分布式光纖應(yīng)變和溫度傳感器
BOTDR傳感系統(tǒng)有以下幾個方面的優(yōu)點:
1)它能同時對溫度和應(yīng)力進行探測;
2)測量靈敏度高,溫度為0.2oC,應(yīng)力為4με;3
3)探測作用距離遠,能達到100公里,空間分辨率達到5米;
4)成本費用低。
巷道開挖后,巷道圍巖的變形破壞往往導(dǎo)致巷道破壞或塌方。常規(guī)的監(jiān)測技術(shù),如引伸計、應(yīng)力計、收斂站等,只能對淺層圍巖進行應(yīng)力或應(yīng)變數(shù)據(jù)的檢測,需要大量的人工操作。此外,在上述監(jiān)測技術(shù)中,監(jiān)測儀器安裝在開挖面后,因此無法檢測到開挖面前發(fā)生的應(yīng)變和變形。為了克服這些缺點,開發(fā)了一種基于布里淵光時域反射儀的新型圍巖變形控制監(jiān)測系統(tǒng)。與常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)為寬延巷道圍巖變形控制提供了可靠、準確、實時的監(jiān)測手段。在開挖面前方的鉆孔中安裝光纖傳感器,可以很好地保護傳感器,研究圍巖變形特性。該系統(tǒng)已在張集煤礦tbm掘進巷道中應(yīng)用。準確地檢測了圍巖變形行為,監(jiān)測結(jié)果為圍巖變形控制工作提供了必要的參考依據(jù)。
近20年來,隨著淺層煤炭資源的枯竭,煤礦開采活動不斷向深層轉(zhuǎn)移。在中國,大約60%的煤礦開采深度在800 m以上。深部開采面臨高地應(yīng)力和復(fù)雜地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)。這些新出現(xiàn)的問題導(dǎo)致了圍巖大變形、大破壞和巷道塌方,嚴重威脅了礦工的安全,限制了煤炭生產(chǎn)的產(chǎn)量。巷道塌方事故占煤礦事故總數(shù)的80%,造成43%的礦工死亡。傳統(tǒng)的淺埋巷道監(jiān)測技術(shù),如引伸計、應(yīng)力計、收斂站等,由于精度較低、人工操作過多,已不能滿足深部地層的監(jiān)測要求。
為解決深部煤礦圍巖變形監(jiān)測問題,在煤礦井下采煤工作面和巷道掘進中開展了許多新興的測量技術(shù)。趙等。利用微震技術(shù)對巷道圍巖進行損傷過程監(jiān)測。趙等。提出了一種基于光纖光柵位移傳感器的煤層上覆巖層位移監(jiān)測方法。Kajzar等人應(yīng)用三維激光技術(shù)在井下巷道中進行煤柱變形及頂板監(jiān)測。余等。用激光測距儀研究了圍巖變形和巷道收斂性。Martino和Chandler利用鉆孔攝像機圖像研究了圍巖變形和損傷區(qū)演化行為[9]。Blümling等人提出了微焦點x射線斷層成像對圍巖損傷的長期過程。Lubosik等人提出了一種通過使用嵌入應(yīng)變計和張量傳感器的儀表化錨桿測量錨桿軸向力和巖體位移的技術(shù)。劉等人。建議的瞬變電磁法(tem)用于探測圍巖損傷區(qū)范圍和變形。erich用地震反射法研究了煤礦巷道的塌方特征。
盡管監(jiān)測技術(shù)取得了一些進展,但上述監(jiān)測方法在某些方面仍存在缺陷。微震技術(shù)和瞬變電磁與地震反射法能夠探測到圍巖的裂隙發(fā)育,但對圍巖位移的監(jiān)測精度不高(達米)。微焦點x射線斷層成像只能測量巖石樣品中的損傷,不能用于現(xiàn)場監(jiān)測。與全分布式光纖傳感系統(tǒng)相比,光纖光柵系統(tǒng)需要的傳感器數(shù)量過多,成本較高。此外,大多數(shù)市售的審訊者只能處理相當(dāng)少量的FBG,設(shè)置感測點的數(shù)量的限制,以及沿光纖的密度。鉆孔攝像機圖像可以檢測圍巖內(nèi)的損傷和斷裂,而實時監(jiān)測不能實現(xiàn),圖像分析依賴于人工操作。由于錨桿長度的限制(通常小于2.5μm),儀器錨桿只能用來測量圍巖淺部的應(yīng)力和應(yīng)變。三維激光技術(shù)為巷道收斂提供了一種高精度的儀器,而巷道內(nèi)部的變形破壞是無法測量的。
布里淵光時域反射儀(BOTDR)是一種全分布式傳感技術(shù),用于沿所有確定的區(qū)域分布的應(yīng)變和溫度測量,其中只有一個光纖受到激光脈沖的刺激,因此許多離散傳感器可以被替換。BOTDR提供了快速可靠的測量,它還可以早期檢測可能影響采礦作業(yè)安全的變形,從而提前安排必要的工作,以減輕潛在風(fēng)險。近年來,botdr系統(tǒng)在煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。Naruse等人在智利El Teniente礦進行了BOTDR監(jiān)測。光纖沿巷道對準設(shè)置在巷道內(nèi),因此可以測量巷道收斂。Cheng等人采用基于botdr的監(jiān)測方法對煤層上覆巖層變形進行了測量。張和王在巷道表面建立了纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu),并進行了botdr應(yīng)變測量。
在以前的BOTDR應(yīng)用中,光纖安裝在巷道開挖面后約5 m處,以避免干擾支撐結(jié)構(gòu)(錨桿、電纜錨桿、鋼網(wǎng)等)的安裝。因此,只能測量隨時間變化的變形,不能立即研究開挖后不久發(fā)生的變形。然而,80%的道路損壞和坍塌事故發(fā)生在開挖面附近。因此,對巷道全斷面、包括較深一層圍巖和掘進工作面的監(jiān)測,一直是保證煤礦井下安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。
本文主要研究基于botdr的煤礦井下巷道圍巖監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)被修改,從而能夠?qū)崟r監(jiān)測圍巖的瞬時和隨時間變化的變形。提出了該系統(tǒng)在巷道中的現(xiàn)場監(jiān)測,并對監(jiān)測結(jié)果進行了分析,并與常規(guī)監(jiān)測技術(shù)的測量結(jié)果進行了比較。
2。煤礦井下圍巖控制BOTDR監(jiān)測系統(tǒng)的研制
2.1。BOTDR監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理
基于botdr的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了布里淵散射,這是一個基本的物理過程,代表了光與光介質(zhì)在傳播介質(zhì)中的相互作用效應(yīng)。當(dāng)光通過光纖時,大部分光沿著原始方向傳播,一小部分光偏離原始方向,導(dǎo)致散射。光纖中的光散射有三種類型:光纖折射率變化引起的瑞利散射、光學(xué)聲子引起的拉曼散射和聲學(xué)聲子引起的布里淵散射。在布里淵散射中,散射光在其頻譜上達到峰值,其頻率從脈沖光偏移。這種頻移量稱為布里淵頻移。
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