基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测装置及方法，在单模光纤中串接多个光纤光栅，将单模光纤铺设于硐室内设备周围的底板内，单模光纤的引出端与光开关连接，光开关与光纤光栅网络解调仪和BOTDR光纤分析仪分别连接，光纤光栅网络解调仪和BOTDR光纤分析仪分别与工控机连接，通过光纤光栅网路解调仪和BOTDR光纤分析仪对光纤光栅和布里渊背向散射光的测量，完成设备周边光纤光栅布设点处的定位和单模光纤上各处的布里渊频移的测量，进而计算出硐室底板的应力变化值，监测设备是否产生倾斜失稳。

说明书

技术领域

本发明涉及一种井下选煤硐室底板在线监测技术，尤其涉及一种基于布里渊光时域 反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测装置和方法。

背景技术

目前，我国大多数选煤厂仍然建在地面，一方面增加了原煤中矸石的运费以及排矸 费用，造成矿井的提升能力紧张和吨煤利润下降；另一方面伴随着煤矿生产中排出的大 量煤矸石占用土地，造成地面环境的污染，不利于居住环境的改善。在井下建原煤分选 系统，实现原煤井下分选和充填一体化，以减少原煤运输以及吨煤能耗，提高煤炭资源 的采出率，实现绿色开采。

随着井下选煤的实现，符合井下选煤硐室的安全监测和控制系统也有待于进一步的 开发研究。由于井下选煤硐室与巷道相比有一定的区别，其监测方法也不同。首先，选 煤硐室内安设有大型选煤设备，占据了硐室内大部分的空间，其重量以及生产运行时的 振动都可能会对煤矿井围岩的稳定产生影响，所以根据设备性能以及硐室围岩分布情况 必须浇筑设备基础；其次，选煤硐室内的电子干扰、电磁干扰现象更加严重，相应的监 测设备和系统性能必须符合选煤生产的要求，不仅对抗干扰能力要求高，且不受潮湿、 高温环境影响；再者，监测系统的安装不能影响选煤设备的运行和破坏围岩的稳定性； 最后，选煤硐室周围井巷工程较多，因而硐室围岩的受力情况比较复杂，难以准确分 析。

由于掘进或受回采影响引起选煤硐室围岩应力状态变化以及在维护过程中其性质的 变化，顶底板和两帮岩体失稳变形并向硐室内移动，致使底板岩石松动、产生底臌，导 致硐室内大型选煤设备基础局部受力不均而产生倾斜、位移现象，严重影响选煤设备的 安全运行和工作人员的人身安全。目前还没有针对井下选煤硐室底板监测的相关研究报 道。

分布式光纤传感技术是光纤传感技术中最具前途的技术之一，是适应大型工程安全 监测而发展起来的一项传感技术，它应用光纤几何上的一维特性进行测量，把被测参量 作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参 量变化进行连续的测量，同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息。

FBG（Fiber Bragg Grating）和BOTDR（Brillouin Optical Time Domain  Reflectometry）光纤传感技术是当前世界上在准分布式和全分布式光纤传感系统中的新 技术，FBG是以光波长检测为基础的波域准分布式光纤传感技术，能对所测结构进行局 部的精确测量，而BOTDR是以光纤的后向布里渊散射为基础的光时域反射分布式光纤传 感技术，能在较大范围内感知被测量光纤空间和时间变化的信息。

目前，还没有将分布式光纤传感技术用于针对煤矿井下选煤硐室底板监测的相关报 道。

现有技术一：

如图1所示，现有的全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统（专利号 CN201322604Y），它将布里渊分布式传感技术与高精度光纤光栅传感技术通过裸光纤 与光纤光栅共线合二为一，包括布里渊传感解调仪器、光纤光栅解调仪、光开关、传输 铠装跳线01、光纤光栅（FBG）02、裸光纤03和传感探头04。在测试时，通过光开关的 切换，光纤传感数据可以分别被光纤光栅解调仪和布里渊分布式传感数据采集仪解调， 通过对应的应变灵敏度系数换算出测量的应变大小，可以实现全分布和局部高精度的定 位和定量分析。

目前还没有针对煤矿井下选煤硐室底板应力监测的布里渊光时域反射分布式光纤传 感和光纤光栅传感方法的报道。

上述现有技术一的缺点是：

没有针对井下选煤硐室内的特殊环境，提出较为详细的光纤及光纤光栅布设方案， 以及如何实现对底板的监测，不能煤矿井下选煤硐室底板应力监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板 应力监测装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测装置， 在单模光纤中串接多个光纤光栅，将单模光纤铺设于硐室内设备周围的底板内，所述单 模光纤的引出端与光开关连接，所述光开关与光纤光栅网络解调仪和BOTDR光纤分析仪 分别连接，所述光纤光栅网络解调仪和BOTDR光纤分析仪分别与工控机连接。

本发明的上述的基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测 装置进行底板应力监测的方法，通过光纤光栅网路解调仪和BOTDR光纤分析仪对光纤光 栅和布里渊背向散射光的测量，完成设备周边光纤光栅布设点处的定位和单模光纤上各 处的布里渊频移的测量，进而计算出硐室底板的应力变化值，监测设备是否产生倾斜失 稳。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于布里渊光时域反 射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测装置及方法，由于在单模光纤中串接多个 光纤光栅，将单模光纤铺设于硐室内设备周围的底板内，单模光纤的引出端与光开关连 接，光开关与光纤光栅网络解调仪和BOTDR光纤分析仪分别连接，光纤光栅网络解调仪 和BOTDR光纤分析仪分别与工控机连接，通过光纤光栅网路解调仪和BOTDR光纤分析 仪对光纤光栅和布里渊背向散射光的测量，完成设备周边光纤光栅布设点处的定位和单 模光纤上各处的布里渊频移的测量，进而计算出硐室底板的应力变化值，监测设备是否 产生倾斜失稳。适用于井下选煤硐室底板应力的监测，不仅能够监测井下选煤硐室内底 板应力分布情况，并能够实现设备周边监测点的精确测量，监测选煤设备是否产生倾 斜。结构简单，测量精确，不影响硐室底板稳定性、设备基础整体性和人员工作安全。

附图说明

图1为现有技术中的全尺度分布式与局部高精度共线的光纤传感监测系统的结构示意 图；

图2为本发明实施例提供的基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板 应力监测装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中的单模光纤中光纤光栅串示意图。

图中：1、单模光纤；2、光纤光栅；3、光纤引出端；4、设备。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测装置， 其较佳的具体实施方式是：

在单模光纤中串接多个光纤光栅，将单模光纤铺设于硐室内设备周围的底板内，所 述单模光纤的引出端与光开关连接，所述光开关与光纤光栅网络解调仪和BOTDR光纤分 析仪分别连接，所述光纤光栅网络解调仪和BOTDR光纤分析仪分别与工控机连接。

将所述单模光纤用粘合剂粘贴在钢绞线上，布设于设备周围地板的浅槽内，使单模 光纤上的光纤光栅处于选煤设备的关键监测点处，在拐角处留下一定的冗余，并用喷浆 混凝土固定；

每台设备周围布设4至6个光纤光栅和一个光纤温度传感器。

所述浅槽设于距离设备四周100mm处，深度为9mm－11mm。

本发明的上述的基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测 装置进行底板应力监测的方法，其较佳的具体实施方式是：

通过光纤光栅网路解调仪和BOTDR光纤分析仪对光纤光栅和布里渊背向散射光的测 量，完成设备周边光纤光栅布设点处的定位和单模光纤上各处的布里渊频移的测量，进 而计算出硐室底板的应力变化值，监测设备是否产生倾斜失稳。

矿山压力是导致矿井底臌的主要原因，从现有理论可知，硐室内底板围岩的中间位 置是矿山压力最集中的地方，而选煤设备占据了选煤硐室内大部分的空间，因此选煤硐 室底臌在设备基础上的表现即为基础倾斜。因此，对井下选煤硐室底板应力的监测，可 以等同于对选煤设备基础和周边底板的应力监测。当底臌产生时，通过对设备基础受力 和周边底板的力学分布情况，确定井下选煤硐室底板的稳定情况。

本发明的基于布里渊光时域反射式光纤传感和光纤光栅传感的底板应力监测装置及 方法，适用于井下选煤硐室底板应力的监测。不仅能够监测井下选煤硐室内底板应力分 布情况，并能够实现设备周边监测点的精确测量，监测选煤设备是否产生倾斜。结构简 单，测量精确，不影响硐室底板稳定性、设备基础整体性和人员工作安全。

具体可以按下述步骤进行：

1）、首先在距离设备四周100mm处的底板上刻深度为10mm左右的浅槽；

2）、将布设有光纤光栅串的单模光纤用专用粘合剂粘贴在钢绞线上；

3）、将步骤2后的单模光纤沿布设于步骤1的浅槽内，使单模光纤上的光纤光栅刚好 处于选煤设备的关键监测点处，在拐角处留下一定的冗余，并用喷浆混凝土固定；

4）、将单模光纤引出端连接到光开关上，然后与光纤光栅网络分析仪、BOTDR光 纤分析仪连接；光纤光栅网络分析仪和BOTDR光纤分析仪与工控机连接；

5）、工控机通过传输光纤将数据发送至上位机，完成数据的比较、打印和存盘。

具体实施例：

如图2和图3所示，本实施例中显示的是假定井下选煤硐室内安设有三台选煤设备情 况下光纤以及光纤光栅的布设方法，以及构成的监测系统。包括单模光纤1、光纤光栅 2、光纤引出端3和设备4。

所述的单模光纤1按如图1所示的方法铺设在选煤硐室设备4的周围，光纤光栅2设置 在设备4的四个边角点上，同时在沿着硐室长度方向的设备4的中间点也设置两个光纤光 栅2，这是因为现有理论表明，煤矿井下硐室底板中间位置应力变化最集中、最明显。为 了确保在硐室底板铺设的单模光纤1既不影响工人通行及设备4正常工作，又不会轻易损 坏，因此，需在底板上开深度为10mm的浅槽，浅槽距离设备周边大概100mm左右。所 述的单模光纤1通过专业的粘合剂粘贴在钢绞线上，并埋设在浅槽内，通过喷浆混凝土固 定。需要注意的是，在铺设中光纤时弯曲成较小的角度，如需拐弯，可将光纤盘成较大 直径的圆弧，并留下一定的冗余。

所述的光纤引出端3通过光开关分别与光纤光栅网络分析仪和BOTDR光纤分析仪连 接，将硐室底板的应力变化情况解调并传送给工控机，并通过传输光缆传输给上位机， 实现数据的打印存盘及处理。

所述的光纤引出端3没有被铺设在底板内，属于传输光纤，不具有传感作用。铺设在 底板内的单模光纤器具备传感功能，可以反映出底板的应力变化。

其测量原理如下：

假定单模光纤铺设在选煤硐室底板内的初始状态为平衡状态，那么每个设备周围的 六个光纤光栅反映出来的应力大小形同，单模光纤所承受的应力也相同。当硐室底板应 力产生变化，铺设在底板内的钢绞线也会随之产生拉伸或收缩形变，附着在钢绞线上的 单模光纤发生感应，通过光纤光栅网路解调仪和BOTDR光纤分析仪对光纤光栅和接收到 的布里渊背向散射光的测量，完成单模光纤上各处的布里渊频移的测量以及设备周边光 纤光栅布设点处的定位，进而计算出硐室底板的应力变化值，监测设备是否产生倾斜失 稳。

硐室内底板的应力变化以及温度的传感均会影响到测量的精度，在铺设光纤时，需 专门设置一个固定中心波长的光纤光栅温度传感器，在不受外力作用下用于光纤光栅温 度补偿，当温度变化引起光纤光栅温度传感器波长发生变化，将光纤光栅应变传感器的 波长直接减去光纤光栅温度传感器的波长变化量，即可修正光纤光栅传感器的波长变 化；同时将大约1m长的单模光纤，在不受外力作用下对传感光纤进行温度补偿，消除温 度对传感光纤测试结果的影响。

本发明所涉及的布里渊光时域反射（BOTDR）分布式传感技术的测量原理如下所 示：

布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波(密度波)相互作用的结果。传播的压力波 等效于一个以一定速度v_B(频率Ω_B)移动的密度光栅，因此，布里渊散射可认为是入射光 在移动的光栅上的散射，多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。散射光相对于泵 浦光有一个频移，通常称为布里渊频移。其大小主要由光纤的声学特性和弹性力学特性 决定。

大量的理论和实验研究证明，光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所 处环境温度和所承受的应变在一定条件下呈线性变化关系，并由式1和式2给出：

ΔV_B＝C_VTΔT+C_VξΔξ          式1

ΔP_B＝C_PTΔT+C_PξΔξ          式2

因此，在已知温度、应变系数的情况下测定布里渊散射信号的频移和功率，通过式1 和式2就可以得到温度和应变信息，这就是基于布里渊散射的分布式传感技术的传感机 理。

对光纤路径上的某一空间位置的物理量的分布式传感监测，不仅是需要确定该处的 应变、温度等物理参量，同时需要定位出相应的空间位置。光纤中某一点返回的布里渊 散射光到仪器的距离Z可以用式3表示：

$Z=\frac{\mathrm{cT}}{2n}$式3

其中，ΔV_B为布里渊频移变化量；Δ_ξ为应变变化量；ΔT为温度变化量；C_VT为布 里渊频移温度系数；C_Vξ为布里渊频移应变系数；ΔP_B为布里渊功率变化量；C_PT为布里 渊功率温度系数；C_Pξ为布里渊功率应变系数。c为真空中的光速；n为光纤的折射系 数；T发出脉冲光到接收到散射光的时间间隔。

本发明所涉及的光纤光栅（FBG）的测量原理如下所示：

光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理 论，λ_B＝2n_effΛ的波长就被光纤光栅反射回去(其中λ_B为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅 周期，n_eff为纤芯的有效折射率)。当光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光 栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推 导出外界温度、压力或应力，且光纤光栅的中心波长漂移与温度、压力或应力有着良好 的线性关系。

光纤光栅中心波长漂移Δλ_B和纵向应变Δε的关系为：

$\frac{\Delta {\lambda }_B}{{\lambda }_B}=(1-P_e)\mathrm{\Delta ϵ}$式4

光纤光栅中心波长漂移Δλ_B和温度变化ΔT的关系为：

$\frac{\Delta {\lambda }_B}{{\lambda }_B}=({\alpha }_f+\xi )\mathrm{\Delta T}$式5

光纤光栅中心波长漂移Δλ_B和压力变化ΔP的关系为：

$\frac{\Delta {\lambda }_B}{{\lambda }_B}=\frac{\mathrm{\Delta n\Lambda }}{\mathrm{n\Lambda }}=(\frac{1}{\Lambda }\times \frac{\partial \Lambda }{\partial P}+\frac{1}{n}\times \frac{\partial n}{\partial P})\mathrm{\Delta P}$式6

其中P_e为光纤材料的弹光系数，α_f为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤材料的热光系 数。

本发明技术方案带来的有益效果：

本发明针对井下选煤硐室的应力变化进行监测，将全分布式光纤传感器和准分布式 光纤传感器相结合，不仅可以获得硐室底板沿光纤分布的应力连续变化情况，而且可以 获得硐室内预定位置的应力变化情况，达到了利用单模光纤来测量井下选煤硐室底板应 力监测的目的。本发明可能带来以下有益效果：

结构简单，测量精确，不影响硐室底板稳定性和人员工作安全；

可以有效的监测井下选煤硐室底板围岩的应力变化、分布情况，实现矿山压力稳定 性监测；

针对硐室内选煤设备周边关键点的应力变化监测，可以有效的监测设备是否产生倾 斜，实现设备的高精度运行；

适用面广，适合其他各种用途的地下硐室的底板应力监测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。