基于弱光纤光栅传感技术的围岩变形监测研究_李延河.pdf

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.China 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:Theprominentcontradictionbetweenhighgroundstressandlowstrengthofsurroundingrockindeepstrataofcoalmineleadstolargedeformationandinstabilitydisasterafterroadwayexcavation.Inordertograsptheinternaldeformationofsurroundingrockbe-foreandafterroadwayexcavationandsupportintime,thisstudydevelopedaquasi-distributedlarge-rangestrainsensorcablebasedonweakfibergratingsensingtechnology,andrealizedthe1m-levelspacingarrangementofdeformationmeasuringpointsinsurroundingrock.Thetestperformanceofthesensorcableismasteredthroughtheindoorcalibrationtest.Thetestresultsshowthatthestrainrangeofthedevelopedstrainsensingcableisnotlessthan0.04,thesensitivityis1.23pm/,andtheaccuracylevelis0.5.Itbelongstothehigh-precisionsensorandhasgoodrepeatabilityandlinearity.FieldindustrialtestwascarriedoutindeeprockroadwayofNo.4CoalMineofPingdingshanTiananCoalSharesTheresultsshowthat:Thestrainvalueofsurroundingrockdecreaseswiththeincreaseofholedepth.Thestrainvalueofsurroundingrockwithin4mislarger,andthestrainvalueoutside7missmallerandtendstobestable.Thestrainofroadwaysurroundingrockmainlyoccurswithin30daysafterroadwayrepair,andthenthestrainincreaseofroadwaysurroundingrockgraduallydecreasesandtendstobestable.Takingtherapidconvergencepositionofstrainrateto0astheboundaryofsurroundingrock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.Throughthecompre-hensiveapplicationofweakfibergratingtechnologyandtimedivisionmultiplexingtechnology,thestrainopticalcablegreatlyimprovesthemultiplexingcapacityofopticalfibersensingnetworkandmeetsthelargerangeandfineonlinemonitoringrequirementsofsurround-ingrockdeformationmonitoringindeeproadwayofcoalmine.Throughtechnicalapplication,theinternaldeformationcharacteristicsofsurroundingrockofdeeproadwayincoalmineandthespatio-temporalevolutionlawofloosecirclecanbemasteredintime,whichprovidesscientificbasicdataforthestabilitycontroldecisionofsurroundingrockofdeeproadway.Key words:coalmine；weakfiberbragggrating；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、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