光纤光栅传感器在顶板监测应用中的安装工艺

近些年,光纤光栅传感技术取得了长足发展,特别是在结构监测领域,逐渐形成了能够对应变、温度等多种物理量进行实时检测的传感器体系。煤矿顶板监测也是结构监测技术的一个重要的应用场合,主要监测对象包括巷道锚杆支护的稳定性监测,回采工作面液压支架支护的稳定性监测,冲击地压的灾害监测等。本文在研究光纤光栅传感器封装结构的基础上,重点进行传感器安装工艺及工作稳定性研究,为光纤光栅传感器在顶板监测中的应用探索可行的现场方法,验证了光纤光栅技术在煤矿顶板监测中应用的可行性。     

松散地层深部沉降变形的光纤Bragg光栅监测

为了监测松散含水地层沉降变形,提出了一种在预设钻孔中埋入光纤Bragg光栅传感器网络系统的监测方法.根据光纤Bragg光栅传感原理和矿井地层情况,设计并实现了一个由18个光纤光栅组成的具有特色的光纤Bragg光栅波分复用/空分复用混合阵列,研究了光纤Bragg光栅传感器应变传递规律,通过监测得出了风井松散层应变变化情况,在146~149 m的砂砾层和167~176 m的黏土层处应变最大,截至2008-05-01最大应变变化量为121.68 με.工程实践表明,光纤光栅传感器监测正常,系统稳定,光纤光栅作为应力应变检测使用安全可靠.     

采场上覆关键层运移的模拟实验检测

在传统矿山压力理论的基础上,用光纤Bragg光栅传感器研究采场上覆关键层运移过程中的内部应变。以某煤矿30101综采工作面为对象,实验室模拟工作面上覆岩层变形的过程,在3 m平面模型上使用4个光纤Bragg光栅传感器,制作了3 000 mm×1 340 mm×200 mm的相似材料模型,几何相似比1∶100,同时在关键层的位置布置2条全站仪测线。实验表明,光纤光栅传感器监测出了关键层的初次垮落、周期性垮落过程,关键层初次破断时光纤光栅传感器波长漂移量曲线呈尖峰状,周期性破断时光纤光栅传感器波长漂移量曲线呈高原状,有一个持续的时间。30101工作面顶板初次垮落及周期来压步距分别在48.5~51.7 m与10.4~20.8 m,实验与现场矿压观测结果基本一致。实验实现了上覆关键层所受载荷的实时监测,载荷变化符合指数余弦函数规律。     

基于光纤光栅的锚杆应力状态实时监测与分析

针对巷道锚杆应力状态常规监测方式的局限性,以FBG传感器为核心元件研制了光纤光栅测力锚杆,搭建了在线监测系统,可实现对锚杆不同位置应力状态的实时同步监测。在朱集矿1111(1)工作面运输顺槽的实践结果表明:顶板锚杆杆体的应力分布状态整体呈增长形,帮部锚杆整体则呈波浪形,进一步分析可判断锚杆的有效锚固长度;顶板锚杆随着时间推移应力不断增加,而帮部锚杆杆体的不同位置随时间变化不同,并无明显规律。     

基于光纤光栅监测的松散地层深部注水试验

为了探索厚松散地层深部失水层位的钻孔注水特性，采用一种新型的光纤光栅传感系统实现了某矿松散层注水过程中应变的在线监测。介绍了在深度+115.83～+135.15 m处松散层注水实施过程，及通过2个钻孔对注水层位应变和水位监测的光纤Bragg光栅系统及水位监测系统，注水试验注水压力值依次为0.1，0.2，0.3 MPa和总注水量达到4 226.84 m 3。分析了注水压力、注水量和松散层应变变化的关系，松散层在注水前后和过程中松散层应力应变状态。试验表明，随着注水压力升高和注水量增加，松散层压缩状态得到改善，较注水前，注水后注水层位呈明显拉伸状态。光纤光栅监测系统灵敏、稳定，能够实现对松散层深部注水的过程实时监测，试验为进一步实施松散层地区沉降治理提供了重要的依据。     

基于光纤光栅的深部巷道围岩变形实时监测系统的研发

基于光纤光栅传感器的工作原理,研发了深部巷道围岩变形实时监测系统。系统整体分为感知层、网络层和应用层三个部分,主要硬件包括工控机、光电采集模块、光纤终端盒、报警模块和视频分配模块。该系统可实现巷道围岩变形过程的实时监控、数据处理和灾害预警。     

光纤Bragg光栅传感器在矿业工程中的应用现状分析

介绍了光栅传感器的发展历程及光纤光栅检测应力应变的基本原理。结合光纤光栅传感技术的本质突出优势和岩石工程应用特点,重点讨论了光纤光栅传感技术在相似模拟实验、岩石试件检测和巷道应力检测中的应用。认为光栅本质安全、使用寿命长、耐腐蚀、传感敏感性高等特点适用于岩石工程检测。光纤光栅传感器的使用,为改进应变检测提供了一种新的检测方法。     

光纤光栅传感器在冻结立井施工监测中的应用

 立井的安全在矿井建设中尤为重要,因此对其安全性监测显得必不可少。采用光纤光栅传感器对内蒙古鄂尔多斯某冻结井筒进行了监测,监测内容包括井壁钢筋轴力、混凝土应变和井壁温度,在实际监测过程中充分体现了光纤光栅传感器具有的高精度测量、分布式测量的优点。最后对监测结果进行了分析,得出了一些有用的结论,同时表明利用光纤光栅传感器监测冻结井筒具有很好的效果。     

济三矿风井厚松散层沉降变形光纤光栅监测方法

为了准确预测深厚松散层深部层位因失水压缩变形,分析总结了松散层不同深度黏土层和砂层的失水特征、压缩变形特性,采用松散层钻孔植入式光纤光栅监测系统,对济三矿风井处第四系松散地层104—180 m段埋设的18个光纤光栅传感器进行了长期的实时监测,由光栅传感器监测的松散层应变得出了各层位的压缩变形量。监测结果表明,松散层下组的厚砂砾层是产生主要压缩变形层,可塑状态的厚黏土层也有较大压缩变形,其余层位压缩变形小。下组厚砂砾层和厚黏土层是重点监测层位,为深钻孔植入式光纤光栅监测系统监测设计提供了依据。     

基于传感检测的煤矿巷道矿压现场监测系统的设计

为解决煤矿巷道矿压监测仪器受到传输距离的限制问题,本文利用光纤传感和嵌入式技术,设计和研究了一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道矿压现场监测系统,能够实现煤矿上方与地下煤矿巷道的矿压监测。     

钻孔植入光纤Bragg光栅检测岩层变形的模拟实验

为了探索煤矿岩层变形的钻孔光纤检测方法,采用物理相似材料模型模拟岩层的压缩和沉降过程,设计并制作一个埋入3个光纤Bragg光栅传感器的水泥砂浆预制棒,用于模拟钻孔.测试了岩层压缩沉降变形过程中水泥砂浆预制棒的变形和由此引起的光纤Bragg光栅波长变化,并与对应位置的应变片监测结果进行了对比分析.实验表明,光纤光栅传感器具有精度高、可靠及耐久等优点,能实现岩层变形的实时监测,钻孔植入式光纤Bragg光栅传感系统为岩层变形监测提供了一种有效的方法.     

兰家沟钼矿巷道围岩稳定性分析

针对金属矿山开采巷道围岩变形失稳破坏问题,以兰家沟钼矿巷道为例,对兰家沟钼矿深埋平巷中典型区段建立MIDAS三维模型,分析支护初期围岩应力、应变变化规律及支护结构的内力变化,并通过现场测试分析验证支护结构的合理性,对巷道围岩失稳与破坏机理、支护结构作用进行了深入研究。     

深埋弱胶结软岩巷道变形破坏规律与控制对策北大核心

为研究深埋弱胶结软岩巷道的变形破坏规律并确定合理的控制对策,以余吾煤矿南翼总回风巷工程为例,通过改变应变软化模型参数来反映弱胶结软岩的泥化以及膨胀特征,对巷道掘进过程中围岩的应力、变形以及破坏规律展开数值分析,并在此基础上提出了"锚喷+注浆+反底拱"联合支护控制对策。研究结果表明:常规锚喷支护条件下,深埋弱胶结软岩巷道顶底板以及两帮围岩的径向位移将在巷道向前掘进24 m后达到734.2、490.3、549.6 mm,同时,它们的松动区深度将分别增至5.6、2.8、3.0 m,而塑性区深度则扩展至9.5、8.8、13.7 m;而采用"锚喷+注浆+反底拱"联合支护后,巷道围岩径向位移和塑性区深度将分别减小91%~94%和71%~74%,且达到稳定的时间也大大缩短。     

深部围岩分区破裂化模型试验研究

为研究深部巷道围岩破裂机理,在"深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置"进行了模型试验,系统研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下直墙拱顶试验的破坏形态和机理。模型试验表明:当最大主应力与洞室轴线平行,在较大轴向压力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,使得在围岩内产生较大的径向拉应变,其产生的拉伸断裂是出现分层破坏现象的关键,分布特点是随着轴向应力的增加其拉应变值增加,随距洞壁距离的增大其拉应变值减小。拉伸断裂面形成后,相当于在原来的介质内又形成了一个新的半径增大的洞室,洞室在较大的轴向压应力持续作用下,拉伸破坏过程不断重复出现,就会形成交替的破裂区域和未破裂区域,即分层破裂现象。     

基于FLAG3D的深部巷道围岩变形数值模拟

应用FLAC3D对东荣二矿深部巷道围岩变形进行数值模拟,在一定程度上起到理论指导作用,从分析结果可以看出喷锚注支护可以有效地控制围岩变形,改善巷道围岩应力分布,减小巷道位移量,提高围岩强度和自承能力,支护结构长期稳定,能够很好地解决深部破碎巷道围岩变形控制问题.     

不同埋深条件下直墙拱顶巷道破裂的数值试验

为研究不同埋深条件下直墙拱顶巷道围岩破裂形态,采用RFPA2D软件进行了数值模拟试验。通过数值试验发现:不同埋深条件下的巷道围岩均从巷道的拱脚和墙角处最先发生破坏,且沿拱脚斜向下和沿墙角斜向上扩展,最终导致巷道两帮围岩破裂失稳;同时由于深部巷道围岩的荷载较大,破坏裂缝也从巷道两帮扩展到拱顶和底板。通过分析巷道围岩应变数据,发现围岩体内径向拉应变是造成巷道围岩破坏的主要原因。该数值试验结果与有关物理试验结果具有一致性,能进一步丰富深部岩体破裂方面的研究成果,更好地指导深部地下空间的开发和应用工作。     

深部岩巷在动力扰动下的破坏机理分析

结合某巷道工程实例，利用新开发的动态版岩石破裂过程分析系统RFPA2D分析了动力扰动对深部岩巷破坏过程的影响，从细观角度分析了不同深度或受不同静压力的岩石巷道在动力扰动下的破坏规律.结果表明，对于不同埋深的巷道，所受应力状态不同，则所处稳定状态也不同.当巷道埋深较小时，处于较稳定状态；当巷道埋深较大时，越来越接近临界稳定状态，较小的扰动便可以导致裂纹的大规模瞬时动力扩展，诱发巷道的失稳破坏，并伴随着应变能的高速释放.深部巷道所受静压较大，在动力扰动下比浅部巷道更易发生失稳破坏.     

深部厚顶煤巷道大型地质力学模型试验系统研制与应用

为研究深部厚顶煤巷道围岩应力演化规律与变形特征,研制了大型地质力学模型试验系统。该系统由反力装置、柔性均布压力加载装置、数字智能液压控制系统和高精度多元实时监测系统组成,具有可自由拼装、模拟空间大、荷载集度高、边界加载均匀和模拟精度高等特点。以赵楼煤矿3302工作面运输巷为工程背景,通过大量的相似材料配比及力学参数测试,确定了两种不同系列的材料分别模拟砂岩和煤层;设计制作了预应力锚杆（索）、箱型支护梁、钢带及托盘等相似构件;对让压型锚索箱梁支护系统进行了大比尺模型试验研究,得到了深部厚顶煤巷道开挖支护过程中的围岩内部应力演化与变形规律。结果表明,该系统能够较好地进行深井煤巷及其他大型地下硐室开挖支护全过程的模型试验研究。     

深部煤巷偏应力场分布特征及围岩控制研究

针对受多重采动影响的深部巷道变形量大、支护困难等围岩控制问题，以赵庄煤矿33092巷为研究对象，通过现场调研、理论分析、数值模拟等方式分析了受重复采动影响的深部煤巷围岩变形破坏形态，获得了深部巷道围岩偏应力分布特征及塑性区演化规律。研究结果表明：33092巷围岩偏应力S1和塑性区都呈倾斜的“8”字型分布，属于明显的非对称式破坏，现场巷道破坏形式与理论分析、数值模拟结果基本一致|基于偏应力和塑性区的非对称分布形态，提出了33092巷的非对称支护改进方案并在现场进行工业试验，试验结果表明该方案能维持巷道围岩的稳定性，保证巷道服务期内的安全使用。     

The test research on partial relieving pressure for the entry in the deep mine under high stress and friable surrounding rock

Based on the geological condition of Zhangxiaolou deep mine in Xuzhou mining area, under 986 m in depth, 20.6-31.6 MPa in maximum horizontal principal stress, and friable and fractured surrounding rock, test researches on partial relieving pressure were completed for the entry with U-steel arched yielding support. The relieving pressure parameters, technology process and results of springing blasting by boreholes and excavating pockets in the two sides of entry were introduced. It is demonstrated that springing will not be shaped under the condition of single borehole arrangement after exploded, the arrangement by a group, it will make borehole bottom form springing in 0.6-0.8 m in diameter, that convergence of two sides and roof to floor have some increments by using springing blasting for reliving pressure. This kind of method for reliving pressure is not suitable to use in the deep mine, and that the convergence of two sides obviously declined by excavating pocket in two sides, it can be still used in the entry with metal support, while maintenance of entry in deep mines is difficult, and can not be supported by bolt or bolt with wire mesh.