采场覆岩的光纤光栅检测研究

论文摘要

采场中矿压显现的根源是采动引起的上覆岩层的移动,由于上覆岩层的构造区别,使得上覆岩层的移动存在多种多样的规律。近年来,随着煤炭消耗量的增大,我国新建煤矿增多,其上覆岩层更加多样化,伴随着矿山压力相关的重大灾害逐渐增多,所以应更加重视上覆岩层移动机理的研究。对采场上覆岩层规律研究方法一般有:数学力学分析方法、数值分析方法、相似材料模型分析方法等。本文以相似材料模型的研究方法为主,以两种覆岩移动情况:覆岩为硬岩的条件、覆岩为周期垮落的条件,制作了三个模型:模型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ并进行实验。模型检测中以光纤Bragg光栅方法为主,该方法使用光纤Bragg光栅传感器,埋设于模型岩层中。当岩层移动变形时会带动传感器变化,而得到传感器的波长漂移量,且光纤Bragg光栅波长漂移量因岩层性质不同,其规律特征也具有一定区别,由此以传感器波长漂移量变化规律可分析岩层的移动特征。在模型Ⅲ中埋设的光纤Bragg光栅传感器有两种,以封装材料区分为不锈钢封装和醋酸乙烯塑料封装。取有代表性的一组检测数据分析两种传感器的检测效果:当传感器的封装材料具有较大的弹性模量,则传感器受到作用力后的变形量较小,其在相似模型这样的塑性材料中的检测效果较差。为研制适用于矿山相似模型的光纤Bragg光栅传感器提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 相似材料模型实验的国内外研究现状
• 1.2.1 相似材料模拟实验国内外发展概况
• 1.2.2 矿山相似材料模拟实验检测方法
• 1.3 光纤Bragg 光栅传感技术的国内外发展现状
• 1.3.1 光纤Bragg 光栅传感技术简介
• 1.3.2 光纤Bragg 光栅传感技术在矿山相似模拟实验中的应用
• 1.4 论文研究的内容与方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 2 矿山采场上覆岩层移动规律
• 2.1 矿山回采引起的岩层移动
• 2.1.1 上覆岩层移动规律
• 2.1.2 岩层移动及分区
• 2.1.3 岩层移动的形式
• 2.2 半无限开采时采动覆岩内部点的下沉分析
• 2.3 矿山采场上覆岩层拱形理论简述
• 2.4 矿山采场上覆岩层梁式理论简述
• 2.5 本章小结
• 3 光纤Bragg 光栅测试理论
• 3.1 光纤Bragg 光栅理论分析
• 3.1.1 光纤光栅受均布轴向载荷分析
• 3.1.2 光纤光栅受均布横向载荷分析
• 3.1.3 光纤光栅温度传感原理
• 3.1.4 不受力光纤光栅温度补偿分析
• 3.2 光纤Bragg 光栅传感器应变传递基本原理
• 3.3 两种封装材料的光纤Bragg 光栅传感器简介
• 3.3.1 不锈钢封装光纤Bragg 光栅传感器
• 3.3.2 醋酸乙烯塑料封装的光纤Bragg 光栅传感器
• 3.4 本章小结
• 4 矿山相似模型光纤Bragg 光栅检测实验
• 4.1 矿山相似模型实验概述
• 4.1.1 实验目的
• 4.1.2 实验条件
• 4.3 实验过程描述
• 4.3.1 模型Ⅰ开挖过程
• 4.3.2 模型Ⅱ开挖过程
• 4.3.3 模型Ⅲ开挖过程
• 4.4 本章小结
• 5 不同上覆岩层变形移动的检测分析
• 5.1 坚硬顶板条件下模拟实验
• 5.1.1 岩层移动过程及特征
• 5.1.2 光纤Bragg 光栅传感器波长漂移量变化规律
• 5.1.3 实验结论
• 5.2 周期垮落顶板条件下模拟实验
• 5.2.1 岩层移动过程及特征
• 5.2.2 光纤Bragg 光栅传感器波长漂移量变化规律
• 5.2.3 实验结论
• 5.3 两种传感器的实验检测分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录