基于DFOS的采場(chǎng)圍巖變形破壞監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展與展望*

孫斌楊 張平松

(①深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 淮南 232001， 中國(guó)) (②安徽理工大學(xué)， 地球與環(huán)境學(xué)院， 淮南 232001， 中國(guó))

0 引 言

我國(guó)獨(dú)特的能源體系“缺氣、少油、相對(duì)富煤”，使得煤炭在一次能源消費(fèi)中占據(jù)較大的比例。同時(shí)，中國(guó)工程院戰(zhàn)略研究表明，直至21世紀(jì)中葉煤炭產(chǎn)能仍將達(dá)到34×108t，因此煤炭的主體地位在短期內(nèi)不會(huì)改變(袁亮等， 2018)。

我國(guó)雖然富含大量的煤炭資源，但是成煤地質(zhì)條件差異性較大，開(kāi)采利用難易程度不一。新一輪能源革命預(yù)示著煤炭開(kāi)采將面臨“深部化”和“西部化”，因?yàn)橹袞|部地區(qū)淺埋煤層已逐步枯竭，以平均每年10～25m的開(kāi)采速度向深部發(fā)展。目前，深部煤炭開(kāi)采基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱，使得煤炭行業(yè)在滿足能源發(fā)展需求的同時(shí)，自身也付出了較大的代價(jià)(袁亮， 2017)。深部高地應(yīng)力、高地溫、高承壓水及采動(dòng)影響的復(fù)雜地質(zhì)條件嚴(yán)重阻礙煤礦安全高效綠色生產(chǎn)(何滿潮等， 2005)。例如， 2017年5月24日淮南礦業(yè)集團(tuán)潘二煤礦井下12123工作面底板聯(lián)絡(luò)巷透水事故，出水造成的經(jīng)濟(jì)損失約3600×104元； 2020年6月26日淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三煤礦1652(3)工作面發(fā)生冒頂事故，造成2名救援人員死亡； 2017年1月17日山西中煤擔(dān)水溝煤業(yè)4203工作面設(shè)計(jì)布置時(shí)未考慮鄰近工作面開(kāi)采擾動(dòng)影響，致使巷道應(yīng)力集中發(fā)生頂板事故，造成10人死亡，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1517.46×104元。由此可見(jiàn)，當(dāng)前煤礦典型動(dòng)力災(zāi)害(頂?shù)装濉⑺?、沖擊地壓等)仍頻繁發(fā)生，采場(chǎng)圍巖變形破壞的精準(zhǔn)探測(cè)亟待解決。

圖 1 常見(jiàn)光纖傳感技術(shù)工作原理圖Fig. 1 Working principle diagram of common optical fiber sensing technology a. FBG； b. BOTDR； c. BOTDA； d. BOFDA

煤(巖)層在開(kāi)采過(guò)程中，采場(chǎng)圍巖原始應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)被破壞，經(jīng)過(guò)應(yīng)力多級(jí)次相互作用，導(dǎo)致煤層頂?shù)装逡约跋锏绹鷰r發(fā)生明顯的變形破壞，最終將達(dá)到二次平衡狀態(tài)。采場(chǎng)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的重新分布同樣會(huì)破壞巷道圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變巷道內(nèi)支護(hù)的受力情況，嚴(yán)重者會(huì)破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)，使得巷道圍巖發(fā)生片幫、底鼓等現(xiàn)象。故研究頂板巖層破壞、巷道圍巖變形以及底板損傷發(fā)育等特征，精準(zhǔn)認(rèn)識(shí)深部煤炭資源開(kāi)采所導(dǎo)致的圍巖變形與破壞規(guī)律是進(jìn)行科學(xué)采礦、巖層控制及水害防治等的基礎(chǔ)(陸炎光等， 1994； 錢鳴高等， 2010)。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采場(chǎng)圍巖變形破壞的研究很多，并取得了一系列成果，在各個(gè)階段均發(fā)揮了巨大的作用?？傮w來(lái)說(shuō)，采場(chǎng)圍巖變形破壞規(guī)律研究方法大致可分為4類，分別為理論方法(錢鳴高等， 1995； 施龍青等， 2005； 謝廣祥， 2005)、經(jīng)驗(yàn)公式(國(guó)家煤炭工業(yè)局， 2000； 胡小娟等， 2012)、模擬方法(程久龍等， 2000； 繆協(xié)興等， 2005； 張平松等， 2011； 柴敬等， 2021)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)(許家林等， 2004； 張平松等， 2004，2017，2020； 張玉軍等， 2008； 張丹等， 2015)，不同方法均有各自的優(yōu)勢(shì)和不足，如表 1所示。

表 1 采場(chǎng)圍巖變形破壞研究方法概述Table 1 Research methods of deformation and failure of surrounding rock in stope

表 2 不同光纖傳感技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of different optical fiber sensing technology

可見(jiàn)，采場(chǎng)圍巖變形破壞的理論研究大致可以分為3個(gè)階段：初期探索的“黑箱階段”、中期發(fā)展的“灰箱階段”和現(xiàn)階段發(fā)展的“白箱階段”。隨著研究的逐步深入，對(duì)于采場(chǎng)圍巖變形的掌握趨于透明化。但是深部煤炭資源利用面臨更加復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，使得相關(guān)理論的適用性受到限制。以“三下”開(kāi)采規(guī)范為主導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式在一定時(shí)期內(nèi)發(fā)揮了較大作用。西部資源開(kāi)采利用過(guò)程中，其地層結(jié)構(gòu)、巖性組合與華北地區(qū)差異較大，傳統(tǒng)公式基本不適用。模擬試驗(yàn)難以重構(gòu)復(fù)雜地質(zhì)條件，且人為調(diào)參因素影響較大?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中常規(guī)注壓水等多為“一孔之見(jiàn)”，地球物理測(cè)試方法中傳感器一般為點(diǎn)式傳感器，獲得數(shù)據(jù)較少、范圍較為局限，同時(shí)以二維靜態(tài)探測(cè)數(shù)據(jù)為主，難以獲得分布式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)體，致使對(duì)巖層破斷微觀結(jié)構(gòu)的分辨和判斷能力受限，如何高效精準(zhǔn)判別采動(dòng)期間巖層運(yùn)移規(guī)律仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。如果可以對(duì)采動(dòng)圍巖進(jìn)行實(shí)時(shí)多場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲得多場(chǎng)綜合信息，對(duì)分析巖層破斷發(fā)育、水巖耦合、應(yīng)力、位移等規(guī)律會(huì)提供很大幫助。

分布式光纖傳感測(cè)試技術(shù)(DFOS)包括準(zhǔn)分布式和全分布式兩種類型(施斌， 2017)，其除了具有點(diǎn)式傳感器體積小、重量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)外，其還可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、分布式監(jiān)測(cè)，且抗電磁干擾、靈敏度高。目前已研制出百余種光纖傳感器，其中面向復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境測(cè)試還對(duì)常規(guī)光纜進(jìn)行了特制加工，已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、土木、水利、能源、電力、智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。同時(shí)其自身兼具傳感、傳輸于一體的特性，使得其在采場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

本文著重闡述了分布式光纖傳感測(cè)試技術(shù)中FBG、OTDR、BOTDR、BOTDA和BOFDA的測(cè)試原理，并舉例評(píng)價(jià)了該技術(shù)在采場(chǎng)圍巖變形破壞監(jiān)測(cè)方面的研究進(jìn)展。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)并分析了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的不足，并對(duì)基于DFOS的采場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)提出了展望和建議。

1 分布式光纖傳感測(cè)試技術(shù)

1.1 工作原理

近年來(lái)，應(yīng)用于采場(chǎng)圍巖變形破壞的光纖傳感技術(shù)主要有光纖光柵型的光纖布拉格光柵(Fiber braggart grating， FBG)； 瑞利散射型的光時(shí)域反射技術(shù)(Optical time-domain reflectometer， OTDR)； 以及基于布里淵散射原理的光纖測(cè)試技術(shù)，根據(jù)聲子散射的不同又分為自發(fā)和受激兩種形式，其中自發(fā)布里淵散射主要為布里淵散射光時(shí)域反射技術(shù)(Brillouin optical time-domain reflectometer， BOTDR)，受激布里淵散射主要包括布里淵光時(shí)域分析技術(shù)(Brillouin optical time-domain analysis， BOTDA)和布里淵散射光頻域分析技術(shù)(Brillouin optical frequency domain analysis， BOFDA)(柴敬等， 2021a)。上述幾類傳感測(cè)試技術(shù)由于其自身原理的不同，適用條件也不盡相同，如表 2所示(施斌， 2017； 李豪杰等， 2018； 吳海穎等， 2019)。例如FBG、OTDR、BOTDA和BOFDA多適用于物理模擬試驗(yàn)中，而B(niǎo)OTDR由于其單端測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)多適用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。各自的工作原理示意如圖 1所示。由圖 1可見(jiàn)，光纖傳感器對(duì)應(yīng)變及溫度變化均具有較高敏感性，因此在對(duì)測(cè)試區(qū)的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)，需要對(duì)光纜的頻移進(jìn)行溫度補(bǔ)償。目前較為常用的溫度補(bǔ)償手段主要有參考光纖法、Landau-Placzek比率法、基于布里淵散射譜的雙參量法和基于特種光纖的雙頻移法。但是上述幾種方法在應(yīng)用中均存在較大問(wèn)題，需要深入了解光纖材質(zhì)自身對(duì)溫度系數(shù)的影響。針對(duì)此，焦浩然等(2018)基于BOFDA對(duì)其進(jìn)行了探討，提出一種對(duì)感測(cè)光纖整體進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)男滤悸贰?/p>

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

不同類型的光纜及光纖解調(diào)設(shè)備具有各自的特點(diǎn)，因此針對(duì)不同的研究對(duì)象需配備合適的測(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)工作流程大致可以歸納為：確定研究對(duì)象、光纜及設(shè)備選型、測(cè)試系統(tǒng)布設(shè)、數(shù)據(jù)采集、處理分析、信息反饋。具體如圖 2所示。

圖 2 基于DFOS監(jiān)測(cè)工作流程Fig. 2 Monitoring workflow based on DFOS

由圖 2可見(jiàn)，光纜及設(shè)備的選型對(duì)數(shù)據(jù)的有效性十分重要。目前，國(guó)內(nèi)一些高校和單位正在進(jìn)行光纖傳感器的研發(fā)，其中具有代表性的是蘇州南智傳感科技有限公司，其專門從事光纜的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，已經(jīng)走向市場(chǎng)化，可根據(jù)需求加工不同類型的光纖傳感器。調(diào)制解調(diào)儀是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部件，目前國(guó)內(nèi)使用的高精度分布式光纖解調(diào)儀大多依靠進(jìn)口，僅有中國(guó)電子科技集團(tuán)41所等幾家單位自主研發(fā)出核心技術(shù)，陸續(xù)生產(chǎn)了BOTDR等儀器設(shè)備。同時(shí)，對(duì)于采場(chǎng)圍巖變形光纖監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然屬于“灰色”階段，希望有關(guān)部門和專家加大科研投入力度，早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)深部礦井光纖監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、可視化和智慧化，為透明礦山建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

2 基于光纖測(cè)試的采場(chǎng)圍巖變形破壞監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

2.1 采場(chǎng)覆巖變形破壞監(jiān)測(cè)

工作面回采后，原生地質(zhì)條件被破壞，煤巖層空間結(jié)構(gòu)在采動(dòng)應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等復(fù)合作用下發(fā)生重組，在關(guān)鍵層等巖層控制下，上覆巖層將發(fā)生不同程度的變形破壞，依據(jù)破裂程度將其劃分為垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶和彎曲下沉帶，即“豎三帶”。同時(shí)其橫向巖層由于采動(dòng)應(yīng)力、煤壁支撐、垮落壓實(shí)等作用，將形成不同應(yīng)力分區(qū)，工作面前方煤壁受超前應(yīng)力影響將形成應(yīng)力集中區(qū)，覆巖垮落為充分充填將形成離層區(qū)，采空區(qū)重新充填壓實(shí)后將形成垮落壓實(shí)區(qū)，即“橫三區(qū)”。如圖 3所示(錢鳴高等， 2010)。“橫三區(qū)”、“豎三帶”的巖層控制理論認(rèn)知對(duì)采場(chǎng)覆巖變形破斷運(yùn)移破斷機(jī)理及時(shí)空演化具有重要的指導(dǎo)意義。

圖 3 采場(chǎng)覆巖“橫三區(qū)”、“豎三帶”分布示意圖Fig. 3 Distribution diagram of “horizontal three zones” and “vertical three zones” in overlying strata of stope 1. 彎曲下沉帶； 2. 導(dǎo)水裂縫帶； 3. 垮落帶； A. 煤壁支撐影響區(qū)； B. 巖層垮落離層區(qū)； C. 采空區(qū)重新壓實(shí)區(qū)

上述巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)尚處于“灰色”階段，如何對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)仍然是一個(gè)較為復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題。早期的測(cè)試技術(shù)如全站儀、百分表(黃慶享， 2009)、近景攝影(朱慶偉等， 2016)等，尚不能良好地去測(cè)試和表征巖層移動(dòng)規(guī)律，隨著光纖傳感測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，其在理論認(rèn)知、方法測(cè)試研究方面均取得了較大的進(jìn)步，同時(shí)相對(duì)于常規(guī)傳感器具有分布式、無(wú)源等無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，使得其可以對(duì)巖層移動(dòng)進(jìn)行有效地捕捉、科學(xué)地分析。期間主要利用光纖光柵準(zhǔn)分布式應(yīng)變及分布式應(yīng)變(DSS)技術(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)應(yīng)變的變化來(lái)監(jiān)測(cè)巖層移動(dòng)信息。

不同形變狀態(tài)下巖層的應(yīng)變變化特征不同，袁強(qiáng)(2017)對(duì)巖層在不同變形程度條件下光纖測(cè)試機(jī)理進(jìn)行了研究，從光纖-巖層力學(xué)結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，系統(tǒng)分析了光纖在不同巖層結(jié)構(gòu)內(nèi)的受力特征，認(rèn)為光纖處于覆巖垮落帶內(nèi)時(shí)由于巖體的剪切作用，其應(yīng)力特征以拉應(yīng)力為主，當(dāng)巖體與光纖剝離后，光纖將處于松弛狀態(tài)或者受到擠壓應(yīng)力； 光纖處于裂縫帶內(nèi)時(shí)，由于裂縫帶巖層變形程度低于垮落帶，因此光纖受力較小且同樣以拉應(yīng)力為主； 當(dāng)光纖位于彎曲下沉帶內(nèi)時(shí)，彎曲帶巖層變形程度遠(yuǎn)低于垮落帶，光纖受力特征同樣不明顯。可見(jiàn)，光纖可以對(duì)不同類型的覆巖變形進(jìn)行良好的表征，通過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)可以反演巖層變形狀態(tài)。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者針對(duì)采場(chǎng)覆巖變形做了大量的研究，主要包括模擬試驗(yàn)和原位測(cè)試。光纖技術(shù)的應(yīng)用較好地解決了煤巖體內(nèi)部應(yīng)變難以有效連續(xù)分布式觀測(cè)的難題，無(wú)論是模擬還是實(shí)測(cè)均采用將光纜植入待測(cè)巖體內(nèi)的方法進(jìn)行布設(shè)，常用的布設(shè)工藝如圖 4所示，針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象可以選擇合適的觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，以便達(dá)到最佳效果。

圖 4 覆巖光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig. 4 Layout diagram of overburden optical fiber monitoring system

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對(duì)此做了大量的模擬試驗(yàn)。為了研究光纖檢測(cè)巖層變形的有效性，將光纖光柵預(yù)埋入水泥砂漿內(nèi)，通過(guò)模型加壓對(duì)比分析光柵波長(zhǎng)變化與應(yīng)變片的一致性，結(jié)果表明光纖光柵測(cè)試靈敏度高、精度高、存活率高，可以對(duì)巖層運(yùn)移進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)(柴敬等， 2012)。基于傳統(tǒng)的礦山壓力理論，柴敬等(2015b)利用三維模型模擬長(zhǎng)壁工作面回采并附加光纖光柵傳感器對(duì)采動(dòng)覆巖“橫三區(qū)”進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，F(xiàn)BG檢測(cè)曲線的“三臺(tái)階”變化分別良好對(duì)應(yīng)了覆巖破斷前的離層發(fā)育、巖層破斷和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。大傾角煤層由于賦存條件復(fù)雜，其運(yùn)移規(guī)律和采動(dòng)空間應(yīng)力演化特征與常規(guī)煤層具有明顯的差異。柴敬等(2019)基于BOTDA和DIC綜合測(cè)試技術(shù)，分析大傾角煤層回采后覆巖變形規(guī)律與演化特征，研究結(jié)果表明光纖可感知巖體內(nèi)部微弱變形，頂板垮落前應(yīng)變達(dá)到極值，隨即應(yīng)力釋放； 同時(shí)表明大傾角煤層頂板變形具有非對(duì)稱性，與基礎(chǔ)理論一致，如圖 5所示。

圖 5 大傾角煤層頂板活動(dòng)規(guī)律光纖監(jiān)測(cè)研究(柴敬等， 2019)Fig. 5 Research on optical fiber monitoring of roof movement law in steep coal seam(Chai et al.，2019) a. 大傾角煤層頂板結(jié)構(gòu)特征； b. 主要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； c. 大傾角工作面傾向頂板垮落特征； d. 大傾角工作面頂板垮落光纖響應(yīng)特征

隨著工作面趨于深埋、大采高方向發(fā)展，其上覆巖層的運(yùn)移范圍更廣，穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)的形成向上位發(fā)展，同時(shí)堅(jiān)硬頂板下巖層的破斷會(huì)形成更大的沖擊動(dòng)力，導(dǎo)致關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)更為劇烈，需要探索堅(jiān)硬厚頂板條件下巖層破斷的發(fā)生機(jī)理。柴敬等(2015a)基于傳統(tǒng)的礦山壓力理論，利用光纖布拉格光柵對(duì)覆巖關(guān)鍵層運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上覆關(guān)鍵層受力特征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，波長(zhǎng)漂移量曲線與關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)良好對(duì)應(yīng)。程剛等(2017)針對(duì)具有閃長(zhǎng)巖侵入的覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維相似模擬，利用BOTDA測(cè)試分析采動(dòng)條件下上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律，探討了離層演化機(jī)理，研究結(jié)果表明應(yīng)力突變區(qū)域多分布于關(guān)鍵層底部，且關(guān)鍵層的存在控制了離層的演化過(guò)程。

目前，中東部地區(qū)淺部煤炭資源逐漸枯竭，亟需解放水體下呆滯煤量，提高工作面回采上限，同時(shí)西部煤炭開(kāi)采導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)水資源流失十分嚴(yán)重。精準(zhǔn)探測(cè)煤層上覆巖體采動(dòng)條件下變形破壞機(jī)理，獲取“兩帶”高度是解決水體下壓煤開(kāi)采和保水采煤的關(guān)鍵。針對(duì)此，西安科技大學(xué)柴敬教授團(tuán)隊(duì)探究了采動(dòng)巖體導(dǎo)水裂縫發(fā)育與光纖檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，提出了光纖與采動(dòng)巖體的耦合關(guān)系量化指標(biāo)“光纖-巖體耦合系數(shù)”，基于耦合系數(shù)將覆巖垂直分帶分為5種類型，為覆巖變形監(jiān)測(cè)提供了新的思路(杜文剛等， 2021)。南京大學(xué)施斌教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)李文平教授和樸春德副教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)侯公羽教授團(tuán)隊(duì)、安徽理工大學(xué)張平松教授團(tuán)隊(duì)做了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究。張丹和張平松等首次提出了利用BOTDR對(duì)煤層采動(dòng)覆巖變形破壞運(yùn)移機(jī)理進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析，詳細(xì)介紹了鉆孔光纜安裝工藝，分析了光纜的應(yīng)變分布特征，根據(jù)光纜損耗最大點(diǎn)及斷點(diǎn)判斷“兩帶”發(fā)育高度，為覆巖變形測(cè)試分析提供了一種新型的分布式應(yīng)變檢測(cè)方法(張丹等， 2015； Zhang et al.，2017)。劉瑜(2018)以榆神府礦區(qū)為研究對(duì)象，利用BOTDR對(duì)采動(dòng)過(guò)程中的上覆巖層變形破壞規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示中上部巖層主要承受壓縮-拉伸應(yīng)變，而下部覆巖以壓縮-拉伸-壓縮為主，且主要產(chǎn)生拉張破壞，研究結(jié)果為西部生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)煤礦協(xié)調(diào)資源開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)損失之間的矛盾提供了一種新型的解決手段。Hu et al. (2018)利用BOTDR對(duì)采煤覆巖整個(gè)運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行了研究，光纜應(yīng)變結(jié)果表明，在煤層回采期間采空區(qū)覆巖首先在中部發(fā)生破碎，然后沿水平方向向煤柱發(fā)育； 采空區(qū)覆巖存在3種運(yùn)移狀態(tài)，初始的穩(wěn)定狀態(tài)、應(yīng)變曲線陡增表明巖層破碎，存在較大離層或者下方巖層發(fā)生垮落、應(yīng)變一致的巖層將整體運(yùn)移，同時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果與錢鳴高院士提出的“砌體梁”力學(xué)模型一致。樸春德等(2015)采用BOTDA測(cè)試分析了淮北楊柳礦覆巖變形特征，探討了離層演化機(jī)理，結(jié)果表明離層位置受力特征與巖性組合結(jié)構(gòu)、硬巖厚度、采區(qū)布置等相互關(guān)聯(lián)，實(shí)測(cè)離層結(jié)果與理論公式計(jì)算基本一致，說(shuō)明基于BOTDA的覆巖關(guān)鍵層運(yùn)移監(jiān)測(cè)成果具有科學(xué)指導(dǎo)意義。Sun et al. (2021a)等針對(duì)提高巨厚松散含水層下回采上限進(jìn)行了光纖監(jiān)測(cè)研究，實(shí)測(cè)導(dǎo)高裂采比為14.29～15.13，裂縫帶頂界面距離強(qiáng)含水層底界面較遠(yuǎn)。進(jìn)一步揭示了覆巖變形破壞機(jī)理，裂隙首先沿著層內(nèi)水平方向延展，然后隨著煤層的回采，橫向裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)產(chǎn)生豎向裂隙。針對(duì)西部地區(qū)深埋特厚煤層，Sun et al. (2021b)提出利用地面垂直鉆孔植入光纖監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)采動(dòng)條件下覆巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行實(shí)測(cè)研究與分析。監(jiān)測(cè)成果如圖 6所示，當(dāng)工作面位于鉆孔前方時(shí)，鉆孔內(nèi)傳感光纜前期表現(xiàn)為壓應(yīng)變，后期局部轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變； 當(dāng)工作面位于鉆孔后方時(shí)，孔內(nèi)剩余光纜主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變。頂板巖性及巖層結(jié)構(gòu)對(duì)覆巖破壞規(guī)律的影響顯著，變形破壞優(yōu)先發(fā)生于軟弱巖層或裂隙發(fā)育較多巖層； 巖層垮落及應(yīng)力狀態(tài)自下而上呈“臺(tái)階”狀發(fā)展，橫向和垂向上的受力存在分帶性和時(shí)序性特征。

圖 6 光纜應(yīng)變分布示意圖(Sun et al.，2021a，2021b)Fig. 6 Schematic diagram of strain distribution of optical cable(Sun et al.，2021a，2021b) a. 工作面在鉆孔前方； b. 工作面在鉆孔后方

2.2 底板破壞及突水預(yù)警監(jiān)測(cè)

承壓水體上帶壓開(kāi)采一直是煤炭科技工作者的研究對(duì)象，影響采場(chǎng)底板變形破壞的因素按照力的劃分主要有原始構(gòu)造應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力和高承壓水，其中采動(dòng)影響及高承壓水對(duì)底板變形裂隙孕育、擴(kuò)展，巖層運(yùn)移破斷等起到控制作用。我國(guó)華北地區(qū)含煤地層主要是石炭二疊系，其下伏太原組石灰?guī)r、奧陶系石灰?guī)r承壓含水層對(duì)煤層開(kāi)采影響巨大，如淮南礦區(qū)的A組煤開(kāi)采等。因此，對(duì)承壓水體上煤層開(kāi)采底板變形破壞規(guī)律進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)具有重要意義。工作面回采過(guò)程中頂?shù)装鍘r層受力分析及破壞分區(qū)示意如圖 7所示(錢鳴高等， 2010)。

圖 7 底板巖層受力變形及分區(qū)示意圖Fig. 7 Stress and deformation and zoning diagram of floor strata a. 壓縮漸變區(qū)； b. 壓縮區(qū)； c. 過(guò)渡區(qū)； d. 膨脹區(qū)； e. 重新壓實(shí)區(qū)

近年來(lái)，為了節(jié)約煤炭資源常采用沿空留巷技術(shù)代替區(qū)段煤柱，但是隨著巷道斷面的逐步增大，沿空留巷導(dǎo)致的底鼓破壞愈發(fā)嚴(yán)重，但發(fā)育機(jī)理尚不明確。針對(duì)此，華心祝等(2018)基于顧橋礦典型深井大斷面沿空留巷工程背景，開(kāi)展相似物理模擬試驗(yàn)研究，使用BOTDA進(jìn)行底板變形監(jiān)測(cè)，揭示了該技術(shù)條件下底板變形的動(dòng)態(tài)演化特征，對(duì)巷道支護(hù)及突水防治具有重要指導(dǎo)意義。鄂爾多斯盆地準(zhǔn)格爾煤田主要開(kāi)采石炭-二疊系煤層，針對(duì)某礦典型地質(zhì)條件(深埋，約500m； 特厚，均厚17m； 高承壓水，灰?guī)r水頂界面距離煤層底板約50m)，張平松等(2019b， 2021)對(duì)該采區(qū)內(nèi)多個(gè)工作面進(jìn)行底板鉆孔光纖超前原位監(jiān)測(cè)(圖8)，獲得了區(qū)內(nèi)底板巖層破壞特征及演化規(guī)律，研究工作面底板破壞特征具有一定的相似性，受采動(dòng)影響導(dǎo)致的底板變形破壞在空間上呈現(xiàn)東北區(qū)域淺、西南區(qū)域深的分布規(guī)律，且底板破壞多位于細(xì)砂巖以上層段，底板擾動(dòng)影響未波及到奧陶系含水層頂界面。

圖 8 準(zhǔn)格爾煤田某礦底板鉆孔光纖監(jiān)測(cè)(張平松等， 2021)Fig. 8 Optical fiber monitoring of floor drilling in a mine of Zhungeer coalfield(Zhang et al.，2021) a. 采區(qū)工作面分布圖； b. 61303工作面應(yīng)變分布； c. 采區(qū)底板破壞深度分布； d. 底板擾動(dòng)影響深度分布

上述底板突水監(jiān)測(cè)均是通過(guò)分析底板變形破壞深度和有效隔水層之間的關(guān)系來(lái)判斷是否有突水風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可以分析礦井突水水源來(lái)判別是否有突水前兆，主要根據(jù)物理和化學(xué)成分分析?；谒礈囟炔町愋?，張平松等(2016)通過(guò)構(gòu)建相似物理模型，對(duì)底板突水所引起的巖層溫度場(chǎng)變化進(jìn)行光纖測(cè)試模擬，如圖 9所示。根據(jù)光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，分布式光纖溫度測(cè)試(DTS)技術(shù)能夠?qū)δM底板突水溫度場(chǎng)進(jìn)行快速敏感的捕捉，通過(guò)監(jiān)測(cè)可以有效圈定溫度異常區(qū)，判斷是否存在突水危險(xiǎn)，從而進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判。寧殿艷(2013)針對(duì)煤層底板突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的傳感單元進(jìn)行了研發(fā)，研制了一種新型的光纖光柵三分量傳感器，通過(guò)溫度特性試驗(yàn)表明所研制的傳感器在低溫范圍內(nèi)使用時(shí)，其靈敏系數(shù)可以達(dá)到1.23 pm/με，工作性能滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖 9 底板突水室內(nèi)模擬光纖監(jiān)測(cè)(張平松等， 2016)Fig. 9 Simulated optical fiber monitoring in floor water inrush chamber(Zhang et al.，2016) a. 傳感光纜布設(shè)示意圖； b. 突水時(shí)溫度變化及水位上升曲線

2.3 采動(dòng)誘發(fā)斷層活化監(jiān)測(cè)

采掘工作面開(kāi)挖將直接影響煤巖層原始應(yīng)力狀態(tài)，打破原有平衡直至二次平衡，當(dāng)工作面附近斷層地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時(shí)，其采動(dòng)應(yīng)力將導(dǎo)致斷層面上力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，一旦剪切應(yīng)力超過(guò)斷層抗剪強(qiáng)度，斷層上下兩盤將發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即斷層活化(趙毅鑫等， 2018)。根據(jù)工作面回采方向與斷層面走向之間的關(guān)系，可以將其分為兩種情況，一種是回采方向與斷層面走向平行，即斷層位于外側(cè)煤柱內(nèi)，另一種是回采方向與斷層面走向垂直，即工作面朝著斷層面推進(jìn)，其又可以分為兩種亞類，一類是工作面位于斷層上盤，一類是工作面位于斷層下盤。斷層面附近力學(xué)特征簡(jiǎn)化示意如圖 10所示。

圖 10 斷層面受力分析示意圖Fig. 10 Stress analysis diagram of fault plane

近年來(lái)，礦井深度逐年增加，深部采區(qū)動(dòng)力響應(yīng)特征顯現(xiàn)，尤其是在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)更易發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害，其中斷層更是一種典型的多發(fā)地質(zhì)構(gòu)造?；诖?，相關(guān)學(xué)者做了大量工作，但是缺乏對(duì)斷層面法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的系統(tǒng)分析，多以數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算，光纖傳感測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用為獲取斷層面剪切應(yīng)力提供了一種行之有效的技術(shù)方案。張丁丁等(2020)基于DFOS技術(shù)對(duì)煤層回采期間斷層面及上下盤的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究，利用相似模擬試驗(yàn)?zāi)M工作面從斷層上、下盤向斷層面推進(jìn)的過(guò)程，并在模型中布設(shè)多條垂直和傾斜的光纖測(cè)線，從而獲得斷層面的應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖 11所示。模擬結(jié)果驗(yàn)證了工作面從下盤推進(jìn)引發(fā)斷層活化的可能性遠(yuǎn)大于上盤推進(jìn)的結(jié)論。同時(shí)，上盤推進(jìn)引發(fā)的斷層面剪切應(yīng)力要小于下盤，所得結(jié)果對(duì)工作面優(yōu)化提供了技術(shù)指導(dǎo)。

圖 11 斷層活化監(jiān)測(cè)部分成果(張丁丁等， 2020)Fig. 11 Some results of fault activation monitoring (Zhang et al.，2020) a. 模型布設(shè)示意； b. 推進(jìn)75 cm模型現(xiàn)象； c. 斷層面F11光纖測(cè)試結(jié)果

圖 12 斷層活化光纖實(shí)測(cè)結(jié)果圖(張平松等， 2019a)Fig. 12 Measured results of fault activated optical fiber (Zhang et al.，2019a)

對(duì)于煤層回采如何導(dǎo)致斷層活化，斷層活化后又如何影響圍巖應(yīng)力狀態(tài)的機(jī)理尚不清晰，而且多基于數(shù)值模擬和物理模擬進(jìn)行研究，與實(shí)際情況偏差較大。針對(duì)此，張平松等(2019a)結(jié)合淮南某礦地質(zhì)條件，利用分布式光纖傳感測(cè)試技術(shù)對(duì)斷層進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得了測(cè)試空間連續(xù)數(shù)據(jù)體，如圖 12所示。研究結(jié)果表明，DFOS技術(shù)提供的數(shù)據(jù)信息量大、精度高，可為斷層活化提供判別依據(jù)； 回采工作面鄰近保護(hù)煤柱區(qū)內(nèi)斷層面易受到采動(dòng)影響誘發(fā)活化效應(yīng)，應(yīng)變表征以拉應(yīng)變?yōu)橹鳌?/p>

2.4 煤柱穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

隨著采深的加大，基于采動(dòng)效應(yīng)影響使得巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)趨于復(fù)雜化，巷道變形程度愈發(fā)嚴(yán)重，合理有效的布設(shè)巷道及留設(shè)一定尺寸的保護(hù)煤巖柱是解決巷道變形的重要手段。為了評(píng)價(jià)煤柱穩(wěn)定性及科學(xué)留設(shè)區(qū)段煤柱，Chai et al. (2004)首次采用光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)用于相似模型的變形測(cè)試，結(jié)果表明其可以對(duì)煤巖層移動(dòng)及煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。后期基于平面相似模型，利用光纖傳感測(cè)試技術(shù)研究煤柱內(nèi)部應(yīng)變規(guī)律，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤柱穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，煤柱內(nèi)應(yīng)力系數(shù)與區(qū)段煤柱寬度無(wú)直接關(guān)系，但是煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)與煤層底板壓力有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(柴敬等， 2017)。Sun et al. (2020)結(jié)合淮南某礦地質(zhì)條件，提出了采用井下鉆孔與BOTDR相結(jié)合的方法，對(duì)煤巖柱區(qū)內(nèi)的受力特征進(jìn)行分析，揭示了回采過(guò)程中煤巖層受力變形發(fā)育規(guī)律，合理劃分了受采動(dòng)影響后煤巖柱區(qū)的橫向影響范圍，煤柱區(qū)巖層整體呈現(xiàn)拉應(yīng)變趨勢(shì)。如圖 13所示。

2.5 支承壓力監(jiān)測(cè)

采場(chǎng)支承壓力分布規(guī)律一直是礦山壓力巖層控制的核心研究?jī)?nèi)容，其對(duì)巷道圍巖失穩(wěn)、沖擊地壓及煤與瓦斯突出等具有決定性作用。工作面支承壓力分布示意如圖 14所示(錢鳴高等， 2010)，為了獲取采場(chǎng)圍巖支承壓力分布規(guī)律，前期多采用數(shù)值解析方法，但是其難以反映復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)力分布。

圖 13 保護(hù)煤柱區(qū)光纖監(jiān)測(cè)成果(Sun et al.，2020)Fig. 13 Optical fiber monitoring results of coal pillar protection area(Sun et al.，2020)

圖 14 工作面支承壓力分布示意圖Fig. 14 Distribution diagram of abutment pressure in working face

近年來(lái)，圍繞超前支承壓力和傾向支承壓力做了大量的光纖監(jiān)測(cè)模擬研究，揭示了光纖光柵與支承壓力變化呈現(xiàn)鏡面反射，波長(zhǎng)漂移與支承壓力線性相關(guān)，提出了支承壓力光纖光柵測(cè)試靈敏度參數(shù)，定量分析了圍巖采動(dòng)支承壓力的分布規(guī)律，建立了圍巖采動(dòng)支承壓力分布模型，為采場(chǎng)支承壓力測(cè)試提供了一種新的測(cè)試手段(柴敬等， 2016)。當(dāng)采場(chǎng)覆巖存在巨厚礫巖層時(shí)，工作面回采極易引發(fā)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致巷道變形失穩(wěn)，關(guān)鍵在于傾向支承壓力的分布規(guī)律研究。柴敬等(2018a)通過(guò)建立采場(chǎng)傾向支承壓力理論模型，進(jìn)行了理論計(jì)算，并搭建三維模型進(jìn)行光纖監(jiān)測(cè)，分布式光纖測(cè)試結(jié)果顯示傾向支承壓力的分布規(guī)律表現(xiàn)為不變-增大-峰值-減小-不變，模擬測(cè)試與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。針對(duì)采場(chǎng)超前支承壓力，Zhang et al. (2020a)以內(nèi)蒙某礦61103工作面為例，開(kāi)展井下實(shí)測(cè)研究，于工作面底板施工一垂直回采方向的鉆孔，根據(jù)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果可將超前支承壓力分為5個(gè)區(qū)域，分別為應(yīng)變穩(wěn)定區(qū)(A)、應(yīng)變緩慢增高區(qū)(B)、應(yīng)變明顯升高區(qū)(C)、應(yīng)變降低區(qū)(D)和應(yīng)變轉(zhuǎn)換區(qū)(E)，如圖 15所示。同時(shí)在采區(qū)鄰近工作面進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，兩個(gè)工作面實(shí)測(cè)資料基本一致，基于此建立了適合該采區(qū)的超前支承壓力分布模型示意圖。

圖 15 采場(chǎng)超前支承壓力光纖實(shí)測(cè)特征分析 (Zhang et al.，2020a)Fig. 15 Analysis of optical fiber measurement characteristics of stope advance abutment pressure(Zhang et al.，2020a) a. 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)； b. 超前支承壓力分區(qū)

圖 16 斷層破碎帶注漿后光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 16 Optical fiber strain monitoring results of fault fracture zone after grouting

2.6 破碎帶注漿加固穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

斷層破碎帶注漿加固與含水層改造是承壓水體上煤(巖)層安全開(kāi)采水害防治的有效方法之一。如若不對(duì)破碎帶進(jìn)行提前注漿加固，其將形成水源通道危及礦井安全生產(chǎn)。為了評(píng)價(jià)淮南某礦斷層破碎帶注漿加固效果，筆者課題組對(duì)其進(jìn)行了深入研究，在掘進(jìn)巷道硐室內(nèi)朝斷層面施工若干鉆孔，并于孔內(nèi)安裝分布式應(yīng)變和溫度傳感光纜，進(jìn)行DSS和DTS綜合監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)斷層帶附近富水性及驗(yàn)證地面注漿效果。前期的監(jiān)測(cè)成果如圖 16所示，可見(jiàn)鉆孔控制范圍內(nèi)主要包含兩類地質(zhì)體，一類是F1斷層破碎帶，另一類是煤層和砂質(zhì)泥巖等正常巖性。巷道貫通前后，兩類地質(zhì)體的應(yīng)變變化具有明顯的差異性。其中：F1斷層破碎帶內(nèi)巖層由于經(jīng)過(guò)地面注漿加固等措施，改變了原有的破碎巖層特性，主要以混凝土塊體為主，彈性模量明顯增大，因此應(yīng)變變化量相對(duì)煤層和砂質(zhì)泥巖等正常巖性較小。由此說(shuō)明，F(xiàn)1斷層破碎帶經(jīng)過(guò)地面注漿加固后巖層的完整性得以改善，巖石力學(xué)性質(zhì)中的抗壓、抗拉強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。同時(shí)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查及礦壓資料分析，巷道掘進(jìn)期間未發(fā)現(xiàn)較大的片幫及淋水現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果的合理性。

圖 17 巖體-回填材料-光纜(護(hù)套-金屬加強(qiáng)件-涂覆層-光纖)相互作用示意圖Fig. 17 Schematic diagram of interaction between rock mass-backfill material-optical cable (sheath metal-reinforcement-coating-optical fiber)

通過(guò)構(gòu)建合理的觀測(cè)系統(tǒng)，使用不同類型的光纖傳感器(應(yīng)變、溫度)進(jìn)行組合測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)圍巖內(nèi)破碎帶注漿加固的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

3 研究現(xiàn)狀分析與展望

經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，基于DFOS技術(shù)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)圍巖變形破壞取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，主要是基于布里淵頻移、波長(zhǎng)和光損的變化，獲取圍巖體應(yīng)變、溫度信息，從而反演巖層的完整性、穩(wěn)定性和安全性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)。目前，相關(guān)學(xué)者在光纖應(yīng)用理論、數(shù)值計(jì)算、物理模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中做了大量的研究工作，但是仍然有一些技術(shù)難點(diǎn)亟待攻克，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 巖層變形失穩(wěn)與光纖數(shù)據(jù)體互饋機(jī)制研究

深部采場(chǎng)圍巖變形是一種非線性的復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題，是巖體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、裂隙場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的不斷相互疊加作用的一個(gè)過(guò)程。揭示采動(dòng)圍巖多場(chǎng)耦合運(yùn)移機(jī)理，建立巖層變形失穩(wěn)的新理論，是實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)圍巖變形破壞光纖監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)判識(shí)的基礎(chǔ)。其主要突破點(diǎn)在于研究復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造條件下，巖層運(yùn)移與光纖數(shù)據(jù)體的互饋機(jī)制，揭示煤層回采和多場(chǎng)耦合作用下巖層運(yùn)移過(guò)程中光纖表征值的響應(yīng)規(guī)律。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬和物理模擬等確定巖層變形光纖測(cè)試敏感參數(shù)，進(jìn)一步形成相應(yīng)的定量評(píng)價(jià)方法。

3.2 光纖監(jiān)測(cè)纜體與巖體耦合性研究

光纜自身由護(hù)套、金屬加強(qiáng)件(包層)、涂覆層和纖芯組成，其空載受力狀態(tài)下應(yīng)變測(cè)試精度由四者之間的傳遞性能決定。當(dāng)利用光纜進(jìn)行采場(chǎng)圍巖大變形監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)變傳遞關(guān)系將更加復(fù)雜，這里以常規(guī)金屬基索狀應(yīng)變傳感光纜為例，進(jìn)行解釋分析，如圖 17所示。巖體-鉆孔回填材料-光纜之間的相互耦合性將是決定光纖監(jiān)測(cè)精度的關(guān)鍵點(diǎn)，如何解決其中的應(yīng)變傳遞關(guān)系，將光纖測(cè)試應(yīng)變轉(zhuǎn)化為巖體真實(shí)應(yīng)變，將是后期研究的重點(diǎn)。張丁丁等(2015)建立了考慮鉆孔半徑、封孔材料彈模的準(zhǔn)分布式光纖光柵應(yīng)變傳遞模型，認(rèn)為鉆孔半徑越小，彈性模量越大，平均應(yīng)變傳遞效率越高。柴敬等(2020)利用光纖測(cè)試應(yīng)變值計(jì)算巖層彎曲擾度并與DIC測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)光纖-巖體耦合定量評(píng)價(jià)，提出了光纖-巖體耦合系數(shù)。張誠(chéng)成等(2019)對(duì)地面沉降分布式光纖監(jiān)測(cè)巖土-光纜耦合性進(jìn)行了深入分析，提出了地層-鉆孔回填材料-傳感光纜耦合性定義和數(shù)據(jù)有效性評(píng)價(jià)方法，建立了地層-鉆孔回填材料-傳感光纜應(yīng)變傳遞模型，研究成果為鉆孔地層剖面的全方位精細(xì)化解釋提供了理論依據(jù)，同時(shí)也為采場(chǎng)圍巖變形破壞全斷面監(jiān)測(cè)應(yīng)變解析提供了技術(shù)參考，同時(shí)后期應(yīng)考慮光纜自身材質(zhì)對(duì)應(yīng)變傳遞的影響。

對(duì)于注漿材料，考慮鉆孔內(nèi)含有不同類型的巖性，需進(jìn)行分段注漿，每段注漿材料需根據(jù)不同巖層物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行配比，從物性上降低注漿材料與原巖之間的差異性，提高應(yīng)變傳遞性能。

3.3 數(shù)據(jù)可視化處理及模擬軟件研究

結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)基于云計(jì)算及深度機(jī)器學(xué)習(xí)的光纖海量數(shù)據(jù)處理與分析軟件，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)反演，提高異常自動(dòng)定位及前兆信息主動(dòng)識(shí)別精度。實(shí)現(xiàn)高精度反演的同時(shí)，應(yīng)同步研發(fā)光纖數(shù)據(jù)的正演模擬，通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型或?qū)嶓w模型來(lái)計(jì)算、實(shí)測(cè)探測(cè)目標(biāo)體的應(yīng)變、溫度值。光纖數(shù)據(jù)的正反演一體化模擬軟件將彌補(bǔ)部分極端條件下無(wú)法原位測(cè)試的不足，進(jìn)一步推動(dòng)光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

3.4 巖層變形破壞的光纖監(jiān)測(cè)表征方法研究

3.2節(jié)已經(jīng)提到光纜測(cè)試應(yīng)變并非巖體真實(shí)應(yīng)變，如何利用光纖測(cè)試結(jié)果對(duì)巖體變形發(fā)育規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析成為研究的重點(diǎn)。目前，根據(jù)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)可以得到，基于光纖測(cè)試巖層變形主要有兩種方法去判斷巖層是否受到擾動(dòng)和變形。第1類是根據(jù)光纜應(yīng)變的峰值和應(yīng)變的突變點(diǎn)，去表示巖層破斷垮落的位置，根據(jù)應(yīng)變峰值(應(yīng)變突變點(diǎn))之間的范圍去表示巖層變形的范圍(張丹等， 2015； 侯公羽等， 2020a； Sun et al.，2021a)； 第2類是根據(jù)布里淵頻移平均變化度的概念對(duì)巖層的來(lái)壓情況進(jìn)行判別，傳感光纜的布里淵頻移曲線反映了巖層變形的位置和程度(柴敬等， 2018b)。

上述方法對(duì)于模型試驗(yàn)光纖監(jiān)測(cè)較為適用，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)具有一定的局限性，因?yàn)樯畈繋r體變形類似一個(gè)“黑箱”，僅通過(guò)應(yīng)變最大值等無(wú)法確定其如何運(yùn)移、是否變形破壞。筆者認(rèn)為應(yīng)建立典型地層巖體變形破斷應(yīng)變測(cè)試參數(shù)和閾值數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)采場(chǎng)圍巖巖體進(jìn)行取樣，進(jìn)行室內(nèi)三軸等加載實(shí)驗(yàn)，測(cè)試巖層變形破壞過(guò)程中的應(yīng)變場(chǎng)響應(yīng)特征，獲得不同狀態(tài)下巖層的應(yīng)變參數(shù)，量化不同巖性巖石受力變形破壞過(guò)程中與應(yīng)變場(chǎng)之間的相關(guān)關(guān)系。

3.5 礦山大變形監(jiān)測(cè)光纖適用性研究

通過(guò)梳理采場(chǎng)圍巖變形光纖監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中無(wú)論對(duì)于頂?shù)装遄冃芜€是支承壓力研究，隨著工作面逐漸靠近監(jiān)測(cè)斷面，鉆孔內(nèi)光纜將極易發(fā)生錯(cuò)斷，從而無(wú)法進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)致關(guān)鍵層位數(shù)據(jù)缺失。目前有兩種解決方法： (1)從光纜結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，增大光纜直徑，從而加大自身的抗剪強(qiáng)度，但是限于鉆孔孔徑及光纜加工工藝，廠家不可能無(wú)限制地?cái)U(kuò)大直徑，目前市面上流通的最大定點(diǎn)光纜直徑達(dá)到18mm。(2)從數(shù)據(jù)處理角度進(jìn)行數(shù)據(jù)填補(bǔ)。Sun et al. (2021b)采用克里金插值的方法將地面垂直鉆孔中下部缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插值填補(bǔ)，對(duì)覆巖變形發(fā)育機(jī)理進(jìn)行輔助分析。但是其僅對(duì)斷點(diǎn)鄰近數(shù)據(jù)體有效，后期數(shù)據(jù)將無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確插值。冀汶莉等(2021)基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)光纖數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，建立了多測(cè)點(diǎn)單屬性小樣本缺失數(shù)據(jù)的最小二乘支持向量機(jī)缺失數(shù)據(jù)填補(bǔ)方法，此方法相對(duì)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和3次樣條插補(bǔ)方法更為有效，但是其是否適用于實(shí)測(cè)光纖海量數(shù)據(jù)還有待進(jìn)一步研究。韋超群等(2020)基于完整光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用MATLAB語(yǔ)言的三維3次樣條插值法對(duì)線性數(shù)據(jù)進(jìn)行三維立體化展示，效果良好，但是后續(xù)需考慮數(shù)據(jù)缺失情況下的數(shù)據(jù)立體化展示。

3.6 多相多場(chǎng)耦合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建研究

無(wú)論是分布式光纖還是準(zhǔn)分布式光纖光柵，其測(cè)試所得應(yīng)變均為一維線性應(yīng)變，在測(cè)試精度上和異常解釋上具有一定的局限性。目前，多相多場(chǎng)耦合監(jiān)測(cè)是發(fā)展的主流，深度融合地質(zhì)保障信息，構(gòu)建多場(chǎng)耦合模型，反演采場(chǎng)圍巖變形破壞發(fā)育機(jī)理及演化規(guī)律，揭示采動(dòng)影響下圍巖介質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)-應(yīng)變場(chǎng)-滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)-地球物理場(chǎng)等多相多場(chǎng)耦合機(jī)理。柴敬等(2021b)將FBG、BOTDA和DIC技術(shù)結(jié)合建立“點(diǎn)-線-面”三位一體的測(cè)試系統(tǒng)，一定程度上提高了解釋精度。張平松教授團(tuán)隊(duì)利用光纖傳感和高密度電法，建立“光-電”綜合觀測(cè)系統(tǒng)，其中電阻率測(cè)試可進(jìn)行面內(nèi)反演，得到二維、三維解釋圖形，一定程度上彌補(bǔ)了一維線性應(yīng)變的不足(張平松等， 2019c； Sun et al.，2021a，2021b)。但是目前“光-電”監(jiān)測(cè)僅局限于方法上的融合，并未在數(shù)據(jù)處理上進(jìn)行異構(gòu)融合，仍存在信息孤島、單一系統(tǒng)封閉現(xiàn)象。后續(xù)可將光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行擬地震化處理，深入研究“光-電”監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演。

3.7 建立井上下一體化多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)

目前，對(duì)于礦井光纖監(jiān)測(cè)仍然采用人工單次連續(xù)采集數(shù)據(jù)的方式，其效率較低，而且人工誤差容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生畸變，亟需實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期全自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)?；谥悄艿V山建設(shè)、煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采的前提，后期應(yīng)構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)圍巖變形破壞多相多場(chǎng)海量動(dòng)態(tài)信息智能感知、遠(yuǎn)程傳輸存儲(chǔ)、多源信息主動(dòng)分析的系統(tǒng)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)頂?shù)装遄冃?、礦壓等動(dòng)力災(zāi)害遠(yuǎn)程在線智能預(yù)警，為礦井安全生產(chǎn)提供技術(shù)參數(shù)。相關(guān)學(xué)者利用井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)了一種基于分布式光纖技術(shù)的巷道頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為光纖礦井在線監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)參考，但是其僅限于單一應(yīng)變場(chǎng)，無(wú)法滿足透明礦山建設(shè)的需求(Naruse et al.，2007; Moffat et al.，2015; 侯公羽等， 2020b)。后續(xù)應(yīng)結(jié)合人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等構(gòu)建采場(chǎng)圍巖變形破壞多場(chǎng)源預(yù)警與智能決策平臺(tái)，主要圍繞復(fù)合型傳感器、精準(zhǔn)定位、數(shù)據(jù)深度挖掘、成套裝備等方面開(kāi)展研究(袁亮等， 2020)。

4 結(jié) 論

全面梳理分析了現(xiàn)有采場(chǎng)圍巖變形破壞光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，首先介紹了常用的幾類光纖測(cè)試技術(shù)，對(duì)比分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后重點(diǎn)闡述了近十幾年來(lái)該技術(shù)應(yīng)用于采場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)的研究進(jìn)展，并對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了幾點(diǎn)建議和后續(xù)展望。

(1)光纖傳感作為一種新型的監(jiān)測(cè)技術(shù)，在采場(chǎng)圍巖變形場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等表征方面具有重要意義。根據(jù)工作原理不同，可分為多種類型，目前較為主流的有FBG、OTDR、BOTDR、BOTDA和BOFDA。主要利用波長(zhǎng)、光損和布里淵頻移的變化反演應(yīng)變和溫度的響應(yīng)特征。

(2)基于DFOS監(jiān)測(cè)采場(chǎng)圍巖變形破壞主要圍繞以下6個(gè)方向開(kāi)展， 1)采場(chǎng)覆巖變形破壞監(jiān)測(cè)； 2)底板破壞及突水預(yù)警監(jiān)測(cè)； 3)采動(dòng)誘發(fā)斷層活化監(jiān)測(cè)； 4)煤柱穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)； 5)支承壓力監(jiān)測(cè)； 6)破碎帶注漿加固穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。其中：針對(duì)不同的研究對(duì)象，需制定對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選取合適的感知單元，從而實(shí)現(xiàn)有效的光纖監(jiān)測(cè)。

(3)采場(chǎng)圍巖變形光纖監(jiān)測(cè)理論、纜體耦合、施工工藝、數(shù)據(jù)處理及表征、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用性等方面仍需進(jìn)一步深入研究。通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)分析，認(rèn)為工作面安全高效綠色生產(chǎn)需要加強(qiáng)對(duì)采場(chǎng)全空間、多參數(shù)、多維多尺度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)判識(shí)，研發(fā)采場(chǎng)圍巖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，構(gòu)建井上下一體化智能監(jiān)控平臺(tái)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并結(jié)合地質(zhì)條件等對(duì)采場(chǎng)圍巖變形破壞進(jìn)行綜合評(píng)判和透明化三維表達(dá)。

目前，礦山光纖監(jiān)測(cè)尚處于初期研究階段，研究單位也局限于南京大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、西安科技大學(xué)和安徽理工大學(xué)等少數(shù)幾家科研院所，亟需制定礦山類大變形分布式光纖測(cè)試相關(guān)的技術(shù)規(guī)范或規(guī)程，做好現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)工作，不斷提升監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用效果，從而對(duì)分布式光纖感測(cè)技術(shù)在礦山圍巖監(jiān)測(cè)中的推廣起到積極促進(jìn)作用。