基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测系统及方法，在围岩布置若干测点，把光纤光栅钻孔应力计安装在围岩壁钻孔中，将光纤连接头与光纤连接，光纤接入矿用光缆直通地面，与光纤光栅解调仪相连接；光纤光栅解调仪与将光信号解调为数字信号并传输至计算机进行实时监控及分析处理，并根据光栅受力特征提供了温度补偿条件下围岩轴向应力及横向应力的分析处理方法。其优点是：设备安装简单，使用寿命长，适于普遍推广应用；井下不需供电，不存在电信号和电子器件，现场安全；采用全光测量和光纤传输，极大地提高了监测精度，可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响；能及时提供围岩应力监测结果，利于指导现场生产及科研工作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应力在线监测系统及方法，具体是一种基于光纤光栅钻孔应力计的围 岩应力在线监测系统及方法。

背景技术

近年来，随着采矿技术的不断提高和开采深度的不断增加，矿山压力显现所造成的灾 害也越来越严重，如顶板冒落、巷道变形、冲击矿压等事故频繁发生，给我国的煤矿业造 成了巨大的损失，严重影响了从业人员的生命安全和矿井生产。因此，作为矿井安全生产 重要保障手段之一的围岩应力监测越来越受到重视，对监测的准确性、可靠性及在线监测 能力的要求也越来越高。如果建立一个先进的围岩应力在线监测预警系统，就能有效地预 防和减少矿压事故的发生。

虽然目前国内外在人工智能化监测领域已经取得一定发展，但现有的矿压监测方法普 遍具有以下缺点：1、易受电磁干扰和外界环境干扰，监测精度不好；2、不防潮，可靠性 低，监测效率不高，传感元件寿命短；3、无法对监测进行远程监控，不能实现实时在线 监测和长期监测。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于光纤光栅钻孔应力计的 围岩应力在线监测系统及方法，解决目前矿压监测存在的：1、易受电磁干扰和外界环境 干扰，监测精度不好；2、不防潮，可靠性低，监测效率不高，传感元件寿命短；3、无法 对监测进行远程监控，不能实现实时在线监测和长期监测的问题。

技术方案：本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测包括系统和方法，

所述的系统包括：光纤光栅钻孔应力计、光纤连接头、光纤、矿用光缆、光纤光栅解 调仪和计算机；在光纤光栅钻孔应力计的尾部连接有光纤连接头，光纤连接头通过光纤和 矿用光缆与光纤光栅解调仪的输入端连接，光纤光栅解调仪的输出端与计算机连接；所述 的光纤光栅钻孔应力计内包括有多组光纤光栅，每组光纤光栅由一个轴向应变光栅、一个 横向应变光栅和一个温度光栅组成。

所述的方法通过下列步骤实现：

A、用钻孔机在巷道围岩中垂直巷道壁钻孔，钻孔直径比光纤光栅钻孔应力计的直径 约大2-4mm，将锚固剂送入钻孔前端，把光纤光栅钻孔应力计按垂直或水平的方向安装在 钻孔中，并与锚固剂充分锚固；将光纤连接头引出钻孔的外部并与光纤连接，将钻孔用水 泥砂浆封孔；光纤接入矿用光缆，将光信号传递至地面光纤光栅解调仪，解调后信号传输 至计算机系统，计算机系统得到轴向应变光栅、横向应变光栅和温度光栅的中心波长漂移 量；

B、对轴向应变光栅和温度光栅的中心波长数据进行如下处理以得到轴向应变量：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\Delta {\lambda }_{B_H}}{{\lambda }_{B_H}}=K_{ϵ}{ϵ}_H+K_T\mathrm{\Delta T}\\ \frac{\Delta {\lambda }_{B_T}}{{\lambda }_{B_T}}=K_T\mathrm{\Delta T}\end{array}\right)$

式中，分别为轴向应变光栅和温度光栅的中心波长漂移量，分别 为轴向应变光栅和温度光栅的初始中心波长，ε_H为轴向应变光栅的轴向应变量，K_ε为光 纤光栅光弹效应下波长漂移轴向灵敏度系数，K_T为光纤光栅相对温度灵敏度系数，ΔT为 温度变化量；

C、得到轴向应变量后，根据下式得到一组轴向应变光栅位置处的围岩轴向应力：

σ_H＝Eε_H

式中，σ_H为本组光栅位置处围岩轴向应力，E为光纤光栅钻孔应力计的弹性模量；

为避免光纤光栅钻孔应力计偏心造成的受力不均，对四组轴向应变光栅、横向应变光 栅和温度光栅计算所得围岩轴向应力进行加权平均，得到修正后的围岩轴向应力：

${{\sigma }_H}^{\text{'}}=\frac{{\sigma }_{H_1}+{\sigma }_{H_2}+{\sigma }_{H_3}+{\sigma }_{H_4}}{4}$

式中，σ_H'为修正后的围岩轴向应力，分别为四组光纤光栅中轴 向应变光栅位置处的围岩轴向应力；

D、对横向应变光栅的中心波长数据进行如下处理以得到光栅横截面的水平及垂直应 力：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\Delta {\lambda }_{\mathrm{Bx}}}{{\lambda }_{B0}}=-\frac{(1+v)n_{\mathrm{eff}}^2}{2E}\left\{\right[(1-v)p_{11}-v{p}_{12}]{\sigma }_x+[(1-v)p_{12}-v{p}_{11}]{\sigma }_y\\ \frac{\Delta {\lambda }_{\mathrm{By}}}{{\lambda }_{B0}}=-\frac{(1+v)n_{\mathrm{eff}}^2}{2E}\left\{\right[(1-v)p_{12}-v{p}_{11}]{\sigma }_x+[(1-v)p_{11}-v{p}_{12}\left]{\sigma }_y\right\}\end{array}\right)$

式中，分别为横向应变光栅在水平方向和垂直方向的中心波长漂移量，λ_B0为横向应变光栅的初始中心波长，n_eff为横向应变光栅的初始有效折射率，E为光纤光栅 的弹性模量，ν为光纤光栅的泊松系数，p₁₁、p₁₂分别为光纤光栅横向和轴向的光弹系数， σ_x、σ_y分别为光栅横截面中点的水平及垂直；

E、得到光栅横截面中点的水平及垂直应力后，在以下两式中选用一式得到光纤光栅 钻孔应力计钻孔边缘围岩在本组光栅位置处沿横截面的径向应力：

$\left(\begin{array}{c}{\sigma }_x=\frac{2{\sigma }_V}{\mathrm{\pi LD}}\\ {\sigma }_y=-\frac{6{\sigma }_V}{\mathrm{\pi LD}}\end{array}\right)$

式中，σ_V为本组光栅位置处围岩径向应力，L为光纤光栅长度，D为光纤直径；

F、为避免光纤光栅钻孔应力计偏心造成的受力不均，对轴对称位置的每组光纤光栅 计算值进行加权平均，由于光纤光栅钻孔应力计按垂直或水平的方向安装，垂直位置的光 栅组计算值中径向应力为垂直应力，水平位置的光栅组计算值中径向应力为水平应力，可 得到修正后的围岩水平应力和垂直应力：

$\left(\begin{array}{c}{\sigma }_{\mathrm{Vx}}=\frac{{\sigma }_{V1}+{\sigma }_{V3}}{2}\\ {\sigma }_{\mathrm{Vy}}=\frac{{\sigma }_{V2}+{\sigma }_{V4}}{2}\end{array}\right)$

式中，σ_Vx、σ_Vy分别为修正后的光栅位置处围岩水平应力和垂直应力，σ_V1、σ_V3分别 为水平方向的两组轴对称光纤光栅的围岩水平应力，σ_V2、σ_V4分别为垂直方向的两组轴对 称光纤光栅的围岩垂直应力。

有益效果，由于采用了上述方案，一种基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测 系统及方法，在围岩布置若干测点，把光纤光栅钻孔应力计安装在围岩壁钻孔中，将光纤 连接头与光纤连接，光纤接入矿用光缆直通地面，与光纤光栅解调仪相连接，实现光信号 从井下至井上的传输；光纤光栅解调仪与将光信号解调为数字信号并传输至计算机进行实 时监控及分析处理，并根据光栅受力特征提供了温度补偿条件下围岩轴向应力及横向应力 的分析处理方法。解决了目前矿压监测存在的：1、易受电磁干扰和外界环境干扰，监测 精度不好；2、不防潮，可靠性低，监测效率不高，传感元件寿命短；3、无法对监测进行 远程监控，不能实现实时在线监测和长期监测的问题，达到了本发明的目的。

优点：设备安装简单，使用寿命长，适于普遍推广应用；井下不需供电，不存在电信 号和电子器件，保证现场安全；采用全光测量和光纤传输，极大地提高了监测精度，并可 有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响；能及时提供围岩应力监测结果，利于指导现场 生产及科研工作。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的工作面推进方向测点布置方式图。

图3为本发明的巷道测点布置断面图。

图4为本发明的系统组成框架图。

图中，1为光纤光栅钻孔应力计；2为光纤连接头；3为光纤；4为矿用光缆；5为光 光纤光栅解调仪；6为计算机；7为围岩；8为锚固剂；9为水泥砂浆；10为工作面；11 为回采巷道；12为工作面推进方向测点；13为钻孔；14为锚杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

实施例1：一种基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测包括系统和方法，

所述的系统包括：光纤光栅钻孔应力计1、光纤连接头2、光纤3、矿用光缆4、光纤 光栅解调仪5和计算机6；在光纤光栅钻孔应力计1的尾部连接有光纤连接头2，光纤连 接头2通过光纤3和矿用光缆4与光纤光栅解调仪5的输入端连接，光纤光栅解调仪5的 输出端与计算机6连接；所述的光纤光栅钻孔应力计1内包括有4组光纤光栅，每组光纤 光栅由一个轴向应变光栅、一个横向应变光栅和一个温度光栅组成。

所述的方法通过下列步骤实现：

A、用钻孔机在巷道围岩中垂直巷道壁钻孔，钻孔直径比光纤光栅钻孔应力计的直径 约大2-4mm，将锚固剂送入钻孔前端，把光纤光栅钻孔应力计按垂直或水平的方向安装在 钻孔中，并与锚固剂充分锚固；将光纤连接头引出钻孔的外部并与光纤连接，将钻孔用水 泥砂浆封孔；光纤接入矿用光缆，将光信号传递至地面光纤光栅解调仪，解调后信号传输 至计算机系统，计算机系统得到轴向应变光栅、横向应变光栅和温度光栅的中心波长漂移 量；

B、对轴向应变光栅和温度光栅的中心波长数据进行如下处理以得到轴向应变量：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\Delta {\lambda }_{B_H}}{{\lambda }_{B_H}}=K_{ϵ}{ϵ}_H+K_T\mathrm{\Delta T}\\ \frac{\Delta {\lambda }_{B_T}}{{\lambda }_{B_T}}=K_T\mathrm{\Delta T}\end{array}\right)$

式中，分别为轴向应变光栅和温度光栅的中心波长漂移量，分别 为轴向应变光栅和温度光栅的初始中心波长，ε_H为轴向应变光栅的轴向应变量，K_ε为光 纤光栅光弹效应下波长漂移轴向灵敏度系数，K_T为光纤光栅相对温度灵敏度系数，ΔT为 温度变化量；

C、得到轴向应变量后，根据下式得到一组轴向应变光栅位置处的围岩轴向应力：

σ_H＝Eε_H

式中，σ_H为本组光栅位置处围岩轴向应力，E为光纤光栅钻孔应力计的弹性模量；

为避免光纤光栅钻孔应力计偏心造成的受力不均，对四组轴向应变光栅、横向应变光 栅和温度光栅计算所得围岩轴向应力进行加权平均，得到修正后的围岩轴向应力：

${{\sigma }_H}^{\text{'}}=\frac{{\sigma }_{H_1}+{\sigma }_{H_2}+{\sigma }_{H_3}+{\sigma }_{H_4}}{4}$

式中，σ_H'为修正后的围岩轴向应力，分别为四组光纤光栅中轴 向应变光栅位置处的围岩轴向应力；

D、对横向应变光栅的中心波长数据进行如下处理以得到光栅横截面的水平及垂直应 力：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\Delta {\lambda }_{\mathrm{Bx}}}{{\lambda }_{B0}}=-\frac{(1+v)n_{\mathrm{eff}}^2}{2E}\left\{\right[(1-v)p_{11}-v{p}_{12}]{\sigma }_x+[(1-v)p_{12}-v{p}_{11}\left]{\sigma }_y\right\}\\ \frac{\Delta {\lambda }_{\mathrm{By}}}{{\lambda }_{B0}}=-\frac{(1+v)n_{\mathrm{eff}}^2}{2E}\left\{\right[(1-v)p_{12}-v{p}_{11}]{\sigma }_x+[(1-v)p_{11}-v{p}_{12}\left]{\sigma }_y\right\}\end{array}\right)$

式中，分别为横向应变光栅在水平方向和垂直方向的中心波长漂移量，λ_B0为横向应变光栅的初始中心波长，n_eff为横向应变光栅的初始有效折射率，E为光纤光栅 的弹性模量，ν为光纤光栅的泊松系数，p₁₁、p₁₂分别为光纤光栅横向和轴向的光弹系数， σ_x、σ_y分别为光栅横截面中点的水平及垂直；

E、得到光栅横截面中点的水平及垂直应力后，在以下两式中选用一式得到光纤光栅 钻孔应力计钻孔边缘围岩在本组光栅位置处沿横截面的径向应力：

$\left(\begin{array}{c}{\sigma }_x=\frac{2{\sigma }_V}{\mathrm{\pi LD}}\\ {\sigma }_y=-\frac{6{\sigma }_V}{\mathrm{\pi LD}}\end{array}\right)$

式中，σ_V为本组光栅位置处围岩径向应力，L为光纤光栅长度，D为光纤直径；

F、为避免光纤光栅钻孔应力计偏心造成的受力不均，对轴对称位置的每组光纤光栅 计算值进行加权平均，由于光纤光栅钻孔应力计按垂直或水平的方向安装，垂直位置的光 栅组计算值中径向应力为垂直应力，水平位置的光栅组计算值中径向应力为水平应力，可 得到修正后的围岩水平应力和垂直应力：

$\left(\begin{array}{c}{\sigma }_{\mathrm{Vx}}=\frac{{\sigma }_{V1}+{\sigma }_{V3}}{2}\\ {\sigma }_{\mathrm{Vy}}=\frac{{\sigma }_{V2}+{\sigma }_{V4}}{2}\end{array}\right)$

式中，σ_Vx、σ_Vy分别为修正后的光栅位置处围岩水平应力和垂直应力，σ_V1、σ_V3分别 为水平方向的两组轴对称光纤光栅的围岩水平应力，σ_V2、σ_V4分别为垂直方向的两组轴对 称光纤光栅的围岩垂直应力。

通过以上的具体实施，本发明提供了一种基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监 测系统及方法，在围岩布置若干测点，把光纤光栅钻孔应力计安装在围岩壁钻孔中，将光 纤连接头与光纤连接，光纤接入矿用光缆直通地面，与光纤光栅解调仪相连接，实现光信 号从井下至井上的传输；光纤光栅解调仪与将光信号解调为数字信号并传输至计算机进行 实时监控及分析处理，并根据光栅受力特征提供了温度补偿条件下围岩轴向应力及横向应 力的分析处理方法。其优点是：设备安装简单，使用寿命长，适于普遍推广应用；井下不 需供电，不存在电信号和电子器件，保证现场安全；采用全光测量和光纤传输，极大地提 高了监测精度，并可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响；能及时提供围岩应力监测 结果，利于指导现场生产及科研工作。

实施例2：所述的光纤光栅钻孔应力计1内包括有10组光纤光栅。其他实施例1同。