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基于弱光纤光栅传感技术的围岩变形监测研究_李延河.pdf
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1、基于弱光纤光栅传感技术的围岩变形监测研究李延河1,杨战标2,朱元广3,王升3(1.中国平煤神马控股集团有限公司,河南平顶山467000;2.平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院,河南平顶山467099;3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071)摘要:煤矿深部地层高地应力与围岩低强度间的突出矛盾导致巷道开挖后极易发生大变形失稳灾害。为及时掌握巷道开挖支护前后围岩内部的变形情况,研究基于弱光纤光栅传感技术,研制了一种准分布式大量程应变传感器光缆,实现了围岩内部变形测点的 1m 级间距布置。通过室内标定试验掌握了传感器光缆的测试性能,测试结果表明:研
2、制的应变传感光缆应变量程不低于 0.04,灵敏度为1.23pm/,精度等级为 0.5,属于高精度传感器并具有良好的重复性和线性度。依托平煤股份四矿深部岩石巷道开展了现场工业性试验,试验结果表明:巷道围岩应变随孔深增加而减小,4m范围内围岩应变数值较大,7m 外应变数值较小且渐趋稳定;巷道围岩应变激增主要发生在前 30d内,随后巷道围岩应变增加量逐渐减小并趋于稳定;取应变速率迅速向 0 收敛位置作为围岩松动区边界,确定巷道帮部和顶部松动区边界为 5m,肩部松动区边界为 4m。该应变光缆通过弱光纤光栅技术与时分复用技术的综合应用,极大地提高了光纤传感网络的复用容量,满足了煤矿深部巷道围岩变形监测的
3、大量程、精细化在线监测需求。通过技术应用,可及时掌握煤矿深部巷道围岩内部变形特征及松动圈时空演化规律,为深部巷道围岩稳定控制决策提供科学基础数据。关键词:煤矿;弱光纤光栅;光纤传感;松动圈;巷道变形;地应力中图分类号:TD353文献标志码:A文章编号:02532336(2023)06001109Research on deformation monitoring of surrounding rock based on weak fibergrating sensing technologyLIYanhe1,YANGZhanbiao2,ZHUYuanguang3,WANGSheng3(1.Ch
4、ina Pingmei Shenma Group,Pingdingshan 467000,China;2.Pingdingshan Tianan Coal.Mining Co.,Ltd.,Coal Mining and Utilization Research Insti-tute,Pingdingshan 467099,China;3.Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Science,Wuhan 430071,China)Abstract:Theprominentcontradictionbetweenhighgr
5、oundstressandlowstrengthofsurroundingrockindeepstrataofcoalmineleadstolargedeformationandinstabilitydisasterafterroadwayexcavation.Inordertograsptheinternaldeformationofsurroundingrockbe-foreandafterroadwayexcavationandsupportintime,thisstudydevelopedaquasi-distributedlarge-rangestrainsensorcablebas
6、edonweakfibergratingsensingtechnology,andrealizedthe1m-levelspacingarrangementofdeformationmeasuringpointsinsurroundingrock.Thetestperformanceofthesensorcableismasteredthroughtheindoorcalibrationtest.Thetestresultsshowthatthestrainrangeofthedevelopedstrainsensingcableisnotlessthan0.04,thesensitivity
7、is1.23pm/,andtheaccuracylevelis0.5.Itbelongstothehigh-precisionsensorandhasgoodrepeatabilityandlinearity.FieldindustrialtestwascarriedoutindeeprockroadwayofNo.4CoalMineofPingdingshanTiananCoalSharesTheresultsshowthat:Thestrainvalueofsurroundingrockdecreaseswiththeincreaseofholedepth.Thestrainvalueof
8、surroundingrockwithin4mislarger,andthestrainvalueoutside7missmallerandtendstobestable.Thestrainofroadwaysurroundingrockmainlyoccurswithin30daysafterroadwayrepair,andthenthestrainincreaseofroadwaysurroundingrockgraduallydecreasesandtendstobestable.Takingtherapidconvergencepositionofstrainrateto0asthe
9、boundaryofsurroundingrock收稿日期:20220520责任编辑:常琛DOI:10.13199/ki.cst.2022-0510基金项目:国家自然科学基金资助项目(51874275,51974289)作者简介:李延河(1973),男,河南焦作人,教授级高级工程师,硕士。Tel:0375-3591731,E-mail:通讯作者:王升(1997),男,山东滨州人,硕士研究生。E-mail:第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023李延河,杨战标,朱元广,等.基于弱光纤光栅传感技术的围岩变形监测研究
10、J.煤炭科学技术,2023,51(6):1119.LIYanhe,YANGZhanbiao,ZHUYuanguang,et al.ResearchondeformationmonitoringofsurroundingrockbasedonweakfibergratingsensingtechnologyJ.CoalScienceandTechnology,2023,51(6):1119.11loosezone,theboundaryofroadwaysideandtoploosezoneis5m,andtheboundaryofshoulderloosezoneis4m.Throughthe
11、compre-hensiveapplicationofweakfibergratingtechnologyandtimedivisionmultiplexingtechnology,thestrainopticalcablegreatlyimprovesthemultiplexingcapacityofopticalfibersensingnetworkandmeetsthelargerangeandfineonlinemonitoringrequirementsofsurround-ingrockdeformationmonitoringindeeproadwayofcoalmine.Thr
12、oughtechnicalapplication,theinternaldeformationcharacteristicsofsurroundingrockofdeeproadwayincoalmineandthespatio-temporalevolutionlawofloosecirclecanbemasteredintime,whichprovidesscientificbasicdataforthestabilitycontroldecisionofsurroundingrockofdeeproadway.Key words:coalmine;weakfiberbragggratin
13、g;sensor;loosering;roadwaydeformation;groundstress0引言随着浅部煤炭资源日益枯竭,我国中东部煤矿大多已进入深部开采开拓阶段1-2。进入深部后,巷道围岩在高地应力、高地温、高渗透压以及强烈开采扰动等因素作用下,其力学行为表现、变形破裂机理更为复杂,大变形灾害问题也更为突出3-4。为实现深部巷道围岩的长期稳定,保证矿井的安全可持续生产,除制定科学合理、经济可行的支护方案之外,还需要对支护后的围岩移动变形进行长期监测,从而在围岩局部发生破裂时能够及时采取措施进行补强支护,避免巷道整体失稳。目前围岩松动圈测试方法主要有声波法、多点位移计法、地质雷达法、
14、地震波法、电阻率法和渗透法等5。其中,声波法6-7目前应用最为广泛,该方法通过声波波速在介质中传播速度的变化反映介质裂隙发育及围岩质量的变化,将波速峰值作为松动圈边界,但该方法很难用于围岩松动圈范围的长期测试,而且对于巷道顶板垂直孔测试非常困难。多点位移计法8通过对围岩内部不同深度测点位移的记录,取位移变化最大两点间作为松动圈的大致位置,该方法的突出优势是能够实现在线监测,而且能定量获取两个锚点间围岩的变形值,但是该方法孔内锚点过少,深 20m 的钻孔一般测点为 45 个,因此其确定的松动圈范围精度较低。其他一些测试方法9虽然也可以用于围岩松动圈测试,但一般用于围岩掌子面前方围岩结构探测。总体
15、而言,目前的测试技术大多用于围岩某一阶段的松动圈测试,难以对围岩松动圈进行长期和精细化测试,常导致松动圈测试结果无法及时指导巷道支护决策。光纤传感技术始于自 20 世纪 70 年代,随着光纤制造、光电子和计算机技术的不断发展,近些年来光纤传感技术在采矿、水利水电、土木交通等工程领域得到了广泛的应用10-11。光纤传感技术以光波为载体,光纤为传输媒介,通过对外界的温度、应力、振动、磁场等物理量引起的光波特征参量(如波长、相位、光强、偏振态等)变化进行检测,从而实现对这些物理量的测量12。为了提高传感网络资源,通常采用波分、时分、频分、空分等网络复用技术提高带宽利用率,实现大容量传输13。本研究将
16、基于弱反射光纤光栅传感(Ultra-weakFiberBraggGrating)技术原理14,研制一种准分布式大量程应变传感器光缆,并通过室内标定试验掌握传感器光缆的测试性能。在此基础上,依托平煤股份四矿深部岩石巷道,开展现场工业性试验,掌握深部巷道围岩的围岩移动变形数据进而确定松动圈范围,为矿井深部巷道围岩稳定性分析与支护控制决策提供数据支持。1弱反射光纤光栅传感原理1.1FBG 传感原理FBG 传感器是利用光纤的光敏感特性,在纤芯内部成空间相位光栅,其本质是光纤纤芯中的一种周期性或者非周期性扰动有效折射率的反射结构15(图 1)。当光纤发生受应变扰动时,满足 Bragg 条件的反射光中心波
17、长也会发生位移,利用解调出的反射光中心波长位移变化量,结合已标定的应变灵敏度系数就可以计算出具体的应变扰动数值。对于普通 FBG 传感网络,由于其高反射率,后续光纤光栅无法与该波长的光谱产生反射现象,导致光纤传感器网络的复用容量受到极大的限制,这也是普通 FBG传感网络无法实现大范围应变测试的最主要原因。光强时间光纤包层光纤纤芯入射光反射光反射光中心波长光栅折射率、周期应变Bragg 光栅光强时间光强时间透射光图1FBG 测试原理示意Fig.1SchematicdiagramofFBGtestprinciple相较于普通 FBG,弱光纤光栅反射率一般低于1%,且光栅长度较短16。当入射光进入弱
18、光纤光栅2023年第6期煤炭科学技术第51卷12传感网络后,由于其低反射率,满足 Bragg 光栅条件波长的光波的一部分会反射回去,其余的大部分光波会沿着光纤继续传输至下一个光栅,如此通过光纤内部多次弱反射以及对反射光的解调,最终实现弱光纤传感网络测试容量的大幅提升。为确定光纤上每个光纤光栅的位置,还需要利用光纤光栅的时分复用技术17,其传感原理如图 2 所示。当光源发出的脉冲光射入弱反射光纤光栅传感器阵列中后,每个阵列传感器都会反射脉冲光信号,该信号包含着不同的时间信息与光谱信息,而解调系统则会接收该信号并根据相邻光栅的时间延迟确定光谱信息对应的光栅位置及编号。时分复用技术使整个光纤传感网络
19、不再受系统光源带宽限制以及外界环境因素范围的约束,且这种由反射率较低的光栅组成的传感网络,其传输的特性与分布式光纤传感网络较为相似,但光纤光栅传感网络反射率要比分布式传感网络高,因此实现的传感精度比后者高出许多。脉冲光波解调系统耦合器光强时间FBG1FBG2FBG3FBGnFBG 反射脉冲图2时分复用传感网络原理Fig.2Principlediagramoftimedivisionmultiplexingsensornetworks1.2光纤光栅应变传感模型由光纤耦合理论知,在相位匹配条件达到满足时,光纤光栅 Bragg 波长方程18为b=2neff(1)b其中,为中心波长;neff为纤芯折射
20、率;为光栅周期。当 Bragg 光栅受到影响时,其光栅周期和折射率都会发生改变,从而引起反射光波中心波长位移:bb=+neffneff(2)定义 Pe为光纤的有效光弹性系数;为光纤应变值,则有:bb=(1Pe)(3)即为光纤光栅波长变化量与应变的关系式。当光纤纤芯的材料一定时,理论上光纤光栅的应变传感系数为一常数,可以通过应变传感标定实验计算出来具体的数值。定义 K为 FBG 传感器应变灵敏度系数,则有:b=K(4)式(4)即为波长变化与应变间的关系式。由于光纤光栅的材质、光栅刻录技术及光纤传感器封装时环境等因素的影响,不同光纤光栅的应变灵敏度系数会有相应的差别,因此在 FBG 传感器内部封装
21、完成后,还需进行室内传感器试验,对光纤布拉格光栅传感器进行标定以确定应变灵敏度系数。2弱光纤光栅阵列传感器研制2.1弱光纤光栅传感光缆结构如图 3 所示,给出了弱光纤光栅应变传感光缆结构设计图。光缆由内到外依次为光纤裸线、金属螺旋铠、钢绞线和聚乙烯外护套,其中在锚点处利用黏结剂填充金属螺旋铠和光纤裸线间的空隙固化成锚点。锚点设计间距为 1m,光缆外径为 6mm,光纤Bragg 光栅设计在两个锚点中间,栅区长度10mm,中心波长为单波长 1532nm,光纤光栅反射率为0.05%,应变量程 00.04。黏接锚点(b)侧视图(a)正视图光纤Bragg 光栅1 m1 m6 mm黏结锚点钢绞线聚乙烯外护
22、套金属螺旋凯光纤图3弱光纤光栅应变传感光缆示意Fig.3Schematicdiagramofweakfibergratingstrainsensingcable如图 4 所示,给出了弱光纤光栅应变传感光缆实物图,由应变光缆和光纤接头组成。为保证外护套、钢绞线、金属螺旋铠间的协同变形,在光缆加工时金属螺旋铠跟钢绞线间通过绞合咬紧,外护套层通过高温挤塑到钢绞线上。在实际使用中,当被监测介质发生变形时,会通过应变光缆外护套、钢绞线、金属螺旋铠以及锚点处光纤的协同变形引起锚点间的光纤产生形变,引起 Bragg 光栅的中心波长发生位移。因此,弱光纤光栅应变传感光缆实际测量得到的是 2 个锚点间的平均应变
23、值。2.2应变光缆标定试验标定试验是掌握传感器测量性能并确定传感器李延河等:基于弱光纤光栅传感技术的围岩变形监测研究2023年第6期13标定系数的重要方法。为掌握弱光纤光栅应变传感光缆的测量特性与误差指标,参考 JJF13052011 线位移传感器校准规范和 JG/T4222013土木工程用光纤光栅应变传感器,在光纤位移试验平台上对研制的传感光缆开展了的应变与 Bragg 光栅波长漂移量关系标定试验,如图 5 所示。应变光缆固定夹头应变光缆滑轨光纤固定基座位移拉伸试验平台图5光纤位移实验平台Fig.5Fiberopticdisplacementexperimentalplatform由于应变光
24、缆使用的光纤是特种光纤,其裸纤最大应变超 0.04,超出了国内常用弱光纤光栅解调仪的测试带宽(15281568nm,图 6),因此本次标定试验应变光缆的最大拉伸应变值为 0.03,设置 16个标定点,0,0.002,0.004,0.028,0.030 对应的拉伸位移分别为 0,2,4,28,30mm。具体试验步骤如下:调整位移平台,固定应变光缆的锚点,稳定10min 后记录下弱光纤光栅解调仪显示的初始波长。逐级缓慢调整位移平台至预设拉伸位移量,稳定10min 后记录各级位移下的波长数值。当拉伸位移量达 30mm 后,按照原路径逐级缩减位移量,稳定 10min 后记录相应的波长数值。重复步骤,累
25、计循环 3 次。试验过程中,室内温度需控制在 20左右。如图 7 所示,给出了试验过程中应变光缆拉伸应变与解调波长的实验特性曲线。根据规范中传感特性和计量误差指标的定义(表 1),得到应变光缆的各技术参数(表 2)。其中,满量程输出值为应变光缆测量范围的上限和下限输出值之间的代数差;应变灵敏度反映传感单元在外荷载作用下的波长变化程度;基本误差是稳定整个仪表测量精确度的指标;回程误差是指在相同条件下,被测量值不变,应变光缆受载方向不同时其示值之差的绝对值;线性度是应变光缆实测过程与模型拟合情形的吻合程度度量;重复性是指被标定的仪器在各标定点上的输出数据的重复程度。00.0050.0100.015
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