分布式光纖應(yīng)變和溫度傳感器

BOTDR傳感系統(tǒng)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

1）它能同時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行探測(cè)；

2）測(cè)量靈敏度高，溫度為0.2oC,應(yīng)力為4με;3

3)探測(cè)作用距離遠(yuǎn)，能達(dá)到100公里，空間分辨率達(dá)到5米；

4）成本費(fèi)用低。

巷道開(kāi)挖后，巷道圍巖的變形破壞往往導(dǎo)致巷道破壞或塌方。常規(guī)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，如引伸計(jì)、應(yīng)力計(jì)、收斂站等，只能對(duì)淺層圍巖進(jìn)行應(yīng)力或應(yīng)變數(shù)據(jù)的檢測(cè)，需要大量的人工操作。此外，在上述監(jiān)測(cè)技術(shù)中，監(jiān)測(cè)儀器安裝在開(kāi)挖面后，因此無(wú)法檢測(cè)到開(kāi)挖面前發(fā)生的應(yīng)變和變形。為了克服這些缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種基于布里淵光時(shí)域反射儀的新型圍巖變形控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。與常規(guī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)為寬延巷道圍巖變形控制提供了可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)手段。在開(kāi)挖面前方的鉆孔中安裝光纖傳感器，可以很好地保護(hù)傳感器，研究圍巖變形特性。該系統(tǒng)已在張集煤礦tbm掘進(jìn)巷道中應(yīng)用。準(zhǔn)確地檢測(cè)了圍巖變形行為，監(jiān)測(cè)結(jié)果為圍巖變形控制工作提供了必要的參考依據(jù)。

近20年來(lái)，隨著淺層煤炭資源的枯竭，煤礦開(kāi)采活動(dòng)不斷向深層轉(zhuǎn)移。在中國(guó)，大約60%的煤礦開(kāi)采深度在800 m以上。深部開(kāi)采面臨高地應(yīng)力和復(fù)雜地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)。這些新出現(xiàn)的問(wèn)題導(dǎo)致了圍巖大變形、大破壞和巷道塌方，嚴(yán)重威脅了礦工的安全，限制了煤炭生產(chǎn)的產(chǎn)量。巷道塌方事故占煤礦事故總數(shù)的80%，造成43%的礦工死亡。傳統(tǒng)的淺埋巷道監(jiān)測(cè)技術(shù)，如引伸計(jì)、應(yīng)力計(jì)、收斂站等，由于精度較低、人工操作過(guò)多，已不能滿足深部地層的監(jiān)測(cè)要求。

為解決深部煤礦圍巖變形監(jiān)測(cè)問(wèn)題，在煤礦井下采煤工作面和巷道掘進(jìn)中開(kāi)展了許多新興的測(cè)量技術(shù)。趙等。利用微震技術(shù)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行損傷過(guò)程監(jiān)測(cè)。趙等。提出了一種基于光纖光柵位移傳感器的煤層上覆巖層位移監(jiān)測(cè)方法。Kajzar等人應(yīng)用三維激光技術(shù)在井下巷道中進(jìn)行煤柱變形及頂板監(jiān)測(cè)。余等。用激光測(cè)距儀研究了圍巖變形和巷道收斂性。Martino和Chandler利用鉆孔攝像機(jī)圖像研究了圍巖變形和損傷區(qū)演化行為[9]。Blümling等人提出了微焦點(diǎn)x射線斷層成像對(duì)圍巖損傷的長(zhǎng)期過(guò)程。Lubosik等人提出了一種通過(guò)使用嵌入應(yīng)變計(jì)和張量傳感器的儀表化錨桿測(cè)量錨桿軸向力和巖體位移的技術(shù)。劉等人。建議的瞬變電磁法（tem）用于探測(cè)圍巖損傷區(qū)范圍和變形。erich用地震反射法研究了煤礦巷道的塌方特征。

盡管監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了一些進(jìn)展，但上述監(jiān)測(cè)方法在某些方面仍存在缺陷。微震技術(shù)和瞬變電磁與地震反射法能夠探測(cè)到圍巖的裂隙發(fā)育，但對(duì)圍巖位移的監(jiān)測(cè)精度不高（達(dá)米）。微焦點(diǎn)x射線斷層成像只能測(cè)量巖石樣品中的損傷，不能用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。與全分布式光纖傳感系統(tǒng)相比，光纖光柵系統(tǒng)需要的傳感器數(shù)量過(guò)多，成本較高。此外，大多數(shù)市售的審訊者只能處理相當(dāng)少量的FBG，設(shè)置感測(cè)點(diǎn)的數(shù)量的限制，以及沿光纖的密度。鉆孔攝像機(jī)圖像可以檢測(cè)圍巖內(nèi)的損傷和斷裂，而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不能實(shí)現(xiàn)，圖像分析依賴(lài)于人工操作。由于錨桿長(zhǎng)度的限制（通常小于2.5μm），儀器錨桿只能用來(lái)測(cè)量圍巖淺部的應(yīng)力和應(yīng)變。三維激光技術(shù)為巷道收斂提供了一種高精度的儀器，而巷道內(nèi)部的變形破壞是無(wú)法測(cè)量的。

布里淵光時(shí)域反射儀（BOTDR）是一種全分布式傳感技術(shù)，用于沿所有確定的區(qū)域分布的應(yīng)變和溫度測(cè)量，其中只有一個(gè)光纖受到激光脈沖的刺激，因此許多離散傳感器可以被替換。BOTDR提供了快速可靠的測(cè)量，它還可以早期檢測(cè)可能影響采礦作業(yè)安全的變形，從而提前安排必要的工作，以減輕潛在風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，botdr系統(tǒng)在煤礦井下得到了廣泛的應(yīng)用。Naruse等人在智利El Teniente礦進(jìn)行了BOTDR監(jiān)測(cè)。光纖沿巷道對(duì)準(zhǔn)設(shè)置在巷道內(nèi)，因此可以測(cè)量巷道收斂。Cheng等人采用基于botdr的監(jiān)測(cè)方法對(duì)煤層上覆巖層變形進(jìn)行了測(cè)量。張和王在巷道表面建立了纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了botdr應(yīng)變測(cè)量。

在以前的BOTDR應(yīng)用中，光纖安裝在巷道開(kāi)挖面后約5 m處，以避免干擾支撐結(jié)構(gòu)（錨桿、電纜錨桿、鋼網(wǎng)等）的安裝。因此，只能測(cè)量隨時(shí)間變化的變形，不能立即研究開(kāi)挖后不久發(fā)生的變形。然而，80%的道路損壞和坍塌事故發(fā)生在開(kāi)挖面附近。因此，對(duì)巷道全斷面、包括較深一層圍巖和掘進(jìn)工作面的監(jiān)測(cè)，一直是保證煤礦井下安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文主要研究基于botdr的煤礦井下巷道圍巖監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)被修改，從而能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)圍巖的瞬時(shí)和隨時(shí)間變化的變形。提出了該系統(tǒng)在巷道中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，并與常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。

2。煤礦井下圍巖控制BOTDR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

2.1。BOTDR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理

基于botdr的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了布里淵散射，這是一個(gè)基本的物理過(guò)程，代表了光與光介質(zhì)在傳播介質(zhì)中的相互作用效應(yīng)。當(dāng)光通過(guò)光纖時(shí)，大部分光沿著原始方向傳播，一小部分光偏離原始方向，導(dǎo)致散射。光纖中的光散射有三種類(lèi)型：光纖折射率變化引起的瑞利散射、光學(xué)聲子引起的拉曼散射和聲學(xué)聲子引起的布里淵散射。在布里淵散射中，散射光在其頻譜上達(dá)到峰值，其頻率從脈沖光偏移。這種頻移量稱(chēng)為布里淵頻移。