基于光纤光栅技术的竖井井壁变形在线监测系统研究与设计

王太元

(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆市九龙坡区,400039)

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基于光纤光栅技术的竖井井壁变形在线监测系统研究与设计

王太元

(中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆市九龙坡区,400039)

针对深部矿井井筒井壁应力环境复杂的特点,结合光纤光栅传感技术原理及优势,将光纤光栅传感器埋入井筒套壁混凝土内部,根据井筒地质结构及套壁工艺设计了监测方案,构建多点分布式传感系统对井筒井壁大尺度的多点进行长期实时的在线监测。监测数据表明,利用光纤布拉格光栅传感技术监测井筒井壁结构健康具有很好的效果,为及时评价井筒安全状况与运行状态提供依据。

竖井井壁 光纤光栅 应变传感器 在线监测

随着矿井开采深度的增加,采矿工程面临的问题更加复杂,由此产生的工程灾害事故更为严重,尤其是地应力场的复杂变化造成矿井矿压的危害加大,这给煤矿生产带来巨大的安全隐患和经济损失。竖井井筒是煤矿的“咽喉”,其安全运营是煤矿生产顺利进行的重要保障。因此,建立一套竖井井筒井壁在线实时监测系统,随时掌握井壁结构参数和环境参数的变化,对保证井壁的受力安全是很有必要的。

光纤布拉格光栅(FBG)是近10多年以来国际上新兴的一种有着广泛应用前景且性能优良的反射滤波无源敏感元件。光纤传感技术与传统的结构应变监测技术相比,具有环境影响较小、抗电磁干扰强、灵敏度高、稳定性好、质轻径细、抗腐蚀以及适合埋入大型工程结构等优点。基于此,本文应用光纤布拉格光栅传感原理,对深度近800 m的主井套壁井筒中埋入光纤光栅传感器,对井筒井壁各层位受力变形情况进行了在线实时监测。

1 工程概况

安徽淮南国投新集能源股份有限公司板集煤矿发生突水后,主井井筒井壁的受到了不同程度的破坏,因此对主井井筒需加固处理,其加固方案为井筒上部和下部均采用钢筋混凝土进行加固,井筒中部采用槽钢钢筋混凝土进行加固。主井井口标高为＋27.5 m,井底标高为－768 m,井筒深度为795.5 m,其中0～638.3 m为表土段,638.3～795.5 m为基岩段,表土层的施工工艺采用冻结沉井法施工,基岩段采用钻井法施工。为了了解板集煤矿主井井筒在今后的使用过程中是否存在明显的异常安全风险,故将FBG应变传感器埋入到套壁混凝土内部,对其结构健康进行长期在线监测,为井筒的安全运营提供保障。

2 主井井筒井壁变形监测方案

2.1 监测系统整体设计

主井井筒井壁变形在线监测系统由各层应变传感器、单芯单模光缆、光缆接续盒、多芯主光缆、二次仪表(FBG解调仪)和计算机组成。井筒监测系统包括井下和井上两部分,井下部分由FBG光纤光栅传感器及传输主光缆组成,采用定制埋入式FBG传感器埋设在井筒内,传输主光缆沿井壁自传感器埋设位置从下到上铺设,各个FBG传感器采用并联方式独立接入主光缆中,保证埋入传感器的成活率。监测系统组成示意图如图1所示。

图1 监测系统组成示意图

2.2 传感器布置方案

为了准确掌握井筒井壁的变形动态,应布设较为全面完整的多方位监测体系。结合主井井筒地质条件与井筒井壁破坏情况,主井共布设3条测线,以其中一条测线为主,另两条测线为辅。测线1 (主测线)的方位角为206°,测线2的方位角为326°,测线3的方位角为86°,并在关键层位布设切向传感器。竖向布设的每个测点均需同时进行应力、应变和温度的监测,即该传感器为带温度补偿的应变传感器,而切向布设的传感器为不带温度补偿的应变传感器,FBG传感器布置位置图如图2所示。

图2 FBG传感器布置位置图

为了确保埋入套壁混凝土中传感器的成活率,每条测线的主光缆井下部分采用双回路,主井传感器及光缆的布设随着加固处理施工作业同时进行,即主光缆和传感器光缆需捆扎在竖向主筋和环向主筋上,传感器绑扎在环向主筋和竖向主筋附近。如果在传感器和光缆附近存在焊接作业时,要求在焊接前对相应的传感器及光缆等采取可靠的保护措施,确保传感器及光缆不受损坏。FBG传感器与主光缆连接方式如图3所示。

图3 FBG传感器与主光缆连接方式

2.3 传感器初始波长的选择

实验表明,FBG传感器温度和应变灵敏度分别为10.2 pm/℃和0.9742 pm/με,传感器灵敏度较高。因此将传感器绑扎在钢筋笼上时,传感器的出厂中心波长会发生漂移。固定在钢筋笼上的传感器会被浇筑到套壁混凝土当中,而根据混凝土的凝固特性,在浇筑早期水泥会放出大量的水化热,温度升高,混凝土弹性模量发生急剧变化并在混凝土内部形成残余应力,放热作用结束至混凝土冷却到稳定温度时,传感器中心波长会再一次发生漂移,因此记录下此时应变传感器所对应的波长值作为初始波长值,便可更准确地计算出井筒井壁受力情况。FBG传感器在混凝土浇筑和冷却过程温度波长变化趋势如图4所示。

图4 FBG传感器在混凝土浇筑和冷却过程温度波长变化趋势

3 监测数据分析及评价

板集煤矿主井井筒井壁监测主要是以竖向应变传感器为主,在关键层位布设切向应变传感器。竖向主要监测竖井井筒井壁在纵向上的应变情况,切向主要监测竖井横断面井壁切线方向的应变情况。本文分别选择井筒上部、中部和下部几个有代表性的监测点位进行数据分析及评价。

(1)Z2－3传感器位于主井井筒垂深296.5 m处,方位角为326°,所处层位为新生界第三含水层,岩性为厚度5.1 m的细砂岩组合。该层位从7月20日－8月15日一直处于压缩应变状态,并于8月15日达到最大值－270με,8月15日之后该传感器开始受力不均匀,出现了小幅度震荡,8月23日左右压缩量开始减小,并与10月20日应变量达到－190με左右,之后压缩量又开始增大,并于12月初开始到次年1月受力趋于稳定。传感器Z2－3应变变化趋势如图5所示。

图5 传感器Z2－3应变变化趋势

(2)Z3－7传感器位于主井井筒垂深496 m处,方位角为86°,所处层位新生界第三隔水层,岩性为厚度9 m的砂质粘土层。该层位由7月20日左右到次年1月受力一直处于压缩状态,最大压缩形变为－270με左右,12月底到次年1月初形变量有逐渐变小的趋势。传感器Z3－7应变变化趋势如图6所示。

(3)Z1－13竖向和切向传感器位于筒垂深653.6 m处,方位角为206°,所处层位为二叠系含煤地层,岩性为厚度17.99 m的砂泥互层。该层位竖向传感器由7月20日左右开始由微小的拉伸形变逐渐变为稳定的压缩形变,应变量为－50με左右,该传感器由10月18日左右开始受力状态发生了巨大变化,形变量突然增加到近－780με左右,之后继续增大,但涨幅变小,一直持续到次年1月,达到了－920με左右;切向传感器从7月20日左右开始到次年1月一直处于压缩状态,8月20日左右至8月底时间段内受力不均匀,但涨幅较大,之后该层位切向传感器一直处于稳定的压缩状态,应变量约－1350με左右。传感器Z1－13竖向应变变化趋势和切向应变变化趋势如图7和图8所示。

图6 传感器Z3－7应变变化趋势

图7 传感器Z1－13竖向应变变化趋势

图8 传感器Z1－13切向应变变化趋势

依据GB50010－2010《混凝土结构设计规范》标准,并结合所用浇筑混凝土抗压强度试验报告,对不同强度的混凝土建立了不同的报警阈值,目前整个主井井筒井壁受力都以压缩形变为主,且各层位都处于安全弹性形变范围之内,但是井筒中下部,即垂深500 m以下,井筒竖向和切向受力都明显增大,这与实际情况相符,是今后监测的重点部位。

5 结论

(1)本井筒井壁监测系统将传感器埋入到套壁混凝土内部,且用双回路设计,克服了传统应变监测技术的不足,充分保证了其可长久持续在深部井筒复杂地质条件下实现多种物理量在线实时监测。实现了井筒井壁多点分布式传感,对整个井筒井壁的结构健康状况可全方位评价。

(2)FBG应变传感器测试精度高且稳定性好,基于传感器的安装固定及混凝土浇筑对传感器波长的影响,对传感器初始波长的选择进行了分析探讨,提高了监测数据的准确率。

(3)监测数据结果表明整个主井井筒井壁主要受挤压应力,且以西南方位为主,井筒下部受力明显大于中上部,与矿井井筒实际情况相符。因此,将光纤布拉格光栅传感系统应用到煤矿竖井井筒井壁变形安全监测领域是切实可行的,且效果良好。

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(责任编辑 路 强)

Research and design of online monitoring system of shaft sidewall deformation based on fiber Bragg grating

Wang Taiyuan
(China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Jiulongpo,Chongqing 400039,China)

Aimed at the complex stress characteristics of deep mine shaft sidewall,the fiber Bragg grating sensors were embedded in concrete of shaft casing wall because of the merits of fiber Bragg grating sensing technology．The monitoring plan was designed according to the geological structure and technical process of shaft casing wall,and the multipoint distributed sensing system was set up to realize real-time online monitoring on multipoint on shaft wall in large range for a long time．Monitoring data showed that the fiber Bragg grating sensing technology could effectively monitor the structure of shaft wall,and could provide a basis for evaluating the safety status and running state of shaft in time．

shaft sidewall,fiber Bragg grating,strain sensor,online monitoring

TD326

A

王太元(1982－),男,山西晋中人,硕士研究生,工程师,主要从事矿井物探技术和监测技术的研究工作。