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分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用

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分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用
2021-05-06 10:16:10 阅读: 发布人:纵横智控

煤炭一直是中国的主体能源,煤矿地质监测是煤矿安全生产的重要保障. 分布式 光纤传感技术具有感测点连续、高精度、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,在煤矿地质监测中有 重要的应用. 该文介绍了布里渊光时域反射(Brillouin optical time domain reflectometry,

BOTDR)技术在煤矿地质监测中的应用. 重点介绍了采用分布式光纤传感技术进行采空区地 윆变形监测的方法和结果. 结果表明,分布式光纤监测技术能够满足煤矿地质监测需求,具有 良好的应用前景.

煤炭是中国重要的主体能源,在能源供给结构中处于重要战略和主导地位. 中国煤炭资 源储量丰富,预测地质储量超过 4.5 万亿吨. 煤炭在一次能源生产和消费结构中常年占据 60%

以上,到 2020 年,国内一次能源消费总量控制约 48 亿吨标准煤,煤炭消费控制在 62% 以 内[1]

. 预计到 2050 年煤炭在一次能源生产中仍将占 50%[2]

. 以煤为主的能源结构在相当长的 一个时期内不会改变,开发利用煤炭资源是能源禀赋、能源结构和经济社发展的必然选择.

在煤矿开采生命周期中,实现煤炭的绿色开采和安全生产是关系煤炭工业持续健康发展 的头等大事. 因此,煤矿地质保障技术及装备作为煤矿高效、安全、绿色开发的关键技术之一, 被列入高产高效矿井的五大保障体系.


随着中国浅硧煤炭资源储量的不断减少,煤炭的开采深度逐渐向深部发展[3]

. 深部巷道处 于高地应力、高地温、高渗透压的特殊地质条件下[4],容易引发剧烈的巷道变形和采场矿压, 进而导致发生岩爆与冲击地压事故、煤与瓦斯突出事故、突水事故的几率增加[5],严重影响煤 矿的安全生产. 目前通常采用地质勘查、物探、钻探、化探等技术解决煤硽结构、瓦斯赋存、 水害防治等煤矿地质问题,保障煤矿的安全生产[6]

. 上述技术在煤矿地质保障中发挥了重要作 用,但也存在传感器使用寿命较短、电学传感器存在安全隐患、难以实时测量等方面的问题.

分布式光纤传感技术具有感测点连续分布、抗电磁干扰、应变测量精度高、韧性好、抗变 形、磨损能力强等适合工程应用的特点,非常符合地质和工程安全监测的应用需求[7-9]

. 近年 来,研究者利用分布式光纤传感技术,在油气管道安全监测[10]、岩土工程安全监测[11]、石油 勘探[12]、输电线路安全监测[13]等领域中都开展了不同程度的研究和应用. 本文介绍了目前煤 矿地质监测中分布式光纤传感技术的一些应用,并给出了在煤矿采空区地砈稳定性监测中的

应用实例.

1 分布式光纤传感原理

光波与光纤介质中的粒子相互作用产生散射. 光纤中的散射光包括瑞利散射(Rayleigh

scattering)、布里渊散射(Brillouin scattering)、拉曼散射(Raman scattering),如图 1 所示.

图片关键词

布里渊散射是由光子和声学声子的相互作用产生的,由于存在多普勒效应,布里渊散射 光相对于入射光存在一个布里渊频移νB. 当探测脉冲光注入传感光纤唬,其在光纤沿线各位 置处产生的背向布里渊散光沿光纤原路返回到光纤入射端,且各位置处νB的数值与该位置处 光纤的应变量之间呈现出良好的线性关系,可表示为

图片关键词


式中,vB(ε) 为实际测量出的布里渊频率的漂移量,vB (0)为当应变为 0 时的布里渊频率的漂 移量,dvB(ε) dε 为比例系数,在 1 550 nm 波长其取值约为 493 MHz/%. 通过测量光纤中的背向 布里渊散射光的频率漂移量 vB 就可以得到光纤沿线的应变分布信息,从而实现分布式光纤应 变传感. 在目前发展较成熟的基于布里渊散射的分布式光纤应变感测技术中,布里渊光时域反 射(Brillouin optical time-domain reflectometry, BOTDR)技术基于光时域反射原理与自发 布里渊散射,可以实现单端检测而不需要提供回路光纤,在岩土与地质工程中具有明显优势. 目前商用的 BOTDR 仪器测试距离通常可达数十 km,在空间分辨率为 m 量级的情况下,应

变测试精度可保证在数十 µε 量级。关键词:远程控制RTU


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