基于DFOS的采场围岩变形破坏监测研究进展与展望*

孙斌杨 张平松

(①深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室， 淮南 232001， 中国) (②安徽理工大学， 地球与环境学院， 淮南 232001， 中国)

0 引 言

我国独特的能源体系“缺气、少油、相对富煤”，使得煤炭在一次能源消费中占据较大的比例。同时，中国工程院战略研究表明，直至21世纪中叶煤炭产能仍将达到34×108t，因此煤炭的主体地位在短期内不会改变(袁亮等， 2018)。

我国虽然富含大量的煤炭资源，但是成煤地质条件差异性较大，开采利用难易程度不一。新一轮能源革命预示着煤炭开采将面临“深部化”和“西部化”，因为中东部地区浅埋煤层已逐步枯竭，以平均每年10～25m的开采速度向深部发展。目前，深部煤炭开采基础研究相对薄弱，使得煤炭行业在满足能源发展需求的同时，自身也付出了较大的代价(袁亮， 2017)。深部高地应力、高地温、高承压水及采动影响的复杂地质条件严重阻碍煤矿安全高效绿色生产(何满潮等， 2005)。例如， 2017年5月24日淮南矿业集团潘二煤矿井下12123工作面底板联络巷透水事故，出水造成的经济损失约3600×104元； 2020年6月26日淮南矿业集团潘三煤矿1652(3)工作面发生冒顶事故，造成2名救援人员死亡； 2017年1月17日山西中煤担水沟煤业4203工作面设计布置时未考虑邻近工作面开采扰动影响，致使巷道应力集中发生顶板事故，造成10人死亡，经济损失高达1517.46×104元。由此可见，当前煤矿典型动力灾害(顶底板、水害、冲击地压等)仍频繁发生，采场围岩变形破坏的精准探测亟待解决。

图 1 常见光纤传感技术工作原理图Fig. 1 Working principle diagram of common optical fiber sensing technology a. FBG； b. BOTDR； c. BOTDA； d. BOFDA

煤(岩)层在开采过程中，采场围岩原始应力场的平衡状态被破坏，经过应力多级次相互作用，导致煤层顶底板以及巷道围岩发生明显的变形破坏，最终将达到二次平衡状态。采场围岩应力场的重新分布同样会破坏巷道围岩内部结构，进而改变巷道内支护的受力情况，严重者会破坏支护结构，使得巷道围岩发生片帮、底鼓等现象。故研究顶板岩层破坏、巷道围岩变形以及底板损伤发育等特征，精准认识深部煤炭资源开采所导致的围岩变形与破坏规律是进行科学采矿、岩层控制及水害防治等的基础(陆炎光等， 1994； 钱鸣高等， 2010)。多年来，国内外学者针对采场围岩变形破坏的研究很多，并取得了一系列成果，在各个阶段均发挥了巨大的作用。总体来说，采场围岩变形破坏规律研究方法大致可分为4类，分别为理论方法(钱鸣高等， 1995； 施龙青等， 2005； 谢广祥， 2005)、经验公式(国家煤炭工业局， 2000； 胡小娟等， 2012)、模拟方法(程久龙等， 2000； 缪协兴等， 2005； 张平松等， 2011； 柴敬等， 2021)、现场实测(许家林等， 2004； 张平松等， 2004，2017，2020； 张玉军等， 2008； 张丹等， 2015)，不同方法均有各自的优势和不足，如表 1所示。

表 1 采场围岩变形破坏研究方法概述Table 1 Research methods of deformation and failure of surrounding rock in stope

表 2 不同光纤传感技术优缺点对比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of different optical fiber sensing technology

可见，采场围岩变形破坏的理论研究大致可以分为3个阶段：初期探索的“黑箱阶段”、中期发展的“灰箱阶段”和现阶段发展的“白箱阶段”。随着研究的逐步深入，对于采场围岩变形的掌握趋于透明化。但是深部煤炭资源利用面临更加复杂的地质力学环境，使得相关理论的适用性受到限制。以“三下”开采规范为主导的经验公式在一定时期内发挥了较大作用。西部资源开采利用过程中，其地层结构、岩性组合与华北地区差异较大，传统公式基本不适用。模拟试验难以重构复杂地质条件，且人为调参因素影响较大。现场测试中常规注压水等多为“一孔之见”，地球物理测试方法中传感器一般为点式传感器，获得数据较少、范围较为局限，同时以二维静态探测数据为主，难以获得分布式监测数据体，致使对岩层破断微观结构的分辨和判断能力受限，如何高效精准判别采动期间岩层运移规律仍然面临巨大的挑战。如果可以对采动围岩进行实时多场在线监测，及时获得多场综合信息，对分析岩层破断发育、水岩耦合、应力、位移等规律会提供很大帮助。

分布式光纤传感测试技术(DFOS)包括准分布式和全分布式两种类型(施斌， 2017)，其除了具有点式传感器体积小、重量轻、耐腐蚀等特点外，其还可以实现长距离、分布式监测，且抗电磁干扰、灵敏度高。目前已研制出百余种光纤传感器，其中面向复杂地质环境测试还对常规光缆进行了特制加工，已广泛应用于航空航天、军事、土木、水利、能源、电力、智能结构等领域。同时其自身兼具传感、传输于一体的特性，使得其在采场围岩变形监测中具有不可替代的优势。

本文着重阐述了分布式光纤传感测试技术中FBG、OTDR、BOTDR、BOTDA和BOFDA的测试原理，并举例评价了该技术在采场围岩变形破坏监测方面的研究进展。在现有研究的基础上，总结并分析了该技术在实际应用过程中存在的不足，并对基于DFOS的采场围岩变形监测后续发展趋势提出了展望和建议。

1 分布式光纤传感测试技术

1.1 工作原理

近年来，应用于采场围岩变形破坏的光纤传感技术主要有光纤光栅型的光纤布拉格光栅(Fiber braggart grating， FBG)； 瑞利散射型的光时域反射技术(Optical time-domain reflectometer， OTDR)； 以及基于布里渊散射原理的光纤测试技术，根据声子散射的不同又分为自发和受激两种形式，其中自发布里渊散射主要为布里渊散射光时域反射技术(Brillouin optical time-domain reflectometer， BOTDR)，受激布里渊散射主要包括布里渊光时域分析技术(Brillouin optical time-domain analysis， BOTDA)和布里渊散射光频域分析技术(Brillouin optical frequency domain analysis， BOFDA)(柴敬等， 2021a)。上述几类传感测试技术由于其自身原理的不同，适用条件也不尽相同，如表 2所示(施斌， 2017； 李豪杰等， 2018； 吴海颖等， 2019)。例如FBG、OTDR、BOTDA和BOFDA多适用于物理模拟试验中，而BOTDR由于其单端测试的优点多适用于现场监测。各自的工作原理示意如图 1所示。由图 1可见，光纤传感器对应变及温度变化均具有较高敏感性，因此在对测试区的应变场进行分析时，需要对光缆的频移进行温度补偿。目前较为常用的温度补偿手段主要有参考光纤法、Landau-Placzek比率法、基于布里渊散射谱的双参量法和基于特种光纤的双频移法。但是上述几种方法在应用中均存在较大问题，需要深入了解光纤材质自身对温度系数的影响。针对此，焦浩然等(2018)基于BOFDA对其进行了探讨，提出一种对感测光纤整体进行温度补偿的新思路。

1.2 监测系统工作流程

不同类型的光缆及光纤解调设备具有各自的特点，因此针对不同的研究对象需配备合适的测试系统，整个工作流程大致可以归纳为：确定研究对象、光缆及设备选型、测试系统布设、数据采集、处理分析、信息反馈。具体如图 2所示。

图 2 基于DFOS监测工作流程Fig. 2 Monitoring workflow based on DFOS

由图 2可见，光缆及设备的选型对数据的有效性十分重要。目前，国内一些高校和单位正在进行光纤传感器的研发，其中具有代表性的是苏州南智传感科技有限公司，其专门从事光缆的研发、设计和生产，已经走向市场化，可根据需求加工不同类型的光纤传感器。调制解调仪是监测系统的核心部件，目前国内使用的高精度分布式光纤解调仪大多依靠进口，仅有中国电子科技集团41所等几家单位自主研发出核心技术，陆续生产了BOTDR等仪器设备。同时，对于采场围岩变形光纤监测的自动化监测系统仍然属于“灰色”阶段，希望有关部门和专家加大科研投入力度，早日实现我国深部矿井光纤监测的自动化、可视化和智慧化，为透明矿山建设提供基础数据保障。

2 基于光纤测试的采场围岩变形破坏监测研究进展

2.1 采场覆岩变形破坏监测

工作面回采后，原生地质条件被破坏，煤岩层空间结构在采动应力、构造应力等复合作用下发生重组，在关键层等岩层控制下，上覆岩层将发生不同程度的变形破坏，依据破裂程度将其划分为垮落带、导水裂缝带和弯曲下沉带，即“竖三带”。同时其横向岩层由于采动应力、煤壁支撑、垮落压实等作用，将形成不同应力分区，工作面前方煤壁受超前应力影响将形成应力集中区，覆岩垮落为充分充填将形成离层区，采空区重新充填压实后将形成垮落压实区，即“横三区”。如图 3所示(钱鸣高等， 2010)。“横三区”、“竖三带”的岩层控制理论认知对采场覆岩变形破断运移破断机理及时空演化具有重要的指导意义。

图 3 采场覆岩“横三区”、“竖三带”分布示意图Fig. 3 Distribution diagram of “horizontal three zones” and “vertical three zones” in overlying strata of stope 1. 弯曲下沉带； 2. 导水裂缝带； 3. 垮落带； A. 煤壁支撑影响区； B. 岩层垮落离层区； C. 采空区重新压实区

上述岩层结构形态尚处于“灰色”阶段，如何对其进行精准探测仍然是一个较为复杂的科学问题。早期的测试技术如全站仪、百分表(黄庆享， 2009)、近景摄影(朱庆伟等， 2016)等，尚不能良好地去测试和表征岩层移动规律，随着光纤传感测试技术的发展，其在理论认知、方法测试研究方面均取得了较大的进步，同时相对于常规传感器具有分布式、无源等无法比拟的优势，使得其可以对岩层移动进行有效地捕捉、科学地分析。期间主要利用光纤光栅准分布式应变及分布式应变(DSS)技术，通过监测应变的变化来监测岩层移动信息。

不同形变状态下岩层的应变变化特征不同，袁强(2017)对岩层在不同变形程度条件下光纤测试机理进行了研究，从光纤-岩层力学结构角度出发，系统分析了光纤在不同岩层结构内的受力特征，认为光纤处于覆岩垮落带内时由于岩体的剪切作用，其应力特征以拉应力为主，当岩体与光纤剥离后，光纤将处于松弛状态或者受到挤压应力； 光纤处于裂缝带内时，由于裂缝带岩层变形程度低于垮落带，因此光纤受力较小且同样以拉应力为主； 当光纤位于弯曲下沉带内时，弯曲带岩层变形程度远低于垮落带，光纤受力特征同样不明显。可见，光纤可以对不同类型的覆岩变形进行良好的表征，通过应力、应变等参数可以反演岩层变形状态。

近年来，相关学者针对采场覆岩变形做了大量的研究，主要包括模拟试验和原位测试。光纤技术的应用较好地解决了煤岩体内部应变难以有效连续分布式观测的难题，无论是模拟还是实测均采用将光缆植入待测岩体内的方法进行布设，常用的布设工艺如图 4所示，针对不同的测试对象可以选择合适的观测系统进行研究，以便达到最佳效果。

图 4 覆岩光纤监测系统布设示意图Fig. 4 Layout diagram of overburden optical fiber monitoring system

近年来，国内相关学者针对此做了大量的模拟试验。为了研究光纤检测岩层变形的有效性，将光纤光栅预埋入水泥砂浆内，通过模型加压对比分析光栅波长变化与应变片的一致性，结果表明光纤光栅测试灵敏度高、精度高、存活率高，可以对岩层运移进行有效的监测(柴敬等， 2012)。基于传统的矿山压力理论，柴敬等(2015b)利用三维模型模拟长壁工作面回采并附加光纤光栅传感器对采动覆岩“横三区”进行检测，结果表明，FBG检测曲线的“三台阶”变化分别良好对应了覆岩破断前的离层发育、岩层破断和回转运动过程。大倾角煤层由于赋存条件复杂，其运移规律和采动空间应力演化特征与常规煤层具有明显的差异。柴敬等(2019)基于BOTDA和DIC综合测试技术，分析大倾角煤层回采后覆岩变形规律与演化特征，研究结果表明光纤可感知岩体内部微弱变形，顶板垮落前应变达到极值，随即应力释放； 同时表明大倾角煤层顶板变形具有非对称性，与基础理论一致，如图 5所示。

图 5 大倾角煤层顶板活动规律光纤监测研究(柴敬等， 2019)Fig. 5 Research on optical fiber monitoring of roof movement law in steep coal seam(Chai et al.，2019) a. 大倾角煤层顶板结构特征； b. 主要监测系统； c. 大倾角工作面倾向顶板垮落特征； d. 大倾角工作面顶板垮落光纤响应特征

随着工作面趋于深埋、大采高方向发展，其上覆岩层的运移范围更广，稳定的砌体梁结构的形成向上位发展，同时坚硬顶板下岩层的破断会形成更大的冲击动力，导致关键层运动更为剧烈，需要探索坚硬厚顶板条件下岩层破断的发生机理。柴敬等(2015a)基于传统的矿山压力理论，利用光纤布拉格光栅对覆岩关键层运移规律进行分析，实现了对上覆关键层受力特征的实时监测，波长漂移量曲线与关键层运动良好对应。程刚等(2017)针对具有闪长岩侵入的覆岩结构进行二维相似模拟，利用BOTDA测试分析采动条件下上覆岩层的运移规律，探讨了离层演化机理，研究结果表明应力突变区域多分布于关键层底部，且关键层的存在控制了离层的演化过程。

目前，中东部地区浅部煤炭资源逐渐枯竭，亟需解放水体下呆滞煤量，提高工作面回采上限，同时西部煤炭开采导致生态环境脆弱区水资源流失十分严重。精准探测煤层上覆岩体采动条件下变形破坏机理，获取“两带”高度是解决水体下压煤开采和保水采煤的关键。针对此，西安科技大学柴敬教授团队探究了采动岩体导水裂缝发育与光纤检测数据的相关关系，提出了光纤与采动岩体的耦合关系量化指标“光纤-岩体耦合系数”，基于耦合系数将覆岩垂直分带分为5种类型，为覆岩变形监测提供了新的思路(杜文刚等， 2021)。南京大学施斌教授团队、中国矿业大学李文平教授和朴春德副教授团队、中国矿业大学(北京)侯公羽教授团队、安徽理工大学张平松教授团队做了大量的现场测试研究。张丹和张平松等首次提出了利用BOTDR对煤层采动覆岩变形破坏运移机理进行实测和分析，详细介绍了钻孔光缆安装工艺，分析了光缆的应变分布特征，根据光缆损耗最大点及断点判断“两带”发育高度，为覆岩变形测试分析提供了一种新型的分布式应变检测方法(张丹等， 2015； Zhang et al.，2017)。刘瑜(2018)以榆神府矿区为研究对象，利用BOTDR对采动过程中的上覆岩层变形破坏规律进行实时监测，结果显示中上部岩层主要承受压缩-拉伸应变，而下部覆岩以压缩-拉伸-压缩为主，且主要产生拉张破坏，研究结果为西部生态环境脆弱区煤矿协调资源开发与生产损失之间的矛盾提供了一种新型的解决手段。Hu et al. (2018)利用BOTDR对采煤覆岩整个运移过程进行了研究，光缆应变结果表明，在煤层回采期间采空区覆岩首先在中部发生破碎，然后沿水平方向向煤柱发育； 采空区覆岩存在3种运移状态，初始的稳定状态、应变曲线陡增表明岩层破碎，存在较大离层或者下方岩层发生垮落、应变一致的岩层将整体运移，同时实测结果与钱鸣高院士提出的“砌体梁”力学模型一致。朴春德等(2015)采用BOTDA测试分析了淮北杨柳矿覆岩变形特征，探讨了离层演化机理，结果表明离层位置受力特征与岩性组合结构、硬岩厚度、采区布置等相互关联，实测离层结果与理论公式计算基本一致，说明基于BOTDA的覆岩关键层运移监测成果具有科学指导意义。Sun et al. (2021a)等针对提高巨厚松散含水层下回采上限进行了光纤监测研究，实测导高裂采比为14.29～15.13，裂缝带顶界面距离强含水层底界面较远。进一步揭示了覆岩变形破坏机理，裂隙首先沿着层内水平方向延展，然后随着煤层的回采，横向裂隙进一步扩大，同时产生竖向裂隙。针对西部地区深埋特厚煤层，Sun et al. (2021b)提出利用地面垂直钻孔植入光纤监测的方法，对采动条件下覆岩变形破坏机理进行实测研究与分析。监测成果如图 6所示，当工作面位于钻孔前方时，钻孔内传感光缆前期表现为压应变，后期局部转化为拉应变； 当工作面位于钻孔后方时，孔内剩余光缆主要表现为拉应变。顶板岩性及岩层结构对覆岩破坏规律的影响显著，变形破坏优先发生于软弱岩层或裂隙发育较多岩层； 岩层垮落及应力状态自下而上呈“台阶”状发展，横向和垂向上的受力存在分带性和时序性特征。

图 6 光缆应变分布示意图(Sun et al.，2021a，2021b)Fig. 6 Schematic diagram of strain distribution of optical cable(Sun et al.，2021a，2021b) a. 工作面在钻孔前方； b. 工作面在钻孔后方

2.2 底板破坏及突水预警监测

承压水体上带压开采一直是煤炭科技工作者的研究对象，影响采场底板变形破坏的因素按照力的划分主要有原始构造应力、采动应力和高承压水，其中采动影响及高承压水对底板变形裂隙孕育、扩展，岩层运移破断等起到控制作用。我国华北地区含煤地层主要是石炭二叠系，其下伏太原组石灰岩、奥陶系石灰岩承压含水层对煤层开采影响巨大，如淮南矿区的A组煤开采等。因此，对承压水体上煤层开采底板变形破坏规律进行精准探测具有重要意义。工作面回采过程中顶底板岩层受力分析及破坏分区示意如图 7所示(钱鸣高等， 2010)。

图 7 底板岩层受力变形及分区示意图Fig. 7 Stress and deformation and zoning diagram of floor strata a. 压缩渐变区； b. 压缩区； c. 过渡区； d. 膨胀区； e. 重新压实区

近年来，为了节约煤炭资源常采用沿空留巷技术代替区段煤柱，但是随着巷道断面的逐步增大，沿空留巷导致的底鼓破坏愈发严重，但发育机理尚不明确。针对此，华心祝等(2018)基于顾桥矿典型深井大断面沿空留巷工程背景，开展相似物理模拟试验研究，使用BOTDA进行底板变形监测，揭示了该技术条件下底板变形的动态演化特征，对巷道支护及突水防治具有重要指导意义。鄂尔多斯盆地准格尔煤田主要开采石炭-二叠系煤层，针对某矿典型地质条件(深埋，约500m； 特厚，均厚17m； 高承压水，灰岩水顶界面距离煤层底板约50m)，张平松等(2019b， 2021)对该采区内多个工作面进行底板钻孔光纤超前原位监测(图8)，获得了区内底板岩层破坏特征及演化规律，研究工作面底板破坏特征具有一定的相似性，受采动影响导致的底板变形破坏在空间上呈现东北区域浅、西南区域深的分布规律，且底板破坏多位于细砂岩以上层段，底板扰动影响未波及到奥陶系含水层顶界面。

图 8 准格尔煤田某矿底板钻孔光纤监测(张平松等， 2021)Fig. 8 Optical fiber monitoring of floor drilling in a mine of Zhungeer coalfield(Zhang et al.，2021) a. 采区工作面分布图； b. 61303工作面应变分布； c. 采区底板破坏深度分布； d. 底板扰动影响深度分布

上述底板突水监测均是通过分析底板变形破坏深度和有效隔水层之间的关系来判断是否有突水风险，同时还可以分析矿井突水水源来判别是否有突水前兆，主要根据物理和化学成分分析。基于水源温度差异性，张平松等(2016)通过构建相似物理模型，对底板突水所引起的岩层温度场变化进行光纤测试模拟，如图 9所示。根据光纤监测结果显示，分布式光纤温度测试(DTS)技术能够对模拟底板突水温度场进行快速敏感的捕捉，通过监测可以有效圈定温度异常区，判断是否存在突水危险，从而进行风险评判。宁殿艳(2013)针对煤层底板突水监测系统所需的传感单元进行了研发，研制了一种新型的光纤光栅三分量传感器，通过温度特性试验表明所研制的传感器在低温范围内使用时，其灵敏系数可以达到1.23 pm/με，工作性能满足实验要求。

图 9 底板突水室内模拟光纤监测(张平松等， 2016)Fig. 9 Simulated optical fiber monitoring in floor water inrush chamber(Zhang et al.，2016) a. 传感光缆布设示意图； b. 突水时温度变化及水位上升曲线

2.3 采动诱发断层活化监测

采掘工作面开挖将直接影响煤岩层原始应力状态，打破原有平衡直至二次平衡，当工作面附近断层地质构造发育时，其采动应力将导致断层面上力学性质发生变化，一旦剪切应力超过断层抗剪强度，断层上下两盘将发生相对运动，即断层活化(赵毅鑫等， 2018)。根据工作面回采方向与断层面走向之间的关系，可以将其分为两种情况，一种是回采方向与断层面走向平行，即断层位于外侧煤柱内，另一种是回采方向与断层面走向垂直，即工作面朝着断层面推进，其又可以分为两种亚类，一类是工作面位于断层上盘，一类是工作面位于断层下盘。断层面附近力学特征简化示意如图 10所示。

图 10 断层面受力分析示意图Fig. 10 Stress analysis diagram of fault plane

近年来，矿井深度逐年增加，深部采区动力响应特征显现，尤其是在地质构造发育区更易发生动力灾害，其中断层更是一种典型的多发地质构造。基于此，相关学者做了大量工作，但是缺乏对断层面法向应力和剪切应力的系统分析，多以数值模拟进行计算，光纤传感测试技术的应用为获取断层面剪切应力提供了一种行之有效的技术方案。张丁丁等(2020)基于DFOS技术对煤层回采期间断层面及上下盘的应力状态进行了监测研究，利用相似模拟试验模拟工作面从断层上、下盘向断层面推进的过程，并在模型中布设多条垂直和倾斜的光纤测线，从而获得断层面的应力数据，如图 11所示。模拟结果验证了工作面从下盘推进引发断层活化的可能性远大于上盘推进的结论。同时，上盘推进引发的断层面剪切应力要小于下盘，所得结果对工作面优化提供了技术指导。

图 11 断层活化监测部分成果(张丁丁等， 2020)Fig. 11 Some results of fault activation monitoring (Zhang et al.，2020) a. 模型布设示意； b. 推进75 cm模型现象； c. 断层面F11光纤测试结果

图 12 断层活化光纤实测结果图(张平松等， 2019a)Fig. 12 Measured results of fault activated optical fiber (Zhang et al.，2019a)

对于煤层回采如何导致断层活化，断层活化后又如何影响围岩应力状态的机理尚不清晰，而且多基于数值模拟和物理模拟进行研究，与实际情况偏差较大。针对此，张平松等(2019a)结合淮南某矿地质条件，利用分布式光纤传感测试技术对断层进行实时监测，获得了测试空间连续数据体，如图 12所示。研究结果表明，DFOS技术提供的数据信息量大、精度高，可为断层活化提供判别依据； 回采工作面邻近保护煤柱区内断层面易受到采动影响诱发活化效应，应变表征以拉应变为主。

2.4 煤柱稳定性监测

随着采深的加大，基于采动效应影响使得巷道围岩力学性质趋于复杂化，巷道变形程度愈发严重，合理有效的布设巷道及留设一定尺寸的保护煤岩柱是解决巷道变形的重要手段。为了评价煤柱稳定性及科学留设区段煤柱，Chai et al. (2004)首次采用光时域反射技术(OTDR)用于相似模型的变形测试，结果表明其可以对煤岩层移动及煤柱稳定性进行监测。后期基于平面相似模型，利用光纤传感测试技术研究煤柱内部应变规律，实时监测煤柱稳定性。研究结果表明，煤柱内应力系数与区段煤柱宽度无直接关系，但是煤柱内部应力分布状态与煤层底板压力有良好的对应关系(柴敬等， 2017)。Sun et al. (2020)结合淮南某矿地质条件，提出了采用井下钻孔与BOTDR相结合的方法，对煤岩柱区内的受力特征进行分析，揭示了回采过程中煤岩层受力变形发育规律，合理划分了受采动影响后煤岩柱区的横向影响范围，煤柱区岩层整体呈现拉应变趋势。如图 13所示。

2.5 支承压力监测

采场支承压力分布规律一直是矿山压力岩层控制的核心研究内容，其对巷道围岩失稳、冲击地压及煤与瓦斯突出等具有决定性作用。工作面支承压力分布示意如图 14所示(钱鸣高等， 2010)，为了获取采场围岩支承压力分布规律，前期多采用数值解析方法，但是其难以反映复杂环境下的应力分布。

图 13 保护煤柱区光纤监测成果(Sun et al.，2020)Fig. 13 Optical fiber monitoring results of coal pillar protection area(Sun et al.，2020)

图 14 工作面支承压力分布示意图Fig. 14 Distribution diagram of abutment pressure in working face

近年来，围绕超前支承压力和倾向支承压力做了大量的光纤监测模拟研究，揭示了光纤光栅与支承压力变化呈现镜面反射，波长漂移与支承压力线性相关，提出了支承压力光纤光栅测试灵敏度参数，定量分析了围岩采动支承压力的分布规律，建立了围岩采动支承压力分布模型，为采场支承压力测试提供了一种新的测试手段(柴敬等， 2016)。当采场覆岩存在巨厚砾岩层时，工作面回采极易引发应力集中现象，从而导致巷道变形失稳，关键在于倾向支承压力的分布规律研究。柴敬等(2018a)通过建立采场倾向支承压力理论模型，进行了理论计算，并搭建三维模型进行光纤监测，分布式光纤测试结果显示倾向支承压力的分布规律表现为不变-增大-峰值-减小-不变，模拟测试与理论计算结果基本吻合。针对采场超前支承压力，Zhang et al. (2020a)以内蒙某矿61103工作面为例，开展井下实测研究，于工作面底板施工一垂直回采方向的钻孔，根据应变测试结果可将超前支承压力分为5个区域，分别为应变稳定区(A)、应变缓慢增高区(B)、应变明显升高区(C)、应变降低区(D)和应变转换区(E)，如图 15所示。同时在采区邻近工作面进行钻孔验证，两个工作面实测资料基本一致，基于此建立了适合该采区的超前支承压力分布模型示意图。

图 15 采场超前支承压力光纤实测特征分析 (Zhang et al.，2020a)Fig. 15 Analysis of optical fiber measurement characteristics of stope advance abutment pressure(Zhang et al.，2020a) a. 监测系统布设； b. 超前支承压力分区

图 16 断层破碎带注浆后光纤应变监测结果Fig. 16 Optical fiber strain monitoring results of fault fracture zone after grouting

2.6 破碎带注浆加固稳定性监测

断层破碎带注浆加固与含水层改造是承压水体上煤(岩)层安全开采水害防治的有效方法之一。如若不对破碎带进行提前注浆加固，其将形成水源通道危及矿井安全生产。为了评价淮南某矿断层破碎带注浆加固效果，笔者课题组对其进行了深入研究，在掘进巷道硐室内朝断层面施工若干钻孔，并于孔内安装分布式应变和温度传感光缆，进行DSS和DTS综合监测，评价断层带附近富水性及验证地面注浆效果。前期的监测成果如图 16所示，可见钻孔控制范围内主要包含两类地质体，一类是F1断层破碎带，另一类是煤层和砂质泥岩等正常岩性。巷道贯通前后，两类地质体的应变变化具有明显的差异性。其中：F1断层破碎带内岩层由于经过地面注浆加固等措施，改变了原有的破碎岩层特性，主要以混凝土块体为主，弹性模量明显增大，因此应变变化量相对煤层和砂质泥岩等正常岩性较小。由此说明，F1断层破碎带经过地面注浆加固后岩层的完整性得以改善，岩石力学性质中的抗压、抗拉强度明显增强。同时经过现场地质勘查及矿压资料分析，巷道掘进期间未发现较大的片帮及淋水现象，进一步验证了光纤监测结果的合理性。

图 17 岩体-回填材料-光缆(护套-金属加强件-涂覆层-光纤)相互作用示意图Fig. 17 Schematic diagram of interaction between rock mass-backfill material-optical cable (sheath metal-reinforcement-coating-optical fiber)

通过构建合理的观测系统，使用不同类型的光纤传感器(应变、温度)进行组合测量，可以实现对采场围岩内破碎带注浆加固的稳定性监测。

3 研究现状分析与展望

经过十几年的发展，基于DFOS技术监测采场围岩变形破坏取得了长足的进步，主要是基于布里渊频移、波长和光损的变化，获取围岩体应变、温度信息，从而反演岩层的完整性、稳定性和安全性，进而实现对采场围岩稳定性的监测。目前，相关学者在光纤应用理论、数值计算、物理模拟和现场实测中做了大量的研究工作，但是仍然有一些技术难点亟待攻克，主要表现在以下几个方面：

3.1 岩层变形失稳与光纤数据体互馈机制研究

深部采场围岩变形是一种非线性的复杂地质力学问题，是岩体内应力场、渗流场、温度场、化学场、裂隙场等多场耦合的不断相互叠加作用的一个过程。揭示采动围岩多场耦合运移机理，建立岩层变形失稳的新理论，是实现采场围岩变形破坏光纤监测与精准判识的基础。其主要突破点在于研究复杂地质构造条件下，岩层运移与光纤数据体的互馈机制，揭示煤层回采和多场耦合作用下岩层运移过程中光纤表征值的响应规律。同时，应结合理论推导、数值模拟和物理模拟等确定岩层变形光纤测试敏感参数，进一步形成相应的定量评价方法。

3.2 光纤监测缆体与岩体耦合性研究

光缆自身由护套、金属加强件(包层)、涂覆层和纤芯组成，其空载受力状态下应变测试精度由四者之间的传递性能决定。当利用光缆进行采场围岩大变形监测时，应变传递关系将更加复杂，这里以常规金属基索状应变传感光缆为例，进行解释分析，如图 17所示。岩体-钻孔回填材料-光缆之间的相互耦合性将是决定光纤监测精度的关键点，如何解决其中的应变传递关系，将光纤测试应变转化为岩体真实应变，将是后期研究的重点。张丁丁等(2015)建立了考虑钻孔半径、封孔材料弹模的准分布式光纤光栅应变传递模型，认为钻孔半径越小，弹性模量越大，平均应变传递效率越高。柴敬等(2020)利用光纤测试应变值计算岩层弯曲扰度并与DIC测试结果进行对比分析，对光纤-岩体耦合定量评价，提出了光纤-岩体耦合系数。张诚成等(2019)对地面沉降分布式光纤监测岩土-光缆耦合性进行了深入分析，提出了地层-钻孔回填材料-传感光缆耦合性定义和数据有效性评价方法，建立了地层-钻孔回填材料-传感光缆应变传递模型，研究成果为钻孔地层剖面的全方位精细化解释提供了理论依据，同时也为采场围岩变形破坏全断面监测应变解析提供了技术参考，同时后期应考虑光缆自身材质对应变传递的影响。

对于注浆材料，考虑钻孔内含有不同类型的岩性，需进行分段注浆，每段注浆材料需根据不同岩层物理力学性质进行配比，从物性上降低注浆材料与原岩之间的差异性，提高应变传递性能。

3.3 数据可视化处理及模拟软件研究

结合人工智能、大数据、互联网、物联网等关键技术，研发基于云计算及深度机器学习的光纤海量数据处理与分析软件，实现应力场、温度场的实时反演，提高异常自动定位及前兆信息主动识别精度。实现高精度反演的同时，应同步研发光纤数据的正演模拟，通过构建数学模型或实体模型来计算、实测探测目标体的应变、温度值。光纤数据的正反演一体化模拟软件将弥补部分极端条件下无法原位测试的不足，进一步推动光纤监测技术的发展。

3.4 岩层变形破坏的光纤监测表征方法研究

3.2节已经提到光缆测试应变并非岩体真实应变，如何利用光纤测试结果对岩体变形发育规律进行总结分析成为研究的重点。目前，根据公开发表的文献可以得到，基于光纤测试岩层变形主要有两种方法去判断岩层是否受到扰动和变形。第1类是根据光缆应变的峰值和应变的突变点，去表示岩层破断垮落的位置，根据应变峰值(应变突变点)之间的范围去表示岩层变形的范围(张丹等， 2015； 侯公羽等， 2020a； Sun et al.，2021a)； 第2类是根据布里渊频移平均变化度的概念对岩层的来压情况进行判别，传感光缆的布里渊频移曲线反映了岩层变形的位置和程度(柴敬等， 2018b)。

上述方法对于模型试验光纤监测较为适用，但是对于现场实测具有一定的局限性，因为深部岩体变形类似一个“黑箱”，仅通过应变最大值等无法确定其如何运移、是否变形破坏。笔者认为应建立典型地层岩体变形破断应变测试参数和阈值数据库，通过对采场围岩岩体进行取样，进行室内三轴等加载实验，测试岩层变形破坏过程中的应变场响应特征，获得不同状态下岩层的应变参数，量化不同岩性岩石受力变形破坏过程中与应变场之间的相关关系。

3.5 矿山大变形监测光纤适用性研究

通过梳理采场围岩变形光纤监测研究进展不难发现，现场实测中无论对于顶底板变形还是支承压力研究，随着工作面逐渐靠近监测断面，钻孔内光缆将极易发生错断，从而无法进行有效的数据采集，导致关键层位数据缺失。目前有两种解决方法： (1)从光缆结构本身出发，增大光缆直径，从而加大自身的抗剪强度，但是限于钻孔孔径及光缆加工工艺，厂家不可能无限制地扩大直径，目前市面上流通的最大定点光缆直径达到18mm。(2)从数据处理角度进行数据填补。Sun et al. (2021b)采用克里金插值的方法将地面垂直钻孔中下部缺失数据进行插值填补，对覆岩变形发育机理进行辅助分析。但是其仅对断点邻近数据体有效，后期数据将无法进行准确插值。冀汶莉等(2021)基于室内模拟试验光纤数据缺失现象，建立了多测点单属性小样本缺失数据的最小二乘支持向量机缺失数据填补方法，此方法相对于BP神经网络和3次样条插补方法更为有效，但是其是否适用于实测光纤海量数据还有待进一步研究。韦超群等(2020)基于完整光纤监测数据利用MATLAB语言的三维3次样条插值法对线性数据进行三维立体化展示，效果良好，但是后续需考虑数据缺失情况下的数据立体化展示。

3.6 多相多场耦合监测系统的构建研究

无论是分布式光纤还是准分布式光纤光栅，其测试所得应变均为一维线性应变，在测试精度上和异常解释上具有一定的局限性。目前，多相多场耦合监测是发展的主流，深度融合地质保障信息，构建多场耦合模型，反演采场围岩变形破坏发育机理及演化规律，揭示采动影响下围岩介质应力场-应变场-渗流场-温度场-地球物理场等多相多场耦合机理。柴敬等(2021b)将FBG、BOTDA和DIC技术结合建立“点-线-面”三位一体的测试系统，一定程度上提高了解释精度。张平松教授团队利用光纤传感和高密度电法，建立“光-电”综合观测系统，其中电阻率测试可进行面内反演，得到二维、三维解释图形，一定程度上弥补了一维线性应变的不足(张平松等， 2019c； Sun et al.，2021a，2021b)。但是目前“光-电”监测仅局限于方法上的融合，并未在数据处理上进行异构融合，仍存在信息孤岛、单一系统封闭现象。后续可将光纤数据进行拟地震化处理，深入研究“光-电”监测数据的联合反演。

3.7 建立井上下一体化多参量监测预警平台

目前，对于矿井光纤监测仍然采用人工单次连续采集数据的方式，其效率较低，而且人工误差容易导致数据发生畸变，亟需实现长周期全自动连续监测。基于智能矿山建设、煤炭精准开采的前提，后期应构建可实现采场围岩变形破坏多相多场海量动态信息智能感知、远程传输存储、多源信息主动分析的系统平台，从而实现顶底板变形、矿压等动力灾害远程在线智能预警，为矿井安全生产提供技术参数。相关学者利用井下工业环网设计了一种基于分布式光纤技术的巷道顶板监测系统，为光纤矿井在线监测提供了技术参考，但是其仅限于单一应变场，无法满足透明矿山建设的需求(Naruse et al.，2007; Moffat et al.，2015; 侯公羽等， 2020b)。后续应结合人工智能、互联网、物联网等构建采场围岩变形破坏多场源预警与智能决策平台，主要围绕复合型传感器、精准定位、数据深度挖掘、成套装备等方面开展研究(袁亮等， 2020)。

4 结 论

全面梳理分析了现有采场围岩变形破坏光纤监测技术的发展现状，首先介绍了常用的几类光纤测试技术，对比分析了各自的优缺点，然后重点阐述了近十几年来该技术应用于采场围岩变形监测的研究进展，并对现状进行分析，提出了几点建议和后续展望。

(1)光纤传感作为一种新型的监测技术，在采场围岩变形场、应力场、温度场等表征方面具有重要意义。根据工作原理不同，可分为多种类型，目前较为主流的有FBG、OTDR、BOTDR、BOTDA和BOFDA。主要利用波长、光损和布里渊频移的变化反演应变和温度的响应特征。

(2)基于DFOS监测采场围岩变形破坏主要围绕以下6个方向开展， 1)采场覆岩变形破坏监测； 2)底板破坏及突水预警监测； 3)采动诱发断层活化监测； 4)煤柱稳定性监测； 5)支承压力监测； 6)破碎带注浆加固稳定性监测。其中：针对不同的研究对象，需制定对应的监测系统，选取合适的感知单元，从而实现有效的光纤监测。

(3)采场围岩变形光纤监测理论、缆体耦合、施工工艺、数据处理及表征、监测系统适用性等方面仍需进一步深入研究。通过现有技术分析，认为工作面安全高效绿色生产需要加强对采场全空间、多参数、多维多尺度的实时监测和精准判识，研发采场围岩动态监测技术体系，构建井上下一体化智能监控平台和评价系统，并结合地质条件等对采场围岩变形破坏进行综合评判和透明化三维表达。

目前，矿山光纤监测尚处于初期研究阶段，研究单位也局限于南京大学、中国矿业大学、西安科技大学和安徽理工大学等少数几家科研院所，亟需制定矿山类大变形分布式光纤测试相关的技术规范或规程，做好现场测试技术人员的业务培训工作，不断提升监测技术的应用效果，从而对分布式光纤感测技术在矿山围岩监测中的推广起到积极促进作用。