基于光纤光栅技术的锚杆受力状态监测实验研究

摘要

随着煤炭行业的发展，其开采过程中的安全问题变得越发重要，为了设计合理的巷道支护强度，监测所使用锚杆的受载荷情况成为一个重要的研究课题。通过分析得到锚杆所受载荷特征，可以了解锚杆所处的围岩环境，进而改进巷道的支护设计方案对保持巷道围岩稳定、避免煤矿安全事故有着重大现实意义。 针对锚杆载荷的监测，本文采用FBG（光纤Bragg光栅，Fiber Bragg grating）作为智能传感元件，并采用一种新的传感器布置方式制作了测力锚杆，该测力锚杆不仅仅可以监测锚杆所受轴向载荷的情况，也可监测锚杆所受径向载荷的情况。文中通过理论分析、实验分析证明了该种FBG测力锚杆可以有效的测算锚杆所受径向、轴向载荷的情况。 首先，本文分析研究了要实现该FBG测力锚杆可测算锚杆所受径向、轴向载荷情况的目的，需在锚杆表面沿锚杆轴向互成120°布置三条光纤光栅串（光纤光栅串为利用光纤串联在一起的多个FBG），之后再根据这种FBG的布置方式所获得数据建立了数学模型，推导出了合理的计算方法。 之后对FBG的传感理论和特性进行了理论分析，从理论上证明了FBG作为一种应变传感器的可行性及可靠性，并且其精度更高更加适合用于径向载荷的测量。 其次本文设计制作了FBG测力锚杆并且在实验室设计进行了锚杆拉拔实验、锚杆径向载荷实验。其中锚杆拉拔实验利用FBG所得数据与拉拔机所得数据进行比对研究，得出了该测力锚杆可以准确测量锚杆所受轴向载荷的结论；在锚杆径向载荷实验中，先是利用FBG所得数据计算出了锚杆所受径向载荷的情况，然后将所得径向载荷带入锚杆的挠度方程中的到锚杆的挠度分布，再利用实测的锚杆挠度数据与FBG所得的挠度数据进行比对，得出该锚杆可以准确测算出锚杆所受径向载荷的情况的结论。 最后本文使用ANSYS有限元数值模拟软件，模拟了锚杆受到另外一种径向载荷的情况，利用模拟软件的计算功能直接提取同实验中FBG传感器所测位置相同的锚杆轴向应变数据，再利用这些数据计算锚杆所受径向载荷的情况，计算所得结果与模拟中施加载荷情况相同，进一步证明了利用该种传感器的布置方式制作的FBG测力锚杆在一定范围内可以准确监测锚杆受到径向载荷的具体情况。

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