岩体变形光纤光栅传感检测的理论与方法研究

论文摘要

我国是世界上煤矿事故频繁发生的国家之一,而很多重大灾害的发生都是由于人们对煤岩体物理力学行为的认知缺乏所致。提高监测手段,减少灾害的发生显得尤为重要。鉴于光纤光栅传感技术的独特优点及其广阔的应用前景,借助该项技术检测岩体的变形破坏过程,研究适合于岩体的光纤光栅检测方法,对于提高人们对岩石力学行为及其变形破坏机理的认知具有非常重要的现实意义。本论文由光纤的波动理论出发,以麦克斯韦方程组及光纤光栅传输模式的正交关系为理论依据,推证出了光纤光栅的传输理论,并得到了传感方程。通过对光纤光栅的传感实验,验证了光栅波长与应变及温度之间的线性关系,表明光纤光栅具有良好的测试性能。提出了光纤光栅传感技术对岩体变形的测试方法,即埋入法和表面粘贴法,其中埋入法又可分为锚杆封装法、直接埋入法和钻孔注浆法。分析了埋入状态下光纤的受力特征,推导出了光纤与岩体之间的应变传递方程,得出了二者的应变传递关系。建立了光纤光栅表面粘贴时的力学传递模型,推导出了在考虑表面凹槽时的力学传递方程。在光纤及中间介质的力学参数已知时,可以求得应变传递系数,通过换算后得到岩体真实应变。研究了采场周围水平应力分布的光纤光栅埋入式检测方法。在相似模型中埋入裸露的光纤光栅,检测采动过程中波长的变化。借助埋入法应变传递的分析结果,由波长漂移量得出光栅附近岩体的水平应力,再由多点光栅的测试即可得出应力的分布规律。结果表明,借助光纤光栅可以测出采动影响下水平应力的分布,并通过数值模拟计算,验证了测试结果。本文在国内首次采用了光纤光栅表面粘贴法对MTS伺服机单轴压缩实验过程进行了检测。在试件的轴向和环分别布置两个光栅,以测试压缩过程中的应变变化。在同一位置附近粘贴应变片,对照实验结果。实验表明,光纤光栅测试效果明显优于应变片及MTS的环向应变计,与MTS的轴向位移计精度相当。实验说明了光纤光栅优越的测试性能,并验证了所建立表面粘贴模型的正确性。对济宁三号煤矿风井松散层的沉降变形进行了光纤光栅埋入法检测的应用,光纤光栅的埋入采用了钻孔注浆法。分析了使用该方法时光纤光栅传感器与松散层的应变传递关系,得出了波长漂移量与应变的传递系数。经过8个月在线监测,获得了大量观测数据,经分析得出了最大沉降变形的层位,为井筒的破坏预测和及时维护提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 本领域国内外发展现状
• 1.2.1 岩体变形破坏检测的研究发展
• 1.2.2 光纤光栅传感技术的国内外发展现状及趋势
• 1.2.3 岩体变形的光纤传感检测技术应用
• 1.2.4 相似模拟实验中的光纤传感技术
• 1.3 本论文的研究内容与方法
• 2 光纤光栅传感特性分析
• 2.1 光纤光栅传感基本理论
• 2.1.1 光纤基本结构与传输原理
• 2.1.2 光纤Bragg 光栅传感的基本原理
• 2.1.3 光纤光栅模式耦合理论
• 2.2 光纤光栅传感特性分析
• 2.2.1 均匀轴向应力下光纤光栅传感特性分析
• 2.2.2 非均匀轴向应力下光纤光栅反射谱特征
• 2.2.3 均匀横向应力下光纤光栅传感特性分析
• 2.2.4 非均匀横向应力下光纤光栅反射谱特征
• 2.2.5 光纤光栅多点传感理论
• 2.2.6 光纤光栅温度传感模型分析
• 2.3 光纤光栅应变—温度交叉敏感问题
• 2.4 光纤光栅传感实验研究
• 2.4.1 光纤光栅应变传感实验
• 2.4.2 光纤光栅温度传感实验
• 2.4.3 光纤光栅温度补偿实验
• 2.5 本章小节
• 3 岩体变形光纤光栅检测方法及应变传递理论
• 3.1 岩体变形光纤光栅检测方法
• 3.1.1 光纤光栅的埋入法
• 3.1.2 光纤光栅的表面粘贴法
• 3.2 岩体埋入光纤的受力状态
• 3.3 光纤与岩体的力学作用分析
• 3.4 岩体埋入带保护层光纤光栅的应变传递
• 3.5 岩体埋入光纤光栅多层介质的应变传递
• 3.6 光纤光栅应变传递率影响参数分析
• 3.7 光纤与岩体之间的相对滑动
• 3.8 本章小节
• 4 岩石单轴压缩光纤光栅表面粘贴法研究
• 4.1 光纤光栅表面粘贴法应变传递分析
• 4.1.1 力学分析过程
• 4.1.2 试件表面粘贴传递系数分析
• 4.2 岩石单轴压缩光纤光栅传感实验分析
• 4.2.1 砂岩变形光纤光栅传感测试
• 4.2.2 单轴压缩灰岩光纤光栅传感特性实验
• 4.3 应变传递系数影响参数分析
• 4.4 本章小节
• 5 岩体变形光纤光栅埋入法实验研究
• 5.1 埋入方法及埋设工艺
• 5.2 模型参数选取
• 5.3 测试系统
• 5.4 模型设计原则及材料配比
• 5.5 光纤光栅参数及在模型中的埋设位置
• 5.5.1 光栅间距及波长范围选取
• 5.5.2 埋设位置及光栅分布
• 5.6 模型开采过程
• 5.7 实验结果分析
• 5.7.1 岩层垮落前波长变化特征
• 5.7.2 波长变化与跨距关系分析
• 5.7.3 竖向光栅波长变化
• 5.7.4 光栅波长变化范围分析
• 5.8 温度补偿实验分析
• 5.8.1 模型设计及测试系统
• 5.8.2 实验过程及结果分析
• 5.9 本章小节
• 6 岩体应力分布的光纤光栅传感检测
• 6.1 采动影响下矩形孔周围应力分布
• 6.1.1 求解孔口问题的复变函数方法
• 6.1.2 矩形孔孔边承受均匀内压时的应力
• 6.1.3 含矩形孔的无限域在纯剪切状态下的孔边应力
• 6.1.4 矩形孔周围应力分布特点
• 6.2 岩层水平应力光纤光栅传感测试
• 6.2.1 光纤-岩体应变传递计算
• 6.2.2 光纤光栅应力测试结果
• 6.3 支承压力的光纤光栅传感测试
• 6.4 数值模拟计算
• 6.4.1 模型的建立
• 6.4.2 结果分析
• 6.5 本章小节
• 7 济三煤矿松散层沉降变形光纤光栅监测应用
• 7.1 光纤光栅传感器与松散层沉降关系分析
• 7.1.1 光纤光栅传感器
• 7.1.2 光纤光栅波长与松散层沉降关系分析
• 7.2 松散层沉降变形光纤光栅传感监测
• 7.2.1 济三煤矿地质概况
• 7.2.2 传感器埋设层位
• 7.2.3 监测系统
• 7.3 监测结果分析
• 7.3.1 松散层监测结果
• 7.3.2 井筒附加应力数值模拟结果
• 7.3.3 结果分析
• 7.4 本章小节
• 8 结论
• 8.1 主要结论
• 8.2 本论文的创新点
• 8.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录