光纤声发射检测技术的煤矿井塌方预测方法.pdf
VoI . 33 No . 3 Ma, 2022 第30卷第3期 2022年05月 黑龙江科技大学学报 Jo n r n P o f Heil o n g jia n a Un i v er s it e o f Sc ien c e l a n fsl iCc pr eCic t io n; fiCc e o pt ic a c o u st ic emissio n sen so e; n n ia x ia t c o mpr e s sio n WsW en e r e c 000 收稿日期2222 -23 -15 基金项目国家重大科学仪器开发专项项目2212YQ152213 第一作者简介郭继坤1961-男,黑龙江省肇源人,教授,博士,研究方向矿山安全检测与控制,E-mPghl994163.ym。 342黑龙江科技大学学报第30卷 0引言 随着社会的进 展,能源的消耗量越来越 ,其中煤炭的消耗量约占能 耗量的三分之二, 然而煤矿的安全开采对煤炭的 重要,其中 煤矿塌方不仅会威胁到人员安全,而且对井下救援 成一定的困难。救援困难 主要是井下在一种 断 不容 取到被搜救人员的信息。因 ,能准确预测矿井塌方是否 及其位置并进行 预警对保证煤矿的安 得尤为重要。由于煤矿井 存在严重的电磁干扰、具有 燃易爆气体等 ,可以通过 射检测技术对其监测,因为 光纤 射传感器具有体积比较小、频率带宽高、灵 敏度高、损伤阈值高,以及与被测 无接触,同时 是无源传感器,能够用于 恶劣的 [-4]o王 等⑸通过收集某煤矿 冲击地压前后的声 射信号,对其进行小波频谱分析,指出当测量的声 射信号的主频率大幅 、振幅急剧增加等可作 为 冲击地压的特征,对冲击地压进行预测。李 鹏等⑹以钻孔卸压 及分 光纤传 术 为基础,将钻孔卸压过程分为裂隙发育阶段、极限平 衡阶段、塌孔阶段、破碎煤体压实阶段等四个阶段。 基于以上 ,笔者通过 光纤 射传感器的 点,结合煤矿井下的特殊 ,提出 新的煤矿 井塌方预测的方法,设计 合于煤矿井下的光 纤 射传 器结 。 1煤矿井塌方预测的原理 1.1声发射信号能量计数声发射信号能量计数 目前分析AE信号的方式有,其中最常用的 方式是对 特征参数进行处理,这些特征参数 的本质上是 射信号的特性,其用 简化的波形 特征参师表示。AE信号简化波形参数如图1所示。 图1 AE信号简化波形参数 Fig. 1 Simplifier wavvfo rm parrmet er o f acaesha emissio n 81.0 由图1可以看出,在信号检测 线之间存 在一部分面积,这一部分称为能量计数。 以用 计数率以及累计计数进行表示[一8]。同时,它是AE 信号的相对能量和相对强度的 表达方式,对阀 值电平以及 射波传 的灵敏程度比较低。 1.2声发射信号与应力关系声发射信号与应力关系 煤岩体破裂的过 分为四个阶段第一阶 ,裂隙 期,此阶 力不断加载,但 射 活动 极少;第二阶段,煤岩 弹性形变,其 内部微裂纹不扩展,在此阶 少量的AE信号, 其能量较低,持续时间较长;第三阶段,煤岩 生 弹性形变,煤岩 微裂纹并慢慢开始扩展,新 的裂纹也不断 ,当载荷逐渐增加到峰值的过程 中,煤岩体微裂纹开 合成宏观裂纹,裂纹不断增 ,最终 煤岩体破裂,AE信号在此阶 ,AE信号非常密集,且能 渐增大,当载荷达 到峰值时,其AE信号能量亦达到峰值;第四阶段, 力达到峰值后的破坏阶段,此时,煤岩 开始断 裂破坏,其所 力开 减,声发射活动仍然活 跃,但其能量开 减。 1.2预测煤矿井塌方原理预测煤矿井塌方原理 当检测到的 射活动进入第三阶段,即煤岩 开 弹性形 ,可判定煤岩体会 断 裂,可造成煤矿井顶板塌方,此时,可以进行预警并 通 作人员撤离危险 。煤岩体破裂过 的不同 阶 其 的 射信号的能 计数会有 所不同,当煤岩体当可以确定每个阶段的 射信 号的能量计数范围时,就可以提前预测煤矿井塌方。 不同材质的煤岩体的力学参数是不同的,其力学参 数是决定 射信号能 围的关键。 通过实地采样煤岩样,利用单轴压缩实验测量其 单轴抗压强度以及最大破坏载荷等力学参数,同时根 据传感器记录 射信号波形,记录其随实验的推进 过程中产生信号的幅值、频率、能量、累积能量,确定煤 岩体断裂不同阶段的AE信号的能量来计数范围。 2传感器的设计原理 光纤AE传感器由于具有无源、频率带宽高、灵 敏度 等 点 , 于 煤矿井 。 将 光纤 AE 传 器 检测技术运用到煤矿井 ,需考虑煤矿井下的电 磁干扰,瓦斯、氢气等可能爆炸的气体以及 射源 空间定位等问题。针对 问题,普通光纤AE传 器结构难以 用需求,因此,设计了 新的 光纤AE传感器 花作为测量的 元件应用于 第3期郭继坤,等光纤声发射检测技术的煤矿井塌方预测方法343 煤矿井 。 2.1 Saanac光纤声发射传感器光纤声发射传感器 Sa g n a o光纤 射传感器的原理如图2所示。 偏振控制器 光纤延时环 传感探头 图2 光纤AE传感器的结构 Fig. 2 Prio cio lr o f Sagnac o pt icai flber acaest ic emissio n senso r 由图2可以看出,Sa g n a o光纤AE传感器共由六 部分组成,分别是相当于光源的激光器,由 射出 光束1 ;3 dB耦合器,其能够把光束1变成两束,即 光束2和3,方向是 的,其中,2是顺时针方 向,光束2和3会途经偏振控制器、传感探头和光纤 ,最后到达光电探测器[]。在理想 ,如 果传感探头没有 到信号,则光束不会被干扰;若 有信号对传感探头作用时,光波的相位就会被调制。 当 传 探 到 AE 信 号 , 束光束 的 位被调制,这将 的 , 据两光 束的 判断 射信号的 方向。则光电探测 器PD被传达的顺时针光束的场强E1和逆时针光 束的场强E表示为 E 彳 t[少-osQt。1] E 2 -彳pS-径_。2] 式中彳----与3 dB耦合器的损耗和入射光的振幅 是成正比的常数; 3光波的角频率; 径光波的相位; 1、、2------光通过传感臂结构中的光路抵达 检测器所用的时间; 卩1、卩2------两光束的初相位,是由传导光纤长 度所决定的。 ,光电探测器检测的光强为 ID E1 E2 x E1 E2 * A2 [ 1 c o s As A /, As Ps 一 T1 Ps 一 T2, A - -卩2, 式中,I光电探测器检测的光强。 2.2应变片的结构及原理应变片的结构及原理 片是由四部分构成,从左到右分别引出线、 覆盖层、基底和敏 [0]如图3所示。 图3应变片的结构 Fig. 3 St ro ct urr o f st rrio 敏 本质是 改变成 的 比较敏感的部位,而基底以及 是能够对电阻 进行定位以及 的,其 以和被测体进行阻 断,起到 的作用,具有 测 线的作用的是 线⑼。常用的 片分为 电学 片和光 学 片。光学 片具有 磁干扰小,能够适 用于可能 爆炸的 里,同时在高震动载荷的 形下不 等特性。 2.2应变花的结构应变花的结构 由Sa a n a o光纤 射传感器的结构及 可 ,它有三 点第一,Sa g v o c光纤 射传感器 制的两光束通过同一传感光纤,使Sa o v o c光纤传 器可以避免外界 的干扰;第二,Svcc光纤声 射传感器的光 为零,不存在由传 和参考 不等 的噪音,因此对光 要求比较 ,可使用高功率的宽带光源,更适合 分 的检测;第三,Sa a n a o光纤 射传感器具有方向 。 ,文中 Sa a n a o光纤 射传感器进行 煤矿井塌 方 测的 。 在 片中,一般将存在 不同轴向敏 的 片称为 花。为了实现在煤矿井下进行空 间定位,因此,仿 桥 片,可以使用Sa a n a o光 纤 射传感器组建成 Sa g a c光纤 射传 感器 花,如图4所示。 一激血 S S 数据采集器 PC 图4 Sanaa光纤AE传感器应变花系统 Fig. 4 Syst em o f Sa.naa o pt icai flber acaest ia emissio n senssr st rrio ro set t e 344黑龙江科技大学学报第30卷 四个光纤AE传感器能够进行刻写, 是 在单模光纤中进行的,利用波分复用的技术进行复 用。该光纤 射传感器 花不但可以检测 射信号,且能检测煤岩体所 力、应变等力学参 数,还可以对 射源进行空间层面的定位,从而能 到 射源的位置。 3实验结果分析 33煤岩试样力学参数煤岩试样力学参数 在华晋焦煤有 任 王家岭煤矿煤岩冲 击倾向性测定实 [1]中指出了有关王 煤 矿的煤层、煤层顶板及底板的冲击倾向。 2 是顶板具有弱冲击倾向,属于n类岩层。虽然发 生冲击地压的概率是比较小,但是也会有产生的可 能性。煤岩样采用王 煤矿二 统山西组 2煤层顶板岩样,此煤岩样的岩 为 岩。 将煤岩样制作成直径为50 mm,高度为100 mm的 5个进行力学实验。 单轴抗压强度计算公式为 久二 Pmo p/S, 1 式中久煤岩样单轴抗压强度; Pma P煤岩样最大破坏载荷; S煤岩样受压面积。 泊松比、弹 计算公式分别为 M 夕250/2150, 2 E 久50/2150, 3 式中口---- ; E弹 ; 久50------煤岩样50的单轴抗压强度; 2横向应变; 印纵向应变。 通过测量及计算得到其力学参数g如表1 所示。 ruck sumpies 表1煤岩试样单轴压缩实验结果 Tablr 1 Result s o f cnicxicl ccmpressio n t est o f co cl 编号 hc/mm de/mm c/MPo bC/MPa j Mc E/GPa Ec /GPa 193.55 49.2323.455 03362 532032 299.55 49.3221.525033334. 232 3 366.35 49.2925.635 23.3190.374 0.375 3 4.565 5 4.521 6 466.36 49 . 3424.2550.4103.996 3 5100.23 49.2521.6750.3453.399 6 由表1可知,5个煤岩样的平均单轴抗压强度 为23.319 Mpo ,平均泊松比为0.375 1,平均弹性模 量为 4.521 6 Gpo。 33结果分析结果分析 由于实验条件有限,使用以上实验结果进行仿 真 测试。采用FLAC3D仿真软件 进行单轴 压缩实验,建 煤岩样 进行仿真,模型如图 5所示。 图5煤岩样模型 Fig. 5 Co at ruck sumpie mo det 沿其轴向进行单轴压缩实验,同时记录单轴压 缩实 过 中 的 射信号的 射数 计 射数等信息,通过Ma t l a P仿真计算得出应 力-时间-声发射能量计数曲线如图6所示。 据图6 , 1号煤岩样在应力达到 21.53 MPP寸,其能量计数W为2. 304 X 106 V,累积 能量计数W为4. 211 x 102 V时,煤岩样的断裂过 开始进入第三阶段;2号煤岩样在应力达到 19. 26 MPa时,其能量计数为2. 12 X 106 V,累积能量 计数为4.562 X 102 V时,煤岩样的断裂过程开始进 入第三阶段;3号煤岩样在应力达到23. 55 MPo时, 其能量计数为2.523 X W6 V,累积能量计数为 4.811 X102 V时,煤岩样的断裂过程开始进入第三 阶段;号煤岩样在应力达到22. 22 MPo时,其能量 计数为2. 333 x 106 V,累积能量计数为4. 222 X 102 V时,煤岩样的断裂过程开 进入第三阶段;5 号煤岩样在应力达到19. 6 MPo时,其能量计数为 2.129 x 106 V,累积能量计数为4. 575 x 102 V时,煤 岩样的断裂过程开始进入第三阶段;故煤岩样进入 断裂过程开始进入第三阶段的平均应力为 21.543 MPo-平均能量计数为2. 292 X 106 V,平均累 积能量4.701 2 x102 V。根据图6可知,进入第三 阶段的时间约为13 s ,进入第四阶段约为210 s。 煤岩体断裂过程中,进入第三阶 其 的声发 射信号能量计数可作为判别 塌方 的阈值, 会有一定时间进行避险。 第3期郭继坤,等光纤声发射检测技术的煤矿井塌方预测方法345 3030 2020 1010 A O - / A 1 A O - / A 1 6060 4040 2020 8080 1 1 1 1 A 9 0 I *A 9 0 I * 2020O O ,当测得的 射信号的能量计数大于 2.3 X106 V时,可判定煤岩体会发生断裂,造成煤矿 井顶板塌方,此时为了保证矿工的 安全,应立即 出预警信号,当预警启动后矿工有约34 s的时间 进行避险。 z o Jo 0 100 200 300 t /s e 5号煤岩样 抗压强度;一能量计数;一累积能量计数 4结束语 测煤矿井塌方一直以来没有明确的判别标 ,文中提出了 测煤矿井塌方的方法,采用对 煤岩样进行单轴压缩实验,同时检测此实验过程中 的 射信号,通过 射信号的能量计数进 行判别。设计了 新的Sa yz c光纤AE传感器应 花系统,使用 花即可同时测量煤岩体的 及其 射信号,克服了煤矿井下电 磁干扰大、难以铺设 光纤等问题。由于实验结 果为较理想化分析,, 用此方法预测煤矿井塌 方的准确性需进 证。 参考文献参考文献 [1 贾皓翔.光纤声发射检测技术在煤矿井下的研究[C]煤矿 动 信息 文集.中国煤炭学会煤矿自动 员 会,221 29 -31. [2] 郭继坤,曹 权,贾皓翔改进的马赫-曾德尔干涉仪的光 纤传感定位系统[J]黑龙江科技大学学报,221, 296 722 -724. [3] 郭继坤,陈司啥,张 睿煤矿井下TDMZI光纤定位系统 黑龙江科技大学学报,201, 295 577 -591. [4] 杜帅,王炀.基于声发射幅频分布的大理岩岩爆实验研 究[]煤炭科学技术,201,471144 -49. [5] 王欣欣,于师建.基于小波分析的冲击地压微震前兆信号研 究工矿自动化,2019,45970 -74. [6] 李云鹏,张宏伟,韩 军,等.基于分布式光纤传感技术的卸压 钻孔时间效应研究[J]煤炭学报,2215 , 4211 2834 - 2941. [7] 徐晓冬,孙光华,张婕妤,等.基于小波去噪的充填体声发射序 列分形特征研究[]矿业研究与开发,332 22 - 24. [9]马云栋,李英年,薛 为,等基于Sayzc光纤声发射传感器 研究[]装备制造技术,20157 43 -44. [9] 许艺青,杨晓翔,韦铁平,等电阻应变式传感器应变传递影 响因素分析[]中国测试,201, 441 136 -142. [10] 李盼菲电阻应变测量中提高精度的方法研究计量与 测试技术,201, 4612 62 -64. [11] 华晋焦煤有限责任公司华宁焦煤联合试运转报告6稿 [R/OL]. [2020 - 3 - 9 ]. ht t ps //max. bo o PH. c o m/ht wm 2016/1115/63495443.shem [12] 王国洪,杜学领,姜耀东,等大采高综放工作面停采期间 支架工作阻力研究[]煤炭工程,2015, 476 9193. 图6应力-时间-声发射信号能量计数 Fig. 6 St ress-t imc-accrst ic emissio n signal enervs 编辑编辑李德根