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论文题目分布式光纤锚杆全长监测的实验研究* 专 业采矿工程 硕 士 生李廷博 签名 指导教师柴 敬 签名 摘 要 近年来煤炭行业的开采也有很大的发展，但随之而来的就是采煤过程中的安全问 题。煤矿中顶板事故数量居高不下，然而顶板事故最主要的原因就是巷道支护不及时， 巷道支护力度不够等。锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻 了工人劳动强度。目前，锚杆支护技术已在国内外得到普遍应用，是煤矿实现高产高效 必不可少的关键技术之一。 本文对光纤 Bragg 光栅传感技术以及脉冲预泵浦布里渊光时域分析技术 Pulse-PrePump Brillouin Optical Time Domain Analysis，PPP-BOTDA原理做了介绍，分 析了光纤 Bragg 光栅波长漂移量与温度和应变的关系，以及布里渊频移与温度和应变的 关系。通过在实验室模拟现场锚杆安装和受力过程为目标，设计相似材料模拟试验，构 建了光纤 Bragg 光栅传感系统及 PPP-BOTDA 分布式光纤传感系统，并将这两个监测系 统同时运用到试验的监测中。通过多次试验给出了合理的锚杆光纤封装工艺及保护措 施，并提出了合理的安装方法。将锚杆拉拔过程中 FBG 光纤光栅监测的数据及 PPP-BOTDA 分布式光纤监测的数据进行对比分析，确定了 PPP-BOTDA 分布式光纤监 测锚杆拉拔过程的受力情况是可行的。 研究表明，PPP-BOTDA 分布式光纤传感技术实现了锚杆拉拔试验的分布式监测， 能够很好的监测到锚杆拉拔过程中杆体所受轴力的分布规律。通过对锚杆拉拔过程中 PPP-BOTDA 分布式光纤监测的数据进行分析，得到了锚杆杆体上所受剪应力，通过锚 杆所受剪应力峰值的位置，得出判断锚杆锚固程度好坏的一种方式。 关 键 词相似材料模拟试验；锚杆；分布式光纤传感；锚杆安装工艺，锚杆轴力 研究类型应用研究 *本文得到国家自然科学基金项目51174280的资助 万方数据 万方数据 Subject Experimental Study on the Distributed Fiber Optical Sensing Technology for Monitoring Anchor* Specialty Mining Engineering Name Li Tingbo Signature InstructorChai Jing Signature ABSTRACT Coal mining has a great development in recent years, but it was coal mining safety problem in the process.High number of roof accident in coal mines, but the main reason is the roadway roof accident was not paid, roadway was not enough, and so on.Bolt supporting roadway is significantly improved results, reduces the cost of roadway and reduce labor intensity.At present, the bolting support technology has been widely used in our country and abroad, and it is one of the key technologies essential for achieving high yield and high efficiency. Based on Fiber Bragg grating sensor technology and the impulse pump introduces Brillouin optical time domain analysis of technical principles, analyses the wavelength shift of Fiber Bragg grating temperature and strain on the relationship, and the relationship of Brillouin frequency shift, temperature and strain. By lab to build similar material simulation test-bed design modeling experiment constructs a Fiber Bragg grating sensing system and a distributed optical fiber sensing system, and the two monitoring systems used in similar material simulation test of the monitoring. After numerous tests and gives reasonable bolt fiber packaging and protective measures, and gives a reasonable of installation. Fiber Bragg grating monitor bolt drawing data and compare distributed optical fiber monitoring analysis to determine the drawing process of the distributed optical fiber monitoring anchor bar stress scenario is feasible. Studies have shown that distributed optical fiber sensing technology for bolt pullout test of distributed monitoring, it can be a good monitor to bolt pull rod stress distributions in the process.Through the bolt drawing in distributed optical fiber monitoring analysis of data obtained by shear forces on the bolt body, by shear stress peak value of anchor location, obtained judgment bolt of degree one way. KeywordsSimilar Material Simulation Experiment; Bolt; Distributed Fiber Optic Sensing; 万方数据 Installation Technology of Bolt; Bolt Axial Force Thesis Applied Study *This paper is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 51174280. 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景 ....................................................................................................................... 1 1.2 研究意义 ....................................................................................................................... 1 1.3 锚杆应力监测方法 ....................................................................................................... 2 1.3.1 传统锚杆监测方法 ............................................................................................. 2 1.3.2 光纤传感锚杆监测方法 ..................................................................................... 4 1.4 光纤传感技术监测锚杆研究现状 ............................................................................... 5 1.5 锚杆应力分布规律国内外研究现状 ........................................................................... 6 1.6 研究内容及方法 ........................................................................................................... 9 2 锚杆受力分析 ....................................................................................................................... 10 2.1 锚杆锚固机理研究 ..................................................................................................... 10 2.2 锚杆分类 ..................................................................................................................... 11 2.3 锚杆锚固类型 ............................................................................................................. 12 2.4 全长粘结式锚杆受力分析 ......................................................................................... 14 2.5 本章小结 ..................................................................................................................... 17 3 锚杆拉拔试验监测系统 ....................................................................................................... 18 3.1 光纤 Bragg 光栅监测系统 ......................................................................................... 18 3.2 光纤 Bragg 光栅传感技术及原理 ............................................................................. 19 3.2.1 光纤 Bragg 光栅传感原理 ............................................................................... 19 3.2.2 光纤 Bragg 光栅轴向应变传感特性 ............................................................... 20 3.2.3 光纤 Bragg 光栅温度传感特性 ....................................................................... 22 3.3 PPP-BOTDA 分布式光纤监测系统 .......................................................................... 23 3.4 PPP-BOTDA 分布式光纤传感技术及原理 .............................................................. 24 3.4.1 PPP-BOTDA 分布式光纤传感原理 ................................................................ 24 3.4.2 PPP-BOTDA 分布式光纤轴向应变传感特性 ................................................ 26 3.4.3 PPP-BOTDA 分布式光纤温度传感特性 ........................................................ 28 3.5 表面粘贴式的光纤传感应变传递 ............................................................................. 29 3.6 锚杆拉拔系统 ............................................................................................................. 30 3.7 本章小结 ..................................................................................................................... 32 4 试验设计及模型制作 ........................................................................................................... 34 4.1 试验方案 ..................................................................................................................... 34 4.2 试验材料配比选择 ..................................................................................................... 35 万方数据 目录 II 4.3 模型制作 ..................................................................................................................... 36 4.4 本章小结 ..................................................................................................................... 38 5 锚杆拉拔试验 ....................................................................................................................... 39 5.1 锚杆拉拔试验监测系统 ............................................................................................. 39 5.2 光纤光栅锚杆测力计标定 ......................................................................................... 39 5.2.1 光纤光栅锚杆测力计 ....................................................................................... 39 5.2.2 测力计标定试验 ............................................................................................... 41 5.2.3 标定结果及数据分析 ....................................................................................... 41 5.3 锚杆安装与试验过程 ................................................................................................. 43 5.4 锚固剂凝固阶段监测结果 ......................................................................................... 49 5.5 应力分布监测结果与分析 ......................................................................................... 55 5.5.1 光纤光栅监测结果 ........................................................................................... 56 5.5.2 PPP-BOTDA 分布式光纤监测结果 ................................................................ 60 5.5.3 锚杆外端轴力监测结果对比分析 ................................................................... 63 5.6 本章小结 ..................................................................................................................... 65 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 66 6.1 结论 ............................................................................................................................. 66 6.2 展望 ............................................................................................................................. 66 致谢 .......................................................................................................................................... 68 参考文献 .................................................................................................................................. 69 附录 .......................................................................................................................................... 73 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 选题背景 随着社会的不断进步，科技的不断发展，近年来煤炭行业的开采也有很大的发展， 但随之而来的就是采煤过程中的安全问题。近些年煤矿安全事故频有发生，从 2009 年 至 2013 年五年之间，全国煤矿事故就高达 406 起，死亡人数高达 2826 人，其中 2012 年与 2013 年两年间煤矿事故就有 119 起，死亡人数高达 888 人，顶板事故发生 18 起， 死亡 72 人，占煤矿事故总数的 15.1，占煤矿事故总死亡人数的 8.1 ，顶板事故最 主要的原因就是巷道支护不及时，巷道支护力度不够等。我国煤矿生产中地下（矿井） 开采产量占煤矿总产量的百分之九十以上，在井下需要开掘大量的巷道，在煤层中开掘 的巷道占 75以上， 因此保持巷道畅通及巷道围岩稳定对煤矿安全生产具有极其重大的 作用[13]。 煤矿巷道支护经过了漫长的发展过程。最初采用木结构进行支护，随着煤矿开采深 度的加深，发展为砌碹支护，由于支护要求的提高，改进为型钢支护以及锚杆支护。锚 杆支护应用于煤矿以来，经过大量的实践，通过大量的应用实例表明，该方法是经济、 有效的 [4,5]。随着锚杆支护的大量应用，锚杆的锚固质量直接影响了煤矿巷道围岩的稳 定及煤矿的安全生产。因此，对锚杆的力学性能、锚固机理进行深入研究具有非常重要 的意义，且对于锚杆锚固质量的实时、快速监测也逐渐成为锚杆支护过程中亟待解决的 重要课题之一。 近年来，光纤传感技术以其独特的优势得到快速发展且日益成熟，已经成为一种具 有变革意义的新技术，在其材料与结构监测方面有着非常重要的应用价值，其研究应用 领域不断扩展，如今在岩土工程、边坡、地下工程等现场监测及试验研究中已得到了广 泛应用 [69]。 由于光纤传感器元件与其他传感元件相比，它的体积比较小、重量比较轻，能适应 各种复杂条件，具有较强的耐腐蚀性，且测量精度非常高，同时具有较强的抗电磁干扰 能力，也可实现远距离实时传输及分布式测量等独特的优势，所以根据布里渊光时域分 布式光纤传感原理设计分布式光纤监测系统，并结合光纤布拉格光栅（FBG）传感器进 行监测对比，在实验室运用物理相似模型，搭建光纤锚杆监测系统，对全长粘结式锚杆 的受力情况进行研究。 1.2 研究意义 （1）为锚杆应力监测提供新的监测手段 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 由于锚杆受力状态的复杂性，且在支护过程中与围岩紧密接触，使得应力应变的监 测非常困难。因此将光纤传感技术引入锚杆支护过程中应力应变的监测，为锚杆应力监 测提供新的监测手段。 （2）为锚杆支护选型提供理论依据 通过对锚杆支护过程中力学状态的理论分析及试验研究，对锚杆加固机理的认识、 加固作用的可靠性评价、锚杆设计参数的合理选择等，均具有非常重要的意义，能够为 锚杆的选型提供参考。 （3）为复杂条件下锚杆支护过程长期、有效的监测提供可能。 锚杆支护多处于复杂条件下，传统监测设备很难对锚杆进行长期、有效的监测；然 而对于光纤传感器来说，它具有的各种特性，可在各种恶略的自然环境下，有效工作达 十年以上，可以实现监测的长期耐久性。 （4）实现锚杆长距离分布式监测 现有的监测仪器及手段多种多样，且均具有其独特的优越性；同样，这些监测方法 也存在一定的局限性， 在长期监测中稳定性比较差、 不能实现真正意义上的分布式测量、 信号不能远距离实时传输、 监测过程中受外界影响因素的干扰较大造成其结果的误差较 大。BOTDA 分布式光纤传感技术以其自身特点，实现了沿锚杆杆长分布式监测，并可 通过相应转换得到锚杆上个点的剪应力。 1.3 锚杆应力监测方法 由于锚杆支护的隐蔽性以及锚杆支护所处环境的复杂性， 故对锚杆工作状态杆体应 力分布规律的监测就有一定的困难， 现在对锚杆应力的检测技术与监测方法主要有传统 锚杆监测方法和新型的光纤传感监测方法。 1.3.1 传统锚杆监测方法 （1）电阻应变式 应变片有很多种类。一般的应变片是以一种塑性材料制成薄膜（15-16μm）作为其 基底，再将采用金属材料制作而成的敏感栅（3-6μm）粘贴在基底上，最后在上方覆一 层薄膜。采用电阻应变片进行监测时，将其按照所设计测量方向粘在被测物体的相应位 置，在被测物体伸缩变形时，应变片也随之伸缩。在应变片伸缩时其内部的金属敏感栅 也随着变形其电阻也会随之发生变化。 应变片即采用金属变形过程中伴有电阻的变化这 一原理，实现对应变的监测。常用的应变片选取铜铬合金制作敏感栅，通过电学试验， 采用材料的电阻变化率为常数，应变片电阻变化与应变的关系为 R K R    （1.1） 万方数据 1 绪 论 3 式中R应变片原电阻值，Ω； ΔR伸长或压缩所引起的电阻变化，Ω； K应变片的灵敏系数（常量，由应变片的生产厂家提供） ； Ε应变，με。 不同材料的 K 值均有所不同，铜铬合金的 K 值约为 2。所以，通过对电阻应变片电 阻的变化实现对物体应变的监测。 （2）振弦式 振弦式应变计主要由前后端座、不锈钢护管、信号传输电缆、振弦及激振电磁线圈 等组成。 监测过程中被测物体内部的应力出现变化后，振弦式应变计随之发生一定的变化， 通过前、后端座将应变计产生的应变传递给振弦，再将其转化为应力的变化，从使振弦 的振动频率发生变化。电磁线圈激振振弦同时对振弦的振动频率进行监测，并将信号传 输到解调仪，通过解调得到被测物体的应变量。 温度对振弦式应变计监测过程中有一定的影响，不考虑温度对应变计的影响，仅考 虑应力应变时，其应变量 ε 与频率模数 ΔF 成正比关系 kF （1.2） 0 FFF （1.3） 式中k应变计的测量灵敏度，10-6/F； ΔF应变计实时测量值相对于基准值的变化量，F； F应变计的实时测量值，F； F0应变计的基准值，F。 不考虑应力对应变计的影响，仅考虑温度变化时，温度每变化 ΔT 时，均会得到一 个 ΔF，因此在计算时，可将因温度引起的变化剔除。 ΔT 与 ΔF 存在一定的线性关系 0b Fb T   （1.4） k Fb T  （1.5） 0 TTT （1.6） 式中b应变计的温度修正系数，10/℃； ΔT温度实时测量值相对于基准值的变化量，℃； T温度的实时测量值，℃； T0温度的基准值，℃。 （3）差动电阻式 差动电阻式应变计大多运用一定的方式在仪器内部固定两根钢丝， 通过一定的预应 力将钢丝张紧在结构内。当应变计受到外力作用发生变形时，应变计内部的钢丝一根受 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 拉电阻增加，一根受压电阻减少。通过对钢丝电阻的变化进行监测，然后对电阻进行比 较即可得到应变计所监测到的应变值。 差动电阻式应变计通过采用两个钢丝的电阻监测 得到被测物体的应变，该方法采用差动法提高了应变计的灵敏度，同时可排除温度在监 测过程中对应变的影响。 1.3.2 光纤传感锚杆监测方法 二十世纪七十年代光纤传感技术开始蓬勃发展。因为光纤传感技术具有很多优势， 其受变形后灵敏度高、能适应恶略的自然环境抗电磁干扰能力强、传感器的体积小等， 所以光纤传感技术自始至终都被学术界所关注着， 在大多数领域均受到了深入研究及广 泛应用，在传感技术的的发展中一直处于前沿，并促进了传感技术的发展。 光纤中传输的是光信号，然而所传输的光波距有诸多参数，如光强、频率、波长、 相位以及偏振态等，这些光波参数受外界影响后变换较大，光纤传感原理就是通过对所 传输的光波参数进行检测，实现对外界被测物的监测。光纤传感技术在应力监测中主要 有准分布式的光纤光栅传感器，以及基于布里渊光时域技术的分布式光纤传感技术。 （1）光纤光栅传感技术 光纤光栅传感技术即使用光纤布拉格光栅传感器监测锚杆杆体轴向应变， 进而转换 为杆体上的轴向应力。 该方法主要对通过 Bragg 光栅后反射光的中心波长进行检测，来达到对被测物体 Bragg 光栅位置处应变的监测。随着光纤所受外力或温度的变化，光栅栅距发生变化， Bragg 光栅的反射光波长发生漂移。通过检测 Bragg 光栅波长漂移量来分析 Bragg 光栅 所发生的微应变， 从而达到应力的检测。 故可将光纤 Bragg 光栅粘贴在锚杆上进行封装， 形成测力锚杆，即可对锚杆的受力情况进行检测。 （2）分布式光纤传感技术 分布式光纤传感器中，光纤上的每一段既是传感元件又是传输信号纤，实现了真正 意义上的既“传”又“感”，所以又被称为功能型光纤传感器。这种技术主要是由光通 过光纤时发生散射发展而来的。对光纤传感技术的研究发现，光纤中的光散射主要有瑞 利散射Rayleigh Scattering、拉曼散射Raman Scattering和布里渊散射Brillouin Scattering三种，这些散射均由光纤中不同因素引起，如折射率、光学声子、声学声子 等。目前，针对以上所述的三种散射光的散射机理，就分布式光纤传感技术展开研究。 随着光纤传感技术的快速发展，已广泛应用于岩土工程监测中。但由于光纤的特殊 性，在同种条件下，它即对应变非常敏感，同时又对温度非常敏感。在应用过程中，温 度及应变对监测结果均有影响。所以在应用光纤监测时，必须考虑到温度和应变之间的 相互影响。 在进行应变监测时， 必须对光纤进行温度补偿， 排除温度对监测结果的影响； 进行温度监测时，同样也应该对应变进行控制，排除应变对温度的影响。 万方数据 1 绪 论 5 1.4 光纤传感技术监测锚杆研究现状 运用光纤传感技术监测锚杆受力的方法主要有两种，一种是准分布式光纤传感技 术，主要是基于 FBG 光纤光栅的传感技术，该技术检测到的是粘贴 FBG 光纤光栅位置 处的受力情况； 另一种是分布式光纤传感技术， 主要是基于布里渊散射的光纤传感技术， 该技术中，光纤既是传感元件又是信号传输线，它能够检测到光纤各处的受力情况。 2005 年柴敬、兰曙光等人[10]运用光纤 Bragg 光栅传感技术进行锚杆支护质量监测。 将三个光纤 Bragg 光栅传感器及三个电阻应变片粘贴于锚杆杆体表面相对应位置，在压 力机上进行拉拔试验。对两个系统的监测结果进行对比，分析得出光纤 Bragg 光栅应变 检测的分辨率及灵敏度均优于电阻应变片，且对微小应变非常灵敏。 2008 年林传年、 刘泉声等人[11]将光纤 Bragg 光栅传感器通过沪蓉西高速公路龙 潭隧道支护锚杆轴力监测的工程应用，对应用于岩土工程中光纤传感器的选择、安装、 标定以及埋设均作了一些说明。采用光纤光栅传感技术对隧道支护锚杆轴力进行了监 测，得到了该条件下锚杆轴力的的变化特性。 2009 年李毅、柴敬等人[12]根据光纤 Bragg 光栅传感器的原理，自行设计研制出一 种新型的光纤光栅锚杆测力计，并采用万能材料试验机对其进行反复加载试验，得出该 测力计可重复使用性好、安装非常方便且易于保护和维修，该测力计具有诸多优点能够 实现长期在线实时监测，信号传输距离远且信号非常稳定，在锚杆监测应用中具有非常 广阔的前景。 2009 年冯仁俊、彭文庆等人[13]在分析传统锚杆监测系统的缺点和光纤光栅传感技 术的优点的基础上，采用 FBG 光纤光栅传感器设计了一套新的全长锚固锚杆的监测系 统。运用物理相似模拟试验的方法，搭建了锚杆拉拔模型并埋设有封装 FBG 传感器的 锚杆，对该锚杆进行了拉拔试验，得到了锚杆沿杆体的分布趋势，并说明该方法的可行 性。 2012 年柴敬、赵文华等人[14]为了实现煤矿锚杆受力过程及安全状态的长期连续监 测，用光纤光栅传感技术设计了锚杆监测系统并于实验室进行了物理相似模拟试验。在 实验室模拟煤矿井下巷道锚杆支护的受力过程， 使用 Φ18 的金属锚杆， 实验拉拔载荷达 到 76.44kN，采用 3 个沿杆身安装的光纤光栅传感器测试轴向应变，1 个光纤光栅端头 式测力计测试锚杆端部轴力，在杆身对应位置安装 3 个电阻应变片，研究锚杆端部轴力 和杆身应变的变化。 FBG 光纤光栅传感技术属于准分布式光纤传感技术。 光纤 Bragg 光栅应变监测主要 通过对光信号的检测，光信号在光纤中传输抗环境干扰非常强、长期稳定性好等诸多特 性，使得光纤光栅传感技术在长期稳定有效的监测中具有广阔的应用空间。但在监测中 只能通过串联光栅达到多点测量，且测点间隔比较大，不能达到沿光纤全长监测。 万方