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| 分布式光纤在煤矿两带监测中的应用 |
摘要：分布式光纤监测(DAS)技术，作为一种新的物探技术，能够对与光纤相互作用的环境振动和声场信息进行分布式、长距离、高精度的实时检测，俗称光纤物探技术，其具有精度高、实时性、便捷和低廉等优势。本文结合近期在山西某矿进行的两带监测项目中的分布式光纤监测法，通过具体分析其理论与应用实际，以探究DAS技术在煤矿两带监测中的应用。近年来DAS技术配合光纤系统的勘探方法被广泛应用于收集自然条件下的地质数据、山区、河床、隧道、坝体和桥梁等环境。
关键词：分布式光纤监测技术；DAS技术；煤矿两带监测；
引言
近年来DAS在各个地球物理应用领域的发展已逐步成熟，有关学者将与DAS类似的分布式光纤温度传感技术(DTS)和光纤布拉格光栅技术(FBG)进行了对比分析，并利用不同技术的优势，在实际地质应用中进行了优势互补；蔡海文等对DAS技术的4个发展阶段及应用研究进行了回顾和评述，总结了DAS技术目前的一些成果；王子恒等详细说明了DAS系统的具体测量原理以及实际监测性能的技术参数，精确、稳定地重建了外界扰动模型，并认为声信号的频谱多样性角度能够反映目标体丰富的特征信息，为DAS系统应用于工程检测提供了理论依据和实践方法；2020年，中国科学院、中国科学技术大学、中国地震局等多家单位在北京国家地球观象台进行了DAS观测实验。实验中首次使用DAS设备，验证其在浅层结构研究中的可行性以及应用效果；林融冰等通过模拟水泥胶结、路面摆放、架空3种实际情况中的光缆布设方式进行主、被动源信号对分布式声波传感器的观测对比实验，结果表明，在相同叠加时长的前提下，水泥胶结光缆的噪声互相关函数信噪比在3种布设方式中最高。
1 分布式光纤监测系统的原理
DAS技术作为最先进的声场检测技术之一，其中的光纤勘探系统工作原理主要是基于光纤对声音或振动敏感的特性，对与光纤相互作用的环境振动与声场信息进行分布式、长距离、高精度的实时检测。正因为光纤材料具有抗电磁干扰、体积小、复用性高且价格低廉的特殊性，因此DAS检波器在地震勘探工作中可以进行长期、大规模的布设，并进行长时间、多次数的测量，从根源上解决了常规仪器成本高、布设难度大等问题。相比于常规检波器，DAS检波器更适合开展地震勘测工作。而布设在光缆上的检波器无需在测量后期移动，测量结束后也不需要逐个回收，使勘探效率大幅提高，对开展高效的井中地震勘探工作有极大的助益。在地震勘探的分布式光纤传感系统中，不同井段的缆线可以通过桥接的方式进行连接，从而实现测区测井的全井覆盖，十分适用于测量区域大或深井及超深井地震勘探工作。DAS检波器间距能够灵活调整，通过选择较小的采样间距获取具有较高空间分辨率的地震信息，减小空间假频对勘探数据的影响。
目前，DAS技术已经成为了世界范围内采集方法的研究热点，相关配套设施也逐渐趋于成熟，能够用于补充或代替传统检波器阵列进行地震勘探工作，以获取质量更好的钻孔地震数据；同时，DAS技术配套的光纤系统的便捷性使得该方法能够应用于更多地质工作场景。
分布式光纤传感器是地震监测传感器中光纤传感技术的一个分支，与其同类别的传感器还有点式传感器、准分布式传感器两种(图1-1)。
 图1-1 三种传感器原理示意图
DAS技术中的光纤勘探系统以光纤的弹光效应为基本原理，是一种可以实现振动和声场连续分布式探测的新型传感技术。光纤介质的介电常数或光折射率因介质中应力波的存在发生改变，从而影响光在介质中的传播特性，而介质存在的不均匀性会导致光通过介质时向各个方向散射。基于DAS技术的光纤勘探系统可以通过检测激光脉冲在光纤中散射引起的相位变化来测量光纤的轴向应变。系统主要由两方面构成：光纤(即传输介质)和地表仪器(即发射脉冲与探测瑞利散射信号的仪器)，其中每一小段光纤都相当于一个单分量应变仪。该系统的工作原理是：通过在特定的路径上铺设光纤，地表仪器系统与光纤相连；对主动源模拟或被动源产生的地震波进行探测，光纤接收振动信号并将信号反传回地表仪器；地表仪器分析振动信号并将其转换为地震信号，以便于进行后期数据解释。目前，主流DAS相关仪器的原理是结合相干瑞利散射对应变化高度敏感的特性(窄线宽单频激光在光纤中激发产生)与反射计原理，对与光纤相互作用的环境振动与声场信息进行长距离、高时空精度的感知。
2 光纤监测系统在煤矿两带监测中的应用
2.1 基本原理
本项目中使用的便携密集分布式光纤解调仪(图2-1)，基于光时域定位技术(OTDR)，实现了对分布式感测光缆的应变/温度多点测量，集光电、硬件、信号处理等高新技术于一体，并进行轻便设计，内部自带电池供电，尤其适合于工程现场定期采集数据。
便携密集分布式光纤解调仪是指反射率极弱的一种特种光纤光栅，相同周期的光纤光栅可以相互穿透，基于时分复用技术，即光纤光栅在串联情况下，不同位置光栅对同一入射光的反射时间存在差异，可实现在同一根光纤上复用多个弱光栅传感单元(大于2000个测点)。该技术结合了光纤光栅的传感优势和光时域技术的定位优势，可实现长距离工程的实时监测(图2-2)。
 图2-1a 便携密集分布式光纤解调仪  图2-1b 高密度定点密集分布式应变传感光缆  图 2-2便携密集分布式光纤技术原理图
2.2.1 数据处理
现场应用之前需要对传感光缆的相关参数进行标定。标定主要包括两个部分：一是温度系数的标定，二是应变系数的标定。
温度系数的标定相对比较简单，将一段长度远大于空间分辨率的光缆自由放置于水浴槽中，对光缆进行加热，测定光纤的布里渊频率漂移量与温度的比例关系，即布里渊频移—温度系数。本项目使用的传感光缆的标定系数为1.775MHz/℃(图2-2-1)。同样测试所得定点传感光缆的温度系数为1.062MHz/℃。
 图2-2-1 传感光缆的温度系数标定曲线
 图2-2-2 传感光缆的应变系数标定曲线
2.2.2 数据分析
煤层采动过程中，采空区岩层因为失去工作面支撑而打破原有平衡状态，致使上覆岩层发生变形、破坏和断裂，表现为上覆、下伏岩体的应力状态改变和耦合应力场的重新分布。
以分布式光纤测试为主，结合岩煤层变形位移、温度等参数进行测试，实现对岩煤层变形及移动规律的观测。煤层开采后致使顶底板岩层破坏变形，当煤岩体发生压缩变形时，传感光缆以压应变形式显现；当煤岩体出现裂隙扩张或者拉伸变形时，传感光缆以拉应变显现。期间，采用应变差值计算，以背景数据之后时间所采集数据与数据初值计算得到差值，通过对应变分布特征(应变极值点、畸变点、光缆断点等)及其变化规律的分析，与钻孔所穿过地层的岩性及结构进行对比与研究，进而对工作面回采过程中顶板变形与破坏程度进行判定与评价。
3 结论
目前，DAS技术凭借自身优势在地球物理勘探领域得到广泛应用，随着DAS技术在监测距离、灵敏度、多参数监测、多维监测等方面的突破，其逐渐可以用于补充或代替传统检波器阵列进行勘探工作，以获取质量更好的钻孔监测数据。
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