基于光纤传感的锚杆轴力监测研究

论文摘要

锚杆支护已成为确保矿山巷道、边坡、隧道等工程稳定性的一项主要技术,而锚杆支护质量监测工作是锚固工程中不可缺少的环节,提高锚杆监测工作的质量和监测评定结果的可靠性,对真正地确保锚固工程的质量与安全具有重要意义。本论文根据锚杆所受剪应力和轴力的分布特征,介绍了锚杆杆体粘贴传感器对锚杆受力进行监测的方法,但是这种方法存在制作工艺复杂、安装后不能复用等缺点。结合均匀轴力下光纤光栅的传感特性,提出一种传感器安装于锚杆外端头的锚杆受力监测方法,以及用于锚杆轴向力测试的光纤光栅测力装置。该装置主要由油缸、压力表和光纤光栅压力传感器组成。在实验室对装置进行标定,得出了装置所受外载荷即锚杆所受轴向力F和光通过光栅的波长漂移量△λ之间的关系式,根据数据采集系统所采集的波长漂移量即可求出锚杆的轴向力。标定结果表明,光纤光栅压力传感器比压力表灵敏性高。可利用该测力装置构建锚杆轴力监测系统,为系统应用于煤矿井下提供实验依据。监测系统在宁煤集团红柳煤矿进行工业性试验,对1121首采工作面回风巷巷帮锚杆轴向力进行3个月的监测。分析安装和监测过程中存在的问题,并提出解决的方法。监测结果显示:随着工作面的开采,锚杆轴向力呈波动性变化,当工作面推进至61.8m时锚杆轴向力达到最大值,最大26kN。为巷道稳定性评价提供参考依据。该监测系统能够用于煤矿锚杆轴向力的监测,为锚杆受力监测提供一种新方法,给巷道的维护及安全生产提供科学保障。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 锚杆支护研究现状
• 1.3.1 锚杆支护理论
• 1.3.2 国内外锚杆支护理论研究现状
• 1.3.3 国内外锚固支护技术现状
• 1.3.4 锚杆支护质量检测的发展
• 1.3.5 锚杆检测技术中存在的问题
• 1.4 光纤传感技术的发展
• 1.4.1 光纤光栅技术的国内外研究现状
• 1.4.2 光纤锚杆监测技术的研究现状
• 1.4.3 光纤锚杆监测技术在土木工程中的应用
• 1.5 研究内容及方法
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究方法
• 2 锚杆受力分析及监测传感器
• 2.1 锚杆受力情况分析
• 2.1.1 力的传递分析
• 2.1.2 锚杆受力分析
• 2.2 光纤光栅传感特性分析
• 2.2.1 均匀轴向力下的光纤光栅传感特性
• 2.2.2 光纤光栅的温度传感特性
• 2.3 锚杆受力监测传感器
• 2.3.1 杆体粘贴传感器
• 2.3.2 外端头安装传感器
• 2.4 本章小结
• 3 监测系统及测力装置标定
• 3.1 光纤光栅锚杆轴力监测系统
• 3.1.1 监测系统组成
• 3.1.2 光纤光栅锚杆测力装置
• 3.2 装置标定试验
• 3.2.1 实验仪器及设备
• 3.2.2 标定过程
• 3.2.3 试验数据处理及分析
• 3.2.4 计量研究院标定
• 3.3 回归分析
• 3.3.1 回归方程的求解
• 3.3.2 回归方程的显著性检验
• 3.4 本章小结
• 4 监测系统现场应用
• 4.1 矿井概况
• 4.2 监测系统安装
• 4.2.1 监测地点的选择
• 4.2.2 安装过程及光纤布置路线
• 4.2.3 光纤连接方法的选择
• 4.3 观测过程
• 4.3.1 工作面的开采
• 4.3.2 观测数据
• 4.4 存在的问题
• 4.5 监测数据处理
• 4.5.1 数据处理
• 4.5.2 结果分析
• 4.6 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录