傾聽煤巖“破裂”的聲音，大工國家儀器專項通過驗收

近日，國家重大科研儀器研制項目“新型煤與瓦斯突出高靈敏寬頻響全光纖微震監測儀”，通過國家自然科學基金委員會組織的結題驗收。

“這意味著首套針對煤與瓦斯突出微破裂前兆高靈敏寬頻響的全光纖微震監測儀研制成功（以下簡稱全光纖微震監測儀）。”項目第一單位負責人、大連理工大學教授唐春安在接受采訪時說，“為實現煤炭安全生產提供了新的手段。”

項目組部分人員合影 項目組供圖

當理論“邂逅”技術

“簡單來說，煤與瓦斯突出是在高瓦斯壓力驅動下，煤巖突然破壞，并伴隨著大量煤與瓦斯在短時間內劇烈地噴射到有限的工作空間中。”唐春安解釋說，其災害嚴重威脅著煤礦的安全生產。

作為一輩子研究巖石破壞力學理論的專家，早在2006年唐春安就提出，煤與瓦斯突出是開采過程中應力場擾動所誘發含瓦斯煤巖破裂的結果。已有研究表明，“微破裂擴展及其微震活動是煤與瓦斯突出災害形成的重要前兆信息”。

科學準確捕獲并預測微破裂前兆信息，是提高煤與瓦斯突出防治水平的關鍵。

“然而，當時我國基本依賴于進口微震儀。其中加拿大、南非和波蘭三個國家，占據了我國工程安全監測預警需求市場的‘半壁江山’。”唐春安說，研發具有我國知識產權、安全可控的新一代微震監測預警技術，不僅對于突破國外高技術壟斷具有重要價值，而且對于確保我國重大工程的網絡信息安全也具有重要意義。

在一次與安徽大學公共安全監測技術團隊的“邂逅”中，唐春安發現該團隊應用于公共安全領域的光纖傳感監測技術，可以測到更多不同類型的破裂信息，捕捉到更加弱小的微破裂前兆信息，遠遠超過在巖體工程安全領域使用的國外微震監測預警先進技術。雙方一拍即合，開始了聯合研發。

2016年，大連理工大學牽頭，聯合安徽大學、淮南礦業集團在國家自然科學基金支持下，從煤與瓦斯突出微震監測涉及的基礎理論儀器系統、功能技術、方法工藝、測試試驗等五個方面開展技術攻關，研制具有我國自主知識產權的全光纖微震監測儀。

光纖傳感“移植”微震監測

“將干涉型光纖傳感技術實際應用于煤礦微震監測，在國內外屬于首次，一攬子解決了傳統壓電式或磁電式微震監測設備存在燃爆風險、電信號傳輸距離短、本底噪聲大、易受電磁干擾等多項痛點。”項目第二單位負責人、安徽大學教授俞本立說。

事實上，早在2001年，俞本立就帶領團隊開展了光纖傳感技術研究。二十多年的“精耕細作”，形成了具有完全自主知識產權的系列化光纖測震/振儀器和裝備。

正是有了“金剛鉆”才攬瓷器活，俞本立團隊加入了項目組，主攻全光纖微震監測儀的研制。

“將光纖傳感技術‘移植’到微震監測，看似是一種簡單的相加關系。但其實很多時候是一種相乘關系：為了解決某一個問題，其它環節都要推倒重來。同時，為了真正滿足煤礦施工現場惡劣環境的使用要求，添加了很多個工程化應用考慮點，實際工作量是一個非常驚人的數字。”俞本立說。

例如，巖石微破裂有著震級范圍大、振動頻率寬的重要特征，研制的儀器需滿足從低震高頻到高震低頻的煤巖破裂振動寬頻段信息的監測，需要設計出滿足要求的高靈敏寬頻響拾震探頭。

“但在實際工作中，解決高靈敏度和拓展頻響范圍，似乎是‘魚與熊掌不可兼得’。這需要光學和機械同步優化設計，同時，還要優化解調算法，適應大動態信號解調需求。 ”俞本立說，最終設計的解調算法動態范圍達到155分貝，處于國內外同類研究先進水平。

煤礦現場監測環境惡劣，實際施工中存在較多的不確定因素。如何提高光纖傳感系統的健壯性、適應性和可靠性，實現微震信號的高精度監測。俞本立坦言，“這是項目需要面對的難題之一。”

以探頭為例，為提高探頭的溫度穩定性和長期使用可靠性，團隊先后選取了多種材料作為換能材料，一遍一遍的設計、加工、測試；為滿足探頭的抗拉需求，團隊又從野戰光纜定制、格蘭頭設計、裝配點膠工藝探索等方面開展探索。

光源設計、探頭設計、信號處理……歷經5年研發攻關，上千次探索與嘗試，新型煤與瓦斯突出高靈敏寬頻響全光纖微震監測儀研制成功了。截至項目結題，儀器直接成果獲授權發明ZL11項，申報國際ZL2項，軟件著作權5項。

更新換代走向“產業化”

“我們將震動傳感器探頭安裝在煤礦巷道兩側或上下，就像‘聽診器’一樣‘傾聽’煤巖體破裂時的聲音與震動。再通過分析到達各探頭信號的強度和時間差，反演出微震事件的時空強信息。最終根據微震事件能量、頻度、位置，結合地質物探信息和微震先驗知識，評估動力災害風險。”俞本立介紹了儀器的基本原理。

此外，團隊還開發了數據分析與三維顯示軟件，針對每個工作面生成當日微震事件的三維顯示圖與趨勢分析報告，為煤礦安全生產提供輔助決策意見。

從目前實現的指標來看，全光纖微震監測儀的加速度檢測分辨率達到μg量級，優于國內外同類微震監測設備1倍以上。同時，根據軟巖、硬巖等不同監測需求，團隊還設計出了加速度檢測分辨率優于0.1μg的產品。俞本立認為，“這就是自主研發的優勢。”

據現場對比監測結果顯示，全光纖微震監測儀監測到有效微震事件的數量比競品多出7%。俞本立解釋說，“千萬別小瞧了這7%，它可以為巖體裂隙發育過程提供更加有效的數據支撐。”

目前，全光纖微震監測儀樣機已在安徽淮南礦業初步應用。“樣機對工作面開采過程中出現的底板破壞狀況，進行實時監測和預警，有效保障工作面安全順利回釆。”淮南礦業集團項目負責人余國鋒說。

“此次儀器的研制與應用實現了干涉型光纖傳感技術對傳統壓電式微震監測技術的更新換代，從而可以獲取震級更低、震級范圍更大、頻域更廣的微震信息。同時，突破了國外技術的出口限制，達到核心技術自主可控，為深部煤礦動力災害的預測預警和防治提供關鍵技術支撐。”俞本立說。

 “儀器研制項目的結題驗收，并不代表項目研究的結束，而是研制儀器發揮作用的開始。”唐春安說，下一步，將向全國同行開放和共享。