光纖光柵礦業(yè)工程論文
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1在相似模擬實驗中的應(yīng)用
光纖光柵傳感器的準(zhǔn)分布式測量、抗電磁干擾等獨特性能受到廣泛關(guān)注后，國內(nèi)外科研單位利用光纖光柵優(yōu)異的特性開發(fā)出多種體積小、耐腐蝕、持久可埋入檢測體內(nèi)部的傳感結(jié)構(gòu)。1995年，A．Schena，R．falciai，R．Fontan提出在結(jié)構(gòu)物中使用光纖Bragg光柵進(jìn)行應(yīng)變測量。由于光纖光柵體積小、結(jié)構(gòu)多樣，可在不破壞結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)上埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行長時間檢測，并且測量結(jié)果線性度和精確度均很高。國內(nèi)學(xué)者柴敬、常心坦為探索相似模擬實驗中的新檢測方法，在光纖傳感器的基礎(chǔ)上，研究使用光纖光柵傳感技術(shù)在相似模型中的應(yīng)用，設(shè)計了一種基于光時域反射技術(shù)的新型微彎光纖傳感器，用于對相似材料模型的應(yīng)變、位移檢測，構(gòu)建了使用光纖檢測巖體變形的基礎(chǔ)。2005年，趙海云、王杰明采用光纖光柵傳感器對立體相似模擬材料內(nèi)部的應(yīng)力和變形進(jìn)行了測量，解決了多年來對立體模型內(nèi)部參數(shù)測量困難的問題。2007年，柴敬、魏世明使用將裸光纖、自制蛇形傳感器和光纖Bragg光柵埋入材料內(nèi)部進(jìn)行相似材料模擬實驗檢測。結(jié)果表明，光纖Bragg傳感器在考慮波長的動態(tài)范圍，可以進(jìn)行小變形和破壞過程的測試。魏世明、柴敬為探索光纖光柵傳感器在相似模擬實驗中的應(yīng)用，通過在相似模型底部埋設(shè)光纖光柵傳感器的方法來檢測采動過程中上覆巖層的應(yīng)力，最終結(jié)果表明，采動過程中的應(yīng)力變化可使得反射波長發(fā)生偏移，這為應(yīng)用在相似模擬實驗中的應(yīng)力檢測提供了一種新的手段。2008年，柴敬、魏世明、邱標(biāo)等研究了光柵—傳感器結(jié)構(gòu)—巖層之間的應(yīng)變傳遞系統(tǒng)，建立了光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞理論，給出優(yōu)化了的光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)和鉆孔尺寸，并在工程中應(yīng)用。在以往相似模擬實驗?zāi)Ｐ蜋z測中，通常使用位移計、電阻應(yīng)變片等以準(zhǔn)確把握模型受力變形情況，模型內(nèi)部檢測受到模型體積限制，使用常規(guī)儀器進(jìn)行測定時會破壞結(jié)構(gòu)，影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性;光纖光柵傳感器在相似模擬實驗中提供了一種新型檢測手段，在實際應(yīng)用中克服了常規(guī)電類應(yīng)變傳感器壽命短、易受電磁干擾、易受環(huán)境影響等缺點，實現(xiàn)了長時間、防水防潮、高靈敏度檢測。
2在室內(nèi)巖石試件試驗中的應(yīng)用
地下工程中需要對巖石進(jìn)行大量的力學(xué)試驗，但巖石內(nèi)部是具有空隙的非均質(zhì)體，其測試結(jié)果具有一定的離散性，所以需要對地下大規(guī)模工程巖體進(jìn)行連續(xù)和實時的變形檢測。光纖光柵傳感器是無源檢測器件的一種，用于巖石試件變形破壞檢測是一個新的發(fā)展方向。2000年，Hattenberger．C．S，Naumann．M，Borm．G使用光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)技術(shù)手段對巖石力學(xué)應(yīng)變測量做了對比試驗。分別將光纖光柵傳感器、應(yīng)變片粘貼在圓柱形巖石試件表面，在單軸壓縮試驗機上進(jìn)行軸向壓縮試驗，測試結(jié)果表明使用光纖光柵傳感器可以作為一種新的測試手段。2003年，Hattenberger．C．S，Naumann．M，Borm．G在巖石試件實驗中采用光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)電類傳感器做對比實驗。試驗結(jié)果表明，新型光纖光柵傳感器具有很好的測試精度，指出最終的結(jié)果受到粘結(jié)劑的影響，并給出不同粘結(jié)劑的影響結(jié)果。2012年，Re-insch．T，Blcher．G，Milsch．H為確定巖石在溫度和三軸壓力作用下的變形特性，采用光纖光柵傳感器與法布里—珀羅干涉儀做了對比試驗。最終測試結(jié)果說明光纖光柵傳感器精度高，變形結(jié)果也更接近于巖石的真實應(yīng)變。國內(nèi)學(xué)者魏世明、柴敬為確定在巖石變形中光纖光柵傳感器檢測的應(yīng)變傳遞系數(shù)，在單軸壓縮實驗中分析了光纖光柵傳感器在表面粘貼狀態(tài)下的應(yīng)變傳遞特性，最終測試結(jié)果表明光柵傳感器測量精度優(yōu)于粘貼于同位置的應(yīng)變片。光纖光柵傳感器在室內(nèi)巖石式樣單軸、三軸壓縮實驗中的應(yīng)用表明，光柵比傳統(tǒng)電阻片具有更優(yōu)異的精度測試和特性，再完善埋入和表面粘貼的應(yīng)變傳遞模型后，為光柵檢測巖石破壞提供了一種新的技術(shù)手段。
3在錨桿支護(hù)穩(wěn)定性檢測中的應(yīng)用
錨桿支護(hù)具有施工簡單、控制圍巖變形效果好的優(yōu)點。錨桿支護(hù)的質(zhì)量成為決定巷道安全性和圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。但受圍巖環(huán)境影響，錨桿支護(hù)的可靠性和壽命受到制約。
3.1在錨桿測力計上的應(yīng)用
2005年，柴敬、蘭曙光、李繼平等針對現(xiàn)有錨桿支護(hù)質(zhì)量檢測無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和對支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行全程檢測等缺點，將光纖光柵傳感器粘貼在錨桿桿體表面與傳統(tǒng)電測方法進(jìn)行了對比試驗。結(jié)果表明，新型傳感器結(jié)構(gòu)簡單，可實時檢測。柴敬、李毅、趙文華等利用光纖光柵傳感技術(shù)構(gòu)建錨桿支護(hù)檢測系統(tǒng)并做了實驗，在實驗室模擬煤礦井下巷道錨桿支護(hù)的受力過程，通過拉拔實驗，光纖光柵端頭式測力計檢測錨桿軸力與桿身光纖光柵傳感器、電阻應(yīng)變片測試應(yīng)變結(jié)果相一致，且光纖光柵傳感器易于安裝，可以重復(fù)使用。光纖光柵錨桿測力計埋設(shè)如圖3所示。在錨桿檢測試驗中，錨桿使用時間長，為剔除溫度帶來的交叉敏感，柴敬、李毅、邱標(biāo)設(shè)計了溫度補償光柵解決了交叉敏感問題帶來的影響，測量結(jié)果線性度很好。
3.2在圍巖變形檢測中的應(yīng)用
2000年，PhilippMNellen，F(xiàn)rank．A，Brnniman-net．R利用光纖光柵傳感器對隧道變形進(jìn)行了檢測，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，在傳感器安裝時采取了特別措施，排除了長時間檢測溫度對測量結(jié)果的影響。HattenbergerC．S等開發(fā)了一種在巖石開掘過程中測量應(yīng)變的光纖光柵地震波檢測系統(tǒng)。在加強樹脂錨桿上粘附光纖光柵用于探測巖土工程結(jié)構(gòu)中的靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)變，新型傳感器在改善信噪比以后，還可進(jìn)一步提升檢測時的敏感度。與此同時，研發(fā)者還設(shè)計了與檢測信號相互匹配的光纖光柵地震成像系統(tǒng)，并在巖石巷道內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。蘇小杰、高艷磊采用光纖光柵傳感器對巷道進(jìn)行了靜態(tài)實驗研究，將光纖光柵傳感器粘貼在錨桿上，分別布置在巷道3處不同地點。測量巷道放炮后對巖體的影響，分析巖石裂隙的產(chǎn)生。蔣奇、隋青美、張慶松等為彌補電磁傳感器在隧道長期檢測時出現(xiàn)的不足，設(shè)計了一種基于隧道應(yīng)力應(yīng)變檢測用的FBG錨桿傳感器，通過制作完成的FBG錨桿進(jìn)行動態(tài)測試，可以實現(xiàn)長期檢測的需要。光纖光柵傳感器作為錨桿檢測的敏感元件，在圍巖應(yīng)力檢測中抗干擾能力強、耦合損耗小、壽命長，可以形成光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)實時、長期檢測。與錨桿測力計相比，其具有更高的測量精度，且為本質(zhì)安全型，符合井下檢測安全防爆的要求。
4在礦山火災(zāi)檢測中的應(yīng)用
隨著光纖光柵優(yōu)異性能被廣泛認(rèn)可，針對光柵特點進(jìn)行特殊封裝后的傳感器在現(xiàn)場應(yīng)用越來越廣泛。礦井內(nèi)采用電信號火災(zāi)探測存在設(shè)備靈敏度低、易受干擾、傳輸距離短等不足，研究者們提出使用光纖Bragg光柵火災(zāi)探測器探測煤炭自燃理念。2008年，王宏亮、喬學(xué)光、張晶等針對光纖Bragg光柵在高溫段的線性特征，設(shè)計了一種高溫光纖Bragg光柵的傳感探頭，在250℃環(huán)境下誤差波動不超過0．06%。2009年，付華、蔡玲提出了使用金屬化封裝技術(shù)制作的光纖Bragg光柵探測器，實驗結(jié)果表明，該煤礦火災(zāi)檢測系統(tǒng)能夠提供詳細(xì)的巷道溫度分布情況并且可以及時報警，便于作業(yè)人員防災(zāi)滅火。2010年，針對采空區(qū)自燃事故，魏世明、柴敬、許力采用特殊合金材料封裝制作了光纖光柵火災(zāi)探測器，傳感器與解調(diào)儀、數(shù)據(jù)傳輸線、控制系統(tǒng)組成了礦用火災(zāi)探測系統(tǒng)。通過檢測井下溫度變化率來預(yù)警是否發(fā)生火災(zāi)，并且可以進(jìn)行實時檢測，縮短了火災(zāi)報警時間?，F(xiàn)場實際條件復(fù)雜多變，基于光纖Bragg光柵傳感器技術(shù)研制的溫度傳感器及時采集溫度的狀態(tài)，尤其是對驟變的溫度進(jìn)行預(yù)警，對保證現(xiàn)場人員安全有重要意義，了解采空區(qū)煤巖的溫度變化，就能有效控制煤炭自燃災(zāi)害。
5結(jié)論
(1)在工程應(yīng)用中，光纖光柵傳感器所處環(huán)境復(fù)雜多變，光纖光柵傳感器不僅測量精度和安全性可滿足需求，在使用壽命和便攜性上也符合工程應(yīng)用條件。光纖光柵傳感器自誕生以后，優(yōu)異的傳感特性在結(jié)構(gòu)物健康檢測、室內(nèi)模擬試驗、巖石試件變形檢測等應(yīng)用中得到了廣泛的認(rèn)可。
(2)光纖光柵傳感器對巖體變形破壞檢測研究很多，并且取得了一定成果。封裝埋入巖體內(nèi)部傳感器使用壽命長、不受周圍環(huán)境影響，可實現(xiàn)長時間、不間斷對巖體應(yīng)力檢測。接入波長檢測系統(tǒng)后，可實時傳輸測量結(jié)果。
(3)將光纖光柵進(jìn)行目的性封裝后可實現(xiàn)對不同參數(shù)的檢測。如采空區(qū)煤炭自燃溫度檢測、錨桿應(yīng)力和井下人員健康檢測等。在不同的工程環(huán)境中，不同封裝后的光纖光柵體現(xiàn)了優(yōu)越的可靠性和抗干擾性，是能夠在惡劣環(huán)境中工作的理想元件。基于此，使用光纖光柵作為礦井應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)的測量是切實可行的。
作者：單位：張立強 李超河南理工大學(xué)能源學(xué)院
