基于布里渊光时域反射技术的露天矿回填边坡实时应力监测研究

《Optical Fiber Technology》：Real-time stress monitoring of backfill slopes in open-pit coal mines using Brillouin optical time domain reflectometry technology

本文推荐采用布里渊光时域反射（BOTDR）技术对露天煤矿回填边坡进行长期监测，通过300米光缆捕获降雨等环境因素引发的应力变化（最小频率变化31.2 Hz，最大变化230.7 Hz）。该技术凭借特制铠装光缆的实时性优势，为边坡稳定性评估与滑坡预警提供了创新解决方案，填补了露天矿区长距离监测的技术空白。

　　

研究亮点

BOTDR传感机制

BOTDR技术基于光纤中的自发布里渊散射效应（ Brillouin scattering）。布里渊散射的起源与传播介质的热力学量（如温度和密度）密切相关，使得这一自发过程高度依赖于环境参数（如温度和应变）。自发布里渊散射过程的强度受外部条件影响，通过分析散射光频率偏移可实现应力变化的精准捕获。

研究区域背景

研究区域位于山西省晋中市昔阳县安顺三都煤业的露天煤矿回填边坡（东经113°38′54″-113°42′06″，北纬37°27′22″-37°30′11″）。图2展示了研究区的具体位置，其中红线标记为光缆埋设区域。该边坡的地质条件与降雨敏感性为应力监测提供了典型实验场景。

环境变化

研究周期为2024年4月末至9月末，共进行21次数据记录。图5展示了监测期间研究区内三次重大环境变化及对应的布里渊反射谱。光缆于2024年4月29日埋设后，5月11日首次监测到降雨引发的频率偏移；7月持续强雨期间，边坡应力变化进一步加剧，最大频率波动达452.2 Hz，证实降雨是主导应力变化的关键自然因素。

结论

本研究通过BOTDR技术实现了露天煤矿回填边坡的长期监测，显著揭示了降雨等环境因素对应力变化的影响。在降雨事件中，300米边坡范围内的最小频率变化率达31.2 Hz，最大变化达230.7 Hz。该技术为边坡稳定性动态评估与地质灾害预警提供了高精度、实时性的监测手段，适用于露天煤矿及类似工程的长距离安全监控需求。