0 引言
煤矿巷道顶板变形监测是煤矿安全监控的研究重点之一。传统巷道顶板变形主要通过人工或机械式顶板离层仪测量，技术人员用现场观测、手工抄录的方式记录数据，存在观测不便、误差较大、数据实时性差等缺点。当前巷道顶板变形监测方式为基于井下工业环网的在线实时监测，采用电子式和光纤光栅式的位移传感器并以无线方式连接。如文献[1-4] 研究了基于工业以太环网与 485 总线的顶板监测系统；文献[5-7]提出了基于ZigBee和LoRa 技术的顶板监测系统，解决了无线通信技术无法同时兼顾远距离和低功耗的问题；文献[8-11]将光纤位移传感器应用到巷道围岩和顶板监测中。现有研究基本实现了巷道顶板变形实时、在线、自动监测，大大提高了煤矿生产的安全性。但是，当前使用的顶板监测系统还存在如下问题：① 传感器为点式布设，布设间距受顶板自然条件和人为因素影响很大，可能存在较多监测盲点，从而造成漏报、误报顶板事故，不能完全准确反映顶板变形情况和有效预防顶板事故[12-13]。② 顶板离层量与沉降量并不相等[14]，采用离层位移传感器监测顶板变形可能造成较大误差。③ 系统在断电和断网情况下无法正常工作。
针对上述问题，本文提出了基于分布式光纤技术的煤矿巷道顶板监测系统。该系统以布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer，BOTDR)为核心部件，实现了巷道顶板光纤应变数据的采集、存储、预警和查询功能，达到了对整个巷道顶板进行实时动态监测的目的。通过分析光纤应变监测数据，对巷道的安全性与稳定性作出正确及时的评价，可及早发现可能发生顶板冒落的区域，及时采取措施，避免巷道顶板事故，减少财产损失与人员伤亡。
1 系统总体设计
基于分布式光纤技术的煤矿巷道顶板监测系统如图1所示，井下部分主要包括传感光纤、通信光纤等，井上部分由光纤跳线、光开关、BOTDR、本地服务器主机、数据中心服务器、备用电源、网络交换机、通信防雷击保护和设备防雷击保护等组成。
图1 煤矿巷道顶板监测系统结构
Fig.1 Structure of coal mine roadway roof monitoring system
井下传感光纤固定到煤矿巷道顶板表面或内部，顶板变形使光纤产生应变。应变信息包含在背射布里渊光信号内。多个巷道布设的传感光纤分别冷接不同纤芯的通信光纤。多个包含光信号的通信光纤在井上接入光开关。光开关通过光纤跳线输出到BOTDR。井下数据采集和传输无需供电。
井上BOTDR 向井下光纤发射单端脉冲光信号，在同一端接收反射回来的布里渊背射光信号，并对其进行分析处理，得到井下不同巷道顶板上光纤任意位置的应变信息，形成数据文件和实时监测曲线。
井上本地服务器主机接收BOTDR处理的应变数据并保存在本地数据库；通过控制光开关切换监测线路，监控各条监测线路应变趋势；比较顶板变形程度与阈值设置，判断是否报警，并进一步确定报警级别。报警有多种方式，包括本地声光报警及通过手机或网络客户端发送报警信息等。此外，本地服务器还具有用户权限管理、服务管理、数据管理、消息管理、日志管理等功能。
2 系统原理
2.1 分布式光纤技术
布里渊光时域反射技术基于布里渊背向散射原理，是在光时域反射技术的基础上发展起来的一种新型的光电传感监测技术。该技术优点：① 实现了分布式测量。② 最大量程达 80 km，能够满足大型或超大型结构的需要，且传感光纤既可作为传感体，又可作为传输体，可实现长距离、全方位监测。③ 光纤是非金属绝缘材料，能够避免电磁干扰，抗酸碱腐蚀，且光波易屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤。④ 属于单端监测，即使光纤有断点也不影响光纤监测。⑤ 可通过网络与计算机终端连接，实现远程监测[10]。
BOTDR将被测参量作为光纤位置和长度的函数,可对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续测量，获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息。当 BOTDR 向光纤注入短脉冲光时光纤某处的应变发生变化，其散射的布里渊光频率也发生相应改变，如图2所示。
图2 BOTDR的应变测量原理
Fig.2 Strain measurement principle of BOTDR
在实验室对5 mm钢绞线光纤进行测试，得到拉伸长度-光纤应变-频移变化曲线，如图3所示。可见，布里渊频率漂移与光纤应变呈很好的线性关系。
光纤沿线某一点的应变值计算公式为
(1)
式中：ε为应变值；νB(ε)为应变ε对应的布里渊光频移值；νB(0)为自由状态的布里渊光频移值；dνB(ε)/dε为比例系数，即图3中直线的斜率，在入射脉冲光波长为1.55 μm 时，5 mm钢绞线光纤的比例系数约为 0.051 933。
图3 拉伸长度-光纤应变-频移变化曲线
Fig.3 Curve of tensile length-fiber strain-frequency shift
将传感光纤布设在结构物表面或植入结构物内部，结构物在荷载作用下发生变形时，相应部位的光纤也产生应变，应变段光纤所反映的入射光的布里渊背向散射光的频率将发生改变。在脉冲光的入射端，通过 BOTDR 测量接收到的布里渊背向散射光功率，完成光纤上各点布里渊频移的测量和定位。根据布里渊频移与应变的线性关系，可得到结构物的外表面的应变分布。
2.2 顶板变形测量原理
将光纤粘贴于顶板表面或植入顶板内时，顶板变形会带动光纤同步变形，两者变形耦合一致。煤矿井下巷道顶板由层状沉积岩层组成，顶板沉降变形常形成下凹的不规则圆弧形。对固定长度光纤和不同长度光纤2种情况进行分析。
(1) 假设光纤AB粘贴于煤矿巷道顶板，AB段长度为l，当此段长度内的顶板沉降变形时，光纤AB变形为圆弧ACB，ADB，AEB等，如图4所示。其中X轴表示沿顶板方向，Y轴表示与顶板垂直方向。
图4 固定长度光纤随顶板变形
Fig.4 Deformation of fixed length optical fibers with roof
设顶板沉降变形程度为δ，顶板沉降量为Δh，圆弧ACB，ADB，AEB的光纤应变分别为εACB，εADB，εAEB，则
δ= Δh/l
(2)
εAEB>εADB>εACB
(3)
式(2)和式(3)说明顶板变形范围一定时，沉降位移越大，附着的光纤应变越大。固定于顶板表面的光纤应变可以反映顶板变形情况，且应变大小与顶板沉降变形程度成正比。
(2) 假设顶板沉降位移量一定，在巷道轴向范围内沉降变形的长度发生变化，如图5所示，EF>CD>AB, 顶板沉降位移量一致，为Δh。根据式(2)得到EF段顶板变形最小，AB段顶板变形最大。此时，EF段顶板表面附着的光纤应变最小，AB段顶板表面附着的光纤应变最大。同样得到光纤轴向应变量与顶板沉降变形程度成正比。
图5 不同长度光纤随顶板变形
Fig.5 Deformation of Different Length Fibers with roof
上述分析说明顶板沉降变形使其表面附着的光纤受到轴向拉伸，产生轴向应变，光纤拉应变变化数值与顶板沉降变形程度成正比。通过分析光纤应变范围和应变值，可得到顶板沉降变形程度。
3 光纤选型及其布设和固定方式
3.1 光纤选型
受巷道掘进和工作面回采等影响，顶板常常处于不稳定状态，表面煤层破碎严重，经常会不均衡地、区域性地和突发性地发生沉降、断裂和冒落等。因此，必须选择抗拉性和抗剪切破坏强度较大的光缆，以避免被顶板破碎岩块压断破坏。本文选用高强度5 mm钢绞线光纤，如图6所示，其物理力学性质见表1。
(a) 光纤结构
(b) 光纤实物
图6 5 mm钢绞线光纤
Fig.6 5 mm stranded steel optical fiber
表1 5 mm 钢绞线光纤物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of 5 mm stranded steel optical fiber
3.2 光缆布设及固定方式
常规的表面粘贴光纤和内部植入光纤的方式在煤矿工作面巷道顶板很难做到。为了使光纤和顶板变形运动一致，设计了通过顶板锚杆、锚索定点固定光缆的间接固定方式，如图7所示。
(a) 实验室模拟锚杆固定光缆
(b) 巷道顶板采用锚杆索固定光缆
图7 传感光缆间接固定方式
Fig.7 Indirect fixing method of sensing optical cable
将一个防止变形的直角弯曲的高强度金属托盘用螺母紧紧地固定在锚杆上，托盘下端靠4个螺丝上紧2个金属夹片，夹片中间有凹槽，正好放置5 mm钢绞线光缆。依靠锚杆或锚索间接地把光缆固定在顶板上。
系统用于监测巷道走向上的顶板变形情况，因此，在巷道走向的顶板上布设一条或几条光缆，使光纤全分布地无缝覆盖巷道走向的顶板。
通过BOTDR不断向传感光纤泵入脉冲光，并接收、处理和分析传感光纤返回的布里渊背射散射光信号，实现了分布式光纤应变信息即整个巷道顶板变形信息的实时监测。这种监测方式不受人为因素和断电影响，且光纤应变定位准确，保证了巷道顶板变形监测的及时性、准确性和客观性。
4 系统软件设计
系统主界面如图8所示。左侧竖栏为所要监测的煤矿巷道名称，按照煤矿名称-采区名称-工作面名称-进风巷或回风巷名称4级结构命名。中间部分为所监测巷道的平面示意图。右下侧为实时监测的光纤应变图，右上侧为监测段煤矿巷道顶板实际图像。菜单栏包括报警设置、系统设置、曲线设置和测试设置。测试设置：设置测试量程、取样分辨率、应变系数、初始光纤折射率、脉冲光的脉冲宽度、扫描间隔和扫描的起始终止频率等。曲线设置：设置应变曲线的横坐标和纵坐标范围。系统设置：设置需要监测的巷道的名称、属性、平面图和顶板实际拍摄图像等。报警设置：设置光纤应变报警值和报警级别。
图8 煤矿巷道顶板监测系统软件界面
Fig.8 Software interface of coal mine roadway roof monitoring system
5 现场应用
在山西省阳泉荫营煤矿150313工作面的进风巷安装顶板监测系统，该进风巷为5.4 m×3.0 m的矩形巷道，担负输送带运输和进风功能，顶板为15号煤层，采用锚杆索和W钢带支护。现场光缆测试位置为顶板W钢带的424—698排，监测总长度为274 m。采用锚索固定光缆，如图9所示。从图9右上角放大图可见，光缆采用高强度直弯金属托盘固定在锚索上，托盘外侧下端固定塑料夹片，利用4个螺丝上紧夹片以固定光缆。该进风巷锚索间距1 000 mm，符合BOTDR的空间分辨率要求。
图9 顶板监测光缆现场布设
Fig.9 On-site layout of optical cable for roof monitoring
顶板监测系统从2018-12-01开始监测，每天一次，到2019-05-01，共监测6个月，期间工作面还没开始回采。入射光波长为1.55 μm，空间分辨率、采样分辨率、平均数和扫描频率分别为1 m，0.2 m，213和10 MHz。将第1天测得的应变值作为初始值，以后测得的应变值减去初始值，得到顶板光纤应变监测结果。选取几个日期的应变数据，如图10所示。424—698排钢带之间光纤应变在初始值附近波动，最大波动值在±40×10-6内，说明光纤应变基本没有变化，巷道顶板稳定。
在监测光纤应变的同时，采用顶板离层仪和十字法测量顶板位移，得到监测周期内顶板监测段的顶板离层曲线和顶板位移曲线，如图11所示。
图10 光纤应变变化曲线
Fig.10 Strain curves of optical fiber
图11 顶板离层仪和十字法测量结果
Fig.11 Measurement results of roof delamination instrument and cross method
从图11可见，顶板离层仪监测数据基本在1～3 mm范围内波动，处于稳定状态，与光纤应变表征的结果一致；利用十字法观测的顶板位移量在5～7 mm范围内波动，顶板沉降变化微小，表明150313工作面进风巷在没有受到回采影响的条件下，顶板一直处于稳定状态。基于光纤应变的顶板监测结果和顶板离层仪监测结果、十字法观测结果一致，验证了基于分布式光纤技术的煤矿巷道顶板监测系统的准确性。
6 结论
(1) 采用分布式光纤监测技术实现了对煤矿巷道顶板的实时在线分布式监测，为煤矿提供了一种无需供电、长距离、耐腐蚀、抗干扰和布设方便的巷道监测手段。
(2) 通过锚杆或者锚索端部固定光纤，可使煤矿顶板与光纤变形一致，能切实保证整条巷道顶板得到分布式监测，保证顶板变形监测的实时性和准确性。
(3) 煤矿顶板沉降变形使光纤产生拉应变，用光纤应变表征顶板变形程度消除了人为因素和断电等影响，保证了监测结果的客观性。
(4) 现场应用结果表明，光纤应变变化能够实时准确地反映顶板变形情况，基于光纤应变的顶板监测结果与顶板离层仪监测结果、十字法观测结果一致。
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