周鵬飛

（大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司，山西大同，037000）

1 引言

光纖光柵傳感器是一種新型的全光纖無源器件[1]，是用光纖光柵（FBG）作敏感元件的功能型光纖傳感器[2,3]。目前，國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者開展了對(duì)光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于錨桿工況檢測(cè)的研究[4,5]。但現(xiàn)有光纖光柵測(cè)力錨桿還需要進(jìn)一步改進(jìn)，本文提出了針對(duì)光纖光柵測(cè)力錨桿中存在的錨桿應(yīng)變與光纖應(yīng)變不同步的問題而進(jìn)行的改進(jìn)，并在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

2 現(xiàn)有光纖光柵測(cè)力錨桿存在的問題

原有光纖光柵測(cè)力錨桿通過在測(cè)力錨桿上開槽（2 mm寬，1 mm深），并在槽內(nèi)貼上光柵（如圖1）。使測(cè)力錨桿在縱向應(yīng)變的時(shí)候連帶貼在槽內(nèi)的光柵一起應(yīng)變，光柵感應(yīng)到應(yīng)變以后通過同樣埋在槽內(nèi)的光纖（上圖橙色線條）傳感出去，從而達(dá)到測(cè)量測(cè)力錨桿縱向應(yīng)變的目的。

圖1現(xiàn)有光纖光柵測(cè)力錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

但通過分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，也暴露了該傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要問題，即：光纖光柵延伸率與測(cè)力錨桿不匹配。光纖光柵測(cè)力錨桿的傳感原理是測(cè)力錨桿經(jīng)過應(yīng)變后連帶貼在其上的光柵一起應(yīng)變，即要求測(cè)力錨桿有多大應(yīng)變，光柵也有多大應(yīng)變。而實(shí)際情況是測(cè)力錨桿的最大延伸率是17%，而光纖光柵的最大延伸率是0.3%。一旦測(cè)力錨桿的應(yīng)變大于0.3%，不但達(dá)不到測(cè)力的目的，還會(huì)造成光纖光柵損壞的后果。

3 光纖光柵測(cè)力錨桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了解決光柵光纖的應(yīng)變和錨桿應(yīng)變不同步的問題，思路就是借鑒已有的光纖光柵減敏傳感器，使光纖光柵的基片載體應(yīng)變相對(duì)減少，而其它部分應(yīng)變不變，從而達(dá)到減敏的目的。

其中應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)：

（1）光纖光柵在粘貼過程中應(yīng)盡可能的貼在彈簧拉直段的正中間，以減小誤差。

（2）由于光纖的抗剪能力較差，盡量不要彎曲光纖。如必須彎曲，也要保證光纖彎曲的曲率較小。

（3）由于光纖的延伸率為0.3%，而錨桿的延伸率為17%。因此在光纖與錨桿緊貼在一起進(jìn)行縱向應(yīng)變的時(shí)候，很容易造成錨桿應(yīng)變還來不及測(cè)出就使光纖被拉斷的結(jié)果。由此提出一種類似以上所提的減敏光纖光柵傳感器。原理如圖2所示（E表示材料的彈性模量），利用材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)，使光纖光柵緊貼的部分，即實(shí)際測(cè)量應(yīng)變的部分應(yīng)變盡可能減少，而與錨桿聯(lián)動(dòng)的部分應(yīng)變盡可能變大，從而達(dá)到減敏目的。

圖2光纖光柵測(cè)力錨桿減敏傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

如圖3所示（A表示材料截面面積、L表示材料長度），中間橙色的部分為光纖光柵的載體，其與光纖光柵固定在一起并隨著一起應(yīng)變；兩端黃色的部分為非載體，端部通過深藍(lán)色部分與錨桿固定。錨桿應(yīng)變的同時(shí)通過深藍(lán)色部分拉動(dòng)黃色非載體，進(jìn)而拉動(dòng)橙色載體引起光纖光柵的應(yīng)變。

圖3光纖光柵測(cè)力錨桿傳感器結(jié)構(gòu)初步設(shè)想圖

設(shè)計(jì)思路：通過彈性力學(xué)公式盡量找彈性模量比較大的E1材料作為橙色塊，找到彈性模量比較小的E2材料作為黃色塊；另外橙色快橫截面積A1選大，黃色塊A2選小。這樣就能達(dá)到橙色塊的橫向形變量1小于黃色塊2的目的。再根據(jù)具體數(shù)據(jù)的計(jì)算，設(shè)計(jì)并選出適合的E和A，最終達(dá)到減敏目的。

4 應(yīng)用

4.1 概況

14301工作面為傾向長壁工作面，為南三采區(qū)第一個(gè)回采工作面，北面為杜峪村保護(hù)煤柱；南面為14302工作面，未開掘；東面為膠泥壟村保護(hù)煤柱，西面至南三采區(qū)大巷。工作面設(shè)計(jì)兩進(jìn)一回，為“刀把”型工作面，三條順槽都與南三集中膠帶巷呈80°交角。軌道順槽1 350 m，膠帶順槽長1 400 m，工作面切眼寬220 m，工作面可采長度為1 345 m，可采面積為 0.298 km2。

4.2 安裝及檢測(cè)

通過對(duì)沙曲礦14301軌道巷的開采狀況、煤層賦存特點(diǎn)、地質(zhì)特征，綜合考慮系統(tǒng)施工時(shí)間、排線難易及煤礦生產(chǎn)計(jì)劃，結(jié)合沙曲礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的鋪設(shè)線路及布置地點(diǎn)，最終確定將光纖光柵信號(hào)解調(diào)主機(jī)放在南三采區(qū)變電所。14301工作面全長1 288 m，已采至第二開切眼位置（距巷口800 m），考慮到工作面停采線位置，決定在14301軌道巷內(nèi)布設(shè)2個(gè)綜合測(cè)站，即第一綜合測(cè)站距14301軌道巷巷口350 m，第二綜合測(cè)站距14301軌道巷巷口600 m，如圖4

圖4檢測(cè)測(cè)站布置位置

光纖光柵測(cè)力錨桿安裝在綜合測(cè)站內(nèi)，布置14301軌道巷的兩幫，每個(gè)綜合測(cè)站布置2個(gè)，共布置4個(gè)，安裝情況可按如下步驟進(jìn)行：

（1）光纖光柵測(cè)力錨桿在安裝前，利用風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)在煤礦巷道的頂板鉆孔，鉆孔深度為2 m，鉆孔直徑為32 mm，鉆孔高度距巷道底板1.5 m；

（2）在鉆孔的頂端推入錨固劑，將錨桿放入鉆孔中，在錨桿放入過程中，輕微旋轉(zhuǎn)錨桿使錨固劑與錨桿充分接觸，不可用力旋轉(zhuǎn)以防測(cè)力錨桿的光纖被扯斷；

（3）將光纖光柵測(cè)力錨桿的光纖尾纖通過分光器和跳線接入預(yù)先設(shè)計(jì)好的主光纜。

14301軌道巷光纖光柵測(cè)力錨桿的安裝示意圖和效果圖分別如圖5和圖6所示。

圖5光纖光柵測(cè)力錨桿的安裝示意圖

圖6光纖光柵測(cè)力錨桿的安裝效果圖

表1錨桿載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值(1 MPa=8.67 kN)

第一測(cè)站（350 m）錨桿載荷變化：

監(jiān)測(cè)時(shí)段：2015.1.21～2015.1.28

圖7第一測(cè)站錨桿載荷變化

第二測(cè)站（600 m）錨桿載荷變化：

監(jiān)測(cè)時(shí)段：2015.1.21～2015.1.28

圖8第二測(cè)站錨桿載荷變化

第一測(cè)站（350 m）錨桿軸向力變化曲線：

圖9第一測(cè)站測(cè)力錨桿軸向力變化曲線

第二測(cè)站（600 m）錨桿軸向力變化曲線：

圖10第二測(cè)站測(cè)力錨桿軸向力變化曲線

5 結(jié)論

本文在現(xiàn)有測(cè)力光纖光柵基礎(chǔ)上，通過對(duì)截面積、長度、彈性模量的合理選擇，設(shè)計(jì)了新型的光纖光柵，并將其應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，通過在沙曲礦14301軌道巷的具體實(shí)施案例驗(yàn)證新型產(chǎn)品的可靠性，結(jié)果表明基于新型的光纖光柵能夠較精準(zhǔn)的得到巷道礦壓數(shù)據(jù)和檢測(cè)錨桿支護(hù)質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期的效果。