DFOS在矿山工程安全开采监测中的研究进展

程 刚，王振雪，施 斌，朱鸿鹄，李刚强，张平松，魏广庆

(1.华北科技学院 计算机学院，北京 101601；2.南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023；3.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001；4.南京大学(苏州)高新技术研究院，江苏 苏州 215123)

近半个世纪，随着世界经济的高速发展，尤其是基础建设与应用领域的迅猛发展，全球煤炭消费量快速增长，其中我国是全球最大的煤炭生产国，同时也是全球最大的煤炭消费国。2021年中国煤炭产量为41.3亿t，占全球煤炭总产量的59.31%；煤炭消费量为43.15亿t，占全球煤炭消费总量的56%左右。现阶段，清洁新能源和可再生资源量产低、大规模产业化存在技术和经济等方面的难题，难以支撑起经济发展对能源的需求，以煤为主的能源结构没有发生根本改变，煤炭资源开发在当前和今后相当长时期内仍将维持一定强度，近5年我国能源消费结构比例如图1所示。

图1 2017—2021年中国能源消费结构

然而，煤炭作为“碳达峰、碳中和”重点革新产业，为积极推动我国“双碳”目标，亟需推进煤炭绿色智能开发的基础研究和关键技术研发，其中开采源头治理作为绿色开发的首要环节，对整个循环的健康发展起着关键作用。

基于我国煤炭资源特殊的赋存条件，从而直接决定了以井工开采方式为主，占全国煤炭产量的90%以上。随着浅埋煤层已逐步枯竭，开采深度和强度不断加大，难度日益增加，若开采设计方法不当，往往会直接诱发各类重大灾害，如冲击地压、巷道变形、地表塌陷、煤与瓦斯突出、矿井突水等(图2)，其中采动作用下诱导的顶板事故占据煤矿五大灾害之首(图3)，这些灾害往往都是采动作用下煤层上覆岩层变形、移动与破坏的结果，它与岩石的矿物组成、地质构造、应力场、温度场、渗流场、地电场等多场相互作用密切相关，一旦发生往往会导致重大安全生产事故，同时会引起一系列开采生态环境问题。由此可见，当前煤矿典型动力灾害(顶板事故、矿井突水、冲击地压、井筒变形等)仍时有发生。

图2 深部开采引起的矿井事故与地质灾害

图3 2020年全国煤矿各类较大以上事故分布

地下煤炭开采时常常会引起煤层上覆岩层产生变形、离层、破断、垮落，伴随岩层运动导致矿山压力显现，为了科学揭示采矿过程中矿山压力现象的本质，国内外学者提出了众多采场假说和理论，表1为采场结构模型发展的主要假说和理论。

表1 采场结构模型发展[7-11]

全球矿山科研人员经过数十年的理论探索、试验研究和应用推广，对煤层开采覆岩变形破坏的探测方法技术总结为：工程地质比拟法、数值模拟计算法(包括有限元、离散元、边界元和有限差分法等)、室内试验法、现场实测法等。表2列举了煤层采动上覆岩体现行监测方法及其特点。

表2 煤层采动上覆岩体现行监测方法及其特点

受我国煤炭资源富集区地质构造和成煤环境的影响，我国矿山开采环境具有一定的特殊性，主要呈现以下特点：① 主要产煤区的可采煤层层数较多；② 绝大数煤层埋深较大(基本均位于300 m以下)；③ 煤层厚度大且往往存在一定的不连续性。同时，东部产煤区存在“三软”工程地质条件下开采问题，西部产煤区存在地表生态与地下水埋深关系密切的问题。我国煤矿主要分为露天矿和井工矿两大类，露天矿采煤工艺主要包括：穿孔、爆破、采装、运输和排土等，井工矿采煤工艺主要环节为：破煤、装煤、运煤、支护、采空区处理等，其开采工艺也大致经历了4代：① 炮采法；② 普通机械化开采法；③ 综合机械化开采法；④ 智能化开采法。上述开采工艺为保障我国不同时期的煤炭安全开采做出了积极贡献，由于影响各采煤区顶底板稳定性的主要地质因素不同，因此在实际生产中各煤矿亦会结合不同的地质条件和生产成本，科学合理地选取开采工艺，实现煤矿安全高效开采。

由于矿山工程具有范围广、多场作用、影响因子叠加效应明显、隐蔽性强、监测条件差、动态响应要求高、监测周期长等特点，给各类灾害事故与矿山工程问题的监测与预警带来了巨大的挑战。现有的监测方法难以准确、实时探测煤层开采过程中上覆岩体的变形对巷道局部变形和地面沉陷的影响。因此，亟需突破煤层安全开采监测中的技术瓶颈，实现从覆岩变形破坏到地表沉陷发生发展演化过程的全面认知，揭示采动覆岩变形破坏的时效机理和多场作用关系，在此基础上建立一套涵盖矿井生产全周期的煤层安全开采在线评估体系。基于监测距离和精度的优势，分布式光纤感测技术已成为全球学者的关注焦点。国内外学者经过十余年的技术攻关，目前已研制出百余种光纤传感器，南京大学施斌教授团队也针对矿山工程特点，研发了十余种矿山工程监测用特种传感器，实现了对矿山工程从宏观到微观，从点到面再到体，从静态到动态的精细化监测，为保障矿山安全开采和开采沉陷的防灾减灾提供第一手分析评价资讯。

笔者对矿山工程中的采场围岩变形破坏研究方法进行了系统性概述，从技术原理、传感器选型与系统布设两大方面重点介绍了几种典型的分布式光纤感测技术(FBG，UWFBG，OTDR，BOTDR，BOTDA，BOFDA，DAS)原理及其在矿山工程中的适用场景，总结了DFOS(Distributed Fiber Optic Sensing)技术在矿山工程安全监测中的应用进展，并对DFOS技术在矿山工程安全监测中面临的关键问题和对策进行了分析。

1 技术原理

分布式光纤感测技术相比于传统的机械、电子类传感器具有全分布、长距离、高灵敏度、大动态范围、强抗电磁干扰等独特优势。目前，矿山工程安全监测领域中应用较为广泛的光纤感测技术主要有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)，通过上述技术持续性获得地下岩体应变、温度和振动等信息。实际中多选用BOTDR和DAS技术进行井下实测，利用FBG，BOTDA及BOFDA技术进行室内物理模型试验。表3从传感类型、技术原理等方面列举了上述光纤感测技术的参数信息，图4为光纤感测技术分类。图4中，为光纤中的初始光频率；为光纤上某位置受温度(应变)变化影响后产生的光频率漂移；为光频率漂移量换算成应变值；为光纤未受温度(应变)影响的应变初值。

图4 光纤感测技术分类

表3 不同光纤感测技术对比

2 选型与布设

2.1 感测光缆(器)选型

近年来，光纤感测技术的应用不断拓展，感测光缆类型也日益增多，然而在实际应用过程中需充分考虑监测目标条件，并根据光缆特性进行感测光缆选型。针对矿山工程监测特点，目前常用的主要为GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)光缆、金属基索状光缆和定点光缆。GFRP光缆采用高强度聚氨酯作为光纤的加强件，既保证光缆具有较高的应变传递性能，又可抵抗测试过程中的拉压与冲击，因此广泛应用在矿山工程中的变形、内力及损伤监测。金属基索状光缆采用特种钢丝拧合封装工艺，耐磨性强，保证其在高压喷浆、浇筑回填作用下的存活率，适用于弹性模量较高材料(基岩、混凝土等)的变形监测。定点光缆是利用光缆两定点间的应变来计算被测目标体的变形大小，适用于岩土体非连续大变形监测，基于两相邻固定点间光缆敏感度高，因而可精准识别覆岩离层及其内部微裂隙。不同类型光缆选型见表4。

表4 矿山工程变形监测光缆选型[19]

为了对矿山工程中关键部位的变形、温度、倾角等参数进行精准监测，可以从2方面进行突破：一是对光纤材料的革新，如20世纪60年代发明的塑料光纤(Plastic Optical Fiber，POF)具有大变形能力，但由于光损过大等因素尚无法用于现场测试，目前国内外已有学者展开基于POF感测技术的研究；另一方面是研究出大小应变相互转换的特种传感器，实现大变形监测。国内外学者基于光纤光栅技术，研发了一系列矿山工程监测用特种传感器，如图5所示。

图5 矿山工程应用中的FBG传感器

柴敬等开展了光纤光栅传感器技术在矿山工程应用研究，基于光纤光栅技术的井筒变形、覆岩破坏和断层活化等，获得了对光纤光栅应用领域范围的认知，推动了光纤光栅的新应用新发展。

2.2 仪器设备选型

现阶段，DFOS技术发展较为成熟，技术种类繁多且各具优势，目前已衍生出多种可应用于实际工程监测的商用化设备(表5)。由于矿山工程规模大、隐蔽性强、环境恶劣、实时性监测要求高，往往需通过大范围、长距离的连续性监测，实时获取矿山开采过程中采场围岩变形破坏的动态信息，才可以全面精准掌握采动覆岩变形破坏规律与开采沉陷时效机理。因此，在实际应用过程中，首先需针对不同矿山的地质条件以及监测目标，正确选择相应的监测设备。FBG为单点光纤测量技术，具有精度高、成本低、集成化易等优点，利用一条光纤将多个FBG点串联起来(一般最大为10个光栅点)即可实现准分布式监测，可实时自动采集光纤上各个光栅点的波长变化，并通过原始标准方程计算出各点的应变(温度)变化，进而判定待测岩土体的受力变化过程。然而该技术无法实时分布式测量，往往会造成某些关键监测区域的漏检，同时受限于光栅点刻录工艺水平，当监测位置受力变形过大时，容易造成栅点损坏。因此，该技术在数据量、耐久性和大变形等监测方面的优势均低于DFOS技术。

表5 主要商用化设备技术指标

2.3 监测系统布设

覆岩变形监测最主要的方法为室内模拟测试和现场监测研究。研究结果表明，监测系统布设工艺及其质量对监测结果具有直接影响。因此，在矿山工程安全开采监测中，需结合不同的测试环境与测试对象选择相应的布设方法。目前，矿山工程实际应用中大多采用井上和井下联合方法进行测试系统布设。井上布设方法主要为地面监测系统布设，首先实施地面钻孔，然后结合监测目标和地质条件选择相应的光缆(器)进行钻孔布设，此过程主要分为制作配重导锤、植入感测光缆、钻孔回填与待稳、感测光缆保护4个阶段(图6)。

图6 井上测试系统光缆布设流程

井下布设方法主要利用高强度轻质管件作为光缆(传感器)附着载体，将其埋设于煤层上覆岩体中(图7)。该方法首先根据采场条件进行井下仰孔设计，其次实施钻孔并进行光缆布设与注浆作业，最后待钻孔达到耦合强度后采集初值。在监测工作面回采过程中，结合实际进度进行数据的定期采集，基于光缆初值和定期数据分析采动作用下钻孔控制高度内覆岩的变形破坏响应特征。由于该方法的施工过程中，井下钻窝的位置和规格、钻孔角度与长度都必须经严格的计算，因而施工要求较高。考虑到各矿区的地质条件、开采工艺和监测成本，在实际中往往需要进行个性化的定制方案，加之布设流程的随意性，对光缆数据采集质量产生较大影响，这也是制约光纤感测技术应用普及的一个重要问题，亟需针对矿山工程特点，制定相应的光纤测试规范，加强测试系统布设流程的规范化与标准化，提高数据的统一性和可靠性。

图7 覆岩变形井下光纤监测系统

3 DFOS技术在矿山工程安全监测中的应用

3.1 采动覆岩变形破坏监测

随着地下煤炭资源的不断采出，从而扰动了煤层覆岩的平衡状态，与此相伴地产生覆岩变形、破坏甚至离层垮落，这种影响直至趋于形成新的平衡才逐渐稳定。一般情况下，对于近似于水平煤层工作面，当开采深度与开采厚度比高于40，采动作用影响效应可以视作以采场为中心点，以顶板和煤壁为支撑起点向四周扩散，直至消失。基于铰接岩块和预成裂隙梁假说，钱鸣高院士在大量现场顶板岩层运动的观测及相似模拟试验结果的基础上，提出了“砌体梁”结构模型，将采动作用沿垂直方向上分为了“竖三带”，即垮落带、裂隙带、弯曲下沉带；沿开采方向上分为了“横三区”，即支撑影响区、离层区、重新压实区，如图8所示。覆岩的破坏形式主要分为弯曲破坏和剪切破坏，弯曲破坏的发展过程主要为：随着煤层被采出，上覆岩层出现悬露，在重力作用下发生弯曲变形，一定程度后在煤体端部发生裂开，并在悬露中部产生开裂现象，进而使得岩层产生冒落；剪切破坏的发展过程主要为：煤层顶板悬露后只产生较小弯曲下沉，在悬露岩层端部即发生了开裂现象，然而在岩层中部并未开裂(或仅有少量裂隙存在)的情况下，岩层发生大面积的整体塌垮现象，此种破坏形式影响范围大、速度快，对开采工作面冲击大，开采过程中应当给予高度重视。

图8 采场覆岩“竖三带”、“横三区”分布示意[22]

上述有关采动覆岩变形破坏模式和演化规律仍处于探索阶段，如何精细化捕捉采动覆岩的受力变形状态，进而全面掌握覆岩变形及离层演化全过程是当前矿山安全开采监测亟需解决的关键问题之一。近几十年来，国内外学者采用电阻应变片、沉降标、位移计、伸缩计、电极等常规传感器开展了大量研究，虽然获得了煤层覆岩局部位置的应变、沉降、位移、应力、电阻率等信息，但存在传感器精度低、埋设困难、易受电磁干扰、成活率低、耐久性差等缺陷。同时，这些点式数据较为离散，存在监测盲区，无法从整体上捕捉煤层上覆岩层不断累积的形变信息。随着分布式光纤监测理论、技术与应用的发展，在采动覆岩变形分析理论、测试方法研究等方面均取得了变革性的突破，因其分布式、高精度、长距离、全实时、抗干扰、小体积等独特优势，即可实时获取一根光纤(缆)长度方向上所有位置的应变、温度、振动等物理信息，将其按照需求以网状进行布设，犹如给上覆岩层植入可感知的“神经”，时刻感知上覆岩层的每个“动作”。图9为地面和井下一体化矿山开采分布式感测网络。

图9 一体化矿山开采分布式感测网络

近年来，国内外学者应用光纤感测技术开展了大量的煤层开采模型试验研究，取得了一系列关于覆岩变形破坏规律的新认识。柴敬等将分布式光纤分别沿水平和垂直方向埋设于模拟岩层内部，并融合BOTDA，FBG和CRP(Close-Range Photography)多方法建立了“点-线-面”一体化监测系统(图10)，实时监测采动作用下上覆岩层内部变形和岩层表面位移变化，揭示了采动作用下各岩层的应变分布特征，验证了上述3种方法对岩层内外变形监测具有良好的一致性。图11为位于关键层中的水平向监测光纤数据结果。

图10 “点-线-面”一体化监测系统布设方案

图11 水平向监测光纤数据结果[15]

侯公羽等基于BOFDA和布里渊频移(Brillouin Frequency Shift，BFS)融合分析技术，进行采场覆岩变形模型试验研究，在模型内部沿水平向与垂直向布设传感光纤，实现开挖过程中的覆岩变形监测，并结合CRP数据进行对比分析，获得光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系。笔者基于BOTDA技术进行了覆岩变形的物理模型试验研究，探究了“光纤-电法-CRP-数值模拟”多方法融合的应用模式，并发现各方法结果具有良好的一致性。LIU等基于BOTDR技术，选用金属基光缆、玻璃纤维增强光缆和10 m定点光缆对金鸡滩煤矿开采过程中的覆岩变形破坏过程进行监测。研究结果表明，金属基光缆在强度和精度方面优于玻璃纤维增强光缆和10 m定点光缆，在煤矿实际监测中的适用性更强。

由于采动覆岩变形破坏是一个动态变化的过程，且不同地质条件和开采工艺下的变形破坏特征存在较大差异性，因此在现场应用过程中应结合实际的地质条件和开采工艺进行感测光缆的选型与布设，如对于煤层上覆坚硬岩层的地质条件，现场监测中应选用特制定点光缆进行大变形监测，同时可精细化捕捉岩层界面间的微裂隙。监测仪器也应优选单端、实时、自动一体化设备，以适应野外复杂恶劣环境。

目前，对于基于光纤感测数据的“三带”判别，主要是依据监测曲线进行定性判断，人为主观因素对判别结果产生较大影响，研究人员也尝试利用光纤监测数据跃变点及数据趋势陡然升降来进行“三带”分布范围判断，受限于煤层覆岩受力变形模式的复杂性，单一数据点的跃变往往无法准确表征出“三带”变化特征，且往往煤层上覆岩层中的块状垮落岩体亦会造成光纤数据的突变，从而引起“三带”判断误差。因此，亟需建立考虑时空效应的煤层采动覆岩变形光纤监测数据动态表征模型，通过采动过程的覆岩应变动态变化云图，结合关键开采进度下的光纤监测曲线进行综合判断，以实现垮落带、裂隙带和弯曲下沉带位置的精准判定。

3.2 采动作用下的断层活化监测

断层活化易造成岩体发生破坏失稳，严重影响着深部岩体的稳定性。因此，对断层面运动开展实时监测，通过岩体变形的连续性实时数据获取岩体的受力状态，进而分析研究断层活化规律，实现对断层活化临界状态的科学预警。根据煤层工作面与断层的空间关系，通常将其分为2种类型：① 工作面与断层走向呈空间平行关系；② 回采方向与断层走向呈空间垂直关系。基于此，国内外科研人员开展了大量的数值模拟计算研究，受限于测试方法，难以真实的对断层受力活化演化过程进行分析，光纤感测技术在矿山工程中的应用为获取断层受力大小及过程提供了定量化监测方法。张丁丁等为研究采动影响下的断层活化规律，以河南义马煤矿为模拟对象搭建模型，基于分布式光纤感测技术，研究煤层分别自断层下盘、上盘向断层面回采中，断层面的应力大小及状态变化过程。图12为模型中光缆布设示意。试验结果(图13)表明，相比于上盘推进，下盘推进时更易引起断层活化。因此，在断层发育的岩体中，采煤工作面宜优先布置于上盘中，这样将更有利于控制矿压，从而更好地保障煤层安全高效开采。

图12 传感器布设与煤层推进

图13 工作面推进过程中光纤数据变化[29]

当前，受限于煤矿井下工作面钻孔施工难度，对于煤层采动作用下的断层活化光纤监测还多集中于室内物理模型试验研究，后续应充分利用煤层工作面物探结果，在此基础上进行钻孔设计与感测光缆布设，从而降低监测成本，并提高监测精准度。

3.3 煤柱设置及稳定性评价监测

随着开采深度的加大和分层开采的日益增多，巷道变形程度愈发严重。为了保证大采高工作面的稳定性，通常在开采过程中需要预设煤柱，该方法是解决煤层开采过程安全及资源开采率问题的重要手段之一。为了评价煤柱设置的科学性及稳定性，柴敬等开展了基于OTDR技术的煤柱物理模拟试验研究，验证了光纤感测技术应用于煤柱变形移动的可行性；随后，进一步开展了煤柱稳定性实时监测研究，发现煤层底板压力变化与煤柱应力应变分布呈良好线性关系。SUN等根据淮南某矿具体地质条件，采用BOTDR技术获取工作面煤岩柱区变形的分布式数据，据此对其内部的受力特征进行精细化分析，获得了采动影响下保护煤柱区变形破坏过程，并依据实测数据对采动煤柱影响区范围进行界定(图14)。

图14 保护煤柱区光纤监测结果[32]

在煤柱稳定性监测方面，光纤感测技术由于可实时、分布式获得煤柱周围煤岩体变形变化数据，从而实现了煤柱变形破坏动态演化过程表征。然而，不同地质条件和开采高度下的煤柱设置大小存在较大差异性，因此对于煤柱监测还应结合采高进行监测孔深度和光缆布设种类设计，以满足不同条件和开采高度下的煤柱稳定性精准判别。

3.4 采动支承压力监测

煤矿在支承压力的作用下，会发生煤岩层破坏压缩、顶底板相对移动以及支架受力等现象，对工作面稳定性具有重要影响。因此，开展工作面支承压力实时监测对保障矿山安全开采具有重要意义。

近年来，全球科研人员围绕煤层采动支承压力光纤测试开展了大量试验探索，探究出光纤波长漂移量与支承压力间的线性关系，利用FBG技术定量化表征了支承压力及其演变规律，建立了采动作用下煤层支承压力的空间分布模型，为采动支承压力监测提供了新方法。张平松等基于BOTDR技术，对采动支承压力的分布特征进行测试研究，利用沿煤层底板垂直实施的监测钻孔进行光缆布设，考虑到监测周期和采动支承压力监测范围，通常布设2种以上不同强度的感测光缆进行数据对比与互补。通过井下实测数据，建立了采动作用下煤层支承压力分区模型(图15)，并对模型的有效性进行了验证修正，使其达到较高的准确度。监测数据表明：采动超前支承压力沿煤层回采方向具有显著分区性，即不同位置呈现出稳定—缓慢增加—显著增加—峰值—降低的变化过程，并根据煤矿现场实测数据，定量化划分出应变稳定区、缓慢增加区、显著增加区、过渡区、采空区和重新平衡区，为厘清超前支承压力演化过程提供了重要支撑。

图15 超前支承压力分布模型[35]

3.5 破碎带注浆效果评价监测

注浆技术是当前矿山开采过程中进行井壁和破碎带加固，以提高其稳定性最为常用的方法技术。在现场实施过程中，注浆压力控制对注浆效果起着关键性作用。若压力过小，则浆液扩散距离太近，达不到有效的治理效果；当压力过大，则可能会压垮井壁和巷道，甚至造成工程事故。因此，对注浆加固稳定性进行实时监测是矿山开采过程中一项重要监测内容。

对于破碎带注浆过程光纤监测与效果评价，其核心是精细化获得注浆前后监测岩体的变形过程及其演化特征，因此监测对感测光缆的灵敏度和抗破坏力提出了较高的要求，选型中应当优选紧包、耐磨性优的光缆，并选用分辨率高的解调设备。郭建伟等基于DFOS开展了井筒壁后注浆变形监测研究，实时获取其注浆期间的应变数据，以确保注浆过程井筒的安全和稳定性，分析得出水泥浆液扩散距离远小于化学浆液的定性结论。郝俊等开展了山西某煤层工作面煤柱加固效果评价研究(图16)，依据注浆区与未注浆区的应力大小及特征得出注浆显著增加了煤柱强度，提升了煤柱的承载力和稳定性。

图16 注浆加固试验布设示意

3.6 井筒变形监测

矿山井筒是是煤炭开采运输、通风及通讯等功能的重要载体，而变形监测是判断井筒工作状态最为重要的手段，在井筒建设和运行全过程中具有重要意义。目前井筒变形监测方法主要有钢丝绳基线法、嵌入式传感器法、三维测量法、GPS(Global Position System)监测法和激光基准等，上述方法均可获得井筒变形的有效数据，并从一定程度上对井筒变形和健康状态进行判定，然而尚未实现分布式、连续性和全实时监测预警。光纤感测技术因具有分布式、实时性和连续性等优点，近年来逐渐被尝试性应用于矿山工程井筒变形监测中(图17)。特别地，由于DFOS技术以光为载体，具有本质安全性，可以更好地适应井筒复杂的工作环境，满足现代化矿井安全生产的要求。在现场布设工艺方面，通常是沿井筒竖向布设两组“U”型温度和应变感测光缆，实时监测井筒竖向变形和温度变化，同时在井筒不同深度布设若干组环向光缆，以实时捕获井筒环向变形破裂过程。

图17 井筒变形破裂监测试验研究

在井筒变形计算方面，考虑到井筒底部与基岩接触，基本无变形，因而将其视作为不动点，因此对井筒竖向变形的计算即为自底至顶对应变数据进行积分；对于井筒环向变形，可通过井筒变形几何特征建立相应的径向位移函数，结合井筒环向最大位移与监测应变最大值之间的关系，计算其相应的最大变形量，在此基础上得到井筒环向径向位移的分布。

基于监测成本和变形数据的实时获取，应用中也常采用FBG传感器串联法，形成准分布式的井筒变形监测系统，以实现井筒变形和温度的实时获取与即时传输，从而可持续性获取井筒变形过程。

祝嘉贺等基于新安煤矿副井井筒的现场情况，提出了一种融合光纤感测技术与传统监测技术进行竖井井筒变形监测的方法。该方法首先通过钢丝基线法获取井筒的变形数据建立三维模型，随后利用FBG技术建立光纤光栅辅助监测系统，分析光纤信号随井筒变形的变化规律，进而实现了井筒变形发展趋势的有效预测。图18为监测系统工作流程。

图18 光纤光栅监测系统工作流程

刘增辉等基于BOTDR分布式光纤感测技术具有实时、远程和自动监测的优点，对井筒不同位置围岩变形特征进行直观监测，并对比研究了光纤传感器的布设方式、黏贴材料以及施工工艺对井筒变形监测结果的影响。中煤新集能源股份有限公司融合分布式应变和温度测试技术，建立了井筒变形与受力状态实时监测系统，可实时、准确、全面反映井筒的受力变形情况，并可对井壁的健康状态进行在线监测和预警。图19，20为井筒内光纤布设示意及流程。

图19 井筒变形监测光纤传感器布设示意

图20 光纤传感器布设流程

3.7 采空区地面沉降监测

随着我国深部矿产资源的持续开采和利用，开采沉陷问题日益突出，特别是厚松散层下煤炭大规模开采产生的开采沉陷现象尤为严重，进而导致开采后所产生的地表沉陷范围、沉陷量和沉陷位置的时空预测难度加大，同时对覆岩裂隙场、位移场和应力场的发育特征产生显著影响。据相关统计测算，全国六大产煤区需治理的开采沉陷在200万hm以上，且仍保持每年7万hm的高速增长。大量研究表明，地表开采沉陷是煤层采动覆岩变形破坏的外在展现形式，采动作用引起的上覆地层变形移动是导致沉陷产生的内在诱因，同时是造成矿区范围内各类地质灾害和生态环境问题的直接根源。因此，对地表变形塌陷规律进行研究，核心需要对采动作用下覆岩运移、离层发育规律、应力-应变特征、多场作用关系等开展深入研究。受限于传感器耐久性和成本高，分层沉降标法、电阻率法和瞬变电磁法等难以实现地层全断面监测，InSAR(Interferometric Synthetic Aperture Radar)技术虽然结果直观且成本经济，但获得的是地表形变，且受植被覆盖影响大，因此难以从源头上揭示开采沉陷机理。因此，采用FBG和BOTDR融合的精细化感测技术对煤层开采地面沉降开展长期监测(图21)，可实现从覆岩变形破坏到地表变形沉陷的全过程认知，这对矿山安全开采和塌陷区绿色修复等均具有重要的理论和现实意义。

图21 煤层开采地面沉降光纤监测系统

柴敬等建立了分布式光纤监测网络模型，利用光纤监测数据的变化趋势来反映地表变形的移动特征，讨论了关键层破碎和分离的作用过程，研究了覆岩与地表水之间的内在关系，将地表移动变形分为初始变形、缓慢变形和剧烈变形3个阶段，得出了岩土体-光纤之间的耦合性是决定测试数据精准性的关键要素，证明了DFOS技术可对地表运动与变形过程进行实时、高精度监测。方星等将DFOS技术应用于采空区的变形监测，充分发挥了其在层位精准定位与沉降变形精细化监测等方面的技术优势(图22)，结合光纤实测数据圈定出“三带”影响范围，并实现了局部软岩带和松散层的精细化连续性变形过程的实时监测。

图22 变形分区监测结果

安徽理工大学基于BOFDA技术，对淮北市童亭矿开采过程中引起的地面沉降及塌陷开展监测研究。通过在监测场地实施250 m深钻孔，布设金属基索状和10 m定点2种应变光缆，分别构成“U”型测试回路，既可对钻孔进行全分布式精细化测量，又可对钻孔非连续非均匀应变进行分段测量，从而实现了采空区地面沉降、塌陷及沉稳变形的全过程监测，为开采沉陷防灾减灾，并为预测采空区各地层进一步发生沉陷的可能性提供依据。图23为现场监测布设流程。

图23 基于BOFDA的开采沉降布设工艺流程

目前，采空区地面沉降光纤监测主要存在两大关键问题：① 感测光缆与钻孔内部岩土体的耦合性判定；② 岩体大变形监测与界面裂隙精细化捕捉。在耦合性判定方面，南京大学施斌和朱鸿鹄教授团队建立了光缆-岩土体耦合性评价模型，并通过理论计算总结出耦合性评价公式，为不同地质条件下的光缆-岩土体耦合性能评价提供了理论参考标准；张诚成等结合大量室内外试验的光纤测试数据，提出了传感光缆-岩土体界面滑脱性评价的黏结性判据公式：

(1)

其中，为黏结临界深度；为光缆弹性模量；为光缆直径；为土压力系数；为土层容重；为光缆-岩土界面摩擦角；[d/d]为最大应变梯度，由光缆实测数据获得；为光缆-岩土界面黏聚力。通过式(1)可计算得出黏结临界深度，如图24所示。则有：若>，界面保持黏结状态，即当感测光缆埋深大于该深度时，光缆与岩土体的耦合性将得到充分保证，光纤实测值即为采空区沉降真实值；若<，一定应变梯度下界面可能发生脱黏，即当光缆埋深小于该深度时，光缆与岩土体之间可能会出现部分段耦合性欠佳状态，此时由光纤监测数据计算获得的采空区沉降变形往往小于实际变形，因此需对监测光缆的结构和安装工艺进行改进与优化。施斌和朱鸿鹄等通过发明锚固点光缆，解决了临界深度之上软弱土层变形分布式光纤监测难题，进而突破了光缆-岩土体耦合性这一关键问题。然而，在实际监测中也常常会根据待测体的松散度和钻孔深度选择不同的锚固结构，目前的锚固结构主要有圆盘式、圆柱式、正交式和橄榄式，对于不同方式锚固结构的适用性研究将会为完善光缆-岩土体耦合理论提供重要支撑，因而将成为未来光缆-岩土体耦合性研究的重点之一。在大变形监测与裂隙精细化捕捉方面，通过研发不同结构和材质的定点光缆和紧包光缆，分别实现岩体大变形和内部微裂纹的精细化捕捉。仪器设备选型方面，基于UWFBG的密集分布式解调仪因其稳定性高、实时性强，且数据价值密度低，将成为未来采空区地面沉降监测的主流设备。

图24 光缆-岩土体耦合临界深度

3.8 含水层压力监测

煤炭资源开采引起的突水事故严重威胁矿山安全生产，准确获取采动条件下覆岩及底板岩体中含水层参数变化，对煤矿突水预测和防治工作均具有重要意义。相关研究表明，含水层压力变化同上覆岩层的垮落与移动变形密不可分。文献[27]基于BOTDR和FBG的融合技术，选用3种典型矿山工程监测用应变光缆(GFRP、金属基索状、5 m定点)，对煤层开采覆岩变形破坏过程进行实时监测，同时利用光纤光栅渗压计监测含水层的渗压变化过程，从而得出煤层开采上覆岩层的竖向变形规律及“三带”发育特征，以及离层大小和深度随煤层推进的时空变化规律。图25为传感器现场布设流程。

图25 含水层压力监测光纤传感器布设过程

朴春德等设计了一种一体式光纤传感器监测采动含水层水压的方法，如图26所示。采用高精度紧包应变光纤①测量岩土体的竖向变形，松套温度光纤通过测量含水层温度变化推算水位高度与裂隙渗水量，紧包应变光纤②可进行水压监测，因而实现了单孔多参量的一体化分布式测量。将一体式光纤传感器安装于覆岩或底板含水层扰动区，当煤层开采引起裂隙带发育并持续贯通时，含水层水温变化可直观反映地下水的补给或裂隙通道，水压变化直接反映含水层的扰动状况，应变反映导水裂隙带发育情况。因此，通过钻孔多参量的连续性变化数据，即可开展监测区域突水预测预警，有效降低突水事故风险。

图26 一体式光纤传感器布设

由于不同埋深和岩性条件下的含水层压力差异性大，因而在利用光纤感测技术进行煤层覆岩与底板含水层压力监测中，应当首先采用常规手段进行含水层压力预判，并根据预测值开展光缆选型、钻孔设计和光纤光栅渗压计量程优化，以避免因压力过大造成数据失效或因压力过小导致量程灵敏度不够。未来，可通过研发量程自适应光纤传感器，以解决不同压力含水层的归一化监测与数据表征。

3.9 帷幕墙变形监测

帷幕墙作为一种重要的止水结构，在矿山工程开采中具有隔水和维持煤层顶板稳定性的重要功能。随着开采深度和范围不断加大，注浆帷幕在纵向和横向上不断延伸，其稳定性对保障矿山工程的安全稳定发展起关键作用。当前，帷幕墙变形监测主要是通过水压、水量等间接方法获得帷幕墙体的抗压强度，然后根据弹性力学原理计算得出的帷幕墙体抗压强度进行对比分析，研判帷幕墙体是否安全稳定。然而，由于此方法无法对帷幕墙体的内力与竖向变形进行直接测量，因此难以精确掌握帷幕墙体的实时受力状态。随着光纤感测技术在矿山工程应用方向的不断拓展，研究人员探索将其应用于帷幕墙变形监测。其中，弱光纤光栅(UWFBG)技术因其通过在同一光纤上密集加工数千个光纤光栅感测点，实现了穿越不同地层和含水层帷幕墙的实时高精度监测，在当前帷幕墙变形监测评价中发挥着重要作用。淮北矿业集团朱仙庄煤矿利用弱光纤光栅技术对朱仙庄矿五含帷幕截流工程稳定性进行监测评价，重点开展了大型注浆帷幕内力与竖向变形分布式光纤监测技术研究，分析了回采对注浆帷幕稳定性影响范围及程度，在此基础上建立了一套基于分布式光纤感测的大型注浆帷幕稳定性自动化监测系统(图27)，实时显示帷幕的状态特征和演变趋势，为帷幕截流效果评价提供数据支撑。

图27 基于弱光纤光栅的帷幕稳定性监测

3.10 露天矿边坡与光纤微震监测

露天矿采场频繁的爆破作业和车辆运行震动，使边坡反复受到动载荷循环作用，易形成坡体疲劳损伤。因此，对露天矿边坡进行长期实时监测具有重要意义。程世虎等提出一种将FBG用于监测露天矿边坡长期变形的方法。FBG传感器具有高稳定性、不易受电磁干扰，且可实现远距离实时传输等优点。因而，在工程爆破过程中，FBG传感器能够即时捕捉到边坡岩体的微小形变以及爆破瞬间的动态信号，从而充分显示了FBG应用于爆破监测和露天矿边坡岩体实时监测的独特优势。

近10 a来，一种基于瑞利光散射的分布式声学感测技术(DAS)在油气勘探和周界安全监测等多个领域取得了成功应用，该技术不仅拥有光纤感测技术的优点，而且可实现光纤沿线动态振动的长距离、分布式、连续性监测。

随着DAS技术的不断发展，地质学家尝试将其应用于地下结构探测与振动监测，以实现矿山地下空间的“透明化”探测。未来，可通过将光纤布设于煤层底板钻孔，利用该技术对振动的高灵敏性，持续性监测煤层底板的微震，从而实现对煤矿冲击地压的监测与预测。

3.11 矿山温度监测与隐形火灾探测

自燃火灾作为矿山工程重大灾害之一，对矿山安全生产造成严重威胁。因此，通过开展矿山温度监测来消除自然火灾发生的风险，对保障矿井安全生产具有重要意义。目前，矿山温度监测与隐形火灾探测主要分为：矿井巷道温度监测与隐形火灾探测、重要设施(带式输送机、煤场及选煤厂、泵站、配电房、瓦斯抽排管)温度和火灾探测及采空区温度监测。常规的矿山温度监测多采用模拟量传感器，主要用于监测煤矿井下巷道及瓦斯抽放管道温度，并将测量结果转换成相应的电信号传送至井下监测分站。由于井下巷道距离长，管道线路多，离散布设的传感器难以覆盖整个矿井巷道，尤其对于火灾隐蔽性强的矿井煤自燃监测，该种方法往往造成防控难度大等突出问题。由于DFOS测温技术采用光缆作为感测与传输介质，具有本质安全的优点，尤其适用于煤矿井下温度监测。目前已在矿山工程温度监测中取得了良好的应用效果，实践中通常将温度光缆布设于巷道顶部、通风(瓦斯)管道表面、带式输送机下部和煤仓仓壁等位置(图28)，用于实时监测设施的温度及其变化过程，进而研判隐性火灾发生的概率。同时，利用该技术进行煤矿采空区温度实时监测，通过井下地面联合钻孔建立立体温度监测网，可实现采空区全覆盖温度实时监测，极大降低了采空区自燃事故的发生率。

图28 煤矿温度监测与隐形火灾探测

4 DFOS技术在矿山工程安全开采监测中的关键问题与对策

4.1 覆岩变形破坏与光缆数据互馈作用

矿山工程深部岩体变形是一个复杂地质力学问题，往往具有强烈的非线性、不连续和大变形等特点，它是岩体内变形场、应力场、渗流场、温度场及化学场等多场效应不断相互叠加作用产生的结果。因而，如何充分考虑多场耦合、多因素影响，揭示采动围岩变形演化机理，尤其是精准掌握岩体受力破坏从形变段(胡克定律)到运动段(牛顿定律)的破坏规律，建立采动岩体变形破坏的新理论，是实现矿山工程开采光纤监测与精准判别的基础。该关键问题的首要任务是厘清覆岩变形破坏与光纤数据的互馈作用机制，克服深部岩体多场监测的实时、大变形和自适应瓶颈，研制深部多场多参量监测装备，创建矿山工程地下多源多场监测协同处理的一体化监测系统(图29)，揭示多场作用下煤层开采过程中光纤监测数据的响应特征。同时，应结合数值计算、室内试验和现场实测等方法确定敏感参数，进一步优化传感器选型与监测系统布设工艺，形成定性认识与定量分析相印证的评价方法。

图29 矿山工程地下多源多场一体化监测系统

4.2 感测光纤与岩土体耦合性能

感测光纤与岩土体间的耦合性直接影响光纤应变数据的质量，进而对监测结果产生显著影响，该问题直接决定监测结果的可靠性。因此，光纤-岩土体耦合性是矿山工程岩土体变形分布式监测必须解决的关键问题。近十几年，国内外学者通过理论计算、拉拔试验和现场实测等对光纤-岩土体耦合性能开展了全面研究。朱鸿鹄、程刚等利用BOTDA技术进行了光纤-砂土耦合性能拉拔试验研究，全面分析了两者间的耦合过程及光纤在砂土中的应变分布规律，并将作用过程分为全耦合、半耦合和相对滑动3个阶段，建立了位移关系模型(图30，其中，为界面剪应力；为最大界面剪应力；为残余界面剪应力；，为2个界面的剪切刚度，分别代表曲线上升段和下降段的斜率；，，为连接点，其中为弹性段，为软化段，为残余段；为界面的相对位移；为对应最大界面剪应力的界面相对位移；为对应残余界面剪应力的界面相对位移；为拉拔力)。

图30 光纤监测准确性简化判据

南京大学施斌教授课题组通过研制可控围压光缆-岩土体相互作用拉拔试验装置(图31)，系统性开展了不同围压下感测光缆与松填砂土、击实砂、黏混合土之间的耦合性，得出了在拉拔状态下光缆-岩土体界面呈现渐进性破坏特征，且与围压水平密切相关的认识。

图31 可控围压光缆-岩土体耦合性试验装置

向伏林等利用离散元数值模拟法，构建了感测光缆拉拔试验力学模型(图32，其中，为埋入钻孔段光缆的单位长度；为钻孔围压；为在光缆顶端施加的向上拉拔力；为光缆-钻孔回填材料界面间摩擦力)，获得不同围压下F-S关系，以及对光缆-岩土体渐进式破坏模式的认知，证明了DFOS技术应用于地面沉降监测的有效性。模拟过程选用线弹性接触模型，将法(切)向弹簧力用于模拟离散单元间的作用力，具体如下：

图32 二维离散元光缆拉拔试验模型

(2)

=

(3)

其中，为法向力；为法向刚度；为法向相对位移；为断裂位移；为切向力；为切向刚度；为切向相对位移。初始状态下各相邻颗粒间互相连接，受拉(压)力的弹簧力作用(=,<)。

当两颗粒间的>时，弹簧将发生破断，此时颗粒间失去拉力作用(=0,>0)，仅存在压力作用(=,<0)。与此同时，基于摩尔-库仑准则，弹簧受力存在以下关系：

=-

(4)

其中，为最大剪切力；为单元间的抗剪力；为单元间的摩擦因数。当切向力高于最大剪切力时，颗粒间的切向连接破断，此时单元间仅存在滑动摩擦力-。然而，试验中对模拟的土体单元和感测光缆均做了归一处理，土体参数和光缆结构也具有单一性，从而使得模拟结果与实际过程存在一定误差。此外，未来可基于本试验模拟结果构建三维模型开展深入研究，从而更加真实的开展不同地质条件、不同类型感测光缆的耦合性研究。

上述研究成果均为科学认识光纤-岩土体作用关系、定量分析2者耦合特征提供了数据支撑，从而为岩土体变形光纤监测数据的有效性评价提供了依据。同时，注浆材料的选择也在一定程度上影响光纤与岩土体之间的耦合性能。因此，需结合钻孔岩性选择物理力学性质相近的注浆材料进行分段注浆(注浆前应根据各地层厚度精确计算注浆量，以实现注浆材料与对应地层的匹配)，最大限度保持注浆材料与钻孔岩性的一致性，从而保证钻孔光纤数据精准反映岩土体实际应变(温度)变化。

4.3 海量光纤感测数据的人工智能算法

利用DFOS技术进行矿山工程安全监测时，往往将获得海量的多源多场监测数据，如何实现海量数据的快速精准传输和智能化分析处理，已成为未来矿山安全生产中一个亟需突破的关键问题和重要的发展方向。有关本问题的解决主要可通过数据的可靠传输与智能处理来实现：① 在数据的可靠传输方面，基于物联网的监测数据解调和实时传输技术，设计低能耗的多源数据采集方案，实现基于5G/WIFI/LoRa的数据无线通讯，开展可靠性优化研究，包括监测区域和远程传输的可靠性保障机制，确保监测数据的精准实时传输；② 在进行光纤感测数据的人工智能(Artificial Intelligence，AI)处理方面，运用统计学、人工智能理论和系统学方法，优化海量数据精准提取的预处理分析算法，实现监测数据的智能去噪、插值和异常识别等，提升数据可靠性自诊断和智能分析准确率，可采用一种基于主题模型的数据挖掘方法(图33，其中，()为输出层)，综合物联网数据源的有效性分析机制，实现了海量矿山多场监测数据的智能处理。同时，通过主题一致性对比和聚类纯度对比(图34，35，其中，为主题数量)，对多场监测数据集进行相似词聚类，从而有效降低模型输入文本数据的维度，使主题数据更明确。

图33 算法框架[65]

图34 主题一致性对比

此外，可利用基于机器学习的多场数据融合技术，解决矿山安全开采监测信息的三维实时可视化问题；将数据采集、处理和显示等模块集成，建立一套完整的覆岩变形智能感知系统，集数据采集、存储与传输、智能处理、危险级别预警和移动端实时显示等于一体(图36)。同时可利用系统累计数据开展机器学习研究，预测监测区域覆岩变形破坏发展趋势。

图35 聚类纯度对比

图36 煤层采动覆岩变形智能感知系统

4.4 覆岩变形破坏的光纤监测表征方法研究

目前，基于光纤测试的岩层变形主要是通过光缆应变峰值和突变点来定位岩层破断垮落位置，以及根据相邻应变峰值段来表示变形范围。同时，可结合光纤应变数据表征覆岩变形运动过程，通过3个阶段来描述2者之间的耦合作用：① 全耦合段，此阶段感测光纤与待测岩土体完全耦合，2者间存在静摩擦力及黏聚力，光纤获得应变数据可真实反映岩土体变形；② 半耦合段，此阶段由于采动覆岩变形移动，覆岩中产生离层裂隙，使得离层位置光纤耦合性降低；③ 相对滑动段，随着覆岩的不断破坏垮落，造成光纤在岩体大变形区产生应力集中，2者间产生相对滑动，此时测试数据不能直接用于覆岩变形破坏规律的分析。将导致光纤与岩体耦合性降低，部分岩体产生离层，使得光纤与岩土逐渐脱离。基于上述研究得出定性认识：在覆岩变形光纤监测中，感测光纤与上覆地层的耦合性随着覆岩变形破坏程度的不断加大而逐渐降低；受煤层采动影响，上覆岩层在竖直方向上将产生显著的变形分带区，且各光纤在各分带区的耦合性存在很大差异，因而在实际的监测过程中应将垂直分带特性纳入感测光缆选型和耦合性评价中。

侯公羽等基于BOFDA技术，通过室内采动覆岩物理模型试验，研究了垮落带和裂隙带的变形过程与演化特征，构建了采动覆岩“两带”分布及其演化的动态模型。利用模型内部横向光纤应变数据的突变点表征岩层垮落位置，利用应变数据的凸台横向长度表征“两带”分布范围。同时，联合纵横光纤数据总结了“两带”在采动作用下的时空演化特征，以及岩层垮落破坏高度和强度。柴敬等通过模拟覆岩层的变形运动，对长壁工作面覆岩变形的“横三区”结构特征开展了系统研究，利用埋入模型中的FBG传感器实时获取覆岩层变形和运动过程的波长变化曲线(图37)，揭示了工作面上覆岩层沿水平和垂直方向上的垮落发育过程，在岩层破断前后，层位越高，光纤应变曲线越近似于台阶状，监测数据准确表征了工作面上覆岩层垮落前后产生离层，以及下位岩层形成自由空间的现象。

图37 工作面采动下“横三区”的光纤表征

4.5 矿山大变形监测的光纤适用性

在矿山大变形监测方面，如何克服岩土体变形场监测的实时、大变形和自适应瓶颈，研发深部多场多参量监测技术装备和清洗数据算法成为推动DFOS技术在矿山工程深部开采监测中的关键一环。

(1)首先要大力研发分布式、鲁棒性强、耐久性好和稳定可靠的监测技术，研制适用于不同变形测量范围和适用环境的传感器，尤其是岩土体大变形监测和极端恶劣环境下可正常运行传感器的研制(图38)，并结合现场安装条件进行工艺改进。

图38 深部地质体传感器研发

(2)其次，从误差修正、关联分析和数据挖掘等方面加强关键层位数据缺失的机器学习研究。矿山作为一个复杂的系统，同时受到内部地质条件和外部环境因子的耦合作用，其累积位移曲线也呈现出非线性的变化规律。其中，受内部地质条件(如地质构造、岩性等)控制的位移可归纳为趋势项位移，受外部周期性环境因子(如开采速度、强度等)影响的位移可归纳为周期项位移。可采用移动平均法从采动覆岩累积位移时间序列()中提取出趋势项位移()与周期项()后，分别采用差分自回归综合移动平均模型(Autoregressive Integrated Moving Average Model, ARIMA)与随机森林算法(Random Forest,RF)对矿山采动覆岩变形趋势项位移与周期项位移进行预测；同时，采用多元贝叶斯优化算法对超参数进行优化，以提高预测精度。

4.6 多源多场监测系统的构建方法

采动覆岩变形的多源多场监测核心目的是获取采动作用下围岩的多场信息，从而对各场信息进行提取、处理与分析，并通过关联规则建立起多场信息的作用关系，进而深入分析其对覆岩变形的附加效应。在实际应用中，通常选取与覆岩变形关联度较高的温度场、渗流场、变形场及地电场进行研究。温度场监测通常基于ROTDR(Raman Optical Time-Domain Reflectometry)和FBG技术，快速获取地层内部温度场分布规律；渗流场监测的重点为松散层，即研究渗流对开采沉陷的影响，主要采用瞬态变温测量方法和温度梯度-渗流速率对应原理，建立基于渗流实测信息的三维重构算法；变形场数据的主要获取方式为分布式光纤监测数据，同时通过无线智能MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)传感器实现地层深部位移的高精度监测，建立深部位移多传感器协同监测系统；地电场监测主要通过埋设在顶板岩层中的电阻率单元，监测不同回采时期岩层结构性变形破坏过程中的电场变化，结合光缆应变数据提出应变-电阻率相关系数，及其与岩体变形破坏之间的关系。图39为多源多场监测系统具体实施方案。

图39 采动覆岩变形的多源多场监测系统实施方案

未来，矿山工程多源多场监测系统的构建应进一步将多场监测数据与风险控制有机结合，监测系统朝着多元化、多参数、全覆盖、全过程的方向发展，监测方式也将不断地向可视化、动态化、智慧化、一体化的预警预报过渡，信息化新技术与典型监测技术相融合将为实现矿山“透明化”提供强大支撑。

4.7 DFOS技术应用的规范化与标准化研究

考虑各矿区地质条件的复杂性、开采工艺的多样性，以及监测成本等多种因素，如何使DFOS技术在矿山工程中的应用具有规范化与标准化，成为DFOS技术在矿山工程应用中亟需解决的问题之一。对于地下煤炭资源，通常根据不同的埋深选择相应的开采方法，实际中主要分为两大类：

(1)对于浅埋煤层，通常在露天矿坡体表面开挖横向沟槽，将光缆沿沟槽中线水平铺设，并用原状土回填后进行坡体变形实时监测。结合待测边坡地质条件，将光纤设计成纵横交错的感知网络布设于坡体表面和内部，可实现坡体从线到面的立体监测。

(2)对于深埋煤层，由于开采深度较大，开采和监测难度倍增，如何可靠精准的获取监测数据是技术应用的关键，因而感测光缆的布设工艺在监测系统构建中发挥着重要作用。经过长期的室内外研究，目前已经形成一套标准化的井上井下安装布设工艺，如图6，7所示。总之，对于一些复杂地质条件背景下的覆岩大变形监测，往往还需通过设计与改进光缆结构以提高其强度，从而增大监测量程。总之，为促进DFOS技术在矿山工程应用规范化和标准化体系的构建，亟需通过制定相关的国家和行业规范来进一步完善监测系统布设流程，以实现DFOS技术应用的规范化与标准化。

5 结论与展望

(1)光纤感测作为一种新型智能感知技术，具有抗电磁干扰、耐久性好、灵敏度高、精度高和分布式监测等优点，且可实现实时自动化远程监测，已被成功应用于矿山工程煤层开采过程中围岩变形场、应力场、渗流场、温度场和振动场的监测中。从技术原理、传感器选型、仪器设备选型和监测系统布设等方面，系统地对现阶段矿山工程中应用较为广泛的FBG，UWFBG，OTDR，BOTDR，BOTDA，BOFDA和DAS等光纤感测技术进行了介绍。

(2)基于矿山工程往往具有范围广、多场作用、叠加效应明显、隐蔽性强、监测环境恶劣、动态响应要求高、监测周期长等特点。在实际监测过程中，通常根据监测目标和环境，选择相应的监测技术。分析了采用BOTDR和FBG的融合技术进行矿山工程全面监测研究的创新方法，即首先通过BOTDR技术(变形测量精度30×10、监测长度80 km、空间分辨率0.5 m)获取完整地层(巷道)的宏观信息，其次根据宏观信息定位出关键监测位置，进而通过FBG技术(变形测量精度1×10、温度监测精度0.1 ℃、监测长度为实际串联长度、空间分辨率2栅区长度)对关键位置的变形和温度信息进行加密监测，实现了大范围、分布式与高精度的互补，从而实现了点—线—面一体化的矿山工程实时精准监测。

(3)从采场覆岩变形破坏监测、采动诱发断层活化监测、煤柱稳定性监测、支承压力监测、破碎带注浆加固稳定性监测、井筒变形监测、采空区地面沉降监测、含水层压力监测、帷幕墙变形监测、露天矿边坡与光纤微震监测以及矿山温度监测与隐形火灾探测等重点方向对DFOS技术在矿山工程安全开采监测中的应用进展进行全面剖析，对比优选出各方向监测中适用的感测技术、传感器选型及布设方法。提出了结合DAS，AI，BOTDR和电法技术的一体化矿山安全开采监测创新方法，开展地下空间的“透明化”探测，以实现开采过程的动态、全面、精准和实时监测。

(4)随着信息科技的不断进步，矿山工程安全开采监测技术的总体发展趋势是：由过去的人工手动操作发展到无人值守式自动化监测；从单一监测发展到了点-线-面-体立体化监测，并向高精度、全覆盖、自动化和智能化方向发展。

目前，在技术层面上仍面临诸多挑战。笔者系统性讨论了DFOS技术在矿山工程安全监测中的关键问题，并结合理论与应用给出了相应的对策：

(1)在岩层变形失稳与光纤数据互馈机制研究方面，重点加强岩体受力破坏从形变段(胡克定律)到运动段(牛顿定律)的破坏规律研究，通过周期性数据规律，厘清岩层变形破坏与光纤数据互馈机制，克服深部岩体多场监测的实时、大变形、自适应瓶颈，进一步研究多场作用下煤层开采过程中光纤监测数据的响应特征。

(2)在光纤监测缆体与岩体耦合性能研究方面，开展钻孔岩芯室内试验研究，获取不同岩层的岩石力学参数，进而选择物理力学性质相近的注浆材料进行分段注浆。同时，可结合荷载类型、光缆类型、回填材料性质开展正交试验，为不同监测环境下光缆和回填材料的选取提供更加可靠的参考依据。

(3)在海量光纤感测数据的人工智能算法研究方面，加强监测区域和远程传输的可靠性保障机制研究，引入各类智能算法进行误差修正、关联分析和数据挖掘，解决矿山安全开采监测信息的三维实时可视化问题，并结合基于机器学习的多场数据融合技术，对监测对象的实时状态进行评估预测。

(4)在光纤实测数据表征方法研究方面，基于光缆应变峰值和应变突变点判定岩层破断垮落规律，结合岩体垂直分带特性，分析光纤与岩体的耦合性能对岩块的运动状态和光纤应变的表征作用。结合常规手段监测数据以及理论计算结果，对光纤测试数据进行对比校正，如利用高密度电法测试数据和经验公式进行“两带”高度计算，并同光纤表征数据进行对比验证，以提高光纤表征数据精准度。

(5)在矿山大变形监测的光纤适用性研究方面，开展对分布式、鲁棒性强、耐久性好和稳定可靠的传感监测技术研究，加强矿山深部开采安全监测传感器安装技术的研发，以满足极端条件下传感器的存活率。在充分考虑内部地质条件和外部环境因子耦合作用的基础上，加强关键层位数据缺失的机器学习研究，进而对矿山采动覆岩变形破坏趋势进行预测。

(6)在多源多场监测系统的构建方法方面，加强多场作用关系及附加效应在覆岩变形中的导向作用研究，全面发展多元化、多参数、智慧化、全程监控多源多场监测，深入开发可视化、动态化的监测预警模式，并建立风险等级划分与控制标准，研发集监测-预警-响应-处置于一体的多源多场监测系统。