煤層底板突水光纖光柵多參數(shù)傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

寧殿艷

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

煤礦深部開采過程中，隨著煤層采掘擾動(dòng)，導(dǎo)致煤層底板發(fā)生變形破壞，削減隔水層強(qiáng)度，使底板突水危險(xiǎn)性增加[1-4]。開展深部煤層采掘擾動(dòng)下底板溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)監(jiān)測(cè)是突水災(zāi)害辨識(shí)與預(yù)警的主要手段，變得越來越必要。對(duì)其裝備的開發(fā)是煤層底板突水監(jiān)測(cè)預(yù)警和制定工作面底板水害防治措施的基礎(chǔ)[5，6]，具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，基于光纖的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的發(fā)展和使用有所增加[7-10]。與傳統(tǒng)以電學(xué)原理為主的底板多場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比[11]，光纖光柵傳感技術(shù)因其具有適用于嚴(yán)苛環(huán)境、抗電磁干擾、遠(yuǎn)程傳感、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、尺寸微小、量測(cè)效率高、疲勞耐久性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，突破了傳統(tǒng)電學(xué)感測(cè)技術(shù)的不足，可實(shí)現(xiàn)底板突水的準(zhǔn)分布式監(jiān)測(cè)，能全面地獲得底板多場(chǎng)的變化信息[8]。然而，這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍然需要進(jìn)一步的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)有效的使用。本文針對(duì)工作面底板各場(chǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于光纖光柵多參數(shù)傳感的煤層底板突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在FPGA中進(jìn)行在線自動(dòng)多峰檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)光纖光柵的波長(zhǎng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確解調(diào)。此外，通過對(duì)河北邢臺(tái)葛泉煤礦煤層底板突水監(jiān)測(cè)，獲得了溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、滲壓場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)踐性，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為煤層底板突水監(jiān)測(cè)提供了良好的裝備支撐。

1 光纖光柵傳感原理及數(shù)據(jù)處理

1.1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵(FBG)傳感器是一個(gè)反射型的窄帶濾波器，其結(jié)構(gòu)與傳感光譜如圖1所示，對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有選擇作用，即當(dāng)入射光通過光柵時(shí)，光柵中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光波會(huì)被反射，其他光波會(huì)全部透射通過。由耦合模理論可知，光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)如公式：

λB=2neffΛ

(1)

式中，λB為光纖光柵的中心發(fā)射波長(zhǎng)；neff為導(dǎo)模的有效折射率；Λ為光柵的固有周期[12]。

圖1 光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)與傳感光譜

FBG對(duì)于應(yīng)力和溫度都很敏感，應(yīng)力通過彈光效應(yīng)和光纖光柵周期的變化來影響λB，溫度則是通過熱光效應(yīng)和熱脹效應(yīng)來影響λB。

應(yīng)力和溫度的變化都會(huì)改變有效折射率和光柵周期，導(dǎo)致FBG傳感器反射峰值波長(zhǎng)的變化，假設(shè)二者引起的光柵中心波長(zhǎng)變化是相互獨(dú)立的，光纖布拉格光柵的中心反射波長(zhǎng)變化公式：

式中，ΔλB為中心波長(zhǎng)漂移；ε是光纖的軸向應(yīng)變；Pe是有效彈光系數(shù)；αs為光纖的熱脹系數(shù)；ζs為光纖的熱光系數(shù)；kε和kT分別為光柵應(yīng)變和溫度系數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

在監(jiān)測(cè)時(shí)，需要將解調(diào)后的中心波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)傳感器的測(cè)量值，下面將分別介紹溫度、應(yīng)變和滲壓傳感器的轉(zhuǎn)換計(jì)算公式。

1.2.1 溫度

通過采用二次擬合的公式進(jìn)行溫度的計(jì)算，可使測(cè)溫精度提高到 0.2℃，計(jì)算公式：

T=A(λ-λ0)+B(λ-λ0)+T0

(3)

式中，A為二次項(xiàng)系數(shù)，℃/nm2；B為一次項(xiàng)系數(shù)，℃/nm；λ為光柵當(dāng)前波長(zhǎng)，nm；T為當(dāng)前溫度，℃；λ0為溫度傳感器在T0溫度下的波長(zhǎng)，一般取T0=0℃附近的波長(zhǎng)。

1.2.2 應(yīng)變

采用的應(yīng)變傳感器中帶有溫度補(bǔ)償傳感器，應(yīng)變傳感器在溫度修正后的應(yīng)變計(jì)算公式：

ε=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)

(4)

式中，ε為應(yīng)變量；K為應(yīng)變系數(shù)，μm/nm；B為溫度修正系數(shù)，℃/nm；λ1為應(yīng)變柵當(dāng)前的波長(zhǎng)值，nm；λ0為應(yīng)變柵初始的波長(zhǎng)值，nm；λt1為溫補(bǔ)光柵當(dāng)前波長(zhǎng)值，nm；λt0為溫補(bǔ)光柵初始波長(zhǎng)值，nm。

1.2.3 滲壓

采用的滲壓傳感器中帶有溫度補(bǔ)償傳感器，滲壓傳感器在溫度修正后的壓強(qiáng)計(jì)算公式：

P=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)

(5)

式中，P為壓強(qiáng)，kPa；K為滲壓計(jì)傳感器系數(shù)，kPa/nm；B為溫度修正系數(shù)，℃/nm；λ1為壓力光柵當(dāng)前的波長(zhǎng)值，nm；λ0為壓力光柵初始的波長(zhǎng)值，nm；λt1為溫補(bǔ)光柵當(dāng)前波長(zhǎng)值，nm；λt0為溫補(bǔ)光柵初始波長(zhǎng)值，nm。

2 光纖光柵傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖光柵傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括地面服務(wù)器、顯示屏、光纖光柵解調(diào)儀、多芯鎧裝光纜及已有井下光纖光柵溫度、應(yīng)變、滲壓傳感器，如圖2所示。該系統(tǒng)采用串、并行相結(jié)合的方式進(jìn)行FBG傳感器多路復(fù)用設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)16通道，每個(gè)通道最大可復(fù)用80個(gè)傳感器的準(zhǔn)分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)通過光纖解調(diào)儀光源模塊發(fā)出16束寬帶光波，由光纖耦合器將光波耦合到鎧裝光纖中，再傳至測(cè)試點(diǎn)布設(shè)的埋入式多參數(shù)光纖光柵傳感器上；光纖光柵傳感器對(duì)光波調(diào)制后，帶著傳感器實(shí)時(shí)信息的光波反射回來，進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀的光電探測(cè)模塊；光電探測(cè)模塊將調(diào)制后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，并傳送到FPGA測(cè)控模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在FPGA上信號(hào)處理模塊將得到的數(shù)字信號(hào)通過在線自動(dòng)多峰檢測(cè)的譜峰定位方法，準(zhǔn)確測(cè)量物理量變化調(diào)制后光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)。

系統(tǒng)終端參數(shù)設(shè)置界面設(shè)定各傳感器位置、通道號(hào)、傳感器參數(shù)類型、原始中心波長(zhǎng)、參考配對(duì)、溫度修正系數(shù)等參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)應(yīng)通道對(duì)應(yīng)應(yīng)變、溫度及滲壓傳感器的測(cè)量值，并將結(jié)果傳回監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，以實(shí)現(xiàn)底板突水狀態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 實(shí)時(shí)多峰檢測(cè)方法

2.2.1 方法

多參數(shù)準(zhǔn)分布式光纖光柵解調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是在線多個(gè)傳感器中心波長(zhǎng)的峰值點(diǎn)準(zhǔn)確檢測(cè)[13]。到目前為止，已經(jīng)發(fā)展了多種不同的在線尋峰技術(shù)，主要包括基于傳統(tǒng)的窗口閾值技術(shù)[14]、小波變換及希爾伯特變換[15]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解[16]、強(qiáng)度加權(quán)方差[17]等，這些算法的主要不足是為了更具普適性，就必須選擇更自由的參數(shù)(即窗口長(zhǎng)度或閾值)。2012年Scholkmann提出了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的自動(dòng)多峰檢測(cè)(AMPD)普適算法[18]，該算法是利用矩陣計(jì)算所有的輸入數(shù)據(jù)來求峰值點(diǎn)，其特點(diǎn)是：在分析之前無需用戶選擇參數(shù)的特性；能夠檢測(cè)周期和準(zhǔn)周期信號(hào)中的峰值；具有相當(dāng)穩(wěn)健的峰值檢測(cè)效率[14]。為了在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)上實(shí)現(xiàn)AMPD算法，2018年Alperen Mustafa Colak在AMPD的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，并在FPGA上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間序列數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)譜峰定位[19]，提高了AMPD算法在FPGA上實(shí)現(xiàn)的性能和效率。

本文采用Alperen Mustafa Colak的方法進(jìn)行譜峰定位，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)光纖光柵傳感實(shí)時(shí)解調(diào)。改進(jìn)的AMPD算法及其在FPGA中的實(shí)現(xiàn)流程如圖3、圖4所示，在FPGA中用一個(gè)邏輯門創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，將輸入和輸出的矩陣生成器串行連接，應(yīng)用方差生成局部最大尺度矩陣，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，每個(gè)矩陣生成器的數(shù)據(jù)與順序移動(dòng)的新采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，生成每個(gè)尺度矩陣的元素，并依次求和與求平方和，然后保存所有值到寄存器中，當(dāng)矩陣所有元素比較生成后，使用一個(gè)基本的峰值標(biāo)志來比較確定一個(gè)值是否對(duì)應(yīng)于一個(gè)零點(diǎn)，即是否檢測(cè)到一個(gè)峰值點(diǎn)。

圖3 改進(jìn)的AMPD算法流程

2.2.2 試驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)性能，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)各個(gè)通道采用多個(gè)不同波長(zhǎng)的傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于同一傳感器各個(gè)通道測(cè)試數(shù)據(jù)一致，不再贅述；不同傳感器試驗(yàn)如下：隨機(jī)取10個(gè)傳感器，并設(shè)置采樣頻率10Hz，連續(xù)采樣10min，將測(cè)量值求平均值、均方根，系統(tǒng)波長(zhǎng)測(cè)量精度小于1pm，譜峰檢測(cè)測(cè)試結(jié)果見表1；在第6通道接入13個(gè)不同波長(zhǎng)的傳感器進(jìn)行多譜實(shí)時(shí)檢測(cè)測(cè)試，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)出多個(gè)譜峰，與傳感器標(biāo)定一致，系統(tǒng)波長(zhǎng)分辨率可達(dá)0.1pm。

圖4 FPGA算法實(shí)現(xiàn)流程

表1 譜峰檢測(cè)測(cè)試結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)葛泉煤礦11913工作面底板進(jìn)行了2個(gè)多月突水監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)地對(duì)底板危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)變、滲壓和溫度在采動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)采集。

葛泉煤礦11913工作面開采煤層為9號(hào)煤層，埋深約200m，煤層底板標(biāo)高-100～-40m，煤層走向傾角約15°，地下水位高程為+20m左右，工作面布置主要采用走向長(zhǎng)壁及傾斜長(zhǎng)壁等方式帶壓開采，開采方式為綜合機(jī)械化。9號(hào)煤層頂部有含水層，9號(hào)煤層下伏有兩個(gè)含水層，含水層1為本溪組巖溶裂隙含水層，層厚為7m，其頂距9號(hào)煤層底部16.3m，該含水層富水性中等、厚度較薄，水害風(fēng)險(xiǎn)較??；含水層2為奧陶系巖溶裂隙含水層，其頂距9號(hào)煤層底部23.3m，該含水層富水性好、呈巨厚層狀，水害風(fēng)險(xiǎn)較大，是礦井主要水害防治對(duì)象。此外，兩含水層具有一定的水力聯(lián)系，含水層水頭高度為+20m左右，帶壓開采的9號(hào)煤層，存在底板巖溶突水威脅[3]，綜合柱狀圖如圖5所示。

圖5 11913工作面綜合柱狀圖(m)

3.2 底板變形破壞監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置確定

綜合分析葛泉煤礦11913工作面煤層賦存特征、開采技術(shù)條件、開采工藝以及之前物探、鉆探成果和監(jiān)測(cè)時(shí)溫度傳感器需要盡量布置在離水源近的一側(cè)，滲壓傳感器須在鉆孔底放置約40cm的砂子，應(yīng)變傳感器的鉆孔盡量形成高俯角，且傳感器須與鉆孔周圍耦合良好等傳感器的技術(shù)要求因素，確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案。現(xiàn)場(chǎng)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)鉆場(chǎng)布置4個(gè)鉆孔，其中兩個(gè)埋置應(yīng)變傳感器鉆孔(JC1、JC2)，兩個(gè)設(shè)置滲壓、溫度傳感器共用鉆孔(JCS1、JCS2)。JC1與JCS1布于SF6-1斷層尖滅處，工作面運(yùn)輸巷內(nèi)1#鉆場(chǎng)，JC2與JCS2布于工作面運(yùn)輸巷內(nèi)2#鉆場(chǎng)，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平面布置

JC1和JC2應(yīng)變監(jiān)測(cè)孔鉆孔進(jìn)尺40m，垂深17.1m，鉆孔剖面圖如圖7(a)所示，終孔層位為9號(hào)煤層以下17～19m，應(yīng)變傳感器分別布設(shè)于垂深12m和17m處，采用水泥漿將傳感器與孔壁固結(jié)為一體；JCS1和JCS2滲壓、溫度監(jiān)測(cè)孔鉆孔進(jìn)尺47m(垂深18m)，鉆孔剖面圖如圖7(b)所示，滲壓傳感器布設(shè)于垂深12m處，溫度傳感器布設(shè)于垂深17m處，采用砂子填充于傳感器與孔壁間，保護(hù)水壓無損失傳遞，且不影響測(cè)點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確。

圖7 鉆場(chǎng)鉆探鉆孔布置

傳感器布設(shè)使用了4個(gè)通道，每個(gè)通道串接2個(gè)傳感器的復(fù)用方式，采樣頻率為6次/h。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

8月24至11月3日，系統(tǒng)對(duì)葛泉煤礦11913工作面設(shè)置的8個(gè)傳感器進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，采集到了1#鉆場(chǎng)中2個(gè)應(yīng)變傳感器、1個(gè)溫度傳感器和1個(gè)滲壓的傳感器的全過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采集到了2#鉆場(chǎng)中2個(gè)應(yīng)變傳感器、1個(gè)溫度傳感器和1個(gè)滲壓的傳感器的部分?jǐn)?shù)據(jù)。2#鉆場(chǎng)中傳感器數(shù)據(jù)采集不全是由于其離回采工作面較近，開采將其破壞。本研究?jī)H對(duì)1#鉆場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，2#鉆場(chǎng)采集數(shù)據(jù)作為結(jié)果定性判斷的依據(jù)。

3.3.1 溫度數(shù)據(jù)分析

1#鉆場(chǎng)的溫度傳感器監(jiān)測(cè)時(shí)間為9月24—11月3日，采集數(shù)據(jù)分析，如圖8所示，溫度均值為20.40℃，峰峰值為0.77℃。與傳統(tǒng)(電學(xué)原理)傳感器抽查量測(cè)結(jié)果20.5℃一致，峰峰值小于變化幅度1.0℃，表明測(cè)試結(jié)果可信，準(zhǔn)確度和精度高于傳統(tǒng)測(cè)法?？纱_定地下溫度在量測(cè)時(shí)為恒溫20.40±0.34℃。

圖8 溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3.2 滲壓數(shù)據(jù)分析

1#鉆場(chǎng)的滲壓傳感器監(jiān)測(cè)時(shí)間為10月11—11月3日，采集數(shù)據(jù)分析，如圖9所示，滲壓均值為1846.40kPa，峰峰值為57.49kPa。傳統(tǒng)(電學(xué)原理)傳感器抽查量測(cè)結(jié)果均在對(duì)應(yīng)量測(cè)時(shí)間測(cè)試結(jié)果±5kPa范圍內(nèi)，正負(fù)均有，表明測(cè)試結(jié)果可信。滲壓值變化比較大：在10月12日、10月17日和10月28日分別有明顯降低，在10月21日有明顯升高，是由于工作面推進(jìn)煤層開采，地下水的導(dǎo)升對(duì)水頭高度影響所致。

圖9 滲壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3.3 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

1#鉆場(chǎng)的2個(gè)應(yīng)變傳感器(傳感器1垂深17m、傳感器2垂深12m)監(jiān)測(cè)時(shí)間為9月24—11月3日，采集數(shù)據(jù)分析，如圖10所示，傳感器1的應(yīng)變均值為-638.47με(負(fù)號(hào)表示壓縮應(yīng)變，下同)，峰峰值為88.20με；傳感器2應(yīng)變的均值為-272.02με，峰峰值為30.85με。工作面底板下巖層應(yīng)變受采動(dòng)影響和深度有關(guān)，一般情況下，因開采使得采空區(qū)域底板上部荷載減除淺部變化較深部頻繁且變化大。實(shí)際測(cè)試時(shí)，傳感器1(深部)量測(cè)的數(shù)據(jù)較傳感器2(淺部)波動(dòng)頻繁，傳感器2(淺部)量測(cè)的數(shù)據(jù)較傳感器1(深部)變化大，由量測(cè)巖層狀態(tài)和量測(cè)位置決定的：傳感器1(深部)設(shè)置于16.3m厚的砂質(zhì)泥鋁土頁(yè)巖等隔水層的底部，傳感器2(淺部)設(shè)置于隔水層的中部[20]。隔水層下伏7.0m含水層，水力與9號(hào)煤層及其上方含水層有聯(lián)系；下伏含水層水頭高度與水的導(dǎo)升密切相關(guān)。

圖10 應(yīng)變數(shù)據(jù)

10月2日之前受下伏含水層水頭高度影響，傳感器1與傳感器2測(cè)量結(jié)果變化趨勢(shì)一致，因傳感器1(深部)所在巖層接近下伏含水層，變化幅度大。10月2日到10月17日，主要受開采卸荷影響，傳感器1與傳感器2測(cè)量結(jié)果變化趨勢(shì)一致，因傳感器2(淺部)所在巖層接近開采煤層，變化幅度大。10月17日到10月28日，傳感器1(深部)所在巖層受下伏含水層水頭高度影響顯著，受開采卸荷影響次之，傳感器2(淺部)主要受開采卸荷影響，故傳感器1測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)波動(dòng)的同時(shí)，又表現(xiàn)與傳感器2測(cè)量結(jié)果一致的變化趨勢(shì)。10月28日到10月30日，開采卸荷影響基本結(jié)束，受卸荷后應(yīng)力逐漸平衡，轉(zhuǎn)為應(yīng)變受下伏含水層水頭高度影響。因埋設(shè)應(yīng)變傳感器的鉆孔傾角為39°非垂直對(duì)應(yīng)關(guān)系，受開采平面位置的影響，傳感器1位置卸荷后應(yīng)力平衡晚于傳感器2位置。10月30日后，卸荷應(yīng)力平衡，受下伏含水層水頭高度影響，傳感器1與傳感器2測(cè)量結(jié)果變化趨勢(shì)一致，因傳感器1(深部)所在巖層接近下伏含水層，變化幅度大，二者關(guān)系與10月2日之前一致。

因傳統(tǒng)(電學(xué)原理)傳感器體積大，遇潮易壞就，實(shí)施難度高，測(cè)量的準(zhǔn)確性與精確度不高，在應(yīng)變測(cè)試過程未進(jìn)行抽檢。測(cè)試結(jié)果表明，基于鉆孔的光纖光柵便于設(shè)置，可連續(xù)量測(cè)，實(shí)時(shí)傳輸，全過程觀測(cè)工作面底板的壓力變化規(guī)律。

3.3.4 耦合分析

9月24—11月3日，量測(cè)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)巖層為恒溫20.40± 0.34℃，對(duì)應(yīng)變傳感器性能變化的影響很小，可忽略不計(jì)。應(yīng)變波動(dòng)與滲壓變化趨勢(shì)如圖11所示，但是當(dāng)距開采底部距離較小時(shí)，開采卸荷對(duì)應(yīng)變的影響起主導(dǎo)作用；當(dāng)距開采底部距離較大，離下伏含水層較近時(shí)，滲壓(或下伏含水層水頭高度)對(duì)應(yīng)變的影響起主導(dǎo)作用。

圖11 耦合分析

從測(cè)試結(jié)果看，煤層開采過程中卸荷作用、地下水導(dǎo)升是影響巖層應(yīng)變的主要因素，深度較大時(shí)巖層溫度基本處于恒溫狀態(tài)，溫度的影響可忽略不計(jì)。根據(jù)底板突水機(jī)理，當(dāng)?shù)装鍘r層應(yīng)變超過允許值，下伏含水層較大時(shí)，暴發(fā)底板突水，將底板巖層強(qiáng)度(勘察時(shí)獲得)、實(shí)時(shí)底板巖層應(yīng)變、滲壓等因素綜合分析，確定煤層底板巖層實(shí)時(shí)完整情況、下伏含水層水頭高度，可實(shí)現(xiàn)暴發(fā)底板突水分級(jí)預(yù)警，保證工作面安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于FBG傳感的可靠傳感器的光纖光柵多參數(shù)傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過引入在FPGA中應(yīng)用簡(jiǎn)單普適的多峰檢測(cè)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)分辨率可達(dá)0.1pm，測(cè)量精度達(dá)1pm的多參數(shù)解調(diào)能力。并將其應(yīng)用于葛泉煤礦煤層底板突水監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)的結(jié)果表明，系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，可連續(xù)、實(shí)時(shí)量測(cè)、時(shí)效性高，且精度高于傳統(tǒng)儀器。將底板巖層強(qiáng)度、實(shí)時(shí)底板巖層應(yīng)變、滲壓等因素綜合分析，可確定煤層底板巖層實(shí)時(shí)完整情況、下伏含水層水頭高度，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)底板突水分級(jí)預(yù)警。同時(shí)采用時(shí)域特征提取和聚類算法等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多參數(shù)耦合分析，在煤層底板突水預(yù)警過程中將具有巨大的潛力。但在試驗(yàn)過程中，存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨工作面回采而破壞的現(xiàn)象，應(yīng)做好監(jiān)測(cè)設(shè)備的保護(hù)。后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，不斷優(yōu)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完善數(shù)據(jù)處理，摸索有效的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，研發(fā)更可靠的高時(shí)效的煤層底板突水監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。