光纖光柵礦業工程論文

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1在相似模擬實驗中的應用

光纖光柵傳感器的準分布式測量、抗電磁干擾等獨特性能受到廣泛關注后，國內外科研單位利用光纖光柵優異的特性開發出多種體積小、耐腐蝕、持久可埋入檢測體內部的傳感結構。1995年，A．Schena，R．falciai，R．Fontan提出在結構物中使用光纖Bragg光柵進行應變測量。由于光纖光柵體積小、結構多樣，可在不破壞結構物的基礎上埋入結構內部進行長時間檢測，并且測量結果線性度和精確度均很高。國內學者柴敬、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上，研究使用光纖光柵傳感技術在相似模型中的應用，設計了一種基于光時域反射技術的新型微彎光纖傳感器，用于對相似材料模型的應變、位移檢測，構建了使用光纖檢測巖體變形的基礎。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部的應力和變形進行了測量，解決了多年來對立體模型內部參數測量困難的問題。2007年，柴敬、魏世明使用將裸光纖、自制蛇形傳感器和光纖Bragg光柵埋入材料內部進行相似材料模擬實驗檢測。結果表明，光纖Bragg傳感器在考慮波長的動態范圍，可以進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用，通過在相似模型底部埋設光纖光柵傳感器的方法來檢測采動過程中上覆巖層的應力，最終結果表明，采動過程中的應力變化可使得反射波長發生偏移，這為應用在相似模擬實驗中的應力檢測提供了一種新的手段。2008年，柴敬、魏世明、邱標等研究了光柵—傳感器結構—巖層之間的應變傳遞系統，建立了光纖光柵傳感器應變傳遞理論，給出優化了的光纖光柵傳感器結構和鉆孔尺寸，并在工程中應用。在以往相似模擬實驗模型檢測中，通常使用位移計、電阻應變片等以準確把握模型受力變形情況，模型內部檢測受到模型體積限制，使用常規儀器進行測定時會破壞結構，影響測量結果準確性;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，在實際應用中克服了常規電類應變傳感器壽命短、易受電磁干擾、易受環境影響等缺點，實現了長時間、防水防潮、高靈敏度檢測。

2在室內巖石試件試驗中的應用

地下工程中需要對巖石進行大量的力學試驗，但巖石內部是具有空隙的非均質體，其測試結果具有一定的離散性，所以需要對地下大規模工程巖體進行連續和實時的變形檢測。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展方向。2000年，Hattenberger．C．S，Naumann．M，Borm．G使用光纖光柵傳感器與傳統技術手段對巖石力學應變測量做了對比試驗。分別將光纖光柵傳感器、應變片粘貼在圓柱形巖石試件表面，在單軸壓縮試驗機上進行軸向壓縮試驗，測試結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電類傳感器做對比實驗。試驗結果表明，新型光纖光柵傳感器具有很好的測試精度，指出最終的結果受到粘結劑的影響，并給出不同粘結劑的影響結果。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。最終測試結果說明光纖光柵傳感器精度高，變形結果也更接近于巖石的真實應變。國內學者魏世明、柴敬為確定在巖石變形中光纖光柵傳感器檢測的應變傳遞系數，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下的應變傳遞特性，最終測試結果表明光柵傳感器測量精度優于粘貼于同位置的應變片。光纖光柵傳感器在室內巖石式樣單軸、三軸壓縮實驗中的應用表明，光柵比傳統電阻片具有更優異的精度測試和特性，再完善埋入和表面粘貼的應變傳遞模型后，為光柵檢測巖石破壞提供了一種新的技術手段。

3在錨桿支護穩定性檢測中的應用

錨桿支護具有施工簡單、控制圍巖變形效果好的優點。錨桿支護的質量成為決定巷道安全性和圍巖穩定性的關鍵因素。但受圍巖環境影響，錨桿支護的可靠性和壽命受到制約。

3.1在錨桿測力計上的應用

2005年，柴敬、蘭曙光、李繼平等針對現有錨桿支護質量檢測無法進行遠程監控和對支護質量進行全程檢測等缺點，將光纖光柵傳感器粘貼在錨桿桿體表面與傳統電測方法進行了對比試驗。結果表明，新型傳感器結構簡單，可實時檢測。柴敬、李毅、趙文華等利用光纖光柵傳感技術構建錨桿支護檢測系統并做了實驗，在實驗室模擬煤礦井下巷道錨桿支護的受力過程，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、電阻應變片測試應變結果相一致，且光纖光柵傳感器易于安裝，可以重復使用。光纖光柵錨桿測力計埋設如圖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、邱標設計了溫度補償光柵解決了交叉敏感問題帶來的影響，測量結果線性度很好。

3.2在圍巖變形檢測中的應用

2000年，PhilippMNellen，Frank．A，Brnniman-net．R利用光纖光柵傳感器對隧道變形進行了檢測，為保證結果的準確可靠，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果的影響。HattenbergerC．S等開發了一種在巖石開掘過程中測量應變的光纖光柵地震波檢測系統。在加強樹脂錨桿上粘附光纖光柵用于探測巖土工程結構中的靜態和動態應變，新型傳感器在改善信噪比以后，還可進一步提升檢測時的敏感度。與此同時，研發者還設計了與檢測信號相互匹配的光纖光柵地震成像系統，并在巖石巷道內進行了現場試驗。蘇小杰、高艷磊采用光纖光柵傳感器對巷道進行了靜態實驗研究，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的不足，設計了一種基于隧道應力應變檢測用的FBG錨桿傳感器，通過制作完成的FBG錨桿進行動態測試，可以實現長期檢測的需要。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絡，可實現實時、長期檢測。與錨桿測力計相比，其具有更高的測量精度，且為本質安全型，符合井下檢測安全防爆的要求。

4在礦山火災檢測中的應用

隨著光纖光柵優異性能被廣泛認可，針對光柵特點進行特殊封裝后的傳感器在現場應用越來越廣泛。礦井內采用電信號火災探測存在設備靈敏度低、易受干擾、傳輸距離短等不足，研究者們提出使用光纖Bragg光柵火災探測器探測煤炭自燃理念。2008年，王宏亮、喬學光、張晶等針對光纖Bragg光柵在高溫段的線性特征，設計了一種高溫光纖Bragg光柵的傳感探頭，在250℃環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制作的光纖Bragg光柵探測器，實驗結果表明，該煤礦火災檢測系統能夠提供詳細的巷道溫度分布情況并且可以及時報警，便于作業人員防災滅火。2010年，針對采空區自燃事故，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探測器，傳感器與解調儀、數據傳輸線、控制系統組成了礦用火災探測系統。通過檢測井下溫度變化率來預警是否發生火災，并且可以進行實時檢測，縮短了火災報警時間?，F場實際條件復雜多變，基于光纖Bragg光柵傳感器技術研制的溫度傳感器及時采集溫度的狀態，尤其是對驟變的溫度進行預警，對保證現場人員安全有重要意義，了解采空區煤巖的溫度變化，就能有效控制煤炭自燃災害。

5結論

(1)在工程應用中，光纖光柵傳感器所處環境復雜多變，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用條件。光纖光柵傳感器自誕生以后，優異的傳感特性在結構物健康檢測、室內模擬試驗、巖石試件變形檢測等應用中得到了廣泛的認可。

(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。封裝埋入巖體內部傳感器使用壽命長、不受周圍環境影響，可實現長時間、不間斷對巖體應力檢測。接入波長檢測系統后，可實時傳輸測量結果。

(3)將光纖光柵進行目的性封裝后可實現對不同參數的檢測。如采空區煤炭自燃溫度檢測、錨桿應力和井下人員健康檢測等。在不同的工程環境中，不同封裝后的光纖光柵體現了優越的可靠性和抗干擾性，是能夠在惡劣環境中工作的理想元件?；诖?，使用光纖光柵作為礦井應力應變等參數的測量是切實可行的。

作者：單位：張立強 李超河南理工大學能源學院