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“光纤传感技术与矿山应用”专栏

来源：煤炭学报

专栏来自于《煤炭学报》2022年第8期，共4篇研究成果。

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  • 《煤炭学报》2022年第8期封面

    作者(Author)： 《煤炭学报》

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    煤炭学报
    2022年第08期
    260
    979
  • 《煤炭学报》2022年第8期目次

    作者(Author)： 《煤炭学报》

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    煤炭学报
    2022年第08期
    212
    335
  • 保护层开采下伏煤岩卸压效应及其光纤监测

    作者(Author)： 柴敬, 刘永亮, 王梓旭, 雷武林, 张丁丁, 欧阳一博, 孙凯, 翁明月, 张有志, 丁国利, 郑忠友, 张寅, 韩刚

    摘要：保护层开采卸压效果评价及范围划定是保护层开采防冲技术应用的重要指标。 以呼吉尔 特矿区葫芦素煤矿上保护层开采为研究背景，通过理论分析、光纤传感现场实测相结合的方法，分 析了上保护层开采后底板破坏深度，获得了上保护层开采后下伏煤岩体应力分布规律，被保护层应 力释放率及其变化特性，得出了被保护层卸压角和底板破坏深度等参数。 设计了 3 个钻孔将光纤 植入工作面底板，实现了底板煤岩体的走向 90.36 m、倾向 128.47 m、垂向 36.45 m 空间范围内的卸 压效果的实时监测。 获得了工作面推进从-300 ~ +255 m 的保护层卸压监测数据。 结果表明，上保 护层开采底板煤岩体应力沿推进方向可划分为“原岩应力—应力集中—应力释放—应力恢复”4 个 阶段，应力集中阶段位于工作面前方 60 m 范围内，应力释放阶段位于工作面后方 8 ~ 10 m 以后区 域，应力恢复阶段在工作面后方 58 ~ 67 m 以后区域。 保护层开采后底板应力释放率具有明显的空 间效应，垂直方向上应力释放率峰值波动范围为 4.2% ~ 71.6%，应力释放率峰值随底板深度增加呈 负对数减小。 水平方向上应力释放率峰值位置与底板深度之间呈对数关系增大，底板深度越大应 力释放率峰值滞后工作面距离越远。 将应力释放率为10%作为卸压临界值，确定了2-2中煤倾向卸 压角为 53.7°，走向卸压角为 63.5°，光纤光栅和分布式光纤监测系统测得的临界卸压深度分别为 29.8和30.0m，与理论计算结果偏差为1.1%~1.3%。 分布式光纤测得的最大应力释放率为24.5%， 光纤光栅测得的最大应力释放率为63.3%~81.0%。 最后，分析了分布式光纤传感技术和光纤光栅 测试在保护层开采卸压效果监测中的测试结果差异，对比了光纤测试和经验公式计算的底板破坏 深度。 光纤传感技术为保护层开采卸压范围监测方法提供了一种新的手段，实现了数据采集、空间 维度上对被保护层卸压效应的分布式、连续监测。
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    煤炭学报
    2022年第08期
    257
    825
  • 煤系上覆地层移动变形钻孔多参数监测技术

    作者(Author)： 张平松, 孙斌杨, 许时昂, 吴荣新, 付茂如, 甘圣丰, 刘畅

    摘要：精准获取煤层采动上覆地层结构全程演化特征与破坏规律是煤炭资源绿色、安全、高效开 采的重要研究内容。 光纤传感测试作为一种无源、高信噪比、高精度且长距离的变形监测技术，目 前在矿井工程领域得到应用。 结合煤系上覆地层移动变形研究现状及其技术发展思考，提出了钻 孔全断面多场多参数监测技术体系。 通过对光纤传感测试技术体系及常见的几类光纤技术(FBG，OTDR，BOTDR，BOTDA 和 BOFDA)在矿井应变监测中的应用分析，讨论了光纤监测技术在应用中 存在的 4 类关键技术问题;在对感知系统、调制解调系统、信号传输系统、数据处理与分析系统、远 程监控与预警处理系统 5 个系统组成研究的基础上，逐步构建了钻孔全断面多场多参量监测技术 体系，包括传感单元安装工艺、钻孔回填材料选取、多场参数联合反演及灾害预警等关键技术内容， 通过利用井下及地面钻孔布设岩土层变形等参数感知系统，进行多场多参数实时获取，可以实现对 岩土层变形破坏的动态预测评价。 结合陕西招贤井田一采区某工作面的地表垂直钻孔监测实例， 讨论了硬质顶板岩层钻孔全断面多场多参数监测的过程，揭示了岩层变形多场响应特征及其破坏 结构参数。 基于应变场和地电场(电阻率、电流)分布特征，并结合煤系地层地质资料，对煤层采动 期间超前支承压力、滞后垮落距离、“ 两带” 发育规律及离层演化特征等进行了综合分析。
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    煤炭学报
    2022年第08期
    215
    1175
  • DFOS 在矿山工程安全开采监测中的研究进展

    作者(Author)： 程刚, 王振雪, 施斌, 朱鸿鹄, 李刚强, 张平松, 魏广庆

    摘要：近几十年来，国内外矿山科研人员围绕“ 如何精准高效保障矿山安全开采” 进行了大量的 探索研究，通过经验观察、理论计算、数值模拟和室内外试验，在安全开采监测新方法、新技术和新 应用等方面取得了一批重要成果，推动了我国矿山工程安全开采监测技术的不断进步和监测理论 的不断完善。 分布式光纤感测技术因具有全分布、高精度、实时性、大范围和抗干扰等优势，已成为 当前矿山工程监测及应用领域的研究焦点。 以我国当前煤炭开采面临的客观问题为背景，重点对 采动覆岩变形破坏这一矿山工程安全开采核心问题的研究方法进行了系统性评述，从技术原理、传 感器选型与系统布设等方面详细介绍了几种典型的分布式光纤感测技术( FBG，UWFBG，OTDR，BOTDR，BOTDA，BOFDA，DAS) 的特点及其在矿山工程中的适用场景，并结合矿山工程安全开采监 测要求进行了光纤传感器选型、仪器设备选型和监测系统设计的对比分析，总结了 DFOS 技术在当 前矿山工程采动覆岩变形破坏、采动断层活化、煤柱稳定性、支承压力、破碎带注浆效果评价、井筒 变形、采空区地面沉降、含水层压力、帷幕墙变形、露天矿边坡与光纤微震以及矿山温度监测与隐形 火灾探测等重点方向中的应用进展，概述性地对矿山各应用方向中的理论与技术难点进行了梳理， 探究了矿山工程安全开采监测技术的发展趋势，对 DFOS 技术在矿山工程安全开采监测中面临的 覆岩变形破坏与光缆数据互馈作用、感测光纤与岩土体耦合性能、海量光纤感测数据的人工智能算 法、覆岩变形破坏的光纤监测表征方法、矿山大变形监测的光纤适用性、多源多场监测系统的构建 方法、技术应用的规范化与标准化等关键问题和挑战进行了论述，并结合监测数据响应特征、光缆 岩土体耦合性能、光纤数据的人工智能算法与表征方法、智慧化全程监控多源多场监测等应用提出 了相应的对策。
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    煤炭学报
    2022年第08期
    310
    775
  • 正交试验设计的 FBG 测力锚杆结构封装优化及应用

    作者(Author)： 梁敏富, 方新秋, 陈宁宁, 吴刚, 薛小妹, 宋扬, 张璠

    摘要：煤矿智能化开采是我国煤炭开采技术发展的新阶段，智能感知又是煤矿智能化开采的核心 技术之一。 针对深部巷道变形速度快、变形量大、底臌严重、难以形成统一的指导性锚杆支护方案 等问题，提出一种能感知锚杆杆体轴力的 FBG 传感器及围岩状态感知监测系统。 基于光纤光栅传 感基本原理，研究了 FBG 测力锚杆的关键技术，包括测力锚杆的结构设计、测力锚杆的工作原理和 应变传递机理;对比分析了基体表面粘贴封装和基体刻槽封装的 FBG 传感器应变传递规律，揭示 了 FBG 传感器的应变传递变化规律及影响因素。 运用正交试验法探究了黏结剂的剪切模量、凹槽 的形状以及光纤光栅的粘贴长度对应变传递效率的影响特征，提出 9 种试验方案，并设计 3 组锚杆 拉伸试验以获得测试结果。 通过极差分析得到:按照对应变传递效率影响大小排序，黏结剂种类对 应变传递效率造成的影响最大，其次为凹槽形状和光纤光栅粘贴长度;确定了最优封装方案，即使 用 AB 环氧树脂胶，凹槽形状为半圆形且粘贴长度为 100 mm 时应变传递效率最大。 通过方差分析 得到:黏结剂种类对应变传递效率的作用显著，其次为凹槽形状，光纤光栅粘贴长度对应变传递效 率的作用不显著。 在寺家庄矿 15106 回风巷建立了围岩状态感知监测系统并进行测试，应用效果 显著。
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    煤炭学报
    2022年第08期
    359
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