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閱讀：39發(fā)布時(shí)間：2021-9-23
光纖光柵技術(shù)在豎井井筒變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
豎井井筒是礦井的重要組成部分和生產(chǎn)活動(dòng)的咽喉要道，它的變形和破壞不僅會(huì)對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，而且還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。自上世紀(jì)80年代以來，我國(guó)華東地區(qū)的淮南、 淮北、 大屯、 徐州、 究州、 濟(jì)寧等礦區(qū)相繼有百余個(gè)井壁發(fā)生了不同程度的破壞，經(jīng)濟(jì)損失巨大。其中井筒罐道縱向彎曲變形影響提升，甚至?xí)斐煽ü奘鹿剩跈M向斷裂，破裂帶內(nèi)混凝土成片剝落，井壁內(nèi)縱向鋼筋向井內(nèi)彎曲等都嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)。
目前，礦井監(jiān)測(cè)方法主要有倒錘法、 鋼絲基準(zhǔn)線法、 壓縮木法以及埋入傳感器法等方法，另外隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，也出現(xiàn)了遠(yuǎn)程全自動(dòng)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，但這些方法普遍存在著測(cè)試系統(tǒng)復(fù)雜、 測(cè)試精度低、 易受到施工干擾、 長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等各個(gè)方面的問題，有時(shí)井筒破壞后才能發(fā)覺異常，不能夠根據(jù)井筒實(shí)時(shí)變形情況進(jìn)行破壞預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，故難以適應(yīng)現(xiàn)代工程監(jiān)測(cè)的要求。
自上世紀(jì)90年代以來，美國(guó)、 加拿大、 日本、 德國(guó)及英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家先后將光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于大壩、 橋梁、 電站及高層建筑物等大型民用基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)中。與此同時(shí)，在國(guó)內(nèi)光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)用于土術(shù)工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)的研究工作也取得了較好的成果。對(duì)比以上的監(jiān)測(cè)方法，采用光纖光柵監(jiān)測(cè)的方法有著實(shí)時(shí)性、 *性、 準(zhǔn)確性、 穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，并且基于光纖光柵技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于礦井監(jiān)測(cè)中，可以方便隨時(shí)掌握井筒的變形情況，準(zhǔn)確判定井筒的安 全狀態(tài)，提前預(yù)報(bào)可能發(fā)生的破壞，將事故消除于萌芽狀態(tài)。隨著今后國(guó)家有關(guān)部門對(duì)礦井生產(chǎn)信息化的逐漸重視，光纖光柵技術(shù)在立井井筒監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用也必將越來越多。
光纖光柵傳感基本原理
光纖光柵是世界上新出現(xiàn)的一種基礎(chǔ)性的光纖元件，在光纖傳感、通訊等光電子處理領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用空間。按照折射率的分布，光纖光柵可以分為周期光纖光柵與非周期光纖光柵，其中周期光纖光柵是最普通和常用的。若按照折射率變化的周期長(zhǎng)短，光纖光柵可以分作長(zhǎng)周期光柵和短周期光柵兩類。短周期光柵又被稱作布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,簡(jiǎn)稱FBG)，光柵的周期一般小于1μm。長(zhǎng)周期光柵又被稱作傳輸光柵(LPG)，光柵的周期大于1μm，通常為數(shù)百個(gè)微米，它可在傳感器領(lǐng)域使用，但其自身具有較高的彎曲靈敏度以及大的帶寬等缺點(diǎn)，使得其用于多路復(fù)用技術(shù)有較大的困難。
當(dāng)前，光纖Bragg光柵傳感器應(yīng)用的。光纖Bragg光柵作為傳感的元件，它的主要作用是在不受光源功率波動(dòng)及系統(tǒng)損耗的影響下，將所感知到的信息轉(zhuǎn)化成反射波場(chǎng)偏移，即波長(zhǎng)編碼。
光纖光柵具有抗電磁干擾、抗腐蝕、可靠性好等特點(diǎn)，容易將多個(gè)光纖光柵一起串聯(lián)組成光纖光柵陣列來實(shí)現(xiàn)分布式傳感的功能，這是其他的傳感元件所不能實(shí)現(xiàn)的。另外，對(duì)于波長(zhǎng)編碼信號(hào)的解調(diào)需要利用高精度的智能解調(diào)儀來解譯，從而來精確的監(jiān)測(cè)反射波長(zhǎng)的微小移動(dòng)。
光纖基本結(jié)構(gòu)
光纖由纖芯、包層、涂覆層（亦稱保護(hù)層）、增強(qiáng)纖維及保護(hù)套組成。其中纖芯和包層是光纖的主體，主要成分是二氧化硅，纖芯直徑在5～50 μm之間，包層直徑大約為100～150 μm，它們對(duì)光波傳輸起決定作用。保護(hù)層、增強(qiáng)纖維及保護(hù)套的作用主要是：屏蔽雜光、增大光纖的強(qiáng)度以及保護(hù)作用，光纖的結(jié)果如下圖所示。
△光纖結(jié)構(gòu)圖
光纖的基本工作原理是源于光的全反射現(xiàn)象。光在光纖的纖芯之內(nèi)傳播，由于纖芯的折射率大于包層的折射率，則當(dāng)孔徑滿足全反射的條件時(shí)，入射光將不會(huì)發(fā)生折射，而是全部沿纖芯反射前進(jìn)。故光纖能將光約束在其纖芯內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿光纖軸線向前傳播。
與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖光柵傳感器主要具有以下優(yōu)勢(shì)：
（1）一根光纖上可串接復(fù)用多個(gè)相同或不同類型的傳感器，且各個(gè)傳感器間隔可以是幾厘米或幾十公里，由此形成傳感器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成度較高。
（2）測(cè)量的精度和分辨率均較高。
（3）光纖光柵傳感器的零偏值不漂移，故其測(cè)量的是量。
（4）光纖光柵傳感器壽命長(zhǎng)，且長(zhǎng)期的工作性能穩(wěn)定。
（5）光纖光柵傳感器所監(jiān)測(cè)的信息均以光信號(hào)傳輸，不會(huì)受到電磁干擾和核輻射的影響；被測(cè)物聯(lián)量以光信號(hào)中心波長(zhǎng)值為表征，不會(huì)受到光強(qiáng)的波動(dòng)和光纖在傳輸過程中的彎曲損耗等影響。
（6）光纖光柵傳感器對(duì)于高溫、高濕以及存在化學(xué)侵蝕等惡劣的環(huán)境適應(yīng)性好。
（7）光纖光柵傳感器重量輕，體積小，安裝及使用方便。
豎井監(jiān)測(cè)的原則
針對(duì)井壁環(huán)境的特點(diǎn)不同，應(yīng)因地制宜設(shè)計(jì)出合理的監(jiān)測(cè)方案和方法，同時(shí)需要制定出不同的保護(hù)措施來確保監(jiān)測(cè)工作能夠順利地進(jìn)行。
?為了以上目的，須明確井筒監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)原則如下：
（1）可靠性原則
該原則是井筒監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中最重要的原則。可靠性主要強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)可行的監(jiān)測(cè)方案、采用可靠的儀器設(shè)備，保證可靠的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位以及確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。
（2）多層次原則
井筒一般深達(dá)幾百米，在制定監(jiān)測(cè)方案時(shí)需要充分考慮井筒的空間效應(yīng)，需要強(qiáng)調(diào)多層位的監(jiān)測(cè)以及單點(diǎn)多參數(shù)的監(jiān)測(cè)等，以形成具有一定測(cè)點(diǎn)規(guī)模的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，更加全面地反應(yīng)井筒的各項(xiàng)信息。
（3）關(guān)鍵區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)原則
根據(jù)現(xiàn)有研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)判斷，井壁在底部含水層、表土層與基巖交界面附近等為受力最不利的位置，應(yīng)列為重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)區(qū)域。
另外，由于在礦井中主井是提煤的重要通道，在此過程中存在比較嚴(yán)重的落煤?jiǎn)栴}，故在對(duì)主井進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中，需要特別注意監(jiān)測(cè)系統(tǒng)線路以及測(cè)點(diǎn)的保護(hù)問題；而對(duì)于風(fēng)井的監(jiān)測(cè)，由于井內(nèi)濕度較大，故對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)做好防潮防銹的工作。
監(jiān)測(cè)參數(shù)及方法的確定
豎井井筒的破壞是一個(gè)漸進(jìn)的變化過程，它是各種因素共同作用的結(jié)果。在宏觀上的主要表現(xiàn)就是井筒變形，當(dāng)其變形量積累到一定的程度，會(huì)對(duì)井筒的安全狀態(tài)造成影響，更甚會(huì)導(dǎo)致立井井筒發(fā)生破壞事故。而井筒變形是在其原受力平衡狀態(tài)被打破后逐漸又形成新的平衡狀態(tài)的過程中發(fā)生的，可以看出井筒的變形與井筒的受力是息息相關(guān)的。研究表明，井筒的平衡受力狀態(tài)的打破是由于底部含水層水位下降引起的上覆表土層下沉，進(jìn)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力所造成的。所以對(duì)豎井井筒的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就是要對(duì)其相關(guān)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤。
（1） 井筒變形量
井筒變形監(jiān)測(cè)包括井壁的豎向和徑向變形監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)井壁的豎向變形可得到井壁的豎向壓縮量，進(jìn)而推算出豎向應(yīng)力；而通過將不同監(jiān)測(cè)水平的徑向變形量進(jìn)行比較，可以獲得井筒是否發(fā)生了彎曲。對(duì)于井筒豎向變形量進(jìn)行光纖光柵監(jiān)測(cè)是，采用光纖光柵位移傳感器，選擇好要監(jiān)測(cè)的區(qū)域后，在監(jiān)測(cè)區(qū)域的上下兩邊選擇兩基點(diǎn)，先將傳感器基座固定兩基點(diǎn)處，然后再將光纖光柵位移傳感器安裝與基座上。井壁發(fā)生豎向變形時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩基點(diǎn)間距離發(fā)生變化，這一信息會(huì)被光纖光柵傳感器所感知，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳往地面監(jiān)控室。
（2） 井筒局部應(yīng)變量
局部應(yīng)變反映井壁局部的受力情況，靈敏度較高。當(dāng)局部發(fā)生變形時(shí)，適合采用應(yīng)變測(cè)量方法。例如，對(duì)于深厚表土層豎井井筒來說，危險(xiǎn)截面位于表土層與基巖交界面處，截面附近隨著水位下降附加應(yīng)力增加會(huì)發(fā)生較大變形，而在交界處安裝應(yīng)變計(jì)，則反應(yīng)快速、靈敏，可做到及時(shí)報(bào)警。通過局部應(yīng)變量的監(jiān)測(cè)，得到的數(shù)據(jù)通過分析計(jì)算可換算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，進(jìn)而分析井筒的應(yīng)力狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行安全判定于預(yù)測(cè)。
（3）罐道移動(dòng)量
井筒內(nèi)的罐道是與井壁相連的，為防止井壁在發(fā)生豎向變形時(shí)，導(dǎo)致罐道彎曲，罐籠脫離罐道，進(jìn)而釀成重大安全事故，上下罐道之間在罐梁處留有伸縮縫。伴隨井壁的豎向變形（一般表現(xiàn)為壓縮），罐道之間的伸縮縫也隨之在不斷地減小。因此，對(duì)罐道伸縮縫間距實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)十分必要。與此同時(shí)，罐道還可能會(huì)發(fā)生水平方向的移動(dòng)，具有極大的危害性，對(duì)罐道水平移動(dòng)量也需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。罐道縫間距的測(cè)量方法與井壁變形測(cè)量方法類似，只是兩基點(diǎn)選擇在上下兩罐道上而非井壁。罐道水平移動(dòng)量的監(jiān)測(cè)方法與井壁徑向變形測(cè)量方法類似。
監(jiān)測(cè)方案
以某豎井監(jiān)測(cè)方案為例。布設(shè)傳感器方案如下：
硬件組成
豎井井筒光纖監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是由傳感器、傳輸光纜、光纖光柵智能解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)四部分組成。傳感器由光纖探頭和連接光纜組成，安裝在被監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)。解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)安裝在控制室內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)和控制室之間采用單模光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，由解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)施數(shù)據(jù)采集與處理、故障診斷、報(bào)警及控制。如下圖所示：
光纖光柵傳感器
本工程監(jiān)測(cè)參數(shù)主要為應(yīng)變及位移，選用光纖光柵傳感器，其中應(yīng)變采用混凝土表面應(yīng)變計(jì)，井壁位移采用位移傳感器以及選取溫度傳感器作為監(jiān)測(cè)補(bǔ)償修正。傳感器具體選型如下：
（1）混凝土表面安裝應(yīng)變傳感器
HT-OFS2行光纖表面應(yīng)變計(jì)，主要技術(shù)參數(shù)如下：
(2) 溫度傳感器
HT-OFT10光纖光柵溫度計(jì)，主要技術(shù)參數(shù)如下：
（3）位移傳感器
HT-OFD200光纖光柵位移傳感器，主要技術(shù)參數(shù)如下：
（4）光纖光柵解調(diào)儀
HT-FT310光纖光柵解調(diào)儀，主要技術(shù)參數(shù)如下：
參考文獻(xiàn)：劉化寬 《基于光纖光柵技術(shù)立井井筒變形監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及系統(tǒng)研究》
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