一种分布式光纤煤矿顶板安全监测系统及方法
阅读说明：本技术 一种分布式光纤煤矿顶板安全监测系统及方法 (Distributed optical fiber coal mine roof safety monitoring system and method ) 是由 靳宝全 李顺班 白清 高妍 张红娟 王宇 刘昕 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明一种分布式光纤煤矿顶板安全监测系统及方法,属于煤矿顶板安全监测技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种分布式光纤煤矿顶板安全监测系统硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括窄线宽激光器、分布式光纤多参量融合传感系统、信号采集处理模块、GFPR光缆,窄线宽激光器产生的光波进入分布式光纤多参量融合传感系统,GFPR光缆产生的布里渊散射光信号与瑞利散射光信号进入分布式光纤多参量融合传感系统,分布式光纤多参量融合传感系统输出布里渊散射光信号与瑞利散射光信号进入信号采集处理模块,信号采集处理模块同时解调出布里渊频移、瑞利散射光相位、强度,得到GFPR光缆沿线的应变、温度和微震信息；本发明应用于煤矿。(The invention discloses a distributed optical fiber coal mine roof safety monitoring system and a method, belonging to the technical field of coal mine roof safety monitoring; the technical problem to be solved is as follows: the improvement of a hardware structure of a distributed optical fiber coal mine roof safety monitoring system is provided; the technical scheme for solving the technical problems is as follows: the distributed optical fiber multi-parameter fusion sensing system outputs Brillouin scattered light signals and Rayleigh scattered light signals to enter the signal acquisition processing module, and the signal acquisition processing module simultaneously demodulates Brillouin frequency shift, Rayleigh scattered light phase and intensity to obtain strain, temperature and microseismic information along the GFPR optical cable; the invention is applied to coal mines.)
技术领域
本发明一种分布式光纤煤矿顶板安全监测系统及方法，属于煤矿安全监测技术领域。
背景技术
近年来，随着光纤和光纤通信发展极大推动了光纤传感技术的发展，由于光纤传感技术具有长距离测量、抗电磁干扰、分布式等优点，使其在煤矿巷道监测领域应用前景广泛。在我国主要消耗能源种类中，煤炭仍处于前列，所以保证煤矿的安全开采是社会生产生活稳定运行的前提。煤矿工作面回采会破坏原始地层的平衡状态，导致内部岩层应力突变造成形变，同时岩层受构造运动作用，造成断裂构造并产生微破裂信号，使煤矿顶板的形变继续增大，直至出现顶板下沉弯曲，当下沉弯曲的裂隙达到极限时，煤矿顶板就发生坍塌。工作面回采前，岩体中含水构造处具有明显的低温异常特征，在回采过程中，顶板岩体的热对流作用随采场推进逐步加强，岩体温度逐步降低，水体的温度影响范围逐步增大，在采动应力和水压力的共同作用下，顶板断裂突水，岩体温度会出现显著的突跳。煤矿顶板坍塌和突水是导致煤矿事故的主要原因，因此对顶板安全进行监测是必要的。通过同时测量应变、温度和微震信号，可以有效反映顶板和岩体的状态变化。
在分布式光纤多参量融合传感系统实际测量中，温度和应变这两个参量发生变化时，会导致布里渊频移和强度也发生变化，且其随着温度和应变的变化呈线性变化，随之出现了温度和应变交叉敏感现象，无法准确测量温度和应变。为了可以准确测量光纤的温度和应变信息，就需要解决温度和应变交叉敏感的问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种分布式光纤煤矿顶板安全监测系统硬件结构的改进及监测方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种分布式光纤煤矿顶板安全监测系统，包括窄线宽激光器、分布式光纤多参量融合传感系统、信号采集处理模块、埋设在煤层内部的GFPR光缆，窄线宽激光器产生设定波长的光波进入分布式光纤多参量融合传感系统，GFPR光缆产生的布里渊散射光信号与瑞利散射光信号进入分布式光纤多参量融合传感系统，分布式光纤多参量融合传感系统输出布里渊散射光信号与瑞利散射光信号进入信号采集处理模块，信号采集处理模块同时解调出布里渊频移、瑞利散射光相位、瑞利散射光强度，得到GFPR光缆沿线的应变信息、温度信息和微震信息。
所述分布式光纤多参量融合传感系统包括第一光耦合器、电光强度调制器、脉冲发生器、掺铒光纤放大器、光滤波器、光环形器、声光调制器、第二光耦合器、双端平衡探测器、差分放大器、双频带通滤波器、射频功率放大器、混频器、微波源、第一低噪放大器、第一带通滤波器、第二低噪放大器、第二带通滤波器；
所述窄线宽激光器产生的光波经第一耦合器分为两路输出，包括一路探测光和一路参考光；
其中第一光耦合器输出的探测光进入电光强度调制器，电光强度调制器的脉冲输入端连接脉冲发生器，电光强度调制器将第一耦合器输入的探测光转换为脉冲光，经掺铒光纤放大器放大和和光滤波器滤波后经光环形器注入GFPR光缆，GFPR光缆产生的布里渊散射光信号与瑞利散射光信号经光环形器返回进入第二光耦合器的输入端；
第一光耦合器输出的参考光经过声光调制器后移频，进入第二光耦合器的另一输入端与探测光混合相干后，通过高频响应的双端平衡探测器进行外差相干检测，同时得到射频信号和中频信号的混合信号；
混合信号经差分放大器放大后，经过双频带通滤波器滤波分为射频信号和中频信号两路信号；
其中，射频信号为布里渊散射信号，布里渊散射信号经过射频功率放大器后与微波源的输出信号在混频器进行混频，经过第一低噪放大器、第一带通滤波器处理后，由信号采集处理模块采集布里渊散射信号，通过解调布里渊频移，实现对应变的测量；
中频信号为瑞利散射信号，经过第二低噪放大器和第二带通滤波器后，由信号采集处理模块采集瑞利散射信号，之后对瑞利散射光强度和瑞利散射相位进行处理，实现对微震信号的探测定位和温度的测量。
所述信号采集处理模块包括数据采集卡和计算机，其中数据采集卡将分布式光纤多参量融合传感系统输出的两路布里渊散射光信号与瑞利散射光信号进行信号采集后，通过计算机对布里渊散射光频移和瑞利散射光强度、相位进行解调。
所述GFPR光缆埋设在煤矿顶板工作面的具体埋设方式为：
在煤矿松散层、上火成岩、下火成岩、工作面顶板、煤层内的科研钻孔垂直埋设GFPR光缆，科研钻孔封孔时，在钻杆的尾部安装一个导向体，将GFPR光缆固定在尾部导向体上随着钻杆进入到钻孔底部，随后进行注浆封堵并拔出钻杆，进而将GFPR光缆植入到科研钻孔中。
一种分布式光纤煤矿顶板安全监测方法，包括如下步骤：
步骤一：通过分布式光纤煤矿顶板安全监测系统采集的布里渊散射信号和瑞利散射信号计算得到布里渊散射光频移和瑞利散射光相位；
步骤二：根据步骤一计算的布里渊散射光频移和瑞利散射光相位数据，构建布里渊-瑞利融合温度应变双参量传感矩阵，计算出GFPR光缆沿线的应变、温度信号变化量，通过对瑞利散射光强度电信号进行频谱分析计算出微震信号的频率值并实现定位；
步骤三：根据步骤二得到的变化量，计算机显示监测系统所测的应变、温度和微震信号，实时监测上火成岩、下火成岩和工作面顶板的运动状况，当所测应变量在工作面顶板稳定临界值设定范围内且工作面顶板与下火成岩出现离层时，以及上火成岩、下火成岩和工作面顶板温度出现显著的突跳或发出震动异常信号时，计算机及时进行预警。
所述步骤二中构建布里渊-瑞利融合温度应变双参量传感矩阵，计算出GFPR光缆沿线的应变、温度信号变化量的具体过程为：
根据光纤的弹光效应和热光效应，当温度和应变发生改变时，光纤的折射率、长度等会发生变化，进而使得光纤瑞利散射相位发生变化，其表达式如下：
上式中：为相位变化量，Δε和ΔT分别为应力变化量和温度变化量，k0为传播常数，L为传感光纤长度，n为传感光纤折射率；
进一步表达式为：
上式中：ΔφR为应力和温度引起的总相位变化量，Cφε、CφT分别表示瑞利散射光相位的应变系数和温度系数；
根据光纤的弹光效应和热光效应，当温度和应变发生改变时，光纤的折射率、长度等会发生变化，进而使得光纤布里渊频移发生变化，其表达式为：
ΔvB＝CvεΔε+CvTΔT；
根据布里渊散射光频移和瑞利散射光相位变化量，温度和应变变化量计算公式如下：
上式中：ΔvB、ΔφR分别为布里渊频移和瑞利散射相位变化量，ΔT、Δε分别是温度和应变的变化量，CvT、Cvε分别表示布里渊散射光频移的温度和应变系数，CφT、Cφε分别表示瑞利散射光相位的温度和应变系数。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明采用分布式光纤传感技术实现对煤矿顶板安全监测，通过同时测量工作面顶板岩体应变、微震信号和岩层温度，实现顶板突水、异常形变及顶板岩层分离预警，解决了单一指标监测预警误判率较高的问题。而光纤传输无需供电，提高了现场安全性，避免了电磁干扰的影响。
本发明构建布里渊-瑞利融合温度应变双参量传感矩阵，建立温度应变双参量解调方法，可以同时准确测量温度和应变，消除光纤因损耗、弯曲和接头等对传感系统的影响，解决系统中存在温度和应变交叉敏感问题。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明分布式光纤煤矿顶板安全监测系统的结构示意图；
图中：1为窄线宽激光器、2为第一光耦合器、3为电光强度调制器、4为脉冲发生器、5为掺饵光纤放大器、6为光滤波器、7为光环形器、8为声光调制器、9为第二光耦合器、10为双端平衡探测器、11为差分放大器、12为双频带通滤波器、13为射频功率放大器、14为混频器、15为微波源、16为第一低噪放大器、17为第一带通滤波器、18为第二低噪放大器、19为第二带通滤波器、20为数据采集卡、21为计算机、22为GFPR光缆、23为科研钻孔、24为松散层、25为上火成岩、26为下火成岩、27为工作面顶板、28为煤层。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的分布式光纤煤矿顶板安全监测系统，包括：窄线宽激光器1、第一光耦合器2、电光强度调制器3、脉冲发生器4、掺铒光纤放大器5、光滤波器6、光环形器7、声光调制器8、第二光耦合器9、双端平衡探测器10、差分放大器11、双频带通滤波器12、射频功率放大器13、混频器14、微波源15、第一低噪放大器16、第一带通滤波器17、第二低噪放大器18、第二带通滤波器19、数据采集卡20、计算机21、GFPR光缆22、科研钻孔23、松散层24、上火成岩25、下火成岩26、工作面顶板27、煤层28。
其中，窄线宽激光器1的输出端连接第一光耦合器2的输入端，第一光耦合器2的第一输出端连接电光强度调制器3的输入端，脉冲发生器4的输出端连接电光强度调制器3的脉冲输入端，电光强度调制器3的输出端连接掺铒光纤放大器5的输入端，掺铒光纤放大器5的输出端连接光滤波器6的输入端，光滤波器6的输出端连接光环形器7的输入端，光环形器7的输出端连接GFPR光缆22，光环形器7的返回端连接第二光耦合器9的第二输入端，第一光耦合器2的第二输出端连接声光调制器8的输入端，声光调制器8的输出端连接第二光耦合器9的第一输入端，第二光耦合器9的输出端连接双端平衡探测器10的第一输入端和第二输入端，双端平衡探测器10的第一输出端和第二输出端连接差分放大器11的第一输入端和第二输入端，差分放大器11的输出端连接双频带通滤波器12的输入端，双频带通滤波器12的第一输出端连接射频功率放大器13的输入端，射频功率放大器13的输出端连接混频器14的第一输入端，微波源15的输出端连接混频器14的第二输入端，混频器14的输出端连接第一低噪放大器16的输入端，第一低噪放大器16的输出端连接第一带通滤波器17的输入端，第一带通滤波器17的输出端连接数据采集卡20的第一采集口，双频带通滤波器12的第二输出端连接第二低噪放大器18的输入端，第二低噪放大器18的输出端连接第二带通滤波器19的输入端，第二带通滤波器19的输出端连接数据采集卡20的第二采集口，数据采集卡20将采集的信号输送到计算机21进行数据处理，得到光纤沿线信息。
本发明应用于监测煤矿顶板安全时的光纤铺设方式为：在工作面内的科研钻孔23垂直埋设GFPR光缆22，科研钻孔23封孔时，在钻杆的尾部安装一个导向体，将GFPR光缆固定在尾部导向体上随着钻杆进入到钻孔底部，随后进行注浆封堵并拔出钻杆，进而将GFPR光缆植入到科研钻孔中。将GFPR光缆22的尾纤连接到分布式光纤传感系统，将光信号传到系统中，同时解调出布里渊频移、瑞利散射光相位、瑞利散射光强度，进而得到GFPR光缆沿线的应变信息、温度信息和微震信息。当所测的应变、温度或振动接近巷道顶板报警临界值时，及时进行预警。
本发明的监测系统结构图如图1所示，窄线宽激光器1产生波长为1550nm的光波经20∶80第一光耦合器2分成两路，第一光耦合器2输出的80％的探测光经电光强度调制器3变为脉冲光，经掺铒光纤放大器5放大和和光滤波器6滤波后经光环形器7注入GFPR光缆22，产生的布里渊散射光信号与瑞利散射光信号经光环形器7返回进入50∶50第二光耦合器9的输入端，第一光耦合器2输出的20％的参考光经过声光调制器8后移频到80MHz，进入第二光耦合器9的另一输入端与探测光混合相干后，通过高频响应的双端平衡探测器10进行外差相干检测，同时得到频率为11GHz左右的射频信号和80MHz中频信号的混合信号。混合信号经差分放大器11放大后，经过双频通带滤波器12滤波分为两路信号，分别为射频信号和中频信号。其中，射频信号为布里渊散射信号，布里渊散射信号经过射频功率放大器13后与微波源15的输出信号在混频器14进行混频，经过第一低噪放大器16、第一带通滤波器17处理后，由数据采集卡20采集布里渊散射信号，通过解调布里渊频移，实现对应变的测量。中频信号为瑞利散射信号，经过第二低噪放大器18和第二带通滤波器19后，由数据采集卡20采集瑞利散射信号，之后对瑞利散射光强度和瑞利散射相位进行处理，实现对微震信号的探测定位和温度的测量。
本发明的安全监测方法通过将监测系统采集的布里渊散射信号和瑞利散射信号计算可得到布里渊散射光频移和瑞利散射光相位，构建布里渊-瑞利融合温度应变双参量传感矩阵，计算过程如下。
根据光纤的弹光效应和热光效应，当温度和应变发生改变时，光纤的折射率、长度等会发生变化，进而使得光纤瑞利散射相位发生变化，其表达式可以写为：
其中，为相位变化量，Δε和ΔT分别为应力变化量和温度变化量，k0为传播常数，L为传感光纤长度，n为传感光纤折射率。
进一步表达式可以写为：
其中，ΔφR为应力和温度引起的总相位变化量，Cφε、CφT分别表示瑞利散射光相位的应变和温度系数。
根据光纤的弹光效应和热光效应，当温度和应变发生改变时，光纤的折射率、长度等会发生变化，进而使得光纤布里渊频移发生变化，其表达式可以写为：
ΔvB＝CvεΔε+CvTΔT；
根据布里渊散射光频移和瑞利散射光相位变化量，温度和应变变化量计算方式如下：
其中，ΔvB、ΔφR分别是布里渊频移和瑞利散射相位变化量，ΔT、Δε分别是温度和应变的变化量，CvT、Cvε分别表示布里渊散射光频移的温度和应变系数，CφT、Cφε分别表示瑞利散射光相位的温度和应变系数。
本发明的监测系统应用在煤矿中的使用方法步骤如下：
(1)利用工作面内的科研钻孔23垂直埋设GFPR光缆22，科研钻孔23封孔时，在钻杆的尾部安装一个导向体，将GFPR光缆固定在导向体上，并用扎带和环氧树脂固定，GFPR光缆随着钻杆进入到钻孔底部，随后进行分段注浆封堵并缓慢拔出钻杆，进而将GFPR光缆埋入到科研钻孔23中，使得GFPR光缆与周围岩体耦合到一起，与周围岩体共同运动。
(2)将GFPR光缆22的尾纤连接到分布式光纤传感系统，工作面回采时，定期采集GFPR光缆中的光信号并传到系统中，同时解调出布里渊频移、瑞利散射光相位、瑞利散射光强度，通过布里渊-瑞利融合温度应变双参量传感矩阵计算出GFPR光缆沿线的应变和温度，通过对瑞利散射光强度电信号进行频谱分析计算出微震信号的频率值并实现定位。计算机21显示系统所测的应变、温度和微震信号，实时监测上火成岩25、下火成岩26和顶板27的运动状况，当所测应变接近工作面顶板27稳定临界值且工作面顶板27与下火成岩26出现离层时，以及上火成岩25、下火成岩26和工作面顶板27温度出现显著的突跳或发出震动异常信号时，计算机21及时进行预警。
本发明的分布式光纤煤矿顶板安全监测系统，通过检测单模光纤中的布里渊频移和瑞利散射相位变化，构建布里渊-瑞利融合温度应变双参量传感矩阵，实现煤矿顶板温度和应变场分布的无交叉测量；同时通过检测光纤中瑞利散射强度信息，实现煤矿顶板的微震信号提取及定位。最终，基于单根光纤中的温度、应变及微震异常信号实现顶板突水、异常形变及顶板岩层分离预警。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。