分布式光纤煤矿安全监测

一、方案背景

我国煤炭储量丰富，探明煤炭储量超过 1.5万亿吨，位居世界前列。2022年我国能源消费总量是54.1亿吨标准煤，其中煤炭消费量占能源消费总量的56.2%，2022年我国煤炭产量为44.96亿吨，是世界上产煤量最大的国家。

然而煤炭资源的开采也引发了一系列问题，如采动引起的覆岩破坏变形可能导致支持系统失稳，对采矿工人的生命安全造成威胁；采空区上方覆岩的变形会造成地表的沉降变形，对采煤地区的环境造成产生重大影响，影响土地资源的利用；煤层采动覆岩变形可能导致堆积体滑塌，导致排水系统阻塞或遭到破坏；此外，煤层采动覆岩变形可能使瓦斯逸出管道断开，最终造成瓦斯爆炸事故，对人员造成伤害。为了减少这些风险，需要对煤层采动覆岩变形进行持续监测，并及时采取有效措施。分布式光纤传感技术具备可长距离监测、抗电磁干扰、耐腐蚀、高灵敏度、安装方便等优点，可以全面实现煤矿安全监测，为瓦斯治理、矿压防治、离层水害防治等提供保障。

随着煤炭工业的不断发展，煤炭开采的范围也逐渐向纵深处发展，竖井井工的开采方式逐渐成为煤矿开采的重要方式，煤矿井筒属于深长型永久型结构，其耐久性要求较高，同时由于地下水、地应力和有害化学物质等环境因素的影响，会导致井壁出现开裂受损等现象，进而对井壁结构承载力产生威胁，甚至可能导致立井结构直接出现失稳、坍塌等严重灾害事故，严重威胁井下工作人员的生命安全，因此对井筒变形实时监测，对保障煤矿安全生产具有重要意义。

二、方案概述

1）采动覆岩分布式光纤监测

利用分布式光纤传感技术可以在煤矿采区内实现实时连续监测，为使应变传感光缆与覆岩更好地耦合，根据实际勘察的情况，在未开采的煤层上方围岩处垂直向下打一钻孔，采用钻孔埋入法将光缆绑在PVC管上植入钻孔中，在与通信光缆、法兰连接后，引至大巷，采用精度更高的BOTDA模式，将光缆两端均接入分布式光纤解调仪，随着工作面的推进，开采工作逐渐靠近监测孔时，采区的影响圈也逐渐靠近监测孔，应变传感光缆可以精准感知到在此过程中覆岩体的变形，并通过分布式光纤解调仪将数据展现给用户。根据传感光缆的拉应变分布及应变量的大小可以分析围岩松动圈的范围，根据其应变状态及其变化，再结合地层的分布特征，可以分析出地层变形状态并能够对采动过程中的离层变形进行监测和分析。根据监测及分析所得到的数据，用户可以针对性的优化改进采煤和支护措施，同时及时补救采动带来的安全风险。

2）煤矿井筒分布式光纤监测

起初，研究人员对煤矿井筒的变形监测主要是通过布设光纤光栅传感器的方式，取得了一定的研究成果，但是由于光纤光栅传感器属于准分布式的传感器，虽然比传统点式传感器的效果有所改善，但是在井筒长距离、大范围的监测优势不大。我司的分布式光纤监测方案在大范围、长距离的监测中优势明显，通过在井壁竖向和环向布设应变传感光缆，可以实时监测井壁应力变形情况，监测数据实时传输到监测站中的分布式光纤解调仪中，可以帮助用户及时发现安全风险，使得采煤作业更加安全可靠。

三、监测方案示意图

采动覆岩分布式光纤监测方法示意图

井筒变形监测分布式光纤布设示意图

四、方案功能特点

1）耐水性、电绝缘好、耐腐蚀，抗电磁干扰；

2）通信容量大、速度快、灵敏度高，可远距测量；

3）分布式光纤解调仪的监测距离长，超过60km，可以根据用户的需求进行选择，设定的空间分辨率在整个距离范围内保持不变，光学预算高，光纤安装余地大；

4）监测系统连续有效性高，可提供大坝完整性危害的实时信息；

5）专有的监测软件确保对检测到的事件进行智能分析，建立有效的通信预警，并最小化误报。

五、主要监测设备

1）长距离分布式光纤解调仪DITEST

2）应变传感光缆SMC