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分布式光纤应变和温度传感器

BOTDR传感系统有以下几个方面的优点:

1)它能同时对温度和应力进行探测;

2)测量灵敏度高,温度为0.2oC,应力为4με;3

3)探测作用距离远,能达到100公里,空间分辨率达到5米;

4)成本费用低。

巷道开挖后,巷道围岩的变形破坏往往导致巷道破坏或塌方。常规的监测技术,如引伸计、应力计、收敛站等,只能对浅层围岩进行应力或应变数据的检测,需要大量的人工操作。此外,在上述监测技术中,监测仪器安装在开挖面后,因此无法检测到开挖面前发生的应变和变形。为了克服这些缺点,开发了一种基于布里渊光时域反射仪的新型围岩变形控制监测系统。与常规监测系统相比,该系统为宽延巷道围岩变形控制提供了可靠、准确、实时的监测手段。在开挖面前方的钻孔中安装光纤传感器,可以很好地保护传感器,研究围岩变形特性。该系统已在张集煤矿tbm掘进巷道中应用。准确地检测了围岩变形行为,监测结果为围岩变形控制工作提供了必要的参考依据。

近20年来,随着浅层煤炭资源的枯竭,煤矿开采活动不断向深层转移。在中国,大约60%的煤矿开采深度在800 m以上。深部开采面临高地应力和复杂地质条件的挑战。这些新出现的问题导致了围岩大变形、大破坏和巷道塌方,严重威胁了矿工的安全,限制了煤炭生产的产量。巷道塌方事故占煤矿事故总数的80%,造成43%的矿工死亡。传统的浅埋巷道监测技术,如引伸计、应力计、收敛站等,由于精度较低、人工操作过多,已不能满足深部地层的监测要求。

为解决深部煤矿围岩变形监测问题,在煤矿井下采煤工作面和巷道掘进中开展了许多新兴的测量技术。赵等。利用微震技术对巷道围岩进行损伤过程监测。赵等。提出了一种基于光纤光栅位移传感器的煤层上覆岩层位移监测方法。Kajzar等人应用三维激光技术在井下巷道中进行煤柱变形及顶板监测。余等。用激光测距仪研究了围岩变形和巷道收敛性。Martino和Chandler利用钻孔摄像机图像研究了围岩变形和损伤区演化行为[9]。Blümling等人提出了微焦点x射线断层成像对围岩损伤的长期过程。Lubosik等人提出了一种通过使用嵌入应变计和张量传感器的仪表化锚杆测量锚杆轴向力和岩体位移的技术。刘等人。建议的瞬变电磁法(tem)用于探测围岩损伤区范围和变形。erich用地震反射法研究了煤矿巷道的塌方特征。

尽管监测技术取得了一些进展,但上述监测方法在某些方面仍存在缺陷。微震技术和瞬变电磁与地震反射法能够探测到围岩的裂隙发育,但对围岩位移的监测精度不高(达米)。微焦点x射线断层成像只能测量岩石样品中的损伤,不能用于现场监测。与全分布式光纤传感系统相比,光纤光栅系统需要的传感器数量过多,成本较高。此外,大多数市售的审讯者只能处理相当少量的FBG,设置感测点的数量的限制,以及沿光纤的密度。钻孔摄像机图像可以检测围岩内的损伤和断裂,而实时监测不能实现,图像分析依赖于人工操作。由于锚杆长度的限制(通常小于2.5μm),仪器锚杆只能用来测量围岩浅部的应力和应变。三维激光技术为巷道收敛提供了一种高精度的仪器,而巷道内部的变形破坏是无法测量的。

布里渊光时域反射仪(BOTDR)是一种全分布式传感技术,用于沿所有确定的区域分布的应变和温度测量,其中只有一个光纤受到激光脉冲的刺激,因此许多离散传感器可以被替换。BOTDR提供了快速可靠的测量,它还可以早期检测可能影响采矿作业安全的变形,从而提前安排必要的工作,以减轻潜在风险。近年来,botdr系统在煤矿井下得到了广泛的应用。Naruse等人在智利El Teniente矿进行了BOTDR监测。光纤沿巷道对准设置在巷道内,因此可以测量巷道收敛。Cheng等人采用基于botdr的监测方法对煤层上覆岩层变形进行了测量。张和王在巷道表面建立了纤维网结构,并进行了botdr应变测量。

在以前的BOTDR应用中,光纤安装在巷道开挖面后约5 m处,以避免干扰支撑结构(锚杆、电缆锚杆、钢网等)的安装。因此,只能测量随时间变化的变形,不能马上研究开挖后不久发生的变形。然而,80%的道路损坏和坍塌事故发生在开挖面附近。因此,对巷道全断面、包括较深一层围岩和掘进工作面的监测,一直是保证煤矿井下安全生产的关键问题。

本文主要研究基于botdr的煤矿井下巷道围岩监控系统。监测系统的结构被修改,从而能够实时监测围岩的瞬时和随时间变化的变形。提出了该系统在巷道中的现场监测,并对监测结果进行了分析,并与常规监测技术的测量结果进行了比较。

2。煤矿井下围岩控制BOTDR监测系统的研制

2.1。BOTDR监测系统的基本原理

基于botdr的监测系统实现了布里渊散射,这是一个基本的物理过程,代表了光与光介质在传播介质中的相互作用效应。当光通过光纤时,大部分光沿着原始方向传播,一小部分光偏离原始方向,导致散射。光纤中的光散射有三种类型:光纤折射率变化引起的瑞利散射、光学声子引起的拉曼散射和声学声子引起的布里渊散射。在布里渊散射中,散射光在其频谱上达到峰值,其频率从脉冲光偏移。这种频移量称为布里渊频移。

光纤联系

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