閆文超 藺兌波 南漢晨 楊 偉

(中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

光纖光柵傳感技術(shù)是光電行業(yè)重要的技術(shù)之一，具有抗電磁干擾、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、可實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點，為圍巖應(yīng)變監(jiān)測提供了可行的途徑[1-3]。近年來，光纖光柵傳感技術(shù)得到迅速發(fā)展，傳感器種類不斷增多，靈敏度不斷提高，解調(diào)技術(shù)不斷發(fā)展，研究光纖光柵技術(shù)的企業(yè)和研究機構(gòu)增多，國內(nèi)的研究機構(gòu)主要有武漢理工光科股份有限公司、上海波匯科技有限公司、北京基康科技有限公司等，國外的研究機構(gòu)主要有美國的微光光學(xué)傳感公司(MOI)、智能科技有限公司(Smart Tech)以及加拿大的FISO公司等[4-6]，上述產(chǎn)品在煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用較少，特別是在深鉆孔中進行工作面圍巖應(yīng)變的監(jiān)測應(yīng)用。本次試驗是針對煤礦井下鉆孔復(fù)雜環(huán)境在實驗室搭建相似的物理模型，得到傳感器在不同角度下應(yīng)變數(shù)據(jù)。依照實驗室所得結(jié)果，在煤礦井下鉆孔進行了相應(yīng)的試驗，將傳感器按照特定的角度在孔內(nèi)進行布置，并監(jiān)測一段時間內(nèi)的鉆孔圍壓。本次試驗結(jié)果能夠為今后光纖光柵傳感器在井下鉆孔中實時監(jiān)測應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 光纖光柵監(jiān)測原理

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵傳感技術(shù)進行測量的傳感器，光纖光柵就是一段周期性調(diào)制的光纖，當傳感器所處位置的壓力、溫度等參數(shù)發(fā)生變化時，光柵的柵格周期和有效折射率就會發(fā)生變化，從而引起反射光的中心波長漂移，通過測量被測物理量變化前后光柵中心波長的變化量[7-8]，可實現(xiàn)被測物理量的測量。光柵應(yīng)變計觀測值為應(yīng)變光柵當前波長值λ1和λtl溫補光柵當前波長值，圍巖由于溫度和荷載變化引起的總應(yīng)變計算見式(1):

εt=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)

(1)

K——應(yīng)變計應(yīng)變系數(shù)，με/nm；

B——應(yīng)變計溫度修正系數(shù)，με/nm；

λ1——應(yīng)變光柵當前時刻的波長值，nm;

λ0——應(yīng)變光柵初始的波長值，nm；

λt1——溫補光柵當前時刻的波長值，nm；

λt0——溫補光柵初始的波長值，nm。

通過不同時刻的觀測值可求得各測點的應(yīng)變變化值[9-11]。當光柵周期的溫度或應(yīng)力發(fā)生變化時,將導(dǎo)致光柵柵距周期及纖芯折射率的變化,從而使光纖光柵中心波長發(fā)生移動,光纖光柵的傳感光路如圖1所示。

圖1 光纖光柵傳感光路

2 試驗概況

本次利用光纖光柵應(yīng)變傳感器在實驗室開展巖石模型圍壓監(jiān)測試驗，相似模擬材料選擇與實際巖層力學(xué)指數(shù)相吻合的相似材料(本次模擬中砂巖力學(xué)指數(shù))，以便較為真實地模擬實際現(xiàn)場情況。傳感器所處環(huán)境為埋深超過300 m，巖性為中砂巖，工作面圍壓為7～8 MPa，水量未知，傳感器填埋深度約為250 m，煤層厚度約為7 m。

另外，在換低速擋的同時，應(yīng)結(jié)合使用手剎，但要注意手剎不能拉緊不放，也不能拉得太慢。如果手剎和強制減檔的方法都不起作用，那么就要大聲鳴笛提醒前方車輛注意給你讓道，并及時尋找合適路段進行減速。如果以上方法都不適用，就要考慮利用路邊的障礙物來降低車速了。

2.1 物理模型設(shè)計

模型根據(jù)煤礦井下現(xiàn)場的實際要求，在實驗室設(shè)計物理模型長度為1.4 m、寬度為0.8 m、高度為1 m的長方體，澆筑材料使用經(jīng)過試驗所得的配比材料一次澆筑成型。模型的側(cè)面預(yù)留5個光纖光柵傳感器埋設(shè)注漿孔，傳感器的下傾角度分別為1號孔為10°、2號孔為20°、3號孔為30°、4號孔為45°、5號孔為50°，孔與孔之間的間隔約為20 cm，以易于注漿。圍壓監(jiān)測試驗物理模型如圖2所示。

圖2 圍壓監(jiān)測試驗物理模型

2.2 測試過程

本次測試在礦山水害鑒定與治理技術(shù)模擬實驗室進行單軸加壓試驗，此次試驗分為以下3個階段。

(1)將圍壓設(shè)備安裝到實驗?zāi)Ｐ蜕?，連接好加壓泵，并將傳感器尾纖與光纖光柵解調(diào)儀相連接，配置解調(diào)儀參數(shù)，進入采集階段。

(2)利用加壓泵向安裝的圍壓裝置進行加壓，加壓分為軸向加壓、徑向加壓和頂向加壓， 整個加壓過程分為3個階段，第一階段進行軸向加壓，加壓從0.02～0.1 MPa，每間隔0.02 MPa就保壓5 min，到0.1 MPa后保壓10 min，然后泄壓至0 MPa；第二階段徑向加壓，第三階段是頂向加壓，后2個階段的加壓過程和第一階段相同。

(3)利用光纖光柵解調(diào)儀讀取在不同方向加壓時，預(yù)設(shè)不同角度下傳感器監(jiān)測圍壓的變化情況。

通過以上3個階段，最終得到光纖光柵應(yīng)力應(yīng)變傳感器在三維試驗臺測試的應(yīng)變曲線。

3 試驗結(jié)果

按照設(shè)計的測試過程以及加壓過程對傳感器采集的數(shù)據(jù)在解調(diào)儀上進行解調(diào)，獲得原始的測試結(jié)果，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的處理分析得到傳感器在不同角度下加壓過程中所反映的應(yīng)力變化曲線如圖3～圖7所示。

圖3 傳感器下傾10°的應(yīng)力變化

圖4 傳感器下傾20°的應(yīng)力變化

圖5 傳感器下傾30°的應(yīng)力變化

圖6 傳感器下傾45°的應(yīng)力變化

圖7 傳感器下傾50°的應(yīng)力變化

通過試驗數(shù)據(jù)所繪制的圖形分析可得，試驗初設(shè)計的5個不同角度放置的光纖光柵應(yīng)變傳感器，在下傾角度越小的情況下對物理模型軸向加壓時數(shù)據(jù)測量能力更好，而且數(shù)據(jù)線性度也較好，能夠準確地反應(yīng)出不同加載壓力下的變化情況，而在徑向和頂上加壓時對傳感器的采集數(shù)據(jù)影響不大，符合預(yù)期試驗?zāi)繕恕?/p>

4 工程應(yīng)用

本次應(yīng)用的目的是通過光纖光柵監(jiān)測方式觀察工作面鉆孔的壓力變化情況。2019年7月，在河北冀中能源葛泉東井礦11916工作面東翼運輸巷應(yīng)用光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)，到2020年4月，歷經(jīng)了10個月的監(jiān)測。首先在11916工作面鉆窩處打100 m深的特定角度的鉆孔，然后通過PVC管將光纖光柵應(yīng)變傳感器推進孔底，到達預(yù)設(shè)位置后，開始向鉆孔底部注入混合配比的沙土，將光纖光柵應(yīng)變傳感器固定在設(shè)計好的測點位置，保證傳感器與鉆孔壁較好耦合；最后封孔甩出傳感器尾纖并熔接進入井下環(huán)網(wǎng)；通過交換機將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦饫w光柵解調(diào)儀中，監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)測站；井下分出可用的光纖數(shù)量有限，監(jiān)測的方式是循環(huán)滾動的，監(jiān)測完前面的區(qū)域后需要調(diào)整接入后面的傳感器光纖接口。煤礦井下鉆孔圍壓光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 煤礦井下鉆孔圍壓光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)

本次處理的數(shù)據(jù)來源于其中1個鉆孔3個月來的傳感器實時監(jiān)測的結(jié)果，通過對這個鉆孔3個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析整理，得到的傳感器監(jiān)測結(jié)果曲線如圖9所示。

圖9 傳感器監(jiān)測結(jié)果曲線

由圖9可以看出，光纖光柵應(yīng)變傳感器在監(jiān)測時間段內(nèi)應(yīng)變曲線有起伏變化，其中曲線下降能夠說明工作面處于加壓的過程，曲線上升說明工作面處于泄壓過程。在2019年9月26日、10月7日、11月7日左右都可以看出曲線有細微上升和下降的過程，通過與礦上其他監(jiān)測資料結(jié)果對比后得出，在這幾天工作面圍巖壓力發(fā)生了一定量的變化，這與光纖光柵應(yīng)變傳感器分析的結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

光纖光柵應(yīng)變傳感器在煤礦井下深鉆孔的布置和監(jiān)測工作面圍巖壓力的應(yīng)用較少，經(jīng)過前期實驗室模型測試以及井下的現(xiàn)場應(yīng)用分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)光纖光柵應(yīng)變傳感器能夠有效反映在被測物體受壓情況下的應(yīng)力變化情況以及變化規(guī)律；

(2)光纖光柵應(yīng)變傳感器在鉆孔中的布設(shè)角度與被測物體在受壓情況下的監(jiān)測效果有一定的關(guān)系，在下傾角度越小的情況下對物理模型軸向加壓時，傳感器有更好的數(shù)據(jù)測量能力，而且數(shù)據(jù)線性度好，能夠準確地反應(yīng)出不同加載壓力下的變化情況；

(3)光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測工作面圍巖壓力相對于其他產(chǎn)品有安裝方便、經(jīng)濟適用等明顯優(yōu)勢，為煤礦井下圍巖壓力監(jiān)測提供了一種可靠的技術(shù)。