分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用

分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用

郝海伶 罗振

山东省煤田地质局第三勘探队 山东省泰安市 271000

摘要：我国在长时间社会经济发展过程中，煤炭资源是我国使用的主体资源，在煤矿生产过程中，其生产安全性的重要保证是煤矿地质检测工作开展，现阶段分布式光纤传感技术的应用主要特点有感测点的连续性，精度较高，同时其可以实现抗电磁干扰，抗腐蚀性较强。煤矿地质监测工作中，这一技术应用异常重要，结合相关研究数据，分布式光纤监测技术可以满足煤矿地质监测工作开展需求，其应用前景十分突出。本文通过对分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用措施进行分析，促进煤矿地质监测工作的顺利开展。

关键词：分布式；光纤传感技术；煤矿；地质监测；应用

技术水平不断提升，伴随光纤以及通信技术的发展，光纤传感技术实现发展和应用，技术应用过程，其重要基础是光波，煤质条件为光纤技术，这种技术属于一种新型化的传感技术，对于外界被测量信号进行感知和传输。由于分布式光纤传感技术自身应用优势，其在煤矿安全生产中实现广泛应用。不同类型分布式光纤传感技术在应用过程中，其优势和弊端以及使用条件并不相同，在矿上监测过程中，其主要问题是变形问题，相关工作人员选择封装工艺，其对光纤技术进行改进，其中可以调整的测量范围仅仅控制在较小程度上，依据煤层开采过程中产生的多样化信息，积极利用数据融合处理方式，以此实现煤矿开采工作的精确化定位。

1. 煤矿地质安全监测过程中应用的分布式光纤传感技术类型分析

1. 巷道变形光纤监测技术类型分析

在煤矿开采过程中，深部巷道位置其通常情况下的地质环境较为特殊，环境特点为地应力较高，低温高以及渗透压力较高，在这一环境中极有可能发生不同类型的煤矿安全事故，其中巷道方向趋势中岩体强度不够均匀，其部分较为软弱的部位，产生变形情况，会生产应力，不够均匀，同时增加巷道其他部位的不稳定性，对整段巷道造成影响^[1]。基于这一情况，需要对巷道以及周围岩体情况进行实时化监测，在变形较为严重的部分实施重点的监测和管理，通过这种方式保证煤炭资源安全性。

近些年，相关研究人员通过利用分布式光纤应变监测技术，研究巷道表面以及其周围岩体的实际变形情况，研究成果表显著。在开挖的钻孔中，安装分布式光缆，过程中可以借鉴先进化技术对全断面岩石掘进机的掘进情况进行监测，掌握围岩的变形程度，相比于传统化传感器的使用，其可以更好的监测掘进前方变形问题，围岩变形的控制工作也具备相应参考数据。通过光纤应变传感技术的应用，研究巷道变形监测环境下的光缆选择以及工艺布设，在试验后可以建立相应的关系模型。通过应用分布式光纤传感技术，在煤矿巷道以及围岩变形、破坏过程中为其有效监测提供新型化的技术措施^[2]。

2. 煤矿井筒变形监测技术分析

在煤矿正产过程中，其主要通道是矿上井筒位置，这一位置是确保煤矿安全生产的重要环节，伴随煤矿开采深度逐渐增加，其地质条件逐渐复杂，井壁部分的受力情况逐渐复杂，这一过程中出现煤矿采动以及地应力变化等，井筒会受到一定破坏，主要是来自不均匀荷载作用以及部分有害化学环境腐蚀的因素，造成井筒内部结构产生力学损失以及化学变化，井壁结构在这一阶段会产生承载力急剧下降的情况，对煤矿工人生命安全造成严重影响，同时也会出现比较严重的经济损失。针对井壁应力以及应变状态进行实时监测，有利于提高煤矿生产安全性。

现阶段，在井筒变形问题监测过程中，使用的方式主要是间接推演，过程中应用的设备主要有激光垂准仪以及GPS等，这些方法的使用可以实现井筒部分的长时间稳定监测，同时井壁部分地质条件比较复杂，使用传统化的电学传感器极易受到恶劣环境影响，例如井壁变形、水以及化学腐蚀等。近些年，在煤矿井筒变形中应用光纤传感技术受到人们重视，积极利用光纤光栅技术，可以监测和预警井筒变形情况。相比于光纤光栅技术，分布式光纤传感技术本身测量优势比较显著，在监测过程中，应用效果较好^[3]。

3. 煤矿采动覆岩变形光纤监测技术分析

煤矿生产过程中，对煤矿开采安全性造成影响的关键性问题就是覆岩变形，长时间的地下开采活动造成地层的应力进行重新分布，基于重力等相应作用，在工作面上覆岩层产生变形或者是垮塌对巷道安全性造成影响，出现较为严重的突水事故以及冲击低压等问题，煤矿安全生产存在较大隐患。过程中出现多种类型的生态环境问题，例如水位下降或者是地表沉陷等。基于这一情况，准确化监测覆岩变形分布情况以及具体的破坏范围，掌握其中的动力学特征，为评价以及预测煤矿地质灾害工作提供重要的数据支持，提高煤矿生产安全性^[4]。

研究人员将光纤传感设备应用到地表以及煤巷钻孔中，对覆岩变形以及受力情况进行有效监测，可以有效研究覆岩变形问题。这一过程中应用BOTDR光纤传感技术，在煤层开采过程中进行有效监测，依据岩石特性综合性分析垮落带等情况，可以开展相应模拟实验，分析其中光纤应变以及覆岩垮落演化特征之间的关系。相比于传统化的监测方式，光纤传感技术的使用可以为覆岩变形提供更具准确性的方式，设置光纤传感器设备，对煤岩开采过程中其应变状态进行实时监测，了解其变形以及破裂的动力学过程，有效预防煤矿灾害，实现地表的生态保护

^[5]。

总结：

分布式光纤传感技术的使用具备十分显著的特点，例如抗电磁干扰、抗腐蚀等，逐渐应用到地质监测领域中，分布式光纤传感技术可以应用在复杂的地质环境中，针对不同地层以及结构变形情况的监测效果，相比于传统方式优势更加显著。

参考文献：

[1]李世念, 张旭苹, 宋宏,等. 分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用[J]. 应用科学学报, 2020, v.38(02):22-32.

[2]谭海亮, 李七明. 光纤传感技术在覆岩"两带"高度探测中的应用[J]. 中国煤炭地质, 2019, v.31;No.241(05):64-69.

[3]丁莹莹, 何泽新, 李世念,等. 光纤传感监测技术在工程地质领域中的应用研究进展[J]. 矿产勘查, 2019, 10(8):2078-2085.

[4]王宏伟, 张勇, 杨洋,等. 分布式光纤传感技术在盾构区间隧道监测中的应用[J]. 公路, 2018, 063(003):269-273.

[5]李虎威, 方新秋, 梁敏富. 基于光纤光栅传感技术的顶板离层监测系统[J]. 煤矿安全, 2016, 47(04):143-145.