基于DFOS的采場圍巖變形破壞監測研究進展與展望*

孫斌楊 張平松

(①深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室， 淮南 232001， 中國) (②安徽理工大學， 地球與環境學院， 淮南 232001， 中國)

0 引 言

我國獨特的能源體系“缺氣、少油、相對富煤”，使得煤炭在一次能源消費中占據較大的比例。同時，中國工程院戰略研究表明，直至21世紀中葉煤炭產能仍將達到34×108t，因此煤炭的主體地位在短期內不會改變(袁亮等， 2018)。

我國雖然富含大量的煤炭資源，但是成煤地質條件差異性較大，開采利用難易程度不一。新一輪能源革命預示著煤炭開采將面臨“深部化”和“西部化”，因為中東部地區淺埋煤層已逐步枯竭，以平均每年10～25m的開采速度向深部發展。目前，深部煤炭開采基礎研究相對薄弱，使得煤炭行業在滿足能源發展需求的同時，自身也付出了較大的代價(袁亮， 2017)。深部高地應力、高地溫、高承壓水及采動影響的復雜地質條件嚴重阻礙煤礦安全高效綠色生產(何滿潮等， 2005)。例如， 2017年5月24日淮南礦業集團潘二煤礦井下12123工作面底板聯絡巷透水事故，出水造成的經濟損失約3600×104元； 2020年6月26日淮南礦業集團潘三煤礦1652(3)工作面發生冒頂事故，造成2名救援人員死亡； 2017年1月17日山西中煤擔水溝煤業4203工作面設計布置時未考慮鄰近工作面開采擾動影響，致使巷道應力集中發生頂板事故，造成10人死亡，經濟損失高達1517.46×104元。由此可見，當前煤礦典型動力災害(頂底板、水害、沖擊地壓等)仍頻繁發生，采場圍巖變形破壞的精準探測亟待解決。

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

煤(巖)層在開采過程中，采場圍巖原始應力場的平衡狀態被破壞，經過應力多級次相互作用，導致煤層頂底板以及巷道圍巖發生明顯的變形破壞，最終將達到二次平衡狀態。采場圍巖應力場的重新分布同樣會破壞巷道圍巖內部結構，進而改變巷道內支護的受力情況，嚴重者會破壞支護結構，使得巷道圍巖發生片幫、底鼓等現象。故研究頂板巖層破壞、巷道圍巖變形以及底板損傷發育等特征，精準認識深部煤炭資源開采所導致的圍巖變形與破壞規律是進行科學采礦、巖層控制及水害防治等的基礎(陸炎光等， 1994； 錢鳴高等， 2010)。多年來，國內外學者針對采場圍巖變形破壞的研究很多，并取得了一系列成果，在各個階段均發揮了巨大的作用?？傮w來說，采場圍巖變形破壞規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)、經驗公式(國家煤炭工業局， 2000； 胡小娟等， 2012)、模擬方法(程久龍等， 2000； 繆協興等， 2005； 張平松等， 2011； 柴敬等， 2021)、現場實測(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勢和不足，如表 1所示。

表 1 采場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 不同光纖傳感技術優缺點對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of different optical fiber sensing technology

可見，采場圍巖變形破壞的理論研究大致可以分為3個階段：初期探索的“黑箱階段”、中期發展的“灰箱階段”和現階段發展的“白箱階段”。隨著研究的逐步深入，對于采場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雜的地質力學環境，使得相關理論的適用性受到限制。以“三下”開采規范為主導的經驗公式在一定時期內發揮了較大作用。西部資源開采利用過程中，其地層結構、巖性組合與華北地區差異較大，傳統公式基本不適用。模擬試驗難以重構復雜地質條件，且人為調參因素影響較大。現場測試中常規注壓水等多為“一孔之見”，地球物理測試方法中傳感器一般為點式傳感器，獲得數據較少、范圍較為局限，同時以二維靜態探測數據為主，難以獲得分布式監測數據體，致使對巖層破斷微觀結構的分辨和判斷能力受限，如何高效精準判別采動期間巖層運移規律仍然面臨巨大的挑戰。如果可以對采動圍巖進行實時多場在線監測，及時獲得多場綜合信息，對分析巖層破斷發育、水巖耦合、應力、位移等規律會提供很大幫助。

分布式光纖傳感測試技術(DFOS)包括準分布式和全分布式兩種類型(施斌， 2017)，其除了具有點式傳感器體積小、重量輕、耐腐蝕等特點外，其還可以實現長距離、分布式監測，且抗電磁干擾、靈敏度高。目前已研制出百余種光纖傳感器，其中面向復雜地質環境測試還對常規光纜進行了特制加工，已廣泛應用于航空航天、軍事、土木、水利、能源、電力、智能結構等領域。同時其自身兼具傳感、傳輸于一體的特性，使得其在采場圍巖變形監測中具有不可替代的優勢。

本文著重闡述了分布式光纖傳感測試技術中FBG、OTDR、BOTDR、BOTDA和BOFDA的測試原理，并舉例評價了該技術在采場圍巖變形破壞監測方面的研究進展。在現有研究的基礎上，總結并分析了該技術在實際應用過程中存在的不足，并對基于DFOS的采場圍巖變形監測后續發展趨勢提出了展望和建議。

1 分布式光纖傳感測試技術

1.1 工作原理

近年來，應用于采場圍巖變形破壞的光纖傳感技術主要有光纖光柵型的光纖布拉格光柵(Fiber braggart grating， FBG)； 瑞利散射型的光時域反射技術(Optical time-domain reflectometer， OTDR)； 以及基于布里淵散射原理的光纖測試技術，根據聲子散射的不同又分為自發和受激兩種形式，其中自發布里淵散射主要為布里淵散射光時域反射技術(Brillouin optical time-domain reflectometer， BOTDR)，受激布里淵散射主要包括布里淵光時域分析技術(Brillouin optical time-domain analysis， BOTDA)和布里淵散射光頻域分析技術(Brillouin optical frequency domain analysis， BOFDA)(柴敬等， 2021a)。上述幾類傳感測試技術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中，而BOTDR由于其單端測試的優點多適用于現場監測。各自的工作原理示意如圖 1所示。由圖 1可見，光纖傳感器對應變及溫度變化均具有較高敏感性，因此在對測試區的應變場進行分析時，需要對光纜的頻移進行溫度補償。目前較為常用的溫度補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用中均存在較大問題，需要深入了解光纖材質自身對溫度系數的影響。針對此，焦浩然等(2018)基于BOFDA對其進行了探討，提出一種對感測光纖整體進行溫度補償的新思路。

1.2 監測系統工作流程

不同類型的光纜及光纖解調設備具有各自的特點，因此針對不同的研究對象需配備合適的測試系統，整個工作流程大致可以歸納為：確定研究對象、光纜及設備選型、測試系統布設、數據采集、處理分析、信息反饋。具體如圖 2所示。

圖 2 基于DFOS監測工作流程Fig. 2 Monitoring workflow based on DFOS

由圖 2可見，光纜及設備的選型對數據的有效性十分重要。目前，國內一些高校和單位正在進行光纖傳感器的研發，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、設計和生產，已經走向市場化，可根據需求加工不同類型的光纖傳感器。調制解調儀是監測系統的核心部件，目前國內使用的高精度分布式光纖解調儀大多依靠進口，僅有中國電子科技集團41所等幾家單位自主研發出核心技術，陸續生產了BOTDR等儀器設備。同時，對于采場圍巖變形光纖監測的自動化監測系統仍然屬于“灰色”階段，希望有關部門和專家加大科研投入力度，早日實現我國深部礦井光纖監測的自動化、可視化和智慧化，為透明礦山建設提供基礎數據保障。

2 基于光纖測試的采場圍巖變形破壞監測研究進展

2.1 采場覆巖變形破壞監測

工作面回采后，原生地質條件被破壞，煤巖層空間結構在采動應力、構造應力等復合作用下發生重組，在關鍵層等巖層控制下，上覆巖層將發生不同程度的變形破壞，依據破裂程度將其劃分為垮落帶、導水裂縫帶和彎曲下沉帶，即“豎三帶”。同時其橫向巖層由于采動應力、煤壁支撐、垮落壓實等作用，將形成不同應力分區，工作面前方煤壁受超前應力影響將形成應力集中區，覆巖垮落為充分充填將形成離層區，采空區重新充填壓實后將形成垮落壓實區，即“橫三區”。如圖 3所示(錢鳴高等， 2010)。“橫三區”、“豎三帶”的巖層控制理論認知對采場覆巖變形破斷運移破斷機理及時空演化具有重要的指導意義。

圖 3 采場覆巖“橫三區”、“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. 導水裂縫帶； 3. 垮落帶； A. 煤壁支撐影響區； B. 巖層垮落離層區； C. 采空區重新壓實區

上述巖層結構形態尚處于“灰色”階段，如何對其進行精準探測仍然是一個較為復雜的科學問題。早期的測試技術如全站儀、百分表(黃慶享， 2009)、近景攝影(朱慶偉等， 2016)等，尚不能良好地去測試和表征巖層移動規律，隨著光纖傳感測試技術的發展，其在理論認知、方法測試研究方面均取得了較大的進步，同時相對于常規傳感器具有分布式、無源等無法比擬的優勢，使得其可以對巖層移動進行有效地捕捉、科學地分析。期間主要利用光纖光柵準分布式應變及分布式應變(DSS)技術，通過監測應變的變化來監測巖層移動信息。

不同形變狀態下巖層的應變變化特征不同，袁強(2017)對巖層在不同變形程度條件下光纖測試機理進行了研究，從光纖-巖層力學結構角度出發，系統分析了光纖在不同巖層結構內的受力特征，認為光纖處于覆巖垮落帶內時由于巖體的剪切作用，其應力特征以拉應力為主，當巖體與光纖剝離后，光纖將處于松弛狀態或者受到擠壓應力； 光纖處于裂縫帶內時，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力為主； 當光纖位于彎曲下沉帶內時，彎曲帶巖層變形程度遠低于垮落帶，光纖受力特征同樣不明顯。可見，光纖可以對不同類型的覆巖變形進行良好的表征，通過應力、應變等參數可以反演巖層變形狀態。

近年來，相關學者針對采場覆巖變形做了大量的研究，主要包括模擬試驗和原位測試。光纖技術的應用較好地解決了煤巖體內部應變難以有效連續分布式觀測的難題，無論是模擬還是實測均采用將光纜植入待測巖體內的方法進行布設，常用的布設工藝如圖 4所示，針對不同的測試對象可以選擇合適的觀測系統進行研究，以便達到最佳效果。

圖 4 覆巖光纖監測系統布設示意圖Fig. 4 Layout diagram of overburden optical fiber monitoring system

近年來，國內相關學者針對此做了大量的模擬試驗。為了研究光纖檢測巖層變形的有效性，將光纖光柵預埋入水泥砂漿內，通過模型加壓對比分析光柵波長變化與應變片的一致性，結果表明光纖光柵測試靈敏度高、精度高、存活率高，可以對巖層運移進行有效的監測(柴敬等， 2012)?；趥鹘y的礦山壓力理論，柴敬等(2015b)利用三維模型模擬長壁工作面回采并附加光纖光柵傳感器對采動覆巖“橫三區”進行檢測，結果表明，FBG檢測曲線的“三臺階”變化分別良好對應了覆巖破斷前的離層發育、巖層破斷和回轉運動過程。大傾角煤層由于賦存條件復雜，其運移規律和采動空間應力演化特征與常規煤層具有明顯的差異。柴敬等(2019)基于BOTDA和DIC綜合測試技術，分析大傾角煤層回采后覆巖變形規律與演化特征，研究結果表明光纖可感知巖體內部微弱變形，頂板垮落前應變達到極值，隨即應力釋放； 同時表明大傾角煤層頂板變形具有非對稱性，與基礎理論一致，如圖 5所示。

圖 5 大傾角煤層頂板活動規律光纖監測研究(柴敬等， 2019)Fig. 5 Research on optical fiber monitoring of roof movement law in steep coal seam(Chai et al.，2019) a. 大傾角煤層頂板結構特征； b. 主要監測系統； 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特征

隨著工作面趨于深埋、大采高方向發展，其上覆巖層的運移范圍更廣，穩定的砌體梁結構的形成向上位發展，同時堅硬頂板下巖層的破斷會形成更大的沖擊動力，導致關鍵層運動更為劇烈，需要探索堅硬厚頂板條件下巖層破斷的發生機理。柴敬等(2015a)基于傳統的礦山壓力理論，利用光纖布拉格光柵對覆巖關鍵層運移規律進行分析，實現了對上覆關鍵層受力特征的實時監測，波長漂移量曲線與關鍵層運動良好對應。程剛等(2017)針對具有閃長巖侵入的覆巖結構進行二維相似模擬，利用BOTDA測試分析采動條件下上覆巖層的運移規律，探討了離層演化機理，研究結果表明應力突變區域多分布于關鍵層底部，且關鍵層的存在控制了離層的演化過程。

目前，中東部地區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，同時西部煤炭開采導致生態環境脆弱區水資源流失十分嚴重。精準探測煤層上覆巖體采動條件下變形破壞機理，獲取“兩帶”高度是解決水體下壓煤開采和保水采煤的關鍵。針對此，西安科技大學柴敬教授團隊探究了采動巖體導水裂縫發育與光纖檢測數據的相關關系，提出了光纖與采動巖體的耦合關系量化指標“光纖-巖體耦合系數”，基于耦合系數將覆巖垂直分帶分為5種類型，為覆巖變形監測提供了新的思路(杜文剛等， 2021)。南京大學施斌教授團隊、中國礦業大學李文平教授和樸春德副教授團隊、中國礦業大學(北京)侯公羽教授團隊、安徽理工大學張平松教授團隊做了大量的現場測試研究。張丹和張平松等首次提出了利用BOTDR對煤層采動覆巖變形破壞運移機理進行實測和分析，詳細介紹了鉆孔光纜安裝工藝，分析了光纜的應變分布特征，根據光纜損耗最大點及斷點判斷“兩帶”發育高度，為覆巖變形測試分析提供了一種新型的分布式應變檢測方法(張丹等， 2015； Zhang et al.，2017)。劉瑜(2018)以榆神府礦區為研究對象，利用BOTDR對采動過程中的上覆巖層變形破壞規律進行實時監測，結果顯示中上部巖層主要承受壓縮-拉伸應變，而下部覆巖以壓縮-拉伸-壓縮為主，且主要產生拉張破壞，研究結果為西部生態環境脆弱區煤礦協調資源開發與生產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對采煤覆巖整個運移過程進行了研究，光纜應變結果表明，在煤層回采期間采空區覆巖首先在中部發生破碎，然后沿水平方向向煤柱發育； 采空區覆巖存在3種運移狀態，初始的穩定狀態、應變曲線陡增表明巖層破碎，存在較大離層或者下方巖層發生垮落、應變一致的巖層將整體運移，同時實測結果與錢鳴高院士提出的“砌體梁”力學模型一致。樸春德等(2015)采用BOTDA測試分析了淮北楊柳礦覆巖變形特征，探討了離層演化機理，結果表明離層位置受力特征與巖性組合結構、硬巖厚度、采區布置等相互關聯，實測離層結果與理論公式計算基本一致，說明基于BOTDA的覆巖關鍵層運移監測成果具有科學指導意義。Sun et al. (2021a)等針對提高巨厚松散含水層下回采上限進行了光纖監測研究，實測導高裂采比為14.29～15.13，裂縫帶頂界面距離強含水層底界面較遠。進一步揭示了覆巖變形破壞機理，裂隙首先沿著層內水平方向延展，然后隨著煤層的回采，橫向裂隙進一步擴大，同時產生豎向裂隙。針對西部地區深埋特厚煤層，Sun et al. (2021b)提出利用地面垂直鉆孔植入光纖監測的方法，對采動條件下覆巖變形破壞機理進行實測研究與分析。監測成果如圖 6所示，當工作面位于鉆孔前方時，鉆孔內傳感光纜前期表現為壓應變，后期局部轉化為拉應變； 當工作面位于鉆孔后方時，孔內剩余光纜主要表現為拉應變。頂板巖性及巖層結構對覆巖破壞規律的影響顯著，變形破壞優先發生于軟弱巖層或裂隙發育較多巖層； 巖層垮落及應力狀態自下而上呈“臺階”狀發展，橫向和垂向上的受力存在分帶性和時序性特征。

圖 6 光纜應變分布示意圖(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 底板破壞及突水預警監測

承壓水體上帶壓開采一直是煤炭科技工作者的研究對象，影響采場底板變形破壞的因素按照力的劃分主要有原始構造應力、采動應力和高承壓水，其中采動影響及高承壓水對底板變形裂隙孕育、擴展，巖層運移破斷等起到控制作用。我國華北地區含煤地層主要是石炭二疊系，其下伏太原組石灰巖、奧陶系石灰巖承壓含水層對煤層開采影響巨大，如淮南礦區的A組煤開采等。因此，對承壓水體上煤層開采底板變形破壞規律進行精準探測具有重要意義。工作面回采過程中頂底板巖層受力分析及破壞分區示意如圖 7所示(錢鳴高等， 2010)。

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

近年來，為了節約煤炭資源常采用沿空留巷技術代替區段煤柱，但是隨著巷道斷面的逐步增大，沿空留巷導致的底鼓破壞愈發嚴重，但發育機理尚不明確。針對此，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，開展相似物理模擬試驗研究，使用BOTDA進行底板變形監測，揭示了該技術條件下底板變形的動態演化特征，對巷道支護及突水防治具有重要指導意義。鄂爾多斯盆地準格爾煤田主要開采石炭-二疊系煤層，針對某礦典型地質條件(深埋，約500m； 特厚，均厚17m； 高承壓水，灰巖水頂界面距離煤層底板約50m)，張平松等(2019b， 2021)對該采區內多個工作面進行底板鉆孔光纖超前原位監測(圖8)，獲得了區內底板巖層破壞特征及演化規律，研究工作面底板破壞特征具有一定的相似性，受采動影響導致的底板變形破壞在空間上呈現東北區域淺、西南區域深的分布規律，且底板破壞多位于細砂巖以上層段，底板擾動影響未波及到奧陶系含水層頂界面。

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

上述底板突水監測均是通過分析底板變形破壞深度和有效隔水層之間的關系來判斷是否有突水風險，同時還可以分析礦井突水水源來判別是否有突水前兆，主要根據物理和化學成分分析。基于水源溫度差異性，張平松等(2016)通過構建相似物理模型，對底板突水所引起的巖層溫度場變化進行光纖測試模擬，如圖 9所示。根據光纖監測結果顯示，分布式光纖溫度測試(DTS)技術能夠對模擬底板突水溫度場進行快速敏感的捕捉，通過監測可以有效圈定溫度異常區，判斷是否存在突水危險，從而進行風險評判。寧殿艷(2013)針對煤層底板突水監測系統所需的傳感單元進行了研發，研制了一種新型的光纖光柵三分量傳感器，通過溫度特性試驗表明所研制的傳感器在低溫范圍內使用時，其靈敏系數可以達到1.23 pm/με，工作性能滿足實驗要求。

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

2.3 采動誘發斷層活化監測

采掘工作面開挖將直接影響煤巖層原始應力狀態，打破原有平衡直至二次平衡，當工作面附近斷層地質構造發育時，其采動應力將導致斷層面上力學性質發生變化，一旦剪切應力超過斷層抗剪強度，斷層上下兩盤將發生相對運動，即斷層活化(趙毅鑫等， 2018)。根據工作面回采方向與斷層面走向之間的關系，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，即斷層位于外側煤柱內，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，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。斷層面附近力學特征簡化示意如圖 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，礦井深度逐年增加，深部采區動力響應特征顯現，尤其是在地質構造發育區更易發生動力災害，其中斷層更是一種典型的多發地質構造?；诖?，相關學者做了大量工作，但是缺乏對斷層面法向應力和剪切應力的系統分析，多以數值模擬進行計算，光纖傳感測試技術的應用為獲取斷層面剪切應力提供了一種行之有效的技術方案。張丁丁等(2020)基于DFOS技術對煤層回采期間斷層面及上下盤的應力狀態進行了監測研究，利用相似模擬試驗模擬工作面從斷層上、下盤向斷層面推進的過程，并在模型中布設多條垂直和傾斜的光纖測線，從而獲得斷層面的應力數據，如圖 11所示。模擬結果驗證了工作面從下盤推進引發斷層活化的可能性遠大于上盤推進的結論。同時，上盤推進引發的斷層面剪切應力要小于下盤，所得結果對工作面優化提供了技術指導。

圖 11 斷層活化監測部分成果(張丁丁等， 2020)Fig. 11 Some results of fault activation monitoring (Zhang et al.，2020) a. 模型布設示意； b. 推進75 cm模型現象； c. 斷層面F11光纖測試結果

圖 12 斷層活化光纖實測結果圖(張平松等， 2019a)Fig. 12 Measured results of fault activated optical fiber (Zhang et al.，2019a)

對于煤層回采如何導致斷層活化，斷層活化后又如何影響圍巖應力狀態的機理尚不清晰，而且多基于數值模擬和物理模擬進行研究，與實際情況偏差較大。針對此，張平松等(2019a)結合淮南某礦地質條件，利用分布式光纖傳感測試技術對斷層進行實時監測，獲得了測試空間連續數據體，如圖 12所示。研究結果表明，DFOS技術提供的數據信息量大、精度高，可為斷層活化提供判別依據； 回采工作面鄰近保護煤柱區內斷層面易受到采動影響誘發活化效應，應變表征以拉應變為主。

2.4 煤柱穩定性監測

隨著采深的加大，基于采動效應影響使得巷道圍巖力學性質趨于復雜化，巷道變形程度愈發嚴重，合理有效的布設巷道及留設一定尺寸的保護煤巖柱是解決巷道變形的重要手段。為了評價煤柱穩定性及科學留設區段煤柱，Chai et al. (2004)首次采用光時域反射技術(OTDR)用于相似模型的變形測試，結果表明其可以對煤巖層移動及煤柱穩定性進行監測。后期基于平面相似模型，利用光纖傳感測試技術研究煤柱內部應變規律，實時監測煤柱穩定性。研究結果表明，煤柱內應力系數與區段煤柱寬度無直接關系，但是煤柱內部應力分布狀態與煤層底板壓力有良好的對應關系(柴敬等， 2017)。Sun et al. (2020)結合淮南某礦地質條件，提出了采用井下鉆孔與BOTDR相結合的方法，對煤巖柱區內的受力特征進行分析，揭示了回采過程中煤巖層受力變形發育規律，合理劃分了受采動影響后煤巖柱區的橫向影響范圍，煤柱區巖層整體呈現拉應變趨勢。如圖 13所示。

2.5 支承壓力監測

采場支承壓力分布規律一直是礦山壓力巖層控制的核心研究內容，其對巷道圍巖失穩、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)，為了獲取采場圍巖支承壓力分布規律，前期多采用數值解析方法，但是其難以反映復雜環境下的應力分布。

圖 13 保護煤柱區光纖監測成果(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，圍繞超前支承壓力和傾向支承壓力做了大量的光纖監測模擬研究，揭示了光纖光柵與支承壓力變化呈現鏡面反射，波長漂移與支承壓力線性相關，提出了支承壓力光纖光柵測試靈敏度參數，定量分析了圍巖采動支承壓力的分布規律，建立了圍巖采動支承壓力分布模型，為采場支承壓力測試提供了一種新的測試手段(柴敬等， 2016)。當采場覆巖存在巨厚礫巖層時，工作面回采極易引發應力集中現象，從而導致巷道變形失穩，關鍵在于傾向支承壓力的分布規律研究。柴敬等(2018a)通過建立采場傾向支承壓力理論模型，進行了理論計算，并搭建三維模型進行光纖監測，分布式光纖測試結果顯示傾向支承壓力的分布規律表現為不變-增大-峰值-減小-不變，模擬測試與理論計算結果基本吻合。針對采場超前支承壓力，Zhang et al. (2020a)以內蒙某礦61103工作面為例，開展井下實測研究，于工作面底板施工一垂直回采方向的鉆孔，根據應變測試結果可將超前支承壓力分為5個區域，分別為應變穩定區(A)、應變緩慢增高區(B)、應變明顯升高區(C)、應變降低區(D)和應變轉換區(E)，如圖 15所示。同時在采區鄰近工作面進行鉆孔驗證，兩個工作面實測資料基本一致，基于此建立了適合該采區的超前支承壓力分布模型示意圖。

圖 15 采場超前支承壓力光纖實測特征分析 (Zhang et al.，2020a)Fig. 15 Analysis of optical fiber measurement characteristics of stope advance abutment pressure(Zhang et al.，2020a) a. 監測系統布設； b. 超前支承壓力分區

圖 16 斷層破碎帶注漿后光纖應變監測結果Fig. 16 Optical fiber strain monitoring results of fault fracture zone after grouting

2.6 破碎帶注漿加固穩定性監測

斷層破碎帶注漿加固與含水層改造是承壓水體上煤(巖)層安全開采水害防治的有效方法之一。如若不對破碎帶進行提前注漿加固，其將形成水源通道危及礦井安全生產。為了評價淮南某礦斷層破碎帶注漿加固效果，筆者課題組對其進行了深入研究，在掘進巷道硐室內朝斷層面施工若干鉆孔，并于孔內安裝分布式應變和溫度傳感光纜，進行DSS和DTS綜合監測，評價斷層帶附近富水性及驗證地面注漿效果。前期的監測成果如圖 16所示，可見鉆孔控制范圍內主要包含兩類地質體，一類是F1斷層破碎帶，另一類是煤層和砂質泥巖等正常巖性。巷道貫通前后，兩類地質體的應變變化具有明顯的差異性。其中：F1斷層破碎帶內巖層由于經過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，因此應變變化量相對煤層和砂質泥巖等正常巖性較小。由此說明，F1斷層破碎帶經過地面注漿加固后巖層的完整性得以改善，巖石力學性質中的抗壓、抗拉強度明顯增強。同時經過現場地質勘查及礦壓資料分析，巷道掘進期間未發現較大的片幫及淋水現象，進一步驗證了光纖監測結果的合理性。

圖 17 巖體-回填材料-光纜(護套-金屬加強件-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)

通過構建合理的觀測系統，使用不同類型的光纖傳感器(應變、溫度)進行組合測量，可以實現對采場圍巖內破碎帶注漿加固的穩定性監測。

3 研究現狀分析與展望

經過十幾年的發展，基于DFOS技術監測采場圍巖變形破壞取得了長足的進步，主要是基于布里淵頻移、波長和光損的變化，獲取圍巖體應變、溫度信息，從而反演巖層的完整性、穩定性和安全性，進而實現對采場圍巖穩定性的監測。目前，相關學者在光纖應用理論、數值計算、物理模擬和現場實測中做了大量的研究工作，但是仍然有一些技術難點亟待攻克，主要表現在以下幾個方面：

3.1 巖層變形失穩與光纖數據體互饋機制研究

深部采場圍巖變形是一種非線性的復雜地質力學問題，是巖體內應力場、滲流場、溫度場、化學場、裂隙場等多場耦合的不斷相互疊加作用的一個過程。揭示采動圍巖多場耦合運移機理，建立巖層變形失穩的新理論，是實現采場圍巖變形破壞光纖監測與精準判識的基礎。其主要突破點在于研究復雜地質構造條件下，巖層運移與光纖數據體的互饋機制，揭示煤層回采和多場耦合作用下巖層運移過程中光纖表征值的響應規律。同時，應結合理論推導、數值模擬和物理模擬等確定巖層變形光纖測試敏感參數，進一步形成相應的定量評價方法。

3.2 光纖監測纜體與巖體耦合性研究

光纜自身由護套、金屬加強件(包層)、涂覆層和纖芯組成，其空載受力狀態下應變測試精度由四者之間的傳遞性能決定。當利用光纜進行采場圍巖大變形監測時，應變傳遞關系將更加復雜，這里以常規金屬基索狀應變傳感光纜為例，進行解釋分析，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測精度的關鍵點，如何解決其中的應變傳遞關系，將光纖測試應變轉化為巖體真實應變，將是后期研究的重點。張丁丁等(2015)建立了考慮鉆孔半徑、封孔材料彈模的準分布式光纖光柵應變傳遞模型，認為鉆孔半徑越小，彈性模量越大，平均應變傳遞效率越高。柴敬等(2020)利用光纖測試應變值計算巖層彎曲擾度并與DIC測試結果進行對比分析，對光纖-巖體耦合定量評價，提出了光纖-巖體耦合系數。張誠成等(2019)對地面沉降分布式光纖監測巖土-光纜耦合性進行了深入分析，提出了地層-鉆孔回填材料-傳感光纜耦合性定義和數據有效性評價方法，建立了地層-鉆孔回填材料-傳感光纜應變傳遞模型，研究成果為鉆孔地層剖面的全方位精細化解釋提供了理論依據，同時也為采場圍巖變形破壞全斷面監測應變解析提供了技術參考，同時后期應考慮光纜自身材質對應變傳遞的影響。

對于注漿材料，考慮鉆孔內含有不同類型的巖性，需進行分段注漿，每段注漿材料需根據不同巖層物理力學性質進行配比，從物性上降低注漿材料與原巖之間的差異性，提高應變傳遞性能。

3.3 數據可視化處理及模擬軟件研究

結合人工智能、大數據、互聯網、物聯網等關鍵技術，研發基于云計算及深度機器學習的光纖海量數據處理與分析軟件，實現應力場、溫度場的實時反演，提高異常自動定位及前兆信息主動識別精度。實現高精度反演的同時，應同步研發光纖數據的正演模擬，通過構建數學模型或實體模型來計算、實測探測目標體的應變、溫度值。光纖數據的正反演一體化模擬軟件將彌補部分極端條件下無法原位測試的不足，進一步推動光纖監測技術的發展。

3.4 巖層變形破壞的光纖監測表征方法研究

3.2節已經提到光纜測試應變并非巖體真實應變，如何利用光纖測試結果對巖體變形發育規律進行總結分析成為研究的重點。目前，根據公開發表的文獻可以得到，基于光纖測試巖層變形主要有兩種方法去判斷巖層是否受到擾動和變形。第1類是根據光纜應變的峰值和應變的突變點，去表示巖層破斷垮落的位置，根據應變峰值(應變突變點)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類是根據布里淵頻移平均變化度的概念對巖層的來壓情況進行判別，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)。

上述方法對于模型試驗光纖監測較為適用，但是對于現場實測具有一定的局限性，因為深部巖體變形類似一個“黑箱”，僅通過應變最大值等無法確定其如何運移、是否變形破壞。筆者認為應建立典型地層巖體變形破斷應變測試參數和閾值數據庫，通過對采場圍巖巖體進行取樣，進行室內三軸等加載實驗，測試巖層變形破壞過程中的應變場響應特征，獲得不同狀態下巖層的應變參數，量化不同巖性巖石受力變形破壞過程中與應變場之間的相關關系。

3.5 礦山大變形監測光纖適用性研究

通過梳理采場圍巖變形光纖監測研究進展不難發現，現場實測中無論對于頂底板變形還是支承壓力研究，隨著工作面逐漸靠近監測斷面，鉆孔內光纜將極易發生錯斷，從而無法進行有效的數據采集，導致關鍵層位數據缺失。目前有兩種解決方法： (1)從光纜結構本身出發，增大光纜直徑，從而加大自身的抗剪強度，但是限于鉆孔孔徑及光纜加工工藝，廠家不可能無限制地擴大直徑，目前市面上流通的最大定點光纜直徑達到18mm。(2)從數據處理角度進行數據填補。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據進行插值填補，對覆巖變形發育機理進行輔助分析。但是其僅對斷點鄰近數據體有效，后期數據將無法進行準確插值。冀汶莉等(2021)基于室內模擬試驗光纖數據缺失現象，建立了多測點單屬性小樣本缺失數據的最小二乘支持向量機缺失數據填補方法，此方法相對于BP神經網絡和3次樣條插補方法更為有效，但是其是否適用于實測光纖海量數據還有待進一步研究。韋超群等(2020)基于完整光纖監測數據利用MATLAB語言的三維3次樣條插值法對線性數據進行三維立體化展示，效果良好，但是后續需考慮數據缺失情況下的數據立體化展示。

3.6 多相多場耦合監測系統的構建研究

無論是分布式光纖還是準分布式光纖光柵，其測試所得應變均為一維線性應變，在測試精度上和異常解釋上具有一定的局限性。目前，多相多場耦合監測是發展的主流，深度融合地質保障信息，構建多場耦合模型，反演采場圍巖變形破壞發育機理及演化規律，揭示采動影響下圍巖介質應力場-應變場-滲流場-溫度場-地球物理場等多相多場耦合機理。柴敬等(2021b)將FBG、BOTDA和DIC技術結合建立“點-線-面”三位一體的測試系統，一定程度上提高了解釋精度。張平松教授團隊利用光纖傳感和高密度電法，建立“光-電”綜合觀測系統，其中電阻率測試可進行面內反演，得到二維、三維解釋圖形，一定程度上彌補了一維線性應變的不足(張平松等， 2019c； Sun et al.，2021a，2021b)。但是目前“光-電”監測僅局限于方法上的融合，并未在數據處理上進行異構融合，仍存在信息孤島、單一系統封閉現象。后續可將光纖數據進行擬地震化處理，深入研究“光-電”監測數據的聯合反演。

3.7 建立井上下一體化多參量監測預警平臺

目前，對于礦井光纖監測仍然采用人工單次連續采集數據的方式，其效率較低，而且人工誤差容易導致數據發生畸變，亟需實現長周期全自動連續監測?；谥悄艿V山建設、煤炭精準開采的前提，后期應構建可實現采場圍巖變形破壞多相多場海量動態信息智能感知、遠程傳輸存儲、多源信息主動分析的系統平臺，從而實現頂底板變形、礦壓等動力災害遠程在線智能預警，為礦井安全生產提供技術參數。相關學者利用井下工業環網設計了一種基于分布式光纖技術的巷道頂板監測系統，為光纖礦井在線監測提供了技術參考，但是其僅限于單一應變場，無法滿足透明礦山建設的需求(Naruse et al.，2007; Moffat et al.，2015; 侯公羽等， 2020b)。后續應結合人工智能、互聯網、物聯網等構建采場圍巖變形破壞多場源預警與智能決策平臺，主要圍繞復合型傳感器、精準定位、數據深度挖掘、成套裝備等方面開展研究(袁亮等， 2020)。

4 結 論

全面梳理分析了現有采場圍巖變形破壞光纖監測技術的發展現狀，首先介紹了常用的幾類光纖測試技術，對比分析了各自的優缺點，然后重點闡述了近十幾年來該技術應用于采場圍巖變形監測的研究進展，并對現狀進行分析，提出了幾點建議和后續展望。

(1)光纖傳感作為一種新型的監測技術，在采場圍巖變形場、應力場、溫度場等表征方面具有重要意義。根據工作原理不同，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、光損和布里淵頻移的變化反演應變和溫度的響應特征。

(2)基于DFOS監測采場圍巖變形破壞主要圍繞以下6個方向開展， 1)采場覆巖變形破壞監測； 2)底板破壞及突水預警監測； 3)采動誘發斷層活化監測； 4)煤柱穩定性監測； 5)支承壓力監測； 6)破碎帶注漿加固穩定性監測。其中：針對不同的研究對象，需制定對應的監測系統，選取合適的感知單元，從而實現有效的光纖監測。

(3)采場圍巖變形光纖監測理論、纜體耦合、施工工藝、數據處理及表征、監測系統適用性等方面仍需進一步深入研究。通過現有技術分析，認為工作面安全高效綠色生產需要加強對采場全空間、多參數、多維多尺度的實時監測和精準判識，研發采場圍巖動態監測技術體系，構建井上下一體化智能監控平臺和評價系統，并結合地質條件等對采場圍巖變形破壞進行綜合評判和透明化三維表達。

目前，礦山光纖監測尚處于初期研究階段，研究單位也局限于南京大學、中國礦業大學、西安科技大學和安徽理工大學等少數幾家科研院所，亟需制定礦山類大變形分布式光纖測試相關的技術規范或規程，做好現場測試技術人員的業務培訓工作，不斷提升監測技術的應用效果，從而對分布式光纖感測技術在礦山圍巖監測中的推廣起到積極促進作用。