“倾听”煤岩体微破裂的声音

我国能源赋存体现出“缺气、少油、相对富煤”的特点，这就意味着煤炭在相当长时间内仍是我国能源的消费主体。随着煤炭开采深度和强度的不断增加，煤与瓦斯突出灾害发生仍可能时有发生。

近日，国家重大科研仪器研制项目“新型煤与瓦斯突出高灵敏宽频响全光纤微震监测仪”，通过国家自然科学基金委员会组织的结题验收。

“这意味着首套针对煤与瓦斯突出微破裂前兆高灵敏宽频响的全光纤微震监测仪研制成功（以下简称全光纤微震监测仪）。”项目第一单位负责人、大连理工大学教授唐春安在接受《中国科学报》采访时说，“为实现煤炭安全生产提供了新的手段。”

项目组部分人员合影 项目组供图

当理论“邂逅”技术

“简单来说，煤与瓦斯突出是在高瓦斯压力驱动下，煤岩突然破坏，并伴随着大量煤与瓦斯在短时间内剧烈地喷射到有限的工作空间中。”唐春安解释说，其灾害严重威胁着煤矿的安全生产。

作为一辈子研究岩石破坏力学理论的专家，早在2006年唐春安就提出，煤与瓦斯突出是开采过程中应力场扰动所诱发含瓦斯煤岩破裂的结果。已有研究表明，“微破裂扩展及其微震活动是煤与瓦斯突出灾害形成的重要前兆信息”。

科学准确捕获并预测微破裂前兆信息，是提高煤与瓦斯突出防治水平的关键。

“然而，当时我国基本依赖于进口微震仪。其中加拿大、南非和波兰三个国家，占据了我国工程安全监测预警需求市场的‘半壁江山’。”唐春安说，研发具有我国知识产权、安全可控的新一代微震监测预警技术，不仅对于突破国外高技术垄断具有重要价值，而且对于确保我国重大工程的网络信息安全也具有重要意义。

在一次与安徽大学公共安全监测技术团队的“邂逅”中，唐春安发现该团队应用于公共安全领域的光纤传感监测技术，可以测到更多不同类型的破裂信息，捕捉到更加弱小的微破裂前兆信息，远远超过在岩体工程安全领域使用的国外微震监测预警先进技术。双方一拍即合，开始了联合研发。

2016年，大连理工大学牵头，联合安徽大学、淮南矿业集团在国家自然科学基金支持下，从煤与瓦斯突出微震监测涉及的基础理论仪器系统、功能技术、方法工艺、测试试验等五个方面开展技术攻关，研制具有我国自主知识产权的全光纤微震监测仪。

光纤传感“移植”微震监测

“将干涉型光纤传感技术实际应用于煤矿微震监测，在国内外属于首次，一揽子解决了传统压电式或磁电式微震监测设备存在燃爆风险、电信号传输距离短、本底噪声大、易受电磁干扰等多项痛点。”项目第二单位负责人、安徽大学教授俞本立说。

事实上，早在2001年，俞本立就带领团队开展了光纤传感技术研究。二十多年的“精耕细作”，形成了具有完全自主知识产权的系列化光纤测震/振仪器和装备。

正是有了“金刚钻”才揽瓷器活，俞本立团队加入了项目组，主攻全光纤微震监测仪的研制。

“将光纤传感技术‘移植’到微震监测，看似是一种简单的相加关系。但其实很多时候是一种相乘关系：为了解决某一个问题，其它环节都要推倒重来。同时，为了真正满足煤矿施工现场恶劣环境的使用要求，添加了很多个工程化应用考虑点，实际工作量是一个非常惊人的数字。”俞本立说。

例如，岩石微破裂有着震级范围大、振动频率宽的重要特征，研制的仪器需满足从低震高频到高震低频的煤岩破裂振动宽频段信息的监测，需要设计出满足要求的高灵敏宽频响拾震探头。

“但在实际工作中，解决高灵敏度和拓展频响范围，似乎是‘鱼与熊掌不可兼得’。这需要光学和机械同步优化设计，同时，还要优化解调算法，适应大动态信号解调需求。 ”俞本立说，最终设计的解调算法动态范围达到155分贝，处于国内外同类研究先进水平。

煤矿现场监测环境恶劣，实际施工中存在较多的不确定因素。如何提高光纤传感系统的健壮性、适应性和可靠性，实现微震信号的高精度监测。俞本立坦言，“这是项目需要面对的难题之一。”

以探头为例，为提高探头的温度稳定性和长期使用可靠性，团队先后选取了多种材料作为换能材料，一遍一遍的设计、加工、测试；为满足探头的抗拉需求，团队又从野战光缆定制、格兰头设计、装配点胶工艺探索等方面开展探索。

光源设计、探头设计、信号处理……历经5年研发攻关，上千次探索与尝试，新型煤与瓦斯突出高灵敏宽频响全光纤微震监测仪研制成功了。截至项目结题，仪器直接成果获授权发明专利11项，申报国际专利2项，软件著作权5项。

更新换代走向“产业化”

“我们将震动传感器探头安装在煤矿巷道两侧或上下，就像‘听诊器’一样‘倾听’煤岩体破裂时的声音与震动。再通过分析到达各探头信号的强度和时间差，反演出微震事件的时空强信息。最终根据微震事件能量、频度、位置，结合地质物探信息和微震先验知识，评估动力灾害风险。”俞本立介绍了仪器的基本原理。

此外，团队还开发了数据分析与三维显示软件，针对每个工作面生成当日微震事件的三维显示图与趋势分析报告，为煤矿安全生产提供辅助决策意见。

从目前实现的指标来看，全光纤微震监测仪的加速度检测分辨率达到μg量级，优于国内外同类微震监测设备1倍以上。同时，根据软岩、硬岩等不同监测需求，团队还设计出了加速度检测分辨率优于0.1μg的产品。俞本立认为，“这就是自主研发的优势。”

据现场对比监测结果显示，全光纤微震监测仪监测到有效微震事件的数量比竞品多出7%。俞本立解释说，“千万别小瞧了这7%，它可以为岩体裂隙发育过程提供更加有效的数据支撑。”

目前，全光纤微震监测仪样机已在安徽淮南矿业初步应用。“样机对工作面开采过程中出现的底板破坏状况，进行实时监测和预警，有效保障工作面安全顺利回釆。”淮南矿业集团项目负责人余国锋说。

“此次仪器的研制与应用实现了干涉型光纤传感技术对传统压电式微震监测技术的更新换代，从而可以获取震级更低、震级范围更大、频域更广的微震信息。同时，突破了国外技术的出口限制，达到核心技术自主可控，为深部煤矿动力灾害的预测预警和防治提供关键技术支撑。”俞本立说。

 “仪器研制项目的结题验收，并不代表项目研究的结束，而是研制仪器发挥作用的开始。”唐春安说，下一步，将向全国同行开放和共享。 

据俞本立介绍，项目组目前正在积极同相关企业洽谈，即将启动科技成果转化。