)地層的匹配)，最大限度保持注漿材料與鉆孔巖性的一致性，從而保證鉆孔光纖數(shù)據(jù)精準(zhǔn)反映巖土體實際應(yīng)變(溫度)變化。

4.3 海量光纖感測數(shù)據(jù)的人工智能算法

利用DFOS技術(shù)進行礦山工程安全監(jiān)測時，往往將獲得海量的多源多場監(jiān)測數(shù)據(jù)，如何實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速精準(zhǔn)傳輸和智能化分析處理，已成為未來礦山安全生產(chǎn)中一個亟需突破的關(guān)鍵問題和重要的發(fā)展方向。有關(guān)本問題的解決主要可通過數(shù)據(jù)的可靠傳輸與智能處理來實現(xiàn)：① 在數(shù)據(jù)的可靠傳輸方面，基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)解調(diào)和實時傳輸技術(shù)，設(shè)計低能耗的多源數(shù)據(jù)采集方案，實現(xiàn)基于5G/WIFI/LoRa的數(shù)據(jù)無線通訊，開展可靠性優(yōu)化研究，包括監(jiān)測區(qū)域和遠程傳輸?shù)目煽啃员Ｕ蠙C制，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)實時傳輸；② 在進行光纖感測數(shù)據(jù)的人工智能(Artificial Intelligence，AI)處理方面，運用統(tǒng)計學(xué)、人工智能理論和系統(tǒng)學(xué)方法，優(yōu)化海量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)提取的預(yù)處理分析算法，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能去噪、插值和異常識別等，提升數(shù)據(jù)可靠性自診斷和智能分析準(zhǔn)確率，可采用一種基于主題模型的數(shù)據(jù)挖掘方法(圖33，其中，()為輸出層)，綜合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)源的有效性分析機制，實現(xiàn)了海量礦山多場監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能處理。同時，通過主題一致性對比和聚類純度對比(圖34，35，其中，為主題數(shù)量)，對多場監(jiān)測數(shù)據(jù)集進行相似詞聚類，從而有效降低模型輸入文本數(shù)據(jù)的維度，使主題數(shù)據(jù)更明確。

圖33 算法框架[65]

圖34 主題一致性對比

此外，可利用基于機器學(xué)習(xí)的多場數(shù)據(jù)融合技術(shù)，解決礦山安全開采監(jiān)測信息的三維實時可視化問題；將數(shù)據(jù)采集、處理和顯示等模塊集成，建立一套完整的覆巖變形智能感知系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、存儲與傳輸、智能處理、危險級別預(yù)警和移動端實時顯示等于一體(圖36)。同時可利用系統(tǒng)累計數(shù)據(jù)開展機器學(xué)習(xí)研究，預(yù)測監(jiān)測區(qū)域覆巖變形破壞發(fā)展趨勢。

圖35 聚類純度對比

圖36 煤層采動覆巖變形智能感知系統(tǒng)

4.4 覆巖變形破壞的光纖監(jiān)測表征方法研究

目前，基于光纖測試的巖層變形主要是通過光纜應(yīng)變峰值和突變點來定位巖層破斷垮落位置，以及根據(jù)相鄰應(yīng)變峰值段來表示變形范圍。同時，可結(jié)合光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)表征覆巖變形運動過程，通過3個階段來描述2者之間的耦合作用：① 全耦合段，此階段感測光纖與待測巖土體完全耦合，2者間存在靜摩擦力及黏聚力，光纖獲得應(yīng)變數(shù)據(jù)可真實反映巖土體變形；② 半耦合段，此階段由于采動覆巖變形移動，覆巖中產(chǎn)生離層裂隙，使得離層位置光纖耦合性降低；③ 相對滑動段，隨著覆巖的不斷破壞垮落，造成光纖在巖體大變形區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中，2者間產(chǎn)生相對滑動，此時測試數(shù)據(jù)不能直接用于覆巖變形破壞規(guī)律的分析。將導(dǎo)致光纖與巖體耦合性降低，部分巖體產(chǎn)生離層，使得光纖與巖土逐漸脫離?；谏鲜鲅芯康贸龆ㄐ哉J識：在覆巖變形光纖監(jiān)測中，感測光纖與上覆地層的耦合性隨著覆巖變形破壞程度的不斷加大而逐漸降低；受煤層采動影響，上覆巖層在豎直方向上將產(chǎn)生顯著的變形分帶區(qū)，且各光纖在各分帶區(qū)的耦合性存在很大差異，因而在實際的監(jiān)測過程中應(yīng)將垂直分帶特性納入感測光纜選型和耦合性評價中。

侯公羽等基于BOFDA技術(shù)，通過室內(nèi)采動覆巖物理模型試驗，研究了垮落帶和裂隙帶的變形過程與演化特征，構(gòu)建了采動覆巖“兩帶”分布及其演化的動態(tài)模型。利用模型內(nèi)部橫向光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)的突變點表征巖層垮落位置，利用應(yīng)變數(shù)據(jù)的凸臺橫向長度表征“兩帶”分布范圍。同時，聯(lián)合縱橫光纖數(shù)據(jù)總結(jié)了“兩帶”在采動作用下的時空演化特征，以及巖層垮落破壞高度和強度。柴敬等通過模擬覆巖層的變形運動，對長壁工作面覆巖變形的“橫三區(qū)”結(jié)構(gòu)特征開展了系統(tǒng)研究，利用埋入模型中的FBG傳感器實時獲取覆巖層變形和運動過程的波長變化曲線(圖37)，揭示了工作面上覆巖層沿水平和垂直方向上的垮落發(fā)育過程，在巖層破斷前后，層位越高，光纖應(yīng)變曲線越近似于臺階狀，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確表征了工作面上覆巖層垮落前后產(chǎn)生離層，以及下位巖層形成自由空間的現(xiàn)象。

圖37 工作面采動下“橫三區(qū)”的光纖表征

4.5 礦山大變形監(jiān)測的光纖適用性

在礦山大變形監(jiān)測方面，如何克服巖土體變形場監(jiān)測的實時、大變形和自適應(yīng)瓶頸，研發(fā)深部多場多參量監(jiān)測技術(shù)裝備和清洗數(shù)據(jù)算法成為推動DFOS技術(shù)在礦山工程深部開采監(jiān)測中的關(guān)鍵一環(huán)。

(1)首先要大力研發(fā)分布式、魯棒性強、耐久性好和穩(wěn)定可靠的監(jiān)測技術(shù)，研制適用于不同變形測量范圍和適用環(huán)境的傳感器，尤其是巖土體大變形監(jiān)測和極端惡劣環(huán)境下可正常運行傳感器的研制(圖38)，并結(jié)合現(xiàn)場安裝條件進行工藝改進。

圖38 深部地質(zhì)體傳感器研發(fā)

(2)其次，從誤差修正、關(guān)聯(lián)分析和數(shù)據(jù)挖掘等方面加強關(guān)鍵層位數(shù)據(jù)缺失的機器學(xué)習(xí)研究。礦山作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，同時受到內(nèi)部地質(zhì)條件和外部環(huán)境因子的耦合作用，其累積位移曲線也呈現(xiàn)出非線性的變化規(guī)律。其中，受內(nèi)部地質(zhì)條件(如地質(zhì)構(gòu)造、巖性等)控制的位移可歸納為趨勢項位移，受外部周期性環(huán)境因子(如開采速度、強度等)影響的位移可歸納為周期項位移。可采用移動平均法從采動覆巖累積位移時間序列()中提取出趨勢項位移()與周期項()后，分別采用差分自回歸綜合移動平均模型(Autoregressive Integrated Moving Average Model, ARIMA)與隨機森林算法(Random Forest,RF)對礦山采動覆巖變形趨勢項位移與周期項位移進行預(yù)測；同時，采用多元貝葉斯優(yōu)化算法對超參數(shù)進行優(yōu)化，以提高預(yù)測精度。

4.6 多源多場監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方法

采動覆巖變形的多源多場監(jiān)測核心目的是獲取采動作用下圍巖的多場信息，從而對各場信息進行提取、處理與分析，并通過關(guān)聯(lián)規(guī)則建立起多場信息的作用關(guān)系，進而深入分析其對覆巖變形的附加效應(yīng)。在實際應(yīng)用中，通常選取與覆巖變形關(guān)聯(lián)度較高的溫度場、滲流場、變形場及地電場進行研究。溫度場監(jiān)測通?；赗OTDR(Raman Optical Time-Domain Reflectometry)和FBG技術(shù)，快速獲取地層內(nèi)部溫度場分布規(guī)律；滲流場監(jiān)測的重點為松散層，即研究滲流對開采沉陷的影響，主要采用瞬態(tài)變溫測量方法和溫度梯度-滲流速率對應(yīng)原理，建立基于滲流實測信息的三維重構(gòu)算法；變形場數(shù)據(jù)的主要獲取方式為分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時通過無線智能MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)傳感器實現(xiàn)地層深部位移的高精度監(jiān)測，建立深部位移多傳感器協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)；地電場監(jiān)測主要通過埋設(shè)在頂板巖層中的電阻率單元，監(jiān)測不同回采時期巖層結(jié)構(gòu)性變形破壞過程中的電場變化，結(jié)合光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)提出應(yīng)變-電阻率相關(guān)系數(shù)，及其與巖體變形破壞之間的關(guān)系。圖39為多源多場監(jiān)測系統(tǒng)具體實施方案。

圖39 采動覆巖變形的多源多場監(jiān)測系統(tǒng)實施方案

未來，礦山工程多源多場監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)進一步將多場監(jiān)測數(shù)據(jù)與風(fēng)險控制有機結(jié)合，監(jiān)測系統(tǒng)朝著多元化、多參數(shù)、全覆蓋、全過程的方向發(fā)展，監(jiān)測方式也將不斷地向可視化、動態(tài)化、智慧化、一體化的預(yù)警預(yù)報過渡，信息化新技術(shù)與典型監(jiān)測技術(shù)相融合將為實現(xiàn)礦山“透明化”提供強大支撐。

4.7 DFOS技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化研究

考慮各礦區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性、開采工藝的多樣性，以及監(jiān)測成本等多種因素，如何使DFOS技術(shù)在礦山工程中的應(yīng)用具有規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化，成為DFOS技術(shù)在礦山工程應(yīng)用中亟需解決的問題之一。對于地下煤炭資源，通常根據(jù)不同的埋深選擇相應(yīng)的開采方法，實際中主要分為兩大類：

(1)對于淺埋煤層，通常在露天礦坡體表面開挖橫向溝槽，將光纜沿溝槽中線水平鋪設(shè)，并用原狀土回填后進行坡體變形實時監(jiān)測。結(jié)合待測邊坡地質(zhì)條件，將光纖設(shè)計成縱橫交錯的感知網(wǎng)絡(luò)布設(shè)于坡體表面和內(nèi)部，可實現(xiàn)坡體從線到面的立體監(jiān)測。

(2)對于深埋煤層，由于開采深度較大，開采和監(jiān)測難度倍增，如何可靠精準(zhǔn)的獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)是技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，因而感測光纜的布設(shè)工藝在監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建中發(fā)揮著重要作用。經(jīng)過長期的室內(nèi)外研究，目前已經(jīng)形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的井上井下安裝布設(shè)工藝，如圖6，7所示?？傊?，對于一些復(fù)雜地質(zhì)條件背景下的覆巖大變形監(jiān)測，往往還需通過設(shè)計與改進光纜結(jié)構(gòu)以提高其強度，從而增大監(jiān)測量程?？傊?，為促進DFOS技術(shù)在礦山工程應(yīng)用規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化體系的構(gòu)建，亟需通過制定相關(guān)的國家和行業(yè)規(guī)范來進一步完善監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)流程，以實現(xiàn)DFOS技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化。

5 結(jié)論與展望

(1)光纖感測作為一種新型智能感知技術(shù)，具有抗電磁干擾、耐久性好、靈敏度高、精度高和分布式監(jiān)測等優(yōu)點，且可實現(xiàn)實時自動化遠程監(jiān)測，已被成功應(yīng)用于礦山工程煤層開采過程中圍巖變形場、應(yīng)力場、滲流場、溫度場和振動場的監(jiān)測中。從技術(shù)原理、傳感器選型、儀器設(shè)備選型和監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)等方面，系統(tǒng)地對現(xiàn)階段礦山工程中應(yīng)用較為廣泛的FBG，UWFBG，OTDR，BOTDR，BOTDA，BOFDA和DAS等光纖感測技術(shù)進行了介紹。

(2)基于礦山工程往往具有范圍廣、多場作用、疊加效應(yīng)明顯、隱蔽性強、監(jiān)測環(huán)境惡劣、動態(tài)響應(yīng)要求高、監(jiān)測周期長等特點。在實際監(jiān)測過程中，通常根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)和環(huán)境，選擇相應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)。分析了采用BOTDR和FBG的融合技術(shù)進行礦山工程全面監(jiān)測研究的創(chuàng)新方法，即首先通過BOTDR技術(shù)(變形測量精度30×10、監(jiān)測長度80 km、空間分辨率0.5 m)獲取完整地層(巷道)的宏觀信息，其次根據(jù)宏觀信息定位出關(guān)鍵監(jiān)測位置，進而通過FBG技術(shù)(變形測量精度1×10、溫度監(jiān)測精度0.1 ℃、監(jiān)測長度為實際串聯(lián)長度、空間分辨率2柵區(qū)長度)對關(guān)鍵位置的變形和溫度信息進行加密監(jiān)測，實現(xiàn)了大范圍、分布式與高精度的互補，從而實現(xiàn)了點—線—面一體化的礦山工程實時精準(zhǔn)監(jiān)測。

(3)從采場覆巖變形破壞監(jiān)測、采動誘發(fā)斷層活化監(jiān)測、煤柱穩(wěn)定性監(jiān)測、支承壓力監(jiān)測、破碎帶注漿加固穩(wěn)定性監(jiān)測、井筒變形監(jiān)測、采空區(qū)地面沉降監(jiān)測、含水層壓力監(jiān)測、帷幕墻變形監(jiān)測、露天礦邊坡與光纖微震監(jiān)測以及礦山溫度監(jiān)測與隱形火災(zāi)探測等重點方向?qū)FOS技術(shù)在礦山工程安全開采監(jiān)測中的應(yīng)用進展進行全面剖析，對比優(yōu)選出各方向監(jiān)測中適用的感測技術(shù)、傳感器選型及布設(shè)方法。提出了結(jié)合DAS，AI，BOTDR和電法技術(shù)的一體化礦山安全開采監(jiān)測創(chuàng)新方法，開展地下空間的“透明化”探測，以實現(xiàn)開采過程的動態(tài)、全面、精準(zhǔn)和實時監(jiān)測。

(4)隨著信息科技的不斷進步，礦山工程安全開采監(jiān)測技術(shù)的總體發(fā)展趨勢是：由過去的人工手動操作發(fā)展到無人值守式自動化監(jiān)測；從單一監(jiān)測發(fā)展到了點-線-面-體立體化監(jiān)測，并向高精度、全覆蓋、自動化和智能化方向發(fā)展。

目前，在技術(shù)層面上仍面臨諸多挑戰(zhàn)。筆者系統(tǒng)性討論了DFOS技術(shù)在礦山工程安全監(jiān)測中的關(guān)鍵問題，并結(jié)合理論與應(yīng)用給出了相應(yīng)的對策：

(1)在巖層變形失穩(wěn)與光纖數(shù)據(jù)互饋機制研究方面，重點加強巖體受力破壞從形變段(胡克定律)到運動段(牛頓定律)的破壞規(guī)律研究，通過周期性數(shù)據(jù)規(guī)律，厘清巖層變形破壞與光纖數(shù)據(jù)互饋機制，克服深部巖體多場監(jiān)測的實時、大變形、自適應(yīng)瓶頸，進一步研究多場作用下煤層開采過程中光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的響應(yīng)特征。

(2)在光纖監(jiān)測纜體與巖體耦合性能研究方面，開展鉆孔巖芯室內(nèi)試驗研究，獲取不同巖層的巖石力學(xué)參數(shù)，進而選擇物理力學(xué)性質(zhì)相近的注漿材料進行分段注漿。同時，可結(jié)合荷載類型、光纜類型、回填材料性質(zhì)開展正交試驗，為不同監(jiān)測環(huán)境下光纜和回填材料的選取提供更加可靠的參考依據(jù)。

(3)在海量光纖感測數(shù)據(jù)的人工智能算法研究方面，加強監(jiān)測區(qū)域和遠程傳輸?shù)目煽啃员Ｕ蠙C制研究，引入各類智能算法進行誤差修正、關(guān)聯(lián)分析和數(shù)據(jù)挖掘，解決礦山安全開采監(jiān)測信息的三維實時可視化問題，并結(jié)合基于機器學(xué)習(xí)的多場數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對監(jiān)測對象的實時狀態(tài)進行評估預(yù)測。

(4)在光纖實測數(shù)據(jù)表征方法研究方面，基于光纜應(yīng)變峰值和應(yīng)變突變點判定巖層破斷垮落規(guī)律，結(jié)合巖體垂直分帶特性，分析光纖與巖體的耦合性能對巖塊的運動狀態(tài)和光纖應(yīng)變的表征作用。結(jié)合常規(guī)手段監(jiān)測數(shù)據(jù)以及理論計算結(jié)果，對光纖測試數(shù)據(jù)進行對比校正，如利用高密度電法測試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式進行“兩帶”高度計算，并同光纖表征數(shù)據(jù)進行對比驗證，以提高光纖表征數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。

(5)在礦山大變形監(jiān)測的光纖適用性研究方面，開展對分布式、魯棒性強、耐久性好和穩(wěn)定可靠的傳感監(jiān)測技術(shù)研究，加強礦山深部開采安全監(jiān)測傳感器安裝技術(shù)的研發(fā)，以滿足極端條件下傳感器的存活率。在充分考慮內(nèi)部地質(zhì)條件和外部環(huán)境因子耦合作用的基礎(chǔ)上，加強關(guān)鍵層位數(shù)據(jù)缺失的機器學(xué)習(xí)研究，進而對礦山采動覆巖變形破壞趨勢進行預(yù)測。

(6)在多源多場監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建方法方面，加強多場作用關(guān)系及附加效應(yīng)在覆巖變形中的導(dǎo)向作用研究，全面發(fā)展多元化、多參數(shù)、智慧化、全程監(jiān)控多源多場監(jiān)測，深入開發(fā)可視化、動態(tài)化的監(jiān)測預(yù)警模式，并建立風(fēng)險等級劃分與控制標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)集監(jiān)測-預(yù)警-響應(yīng)-處置于一體的多源多場監(jiān)測系統(tǒng)。