DFOS在礦山工程安全開采監測中的研究進展

程 剛，王振雪，施 斌，朱鴻鵠，李剛強，張平松，魏廣慶

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

近半個世紀，隨著世界經濟的高速發展，尤其是基礎建設與應用領域的迅猛發展，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國，同時也是全球最大的煤炭消費國。2021年中國煤炭產量為41.3億t，占全球煤炭總產量的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。現階段，清潔新能源和可再生資源量產低、大規模產業化存在技術和經濟等方面的難題，難以支撐起經濟發展對能源的需求，以煤為主的能源結構沒有發生根本改變，煤炭資源開發在當前和今后相當長時期內仍將維持一定強度，近5年我國能源消費結構比例如圖1所示。

圖1 2017—2021年中國能源消費結構

然而，煤炭作為“碳達峰、碳中和”重點革新產業，為積極推動我國“雙碳”目標，亟需推進煤炭綠色智能開發的基礎研究和關鍵技術研發，其中開采源頭治理作為綠色開發的首要環節，對整個循環的健康發展起著關鍵作用。

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，若開采設計方法不當，往往會直接誘發各類重大災害，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的頂板事故占據煤礦五大災害之首(圖3)，這些災害往往都是采動作用下煤層上覆巖層變形、移動與破壞的結果，它與巖石的礦物組成、地質構造、應力場、溫度場、滲流場、地電場等多場相互作用密切相關，一旦發生往往會導致重大安全生產事故，同時會引起一系列開采生態環境問題。由此可見，當前煤礦典型動力災害(頂板事故、礦井突水、沖擊地壓、井筒變形等)仍時有發生。

圖2 深部開采引起的礦井事故與地質災害

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生變形、離層、破斷、垮落，伴隨巖層運動導致礦山壓力顯現，為了科學揭示采礦過程中礦山壓力現象的本質，國內外學者提出了眾多采場假說和理論，表1為采場結構模型發展的主要假說和理論。

表1 采場結構模型發展[7-11]

全球礦山科研人員經過數十年的理論探索、試驗研究和應用推廣，對煤層開采覆巖變形破壞的探測方法技術總結為：工程地質比擬法、數值模擬計算法(包括有限元、離散元、邊界元和有限差分法等)、室內試驗法、現場實測法等。表2列舉了煤層采動上覆巖體現行監測方法及其特點。

表2 煤層采動上覆巖體現行監測方法及其特點

受我國煤炭資源富集區地質構造和成煤環境的影響，我國礦山開采環境具有一定的特殊性，主要呈現以下特點：① 主要產煤區的可采煤層層數較多；② 絕大數煤層埋深較大(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性。同時，東部產煤區存在“三軟”工程地質條件下開采問題，西部產煤區存在地表生態與地下水埋深關系密切的問題。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節為：破煤、裝煤、運煤、支護、采空區處理等，其開采工藝也大致經歷了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，由于影響各采煤區頂底板穩定性的主要地質因素不同，因此在實際生產中各煤礦亦會結合不同的地質條件和生產成本，科學合理地選取開采工藝，實現煤礦安全高效開采。

由于礦山工程具有范圍廣、多場作用、影響因子疊加效應明顯、隱蔽性強、監測條件差、動態響應要求高、監測周期長等特點，給各類災害事故與礦山工程問題的監測與預警帶來了巨大的挑戰。現有的監測方法難以準確、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測中的技術瓶頸，實現從覆巖變形破壞到地表沉陷發生發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系，在此基礎上建立一套涵蓋礦井生產全周期的煤層安全開采在線評估體系。基于監測距離和精度的優勢，分布式光纖感測技術已成為全球學者的關注焦點。國內外學者經過十余年的技術攻關，目前已研制出百余種光纖傳感器，南京大學施斌教授團隊也針對礦山工程特點，研發了十余種礦山工程監測用特種傳感器，實現了對礦山工程從宏觀到微觀，從點到面再到體，從靜態到動態的精細化監測，為保障礦山安全開采和開采沉陷的防災減災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性概述，從技術原理、傳感器選型與系統布設兩大方面重點介紹了幾種典型的分布式光纖感測技術(FBG，UWFBG，OTDR，BOTDR，BOTDA，BOFDA，DAS)原理及其在礦山工程中的適用場景，總結了DFOS(Distributed Fiber Optic Sensing)技術在礦山工程安全監測中的應用進展，并對DFOS技術在礦山工程安全監測中面臨的關鍵問題和對策進行了分析。

1 技術原理

分布式光纖感測技術相比于傳統的機械、電子類傳感器具有全分布、長距離、高靈敏度、大動態范圍、強抗電磁干擾等獨特優勢。目前，礦山工程安全監測領域中應用較為廣泛的光纖感測技術主要有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)，通過上述技術持續性獲得地下巖體應變、溫度和振動等信息。實際中多選用BOTDR和DAS技術進行井下實測，利用FBG，BOTDA及BOFDA技術進行室內物理模型試驗。表3從傳感類型、技術原理等方面列舉了上述光纖感測技術的參數信息，圖4為光纖感測技術分類。圖4中，為光纖中的初始光頻率；為光纖上某位置受溫度(應變)變化影響后產生的光頻率漂移；為光頻率漂移量換算成應變值；為光纖未受溫度(應變)影響的應變初值。

圖4 光纖感測技術分類

表3 不同光纖感測技術對比

2 選型與布設

2.1 感測光纜(器)選型

近年來，光纖感測技術的應用不斷拓展，感測光纜類型也日益增多，然而在實際應用過程中需充分考慮監測目標條件，并根據光纜特性進行感測光纜選型。針對礦山工程監測特點，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，因此廣泛應用在礦山工程中的變形、內力及損傷監測。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)的變形監測。定點光纜是利用光纜兩定點間的應變來計算被測目標體的變形大小，適用于巖土體非連續大變形監測，基于兩相鄰固定點間光纜敏感度高，因而可精準識別覆巖離層及其內部微裂隙。不同類型光纜選型見表4。

表4 礦山工程變形監測光纜選型[19]

為了對礦山工程中關鍵部位的變形、溫度、傾角等參數進行精準監測，可以從2方面進行突破：一是對光纖材料的革新，如20世紀60年代發明的塑料光纖(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場測試，目前國內外已有學者展開基于POF感測技術的研究；另一方面是研究出大小應變相互轉換的特種傳感器，實現大變形監測。國內外學者基于光纖光柵技術，研發了一系列礦山工程監測用特種傳感器，如圖5所示。

圖5 礦山工程應用中的FBG傳感器

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

2.2 儀器設備選型

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

表5 主要商用化設備技術指標

2.3 監測系統布設

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

圖6 井上測試系統光纜布設流程

井下布設方法主要利用高強度輕質管件作為光纜(傳感器)附著載體，將其埋設于煤層上覆巖體中(圖7)。該方法首先根據采場條件進行井下仰孔設計，其次實施鉆孔并進行光纜布設與注漿作業，最后待鉆孔達到耦合強度后采集初值。在監測工作面回采過程中，結合實際進度進行數據的定期采集，基于光纜初值和定期數據分析采動作用下鉆孔控制高度內覆巖的變形破壞響應特征。由于該方法的施工過程中，井下鉆窩的位置和規格、鉆孔角度與長度都必須經嚴格的計算，因而施工要求較高。考慮到各礦區的地質條件、開采工藝和監測成本，在實際中往往需要進行個性化的定制方案，加之布設流程的隨意性，對光纜數據采集質量產生較大影響，這也是制約光纖感測技術應用普及的一個重要問題，亟需針對礦山工程特點，制定相應的光纖測試規范，加強測試系統布設流程的規范化與標準化，提高數據的統一性和可靠性。

圖7 覆巖變形井下光纖監測系統

3 DFOS技術在礦山工程安全監測中的應用

3.1 采動覆巖變形破壞監測

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，與此相伴地產生覆巖變形、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定。一般情況下，對于近似于水平煤層工作面，當開采深度與開采厚度比高于40，采動作用影響效應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。基于鉸接巖塊和預成裂隙梁假說，錢鳴高院士在大量現場頂板巖層運動的觀測及相似模擬試驗結果的基礎上，提出了“砌體梁”結構模型，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”，即支撐影響區、離層區、重新壓實區，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，彎曲破壞的發展過程主要為：隨著煤層被采出，上覆巖層出現懸露，在重力作用下發生彎曲變形，一定程度后在煤體端部發生裂開，并在懸露中部產生開裂現象，進而使得巖層產生冒落；剪切破壞的發展過程主要為：煤層頂板懸露后只產生較小彎曲下沉，在懸露巖層端部即發生了開裂現象，然而在巖層中部并未開裂(或僅有少量裂隙存在)的情況下，巖層發生大面積的整體塌垮現象，此種破壞形式影響范圍大、速度快，對開采工作面沖擊大，開采過程中應當給予高度重視。

圖8 采場覆巖“豎三帶”、“橫三區”分布示意[22]

上述有關采動覆巖變形破壞模式和演化規律仍處于探索階段，如何精細化捕捉采動覆巖的受力變形狀態，進而全面掌握覆巖變形及離層演化全過程是當前礦山安全開采監測亟需解決的關鍵問題之一。近幾十年來，國內外學者采用電阻應變片、沉降標、位移計、伸縮計、電極等常規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變、沉降、位移、應力、電阻率等信息，但存在傳感器精度低、埋設困難、易受電磁干擾、成活率低、耐久性差等缺陷。同時，這些點式數據較為離散，存在監測盲區，無法從整體上捕捉煤層上覆巖層不斷累積的形變信息。隨著分布式光纖監測理論、技術與應用的發展，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、小體積等獨特優勢，即可實時獲取一根光纖(纜)長度方向上所有位置的應變、溫度、振動等物理信息，將其按照需求以網狀進行布設，猶如給上覆巖層植入可感知的“神經”，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絡。

圖9 一體化礦山開采分布式感測網絡

近年來，國內外學者應用光纖感測技術開展了大量的煤層開采模型試驗研究，取得了一系列關于覆巖變形破壞規律的新認識。柴敬等將分布式光纖分別沿水平和垂直方向埋設于模擬巖層內部，并融合BOTDA，FBG和CRP(Close-Range Photography)多方法建立了“點-線-面”一體化監測系統(圖10)，實時監測采動作用下上覆巖層內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變分布特征，驗證了上述3種方法對巖層內外變形監測具有良好的一致性。圖11為位于關鍵層中的水平向監測光纖數據結果。

圖10 “點-線-面”一體化監測系統布設方案

圖11 水平向監測光纖數據結果[15]

侯公羽等基于BOFDA和布里淵頻移(Brillouin Frequency Shift，BFS)融合分析技術，進行采場覆巖變形模型試驗研究，在模型內部沿水平向與垂直向布設傳感光纖，實現開挖過程中的覆巖變形監測，并結合CRP數據進行對比分析，獲得光纖頻移值和巖層工作面來壓及覆巖結構演化的對應關系。筆者基于BOTDA技術進行了覆巖變形的物理模型試驗研究，探究了“光纖-電法-CRP-數值模擬”多方法融合的應用模式，并發現各方法結果具有良好的一致性。LIU等基于BOTDR技術，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測。研究結果表明，金屬基光纜在強度和精度方面優于玻璃纖維增強光纜和10 m定點光纜，在煤礦實際監測中的適用性更強。

由于采動覆巖變形破壞是一個動態變化的過程，且不同地質條件和開采工藝下的變形破壞特征存在較大差異性，因此在現場應用過程中應結合實際的地質條件和開采工藝進行感測光纜的選型與布設，如對于煤層上覆堅硬巖層的地質條件，現場監測中應選用特制定點光纜進行大變形監測，同時可精細化捕捉巖層界面間的微裂隙。監測儀器也應優選單端、實時、自動一體化設備，以適應野外復雜惡劣環境。

目前，對于基于光纖感測數據的“三帶”判別，主要是依據監測曲線進行定性判斷，人為主觀因素對判別結果產生較大影響，研究人員也嘗試利用光纖監測數據躍變點及數據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雜性，單一數據點的躍變往往無法準確表征出“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據的突變，從而引起“三帶”判斷誤差。因此，亟需建立考慮時空效應的煤層采動覆巖變形光纖監測數據動態表征模型，通過采動過程的覆巖應變動態變化云圖，結合關鍵開采進度下的光纖監測曲線進行綜合判斷，以實現垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶位置的精準判定。

3.2 采動作用下的斷層活化監測

斷層活化易造成巖體發生破壞失穩，嚴重影響著深部巖體的穩定性。因此，對斷層面運動開展實時監測，通過巖體變形的連續性實時數據獲取巖體的受力狀態，進而分析研究斷層活化規律，實現對斷層活化臨界狀態的科學預警。根據煤層工作面與斷層的空間關系，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系；② 回采方向與斷層走向呈空間垂直關系。基于此，國內外科研人員開展了大量的數值模擬計算研究，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，光纖感測技術在礦山工程中的應用為獲取斷層受力大小及過程提供了定量化監測方法。張丁丁等為研究采動影響下的斷層活化規律，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，研究煤層分別自斷層下盤、上盤向斷層面回采中，斷層面的應力大小及狀態變化過程。圖12為模型中光纜布設示意。試驗結果(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，在斷層發育的巖體中，采煤工作面宜優先布置于上盤中，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 傳感器布設與煤層推進

圖13 工作面推進過程中光纖數據變化[29]

當前，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測還多集中于室內物理模型試驗研究，后續應充分利用煤層工作面物探結果，在此基礎上進行鉆孔設計與感測光纜布設，從而降低監測成本，并提高監測精準度。

3.3 煤柱設置及穩定性評價監測

隨著開采深度的加大和分層開采的日益增多，巷道變形程度愈發嚴重。為了保證大采高工作面的穩定性，通常在開采過程中需要預設煤柱，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。為了評價煤柱設置的科學性及穩定性，柴敬等開展了基于OTDR技術的煤柱物理模擬試驗研究，驗證了光纖感測技術應用于煤柱變形移動的可行性；隨后，進一步開展了煤柱穩定性實時監測研究，發現煤層底板壓力變化與煤柱應力應變分布呈良好線性關系。SUN等根據淮南某礦具體地質條件，采用BOTDR技術獲取工作面煤巖柱區變形的分布式數據，據此對其內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變形破壞過程，并依據實測數據對采動煤柱影響區范圍進行界定(圖14)。

圖14 保護煤柱區光纖監測結果[32]

在煤柱穩定性監測方面，光纖感測技術由于可實時、分布式獲得煤柱周圍煤巖體變形變化數據，從而實現了煤柱變形破壞動態演化過程表征。然而，不同地質條件和開采高度下的煤柱設置大小存在較大差異性，因此對于煤柱監測還應結合采高進行監測孔深度和光纜布設種類設計，以滿足不同條件和開采高度下的煤柱穩定性精準判別。

3.4 采動支承壓力監測

煤礦在支承壓力的作用下，會發生煤巖層破壞壓縮、頂底板相對移動以及支架受力等現象，對工作面穩定性具有重要影響。因此，開展工作面支承壓力實時監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系，利用FBG技術定量化表征了支承壓力及其演變規律，建立了采動作用下煤層支承壓力的空間分布模型，為采動支承壓力監測提供了新方法。張平松等基于BOTDR技術，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測鉆孔進行光纜布設，考慮到監測周期和采動支承壓力監測范圍，通常布設2種以上不同強度的感測光纜進行數據對比與互補。通過井下實測數據，建立了采動作用下煤層支承壓力分區模型(圖15)，并對模型的有效性進行了驗證修正，使其達到較高的準確度。監測數據表明：采動超前支承壓力沿煤層回采方向具有顯著分區性，即不同位置呈現出穩定—緩慢增加—顯著增加—峰值—降低的變化過程，并根據煤礦現場實測數據，定量化劃分出應變穩定區、緩慢增加區、顯著增加區、過渡區、采空區和重新平衡區，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測

注漿技術是當前礦山開采過程中進行井壁和破碎帶加固，以提高其穩定性最為常用的方法技術。在現場實施過程中，注漿壓力控制對注漿效果起著關鍵性作用。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，對注漿加固穩定性進行實時監測是礦山開采過程中一項重要監測內容。

對于破碎帶注漿過程光纖監測與效果評價，其核心是精細化獲得注漿前后監測巖體的變形過程及其演化特征，因此監測對感測光纜的靈敏度和抗破壞力提出了較高的要求，選型中應當優選緊包、耐磨性優的光纜，并選用分辨率高的解調設備。郭建偉等基于DFOS開展了井筒壁后注漿變形監測研究，實時獲取其注漿期間的應變數據，以確保注漿過程井筒的安全和穩定性，分析得出水泥漿液擴散距離遠小于化學漿液的定性結論。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)，依據注漿區與未注漿區的應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定性。

圖16 注漿加固試驗布設示意

3.6 井筒變形監測

礦山井筒是是煤炭開采運輸、通風及通訊等功能的重要載體，而變形監測是判斷井筒工作狀態最為重要的手段，在井筒建設和運行全過程中具有重要意義。目前井筒變形監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)監測法和激光基準等，上述方法均可獲得井筒變形的有效數據，并從一定程度上對井筒變形和健康狀態進行判定，然而尚未實現分布式、連續性和全實時監測預警。光纖感測技術因具有分布式、實時性和連續性等優點，近年來逐漸被嘗試性應用于礦山工程井筒變形監測中(圖17)。特別地，由于DFOS技術以光為載體，具有本質安全性，可以更好地適應井筒復雜的工作環境，滿足現代化礦井安全生產的要求。在現場布設工藝方面，通常是沿井筒豎向布設兩組“U”型溫度和應變感測光纜，實時監測井筒豎向變形和溫度變化，同時在井筒不同深度布設若干組環向光纜，以實時捕獲井筒環向變形破裂過程。

圖17 井筒變形破裂監測試驗研究

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變數據進行積分；對于井筒環向變形，可通過井筒變形幾何特征建立相應的徑向位移函數，結合井筒環向最大位移與監測應變最大值之間的關系，計算其相應的最大變形量，在此基礎上得到井筒環向徑向位移的分布。

基于監測成本和變形數據的實時獲取，應用中也常采用FBG傳感器串聯法，形成準分布式的井筒變形監測系統，以實現井筒變形和溫度的實時獲取與即時傳輸，從而可持續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場情況，提出了一種融合光纖感測技術與傳統監測技術進行豎井井筒變形監測的方法。該方法首先通過鋼絲基線法獲取井筒的變形數據建立三維模型，隨后利用FBG技術建立光纖光柵輔助監測系統，分析光纖信號隨井筒變形的變化規律，進而實現了井筒變形發展趨勢的有效預測。圖18為監測系統工作流程。

圖18 光纖光柵監測系統工作流程

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

圖19 井筒變形監測光纖傳感器布設示意

圖20 光纖傳感器布設流程

3.7 采空區地面沉降監測

隨著我國深部礦產資源的持續開采和利用，開采沉陷問題日益突出，特別是厚松散層下煤炭大規模開采產生的開采沉陷現象尤為嚴重，進而導致開采后所產生的地表沉陷范圍、沉陷量和沉陷位置的時空預測難度加大，同時對覆巖裂隙場、位移場和應力場的發育特征產生顯著影響。據相關統計測算，全國六大產煤區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形式，采動作用引起的上覆地層變形移動是導致沉陷產生的內在誘因，同時是造成礦區范圍內各類地質災害和生態環境問題的直接根源。因此，對地表變形塌陷規律進行研究，核心需要對采動作用下覆巖運移、離層發育規律、應力-應變特征、多場作用關系等開展深入研究。受限于傳感器耐久性和成本高，分層沉降標法、電阻率法和瞬變電磁法等難以實現地層全斷面監測，InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)技術雖然結果直觀且成本經濟，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對煤層開采地面沉降開展長期監測(圖21)，可實現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綠色修復等均具有重要的理論和現實意義。

圖21 煤層開采地面沉降光纖監測系統

柴敬等建立了分布式光纖監測網絡模型，利用光纖監測數據的變化趨勢來反映地表變形的移動特征，討論了關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在關系，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據精準性的關鍵要素，證明了DFOS技術可對地表運動與變形過程進行實時、高精度監測。方星等將DFOS技術應用于采空區的變形監測，充分發揮了其在層位精準定位與沉降變形精細化監測等方面的技術優勢(圖22)，結合光纖實測數據圈定出“三帶”影響范圍，并實現了局部軟巖帶和松散層的精細化連續性變形過程的實時監測。

圖22 變形分區監測結果

安徽理工大學基于BOFDA技術，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測研究。通過在監測場地實施250 m深鉆孔，布設金屬基索狀和10 m定點2種應變光纜，分別構成“U”型測試回路，既可對鉆孔進行全分布式精細化測量，又可對鉆孔非連續非均勻應變進行分段測量，從而實現了采空區地面沉降、塌陷及沉穩變形的全過程監測，為開采沉陷防災減災，并為預測采空區各地層進一步發生沉陷的可能性提供依據。圖23為現場監測布設流程。

圖23 基于BOFDA的開采沉降布設工藝流程

目前，采空區地面沉降光纖監測主要存在兩大關鍵問題：① 感測光纜與鉆孔內部巖土體的耦合性判定；② 巖體大變形監測與界面裂隙精細化捕捉。在耦合性判定方面，南京大學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出耦合性評價公式，為不同地質條件下的光纜-巖土體耦合性能評價提供了理論參考標準；張誠成等結合大量室內外試驗的光纖測試數據，提出了傳感光纜-巖土體界面滑脫性評價的黏結性判據公式：

(1)

其中，為黏結臨界深度；為光纜彈性模量；為光纜直徑；為土壓力系數；為土層容重；為光纜-巖土界面摩擦角；[d/d]為最大應變梯度，由光纜實測數據獲得；為光纜-巖土界面黏聚力。通過式(1)可計算得出黏結臨界深度，如圖24所示。則有：若>，界面保持黏結狀態，即當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沉降真實值；若<，一定應變梯度下界面可能發生脫黏，即當光纜埋深小于該深度時，光纜與巖土體之間可能會出現部分段耦合性欠佳狀態，此時由光纖監測數據計算獲得的采空區沉降變形往往小于實際變形，因此需對監測光纜的結構和安裝工藝進行改進與優化。施斌和朱鴻鵠等通過發明錨固點光纜，解決了臨界深度之上軟弱土層變形分布式光纖監測難題，進而突破了光纜-巖土體耦合性這一關鍵問題。然而，在實際監測中也常常會根據待測體的松散度和鉆孔深度選擇不同的錨固結構，目前的錨固結構主要有圓盤式、圓柱式、正交式和橄欖式，對于不同方式錨固結構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。在大變形監測與裂隙精細化捕捉方面，通過研發不同結構和材質的定點光纜和緊包光纜，分別實現巖體大變形和內部微裂紋的精細化捕捉。儀器設備選型方面，基于UWFBG的密集分布式解調儀因其穩定性高、實時性強，且數據價值密度低，將成為未來采空區地面沉降監測的主流設備。

圖24 光纜-巖土體耦合臨界深度

3.8 含水層壓力監測

煤炭資源開采引起的突水事故嚴重威脅礦山安全生產，準確獲取采動條件下覆巖及底板巖體中含水層參數變化，對煤礦突水預測和防治工作均具有重要意義。相關研究表明，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，選用3種典型礦山工程監測用應變光纜(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測，同時利用光纖光柵滲壓計監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律及“三帶”發育特征，以及離層大小和深度隨煤層推進的時空變化規律。圖25為傳感器現場布設流程。

圖25 含水層壓力監測光纖傳感器布設過程

樸春德等設計了一種一體式光纖傳感器監測采動含水層水壓的方法，如圖26所示。采用高精度緊包應變光纖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，緊包應變光纖②可進行水壓監測，因而實現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，當煤層開采引起裂隙帶發育并持續貫通時，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，應變反映導水裂隙帶發育情況。因此，通過鉆孔多參量的連續性變化數據，即可開展監測區域突水預測預警，有效降低突水事故風險。

圖26 一體式光纖傳感器布設

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進行煤層覆巖與底板含水層壓力監測中，應當首先采用常規手段進行含水層壓力預判，并根據預測值開展光纜選型、鉆孔設計和光纖光柵滲壓計量程優化，以避免因壓力過大造成數據失效或因壓力過小導致量程靈敏度不夠。未來，可通過研發量程自適應光纖傳感器，以解決不同壓力含水層的歸一化監測與數據表征。

3.9 帷幕墻變形監測

帷幕墻作為一種重要的止水結構，在礦山工程開采中具有隔水和維持煤層頂板穩定性的重要功能。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，其穩定性對保障礦山工程的安全穩定發展起關鍵作用。當前，帷幕墻變形監測主要是通過水壓、水量等間接方法獲得帷幕墻體的抗壓強度，然后根據彈性力學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定。然而，由于此方法無法對帷幕墻體的內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。隨著光纖感測技術在礦山工程應用方向的不斷拓展，研究人員探索將其應用于帷幕墻變形監測。其中，弱光纖光柵(UWFBG)技術因其通過在同一光纖上密集加工數千個光纖光柵感測點，實現了穿越不同地層和含水層帷幕墻的實時高精度監測，在當前帷幕墻變形監測評價中發揮著重要作用。淮北礦業集團朱仙莊煤礦利用弱光纖光柵技術對朱仙莊礦五含帷幕截流工程穩定性進行監測評價，重點開展了大型注漿帷幕內力與豎向變形分布式光纖監測技術研究，分析了回采對注漿帷幕穩定性影響范圍及程度，在此基礎上建立了一套基于分布式光纖感測的大型注漿帷幕穩定性自動化監測系統(圖27)，實時顯示帷幕的狀態特征和演變趨勢，為帷幕截流效果評價提供數據支撐。

圖27 基于弱光纖光柵的帷幕穩定性監測

3.10 露天礦邊坡與光纖微震監測

露天礦采場頻繁的爆破作業和車輛運行震動，使邊坡反復受到動載荷循環作用，易形成坡體疲勞損傷。因此，對露天礦邊坡進行長期實時監測具有重要意義。程世虎等提出一種將FBG用于監測露天礦邊坡長期變形的方法。FBG傳感器具有高穩定性、不易受電磁干擾，且可實現遠距離實時傳輸等優點。因而，在工程爆破過程中，FBG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信號，從而充分顯示了FBG應用于爆破監測和露天礦邊坡巖體實時監測的獨特優勢。

近10 a來，一種基于瑞利光散射的分布式聲學感測技術(DAS)在油氣勘探和周界安全監測等多個領域取得了成功應用，該技術不僅擁有光纖感測技術的優點，而且可實現光纖沿線動態振動的長距離、分布式、連續性監測。

隨著DAS技術的不斷發展，地質學家嘗試將其應用于地下結構探測與振動監測，以實現礦山地下空間的“透明化”探測。未來，可通過將光纖布設于煤層底板鉆孔，利用該技術對振動的高靈敏性，持續性監測煤層底板的微震，從而實現對煤礦沖擊地壓的監測與預測。

3.11 礦山溫度監測與隱形火災探測

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

圖28 煤礦溫度監測與隱形火災探測

4 DFOS技術在礦山工程安全開采監測中的關鍵問題與對策

4.1 覆巖變形破壞與光纜數據互饋作用

礦山工程深部巖體變形是一個復雜地質力學問題，往往具有強烈的非線性、不連續和大變形等特點，它是巖體內變形場、應力場、滲流場、溫度場及化學場等多場效應不斷相互疊加作用產生的結果。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)的破壞規律，建立采動巖體變形破壞的新理論，是實現礦山工程開采光纖監測與精準判別的基礎。該關鍵問題的首要任務是厘清覆巖變形破壞與光纖數據的互饋作用機制，克服深部巖體多場監測的實時、大變形和自適應瓶頸，研制深部多場多參量監測裝備，創建礦山工程地下多源多場監測協同處理的一體化監測系統(圖29)，揭示多場作用下煤層開采過程中光纖監測數據的響應特征。同時，應結合數值計算、室內試驗和現場實測等方法確定敏感參數，進一步優化傳感器選型與監測系統布設工藝，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測系統

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變數據的質量，進而對監測結果產生顯著影響，該問題直接決定監測結果的可靠性。因此，光纖-巖土體耦合性是礦山工程巖土體變形分布式監測必須解決的關鍵問題。近十幾年，國內外學者通過理論計算、拉拔試驗和現場實測等對光纖-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變分布規律，并將作用過程分為全耦合、半耦合和相對滑動3個階段，建立了位移關系模型(圖30，其中，為界面剪應力；為最大界面剪應力；為殘余界面剪應力；，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；為對應最大界面剪應力的界面相對位移；為對應殘余界面剪應力的界面相對位移；為拉拔力)。

圖30 光纖監測準確性簡化判據

南京大學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，得出了在拉拔狀態下光纜-巖土體界面呈現漸進性破壞特征，且與圍壓水平密切相關的認識。

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值模擬法，構建了感測光纜拉拔試驗力學模型(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技術應用于地面沉降監測的有效性。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模型

(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。初始狀態下各相鄰顆粒間互相連接，受拉(壓)力的彈簧力作用(=,<)。

當兩顆粒間的>時，彈簧將發生破斷，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-庫侖準則，彈簧受力存在以下關系：

=-

(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。當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，土體參數和光纜結構也具有單一性，從而使得模擬結果與實際過程存在一定誤差。此外，未來可基于本試驗模擬結果構建三維模型開展深入研究，從而更加真實的開展不同地質條件、不同類型感測光纜的耦合性研究。

上述研究成果均為科學認識光纖-巖土體作用關系、定量分析2者耦合特征提供了數據支撐，從而為巖土體變形光纖監測數據的有效性評價提供了依據。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，需結合鉆孔巖性選擇物理力學性質相近的注漿材料進行分段注漿(注漿前應根據各地層厚度精確計算注漿量，以實現注漿材料與對應地層的匹配)，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據精準反映巖土體實際應變(溫度)變化。

4.3 海量光纖感測數據的人工智能算法

利用DFOS技術進行礦山工程安全監測時，往往將獲得海量的多源多場監測數據，如何實現海量數據的快速精準傳輸和智能化分析處理，已成為未來礦山安全生產中一個亟需突破的關鍵問題和重要的發展方向。有關本問題的解決主要可通過數據的可靠傳輸與智能處理來實現：① 在數據的可靠傳輸方面，基于物聯網的監測數據解調和實時傳輸技術，設計低能耗的多源數據采集方案，實現基于5G/WIFI/LoRa的數據無線通訊，開展可靠性優化研究，包括監測區域和遠程傳輸的可靠性保障機制，確保監測數據的精準實時傳輸；② 在進行光纖感測數據的人工智能(Artificial Intelligence，AI)處理方面，運用統計學、人工智能理論和系統學方法，優化海量數據精準提取的預處理分析算法，實現監測數據的智能去噪、插值和異常識別等，提升數據可靠性自診斷和智能分析準確率，可采用一種基于主題模型的數據挖掘方法(圖33，其中，()為輸出層)，綜合物聯網數據源的有效性分析機制，實現了海量礦山多場監測數據的智能處理。同時，通過主題一致性對比和聚類純度對比(圖34，35，其中，為主題數量)，對多場監測數據集進行相似詞聚類，從而有效降低模型輸入文本數據的維度，使主題數據更明確。

圖33 算法框架[65]

圖34 主題一致性對比

此外，可利用基于機器學習的多場數據融合技術，解決礦山安全開采監測信息的三維實時可視化問題；將數據采集、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，集數據采集、存儲與傳輸、智能處理、危險級別預警和移動端實時顯示等于一體(圖36)。同時可利用系統累計數據開展機器學習研究，預測監測區域覆巖變形破壞發展趨勢。

圖35 聚類純度對比

圖36 煤層采動覆巖變形智能感知系統

4.4 覆巖變形破壞的光纖監測表征方法研究

目前，基于光纖測試的巖層變形主要是通過光纜應變峰值和突變點來定位巖層破斷垮落位置，以及根據相鄰應變峰值段來表示變形范圍。同時，可結合光纖應變數據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，光纖獲得應變數據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產生應力集中，2者間產生相對滑動，此時測試數據不能直接用于覆巖變形破壞規律的分析。將導致光纖與巖體耦合性降低，部分巖體產生離層，使得光纖與巖土逐漸脫離。基于上述研究得出定性認識：在覆巖變形光纖監測中，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生顯著的變形分帶區，且各光纖在各分帶區的耦合性存在很大差異，因而在實際的監測過程中應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，通過室內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，構建了采動覆巖“兩帶”分布及其演化的動態模型。利用模型內部橫向光纖應變數據的突變點表征巖層垮落位置，利用應變數據的凸臺橫向長度表征“兩帶”分布范圍。同時，聯合縱橫光纖數據總結了“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”結構特征開展了系統研究，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育過程，在巖層破斷前后，層位越高，光纖應變曲線越近似于臺階狀，監測數據準確表征了工作面上覆巖層垮落前后產生離層，以及下位巖層形成自由空間的現象。

圖37 工作面采動下“橫三區”的光纖表征

4.5 礦山大變形監測的光纖適用性

在礦山大變形監測方面，如何克服巖土體變形場監測的實時、大變形和自適應瓶頸，研發深部多場多參量監測技術裝備和清洗數據算法成為推動DFOS技術在礦山工程深部開采監測中的關鍵一環。

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

圖38 深部地質體傳感器研發

(2)其次，從誤差修正、關聯分析和數據挖掘等方面加強關鍵層位數據缺失的機器學習研究。礦山作為一個復雜的系統，同時受到內部地質條件和外部環境因子的耦合作用，其累積位移曲線也呈現出非線性的變化規律。其中，受內部地質條件(如地質構造、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測；同時，采用多元貝葉斯優化算法對超參數進行優化，以提高預測精度。

4.6 多源多場監測系統的構建方法

采動覆巖變形的多源多場監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，并通過關聯規則建立起多場信息的作用關系，進而深入分析其對覆巖變形的附加效應。在實際應用中，通常選取與覆巖變形關聯度較高的溫度場、滲流場、變形場及地電場進行研究。溫度場監測通常基于ROTDR(Raman Optical Time-Domain Reflectometry)和FBG技術，快速獲取地層內部溫度場分布規律；滲流場監測的重點為松散層，即研究滲流對開采沉陷的影響，主要采用瞬態變溫測量方法和溫度梯度-滲流速率對應原理，建立基于滲流實測信息的三維重構算法；變形場數據的主要獲取方式為分布式光纖監測數據，同時通過無線智能MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)傳感器實現地層深部位移的高精度監測，建立深部位移多傳感器協同監測系統；地電場監測主要通過埋設在頂板巖層中的電阻率單元，監測不同回采時期巖層結構性變形破壞過程中的電場變化，結合光纜應變數據提出應變-電阻率相關系數，及其與巖體變形破壞之間的關系。圖39為多源多場監測系統具體實施方案。

圖39 采動覆巖變形的多源多場監測系統實施方案

未來，礦山工程多源多場監測系統的構建應進一步將多場監測數據與風險控制有機結合，監測系統朝著多元化、多參數、全覆蓋、全過程的方向發展，監測方式也將不斷地向可視化、動態化、智慧化、一體化的預警預報過渡，信息化新技術與典型監測技術相融合將為實現礦山“透明化”提供強大支撐。

4.7 DFOS技術應用的規范化與標準化研究

考慮各礦區地質條件的復雜性、開采工藝的多樣性，以及監測成本等多種因素，如何使DFOS技術在礦山工程中的應用具有規范化與標準化，成為DFOS技術在礦山工程應用中亟需解決的問題之一。對于地下煤炭資源，通常根據不同的埋深選擇相應的開采方法，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，并用原狀土回填后進行坡體變形實時監測。結合待測邊坡地質條件，將光纖設計成縱橫交錯的感知網絡布設于坡體表面和內部，可實現坡體從線到面的立體監測。

(2)對于深埋煤層，由于開采深度較大，開采和監測難度倍增，如何可靠精準的獲取監測數據是技術應用的關鍵，因而感測光纜的布設工藝在監測系統構建中發揮著重要作用。經過長期的室內外研究，目前已經形成一套標準化的井上井下安裝布設工藝，如圖6，7所示。總之，對于一些復雜地質條件背景下的覆巖大變形監測，往往還需通過設計與改進光纜結構以提高其強度，從而增大監測量程。總之，為促進DFOS技術在礦山工程應用規范化和標準化體系的構建，亟需通過制定相關的國家和行業規范來進一步完善監測系統布設流程，以實現DFOS技術應用的規范化與標準化。

5 結論與展望

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

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

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

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

目前，在技術層面上仍面臨諸多挑戰。筆者系統性討論了DFOS技術在礦山工程安全監測中的關鍵問題，并結合理論與應用給出了相應的對策：

(1)在巖層變形失穩與光纖數據互饋機制研究方面，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)的破壞規律研究，通過周期性數據規律，厘清巖層變形破壞與光纖數據互饋機制，克服深部巖體多場監測的實時、大變形、自適應瓶頸，進一步研究多場作用下煤層開采過程中光纖監測數據的響應特征。

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

(3)在海量光纖感測數據的人工智能算法研究方面，加強監測區域和遠程傳輸的可靠性保障機制研究，引入各類智能算法進行誤差修正、關聯分析和數據挖掘，解決礦山安全開采監測信息的三維實時可視化問題，并結合基于機器學習的多場數據融合技術，對監測對象的實時狀態進行評估預測。

(4)在光纖實測數據表征方法研究方面，基于光纜應變峰值和應變突變點判定巖層破斷垮落規律，結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和光纖應變的表征作用。結合常規手段監測數據以及理論計算結果，對光纖測試數據進行對比校正，如利用高密度電法測試數據和經驗公式進行“兩帶”高度計算，并同光纖表征數據進行對比驗證，以提高光纖表征數據精準度。

(5)在礦山大變形監測的光纖適用性研究方面，開展對分布式、魯棒性強、耐久性好和穩定可靠的傳感監測技術研究，加強礦山深部開采安全監測傳感器安裝技術的研發，以滿足極端條件下傳感器的存活率。在充分考慮內部地質條件和外部環境因子耦合作用的基礎上，加強關鍵層位數據缺失的機器學習研究，進而對礦山采動覆巖變形破壞趨勢進行預測。

(6)在多源多場監測系統的構建方法方面，加強多場作用關系及附加效應在覆巖變形中的導向作用研究，全面發展多元化、多參數、智慧化、全程監控多源多場監測，深入開發可視化、動態化的監測預警模式，并建立風險等級劃分與控制標準，研發集監測-預警-響應-處置于一體的多源多場監測系統。