光纤光栅应变传感器在钻孔围压监测中的应用

闫文超 蔺兑波 南汉晨 杨 伟

(中国煤炭科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

光纤光栅传感技术是光电行业重要的技术之一，具有抗电磁干扰、动态范围宽、灵敏度高、可实现分布式测量等优点，为围岩应变监测提供了可行的途径[1-3]。近年来，光纤光栅传感技术得到迅速发展，传感器种类不断增多，灵敏度不断提高，解调技术不断发展，研究光纤光栅技术的企业和研究机构增多，国内的研究机构主要有武汉理工光科股份有限公司、上海波汇科技有限公司、北京基康科技有限公司等，国外的研究机构主要有美国的微光光学传感公司(MOI)、智能科技有限公司(Smart Tech)以及加拿大的FISO公司等[4-6]，上述产品在煤矿井下的复杂环境应用较少，特别是在深钻孔中进行工作面围岩应变的监测应用。本次试验是针对煤矿井下钻孔复杂环境在实验室搭建相似的物理模型，得到传感器在不同角度下应变数据。依照实验室所得结果，在煤矿井下钻孔进行了相应的试验，将传感器按照特定的角度在孔内进行布置，并监测一段时间内的钻孔围压。本次试验结果能够为今后光纤光栅传感器在井下钻孔中实时监测应用提供理论依据。

1 光纤光栅监测原理

光纤光栅传感器是利用光纤光栅传感技术进行测量的传感器，光纤光栅就是一段周期性调制的光纤，当传感器所处位置的压力、温度等参数发生变化时，光栅的栅格周期和有效折射率就会发生变化，从而引起反射光的中心波长漂移，通过测量被测物理量变化前后光栅中心波长的变化量[7-8]，可实现被测物理量的测量。光栅应变计观测值为应变光栅当前波长值λ1和λtl温补光栅当前波长值，围岩由于温度和荷载变化引起的总应变计算见式(1):

εt=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)

(1)

K——应变计应变系数，με/nm；

B——应变计温度修正系数，με/nm；

λ1——应变光栅当前时刻的波长值，nm;

λ0——应变光栅初始的波长值，nm；

λt1——温补光栅当前时刻的波长值，nm；

λt0——温补光栅初始的波长值，nm。

通过不同时刻的观测值可求得各测点的应变变化值[9-11]。当光栅周期的温度或应力发生变化时,将导致光栅栅距周期及纤芯折射率的变化,从而使光纤光栅中心波长发生移动,光纤光栅的传感光路如图1所示。

图1 光纤光栅传感光路

2 试验概况

本次利用光纤光栅应变传感器在实验室开展岩石模型围压监测试验，相似模拟材料选择与实际岩层力学指数相吻合的相似材料(本次模拟中砂岩力学指数)，以便较为真实地模拟实际现场情况。传感器所处环境为埋深超过300 m，岩性为中砂岩，工作面围压为7～8 MPa，水量未知，传感器填埋深度约为250 m，煤层厚度约为7 m。

另外，在换低速挡的同时，应结合使用手刹，但要注意手刹不能拉紧不放，也不能拉得太慢。如果手刹和强制减档的方法都不起作用，那么就要大声鸣笛提醒前方车辆注意给你让道，并及时寻找合适路段进行减速。如果以上方法都不适用，就要考虑利用路边的障碍物来降低车速了。

2.1 物理模型设计

模型根据煤矿井下现场的实际要求，在实验室设计物理模型长度为1.4 m、宽度为0.8 m、高度为1 m的长方体，浇筑材料使用经过试验所得的配比材料一次浇筑成型。模型的侧面预留5个光纤光栅传感器埋设注浆孔，传感器的下倾角度分别为1号孔为10°、2号孔为20°、3号孔为30°、4号孔为45°、5号孔为50°，孔与孔之间的间隔约为20 cm，以易于注浆。围压监测试验物理模型如图2所示。

图2 围压监测试验物理模型

2.2 测试过程

本次测试在矿山水害鉴定与治理技术模拟实验室进行单轴加压试验，此次试验分为以下3个阶段。

(1)将围压设备安装到实验模型上，连接好加压泵，并将传感器尾纤与光纤光栅解调仪相连接，配置解调仪参数，进入采集阶段。

(2)利用加压泵向安装的围压装置进行加压，加压分为轴向加压、径向加压和顶向加压， 整个加压过程分为3个阶段，第一阶段进行轴向加压，加压从0.02～0.1 MPa，每间隔0.02 MPa就保压5 min，到0.1 MPa后保压10 min，然后泄压至0 MPa；第二阶段径向加压，第三阶段是顶向加压，后2个阶段的加压过程和第一阶段相同。

(3)利用光纤光栅解调仪读取在不同方向加压时，预设不同角度下传感器监测围压的变化情况。

通过以上3个阶段，最终得到光纤光栅应力应变传感器在三维试验台测试的应变曲线。

3 试验结果

按照设计的测试过程以及加压过程对传感器采集的数据在解调仪上进行解调，获得原始的测试结果，经过对数据的处理分析得到传感器在不同角度下加压过程中所反映的应力变化曲线如图3～图7所示。

图3 传感器下倾10°的应力变化

图4 传感器下倾20°的应力变化

图5 传感器下倾30°的应力变化

图6 传感器下倾45°的应力变化

图7 传感器下倾50°的应力变化

通过试验数据所绘制的图形分析可得，试验初设计的5个不同角度放置的光纤光栅应变传感器，在下倾角度越小的情况下对物理模型轴向加压时数据测量能力更好，而且数据线性度也较好，能够准确地反应出不同加载压力下的变化情况，而在径向和顶上加压时对传感器的采集数据影响不大，符合预期试验目标。

4 工程应用

本次应用的目的是通过光纤光栅监测方式观察工作面钻孔的压力变化情况。2019年7月，在河北冀中能源葛泉东井矿11916工作面东翼运输巷应用光纤光栅监测系统，到2020年4月，历经了10个月的监测。首先在11916工作面钻窝处打100 m深的特定角度的钻孔，然后通过PVC管将光纤光栅应变传感器推进孔底，到达预设位置后，开始向钻孔底部注入混合配比的沙土，将光纤光栅应变传感器固定在设计好的测点位置，保证传感器与钻孔壁较好耦合；最后封孔甩出传感器尾纤并熔接进入井下环网；通过交换机将数据传输到光纤光栅解调仪中，监测的数据实时传输到监测站；井下分出可用的光纤数量有限，监测的方式是循环滚动的，监测完前面的区域后需要调整接入后面的传感器光纤接口。煤矿井下钻孔围压光纤光栅监测系统如图8所示。

图8 煤矿井下钻孔围压光纤光栅监测系统

本次处理的数据来源于其中1个钻孔3个月来的传感器实时监测的结果，通过对这个钻孔3个月的监测数据进行分析整理，得到的传感器监测结果曲线如图9所示。

图9 传感器监测结果曲线

由图9可以看出，光纤光栅应变传感器在监测时间段内应变曲线有起伏变化，其中曲线下降能够说明工作面处于加压的过程，曲线上升说明工作面处于泄压过程。在2019年9月26日、10月7日、11月7日左右都可以看出曲线有细微上升和下降的过程，通过与矿上其他监测资料结果对比后得出，在这几天工作面围岩压力发生了一定量的变化，这与光纤光栅应变传感器分析的结果相吻合。

5 结论

光纤光栅应变传感器在煤矿井下深钻孔的布置和监测工作面围岩压力的应用较少，经过前期实验室模型测试以及井下的现场应用分析结果，得到以下结论：

(1)光纤光栅应变传感器能够有效反映在被测物体受压情况下的应力变化情况以及变化规律；

(2)光纤光栅应变传感器在钻孔中的布设角度与被测物体在受压情况下的监测效果有一定的关系，在下倾角度越小的情况下对物理模型轴向加压时，传感器有更好的数据测量能力，而且数据线性度好，能够准确地反应出不同加载压力下的变化情况；

(3)光纤光栅应变传感器监测工作面围岩压力相对于其他产品有安装方便、经济适用等明显优势，为煤矿井下围岩压力监测提供了一种可靠的技术。