（采矿工程专业论文）基于光纤光栅监测的厚松散层井筒变形预测研究.pdf

论文题目：基于光纤光栅监测的厚松散层井筒变形预测研究 专业：采矿工程 硕士生：丘i j 标( 签名) 叠盘! 指导教师：柴敬( 签名匕勉 摘要 我国华东地区的淮北、大屯、徐州、兖州、淮南等矿区相继有百余个立井井壁发生 了不同程度的破坏，系该地区巨厚松散层底部含水层的疏排水固结沉降所致。使用正确、 有效的监测方法预测预报含水层固结沉降变形，及时识别从微观到宏观的变形特征，是 避免上述灾害的根本所在，有着非常重要的意义。 研究了我国华东地区厚松散层立井井筒破坏的基本特征和规律，井筒破坏的工程地 质条件，分析了井简破坏过程及发生机制。基于含水层t e r z a 曲i 固结理论，研究底部含 水层疏水沉降变形规律，分析了松散层沉降时井壁外表面剪切力，建立了井壁竖直附加 应力的计算模型，提出了井壁破坏的校核方法。 研究了松散地层变形与载荷传递规律，井筒稳定性分析及强度校核方法和流程，并 给出一个井筒强度校核的实例。基于井简破坏的各种预测方法的经济技术比较，提出了 一种“以光纤光栅监测为主，其它几种监测方法为辅，多种监测方法相结合”的综合井筒 安全性评价与预测系统。 采用钻孔植入式光纤b r a g g 光栅监测松散地层沉降变形，建立钻孔植入式光纤b r a g g 光栅岩层变形监测力学模型，进行了应变传递理论分析，得出了应变传递率随水泥砂浆 弹性模量、泊松比和钻孔直径的变化规律，并设计了应用于岩层变形监测的光纤b r a g g 光栅传感器，计算了该传感器在拟定钻孔直径下的应变传递系数，分析了底部含水层应 变与井壁竖直附加应力的关系。 针对济宁三号煤矿风井松散层的沉降变形进行了钻孔植入式光纤b r a g g 光栅传感检 测方法的应用，开发了岩层变形光纤b r a g g 光栅传感监测软件，实现了对地层沉降变形 的实时在线监测，监测结果反映松散地层沉降变形的过程，能够预测井筒真实受力变形 情况，为井筒的破坏预测和及时维护提供了依据。 关键词：松散地层；井筒变形；钻孔植入式；光纤光栅；应变传递：监测 研究类型：应用研究 本文得到国家自然科学基金( 5 0 7 7 4 0 6 0 ) 的资助 s u b j e c t ： s t u d yo nt h ep r e d i c t i o no fs h a f td e f o r m a t i o nw i t hh u g e u n c o n s o l i d a t e ds o i ll a y e rb a s e do nf b g m o n i t o r i n g s p e c i a i t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：q i ub i a o i n s t r u c t o r ：c h a ij i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u 代) 迹麴 ( s i g n a t u r e ) i i le a s ta r e ao fc h i n a ，印p r o x i m a t e l y10 0s h a f tl i i l i n g si i lh u g eu n c o n s o l i d a t i 甜s o i ll a y e r f k t u r e di nv 撕o u sd e 伊e e s ，i ti sm a i n l yc a u s e db yt h ev e r t i c a ja d d i t i o n a lf o r c ea c t e do ns h a r l i n i n gb ys u r r o u n d i n gs o i l sd u r i n gd e w a t e r i n go fu n c o n s o l i d a t e da q u i f - e r s p r e d i c t i n gm e s e t t l e m e n td e f 0 珊a t i o no fa q u i f e r s 谢me 仃i e c t i v em o i l i t o r i n gm 砒o da n dt h er e c o g i l i t i o no f t l l ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e f o n n a t i o nf r o mm i c r ot om a c r 0i se s s e n t i a lf o ra v o i d i n g a b o v e - m e n t i o n e dd i s a s t e r ，w h i c hh 硒v e d ，i m p o r t 锄ts i 嘶f i c a i l c e t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa l l dp r i n c i p l e 嬲、e l l 嬲t l l ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s o ft h es h 啦d e f o m a t i o n 谢mh u g eu n c o n s o l i d a t e ds o i ll a y e ri i le a s t 舡e ao fc l l i ma r es 砌i e d t h ep r o c e s s 觚dt h eo c c u r r e n c em e c h a n i s mo fs l 雠d e f o m l a t i o na r e 觚a l y z e d b a s e do nt l l e t e r z a g l l ic o i l s o l i 拙i o nt l l e o 巧o ft l l ea c q u i f e r ，n l ed e w a t e r i n gs e n l e m e md e f o 眦a t i o np r i n c i p l e o f b o 怕ma c q u i f e ri ss 砌i e d 趾dt h es h e a rs t r e s so f t l l es u l f a c eo f t h es h mi sa n a l y z e d t h e c o i n p m a t i o n a lm o d e lo f l ev e r t i c a la d d i t i o n a ls 慨s so fm es h 蚯i sb u i l t ，a n d 吐i ec h e c 虹n g m e t h o do fs h a rd e f o m l a t i o ni sp r o p o s e d t i l ed e f o 肌a t i o na n dl o a dt m s f e r r i n g 皿n c i p l eo fu i l c o n s o l i d a t e ds o i l l a y e ri ss t u d i e d t h e 姒b i l i 够a 1 1 2 l l y s i sa n ds t r e n g t hc h e c b n gm e t h o da i l dp r o c e s so ft h es h a ra r ep r o p o s e d ， a i l dar e a le x 锄p l eo fs h a rs t r e n g mc h e c h n gi sg i v e n b a s e do nt h ee c o r l o m i ca n dt e c l l i l i c a l c o m p a r i s o no fa l ll d n d so fp r e d i c t i o nm e t h o d so fs h a rd e f o m a t i o n ，锄i n t e g r a t e ds h ms a f e t y e v a l u a 【t i o na i l dp r e d i c t i o ns y s t e mo f h k ef b g m o l l i t o r i n ga sm a i nm e t h o d ，a n d 嬲s i s t e db y o t h e rm o n i t o r i r 培m e t h o d s ，i m e 伊a t e d 谢t i ls e v e r a lm o n i t o r i n gm e t h o d s ”i sp r o p o s e d ab o r e h o l ee m b e d d e df i b e rb r a g g 笋a t i n gs e n s i n gm e t h o di sp r o p o s e dt om o i l i t o rt h e r o c ks 仃a t as e t t l e m e n td e f o n n a t i o n am e c h a n i c a lm o d e lo ft h eb o r e h o l ee m b e d d e df i b e r b r a g gg r a t i n gs e n s i n gm e t l l o di sb u i l t w i t hm ea n a l y s i so ft h es 仃a i nt r a n s f e r r i n gt h e o r y ，m e c h a m g i n gp r i n c i p l eo fm es 仃a i n 们n s f e 玎i n gr a t e 谢t ht h ee l a s t i cm o d u l u so fc e m e n tm o n a r ， p o i s s o n sr a t i oa 1 1 dd i a m e t e ro ft h eb o r e h o l ei so b t a j n e d as p e c i a l 肋e rb r a g g 刚i n gs e n s o r u s e df o rt h em o n i t o r i n go fr o c ks t r a 协d e f 0 m a t i o ni sd e s i g i l e da n dt h es t r a i n 饿m s f i e r r i n gr a t e o ft l l i ss e n s o ru 1 1 d e rp r e p a r e db o r e h o l e - d i 锄e t e ri sc a l c u l a t e d ，a i l dt h er e l a t i o n s h i po ft l l e s t r a i no ft l l eb o t t o ma c q u i f e ra 1 1 dt h es h mv e n i c a la d d i t i o i l a ls 骶s si sa i l a l y z e d t h eb o r e h o l ee m b e d d e df i b e rb r a g g 留a t i n gs e n s i n gm e t h o di sa p p l i e dt 0t 1 媳m o n i t o r i n g o f 血es e t t l e m e n td e f o 肌a t i o no ft h eu n c o n s o l i 胁e ds o i ll a y e r 啪u n da i rs h a ro fn o 3j i l l i n g c o a lm i n e ，w h i c hr e a l i z e dt h er e a l t i m em o n i t o r i r 唱o ft h er o c kg 嘣ad e f o m a t i o n af i b e r b r a g gg r a t i n gr o c ks t r a t ad e f o m a t i o nm o i l i t o r i n gs o 胁a r ei sd e v e l o p e d t h er o c ks 仃a t a d e f o n n a t i o nm o i l i t o r i n gd a t aa r eg a i n e da i l dm a n a g e db yt e e c h a r tc o n 仃o la 1 1 da c c e s s d a t a b a s e 1 1 1 i ss o 矗撇鹏h a s 衔e n d l y 晰n d o w sa i l dc a l lb eo p e r a t e de 撕l y ，w h i c hc 肌m e e tt h c r e q u i r e m e n to fp r a c t i c a le n g i l l e e r i n g 印p l i c a t i o n s t h em o l l i t o r i n gr e s u l t sc a nr e f l e c tt 1 1 e s e 砌e m e n td e f o n n a t i o np r o c e s so ft h eu n c o n s o l i d a t e ds o i ll a y e r ，a 1 1 dc a l lp r e d i c tt h er e a ls n e s s d i s t r i b u t i o no ft h es h a r ，w h i c hc a l lp r o v i d ee v i d e n c ef o rt h ed e f 0 锄a t i o no ft h es h a ra n di t s m a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：u n c o n s o l i d a t e ds t r a t a s h a rd e f o 肋a t i o nb o r e h o l ee m b e d d e df i b e r b r a g g ( 胁i n g ；s t i a i n1 r 趾s f e rm o n i t o r i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 1 1 1 i sp a p e ri sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 7 7 4 0 6 0 ) 姿料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：邱椭1 日期：叩- 莎、7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者弛邱桶， 指导教师躲 勿年步月0 日 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 1 绪论 随着世界经济全球化进程的推进，我国的经济发展正保持一种持续、平稳的增长趋 势。经济发展的同时，各类基础设施的投资在国民生产总值中占越来越大比例。与此同 时，矿山及岩土工程的安全问题引起了人们的密切关注，如矿山开采引起的顶板事故、 地表沉陷，岩土工程结构( 坝堤、边坡、隧道等) 的坍塌【l 】。这些工程事故的频繁发生 造成了重大的人员伤亡和财产损失，而且产生了极坏的社会影响；大量现役的矿山及岩 土工程结构由于服役年限较长，在环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等灾 变因素的影响下，结构不可避免地产生损伤累积和抗力衰减，从而抵抗自然灾害的能力 下降，陆续进入了维修期和老化期；地震、洪水和台风等自然灾害对工程设施造成了不 同程度的损伤【2 3 j 。因此，采用有效的监测手段，对工程岩体及大型的土工工程结构的 安全状况、修复和控制损伤进行有效的评定，预测工程结构的稳定性以减少灾害的发生， 尤为重要! 长期的岩土工程研究实践表明，岩土力学参数测试和岩土工程监测具有长时效性、 环境复杂、监测对象的时空限制、施工环境制约等特点。传统的传感器，如差动电阻式、 钢弦式、电阻应变计式和电感式传感器等，普遍存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性等较 差的缺点，难以适应现代工程监测的要求。为解决通常遇到的防水防潮和抗电磁干扰的 问题，尽管进行过多方面的研究并采取相应的防护措施，但所费代价昂贵，而收效却甚 微【4 】。 光纤传感技术作为现代通信的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来 的一门崭新技术【5 】。而光纤光栅传感技术作为光纤传感技术的一种，由于其独特的优点 而被越来越广泛地应用【6 】。 光纤光栅传感器的工作原理是直接或借助某种装置将被测量的变化转化为光纤光 栅上的应变或温度变化，从而引起光纤光栅b r a g g 中心波长的变化，通过建立并标定光 纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，就可以由光栅中心波长的变化计算出被测量的 值。 世界上第一根光纤光栅诞生于1 9 7 8 年，由加拿大的h i l l 等人【1 7 j 在实验室中制作出。 1 9 8 9 年美国的m e l t z 等人【8 】发明了的光纤光栅的紫外侧写入技术。随后，1 9 9 3 年h i l l 【9 】 与l e m a j r e 【l0 】分别提出相位掩模成栅技术和低温高压载氢技术。这两项技术相结合极大 西安科技大学硕士学位论文 地降低了光纤光栅的制作成本与容易程度，从而在世界各地掀起了基于光纤光栅应用研 究的热潮。自从1 9 8 9 年美国的m o r e y 【l l j 等人首次进行光纤光栅的应变与温度传感研究 以来，世界各国都对其十分关注并开展了广泛的应用研究，并取得了丰硕的成果，在短 短的1 0 多年时间里光纤光栅已成为传感领域发展最快的技术，并已发展到实际工程应 用阶段。 光纤光栅作为传感器的一个重要的用途就是埋入复合材料或者结构中来实现材料、 结构内部应变分布的实时监测，形成了光纤机敏材料与结构【1 2 1 3 】。利用波分复用( w d m ) 、 时分复用( t d m ) 和空分复用( s d m ) 技术，构建多点准分布式传感网络系统，可以实现大 尺度岩体的多点测量【l4 1 。与传统的电类传感器相比，光纤光栅传感器具有不怕恶劣环境、 不受环境噪声干扰、耐磨蚀、抗电磁干扰、使用安全可靠、集传感与传输于一体、构造 简单、使用方便等优点，满足了矿山及岩土工程结构监测的远距离、分布式和长期性的 技术要求。因此，将光纤光栅检测技术应用于矿山及岩土工程结构监测中，可实现岩石 变形的安全、可靠、精确检测，对矿山及岩土工程领域内因岩石变形而产生的自然灾害 的准确预测预警，确保矿山及岩土工程结构的安全使用。 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国华东地区煤矿立井出现了一种特殊的地质灾害，即非 采动性井壁破裂，涉及江苏、山东、安徽三个省9 0 多个矿井，分布在徐州、大屯、淮 南、淮北、兖州等五大煤田。这种灾害，轻者造成井壁变形破裂、渗水，重者造成卡罐、 涌水涌砂，甚至停产( 如张双楼矿、海孜矿、临涣矿均停产2 8 个月) ，给煤矿生产带 来了严重的安全隐患，也使煤矿企业承受了巨大的经济损失。据不完全统计，自1 9 8 7 年以来，在我国的华东地区深厚表土层中建设的立井井筒已有9 0 多个( 截至2 0 0 5 年底) 遭受破坏，因煤矿立井破裂造成的经济损失多达十多亿元，像济三煤矿那样的特大型矿 井停产一天，直接经济损失达2 0 0 0 万元。这种地质灾害被称之为我国建井界建国以来 遇到的最大的、影响最深远的技术难题之一【l 弘1 7 j 。 1 1 2 研究意义 岩土工程多处于复杂条件下，易处于一定的水环境中，探头需探测水( 包括湿度) 对 岩土体力学性态的影响。同时传感器也应在水环境中保持工作稳定，即满足防水、防潮 要求。此外，在自然环境中，应能防雷击和抗电磁干扰。并且，岩土工程一般服务年限 很长，其工程介质的力学性态均具有时效影响，即应考虑其流变特性，因此，测试设备 ( 传感器) 应能保持长期稳定。 对于传统的电测传感器来说，不适于复杂环境，若作特殊防护，可作短期监测，服 务年限一般为1 2 年。而对于光纤传感器来说，可用在水下、潮湿、易燃易爆、电磁干 扰、高能辐射等环境，且传感器的服务年限一般在1 0 年以上，可以实现监测的长期耐久 性。 2 1 绪论 深部不同地层的沉降变形通过积累叠加后表现为宏观的地表沉降。不同层位地层沉 降变形所带来的地质灾害，不仅影响着地下和穿越地层的构筑物( 如地下厂房和矿井井 筒) 的安全使用，也会给地面构筑物( 如高层建筑) 带来不安全因素。 针对华东地区具有深厚新生界松散地层的矿井井筒破坏严重的现状，采用本论文提 出的基于光纤光栅传感监测的井筒变形预测方法，可以及时预测和发现第四系巨厚含水 松散层沉降变形，采取合理的治理措施、及时有效防治，并防止井壁在治理过程中发生 二次破坏，十分重要。 1 2 光纤光栅传感技术国内外发展现状 1 2 1 光纤光栅传感技术在岩石力学实验中的应用 岩石( 体) 在外力作用下所呈现的不同的性状，一方面取决于其成分和结构，另一 方面还和受力条件，如载荷的大小及其组合情况、加载的方式及速率、加载的过程等密 切有关。这些因素的影响使岩石变形更加复杂，给人们的研究带来了一定的难度l l 引。但 这也促使了人们探索多种测试技术和研究方法，以提高对岩石真实变形过程的认识。常 用的方法有光学【1 9 2 2 1 、c t 【2 3 2 4 】、声发射【2 5 2 7 1 、电磁辐射2 8 3 2 1 及红外检测【3 3 1 等细观力学 的实验方法。 利用压力实验机对一定尺度、形状的岩石试件进行压缩，得到载荷与变形之间的关 系即应力应变曲线，是揭示岩石材料力学特性的重要方法。光纤光栅以其优越的传感 特性，不仅可以粘贴在岩石试件表面检测岩石变形，还可以制作成声发射传感器检测岩 石破坏的声发射效应。 1 2 1 1 光纤光栅应变检测方法 基于光纤光栅传感技术的基本原理及其在其他领域的应用，采用该技术对岩体变形 进行检测时，检测方法主要分为两种：埋入法和粘贴法，每一种检测方法都有各自的特 点，因此，适用的条件也不同。针对不同力学状态下的岩体，应选择不同的检测方法。 光纤光栅的埋入法是采用一定的工艺将光纤光栅传感器植入岩体内部，并通过一定 材料的填充使二者紧密接触，可以实现对岩体内部应力、应变变化过程的检测。 光纤光栅的粘贴法是通过一定的粘接剂将经过封装的光纤光栅传感器或裸露的光纤 光栅粘贴于岩体的表面，经过中间介质的应变传递，实现变形检测的目的。 对于处于表面粘贴状态的光纤光栅来说，岩体的应变首先通过胶结剂的粘贴层传递 给光栅的保护层，再通过保护层传递至光纤光栅。与埋入光纤光栅一样，存在一个由被 测试材料至光栅的应变传递过程。但表面粘贴时光栅仅受岩体一面力的作用，从受力特 点上来说具有不对称性，因此，表面粘贴的光栅与埋入光栅会有不同的传递参数。同时， 在使用光纤光栅封装传感器时，将其粘贴在基质材料表面也是常用的做法，因此，该力 3 西安科技走学硕士学位论文 学状态具有一定的共性，这也使得分析该传递过程显得尤为必要。 哈尔滨工业大学的周智首先研究了简支粱表面粘贴光纤时的力学传递规律【2 l 。在建 立力学模型进行分析时，假定光纤传感器被直接粘贴于粱的表面，粘贴层和保护层截面 为理想的矩形。台湾中正大学的w _ yl il 圳等人建立了光纤光栅表面粘贴时的应变传递 分析模型，推导了应变传递的计算公式，并进行了数值模拟分析。天津大学的王为【3 5 】 等人以及武汉理工大学的梁磊f 3 6 l 等人都对表面粘贴式光纤光栅传感器的应变传递进行 了分析和研究。魏世明”增人建立了基于表面凹槽的力学模型，使得光纤光栅传感器的 应变传递计算结果更符合实际。 l2 12 光纤光栅应变检测 2 0 0 3 年，德国的 i a i b c r 鼯r cs 等人叩开始将光纤光栅用于岩石试件的应变测试。 在岩石的单轴抗压实验中，将光纤光栅粘贴在试件表面。为了作对比分析，同时采用 m t s 及激光应变测试仪等手段，测试加载过程中岩石轴向、径向应变。由实验结果町 知，光纤光栅具有很好的测试精度，接近于岩石的真实应变。而结果也显示，其精度会 受粘接剂的影响。在用双组份环氧树脂胶作枯接剂时，测试精度可达9 42 ，采用另外 一。种粘接剂时为8 46 。 2 0 0 7 年，新加坡的y 柚gyw 等人【3 8 j 也在试件的单轴压缩实验中将光栅与电式应变 片( e l e c cs h 面ng a u g e ，简称e s g ) 对轴向虑变测试做对比。经过对其中一试件的5 次 加载、卸载结果表明，光栅与应变片所测应变具有相同的变化规律，但光栅在数值上 要明显优于应变片。光栅与应变片在试件上布置如图l1 所示。 倒l1 岩石单轴压缩轴向应变测试对比 此项研究中，光纤光栅披应用于岩石的单轴压缩实验中，这为以后的测试研究提供 了依据。但在实验中并没有详细分析光纤光栅的应变传递率对于在测试结果上与应变 片的差异没有给出更为详细的解释。而实质上，光栅所测应变仅为光纤本身的应变，其 绪论 与试件的真实应变之间存在一定的应变传递关系，而表面粘接剂的性能、封装工艺及光 栅长度等因素都对此有影响。 2 0 0 8 年，西安科技大学的魏世明嘲等人选用m 5 0 x 1 0 0 咖一圆柱形标准试件，在岩石 试件表面开槽粘贴光纤光栅用来检测岩石在单轴压缩下的变形情况，如图1 2 所示。实 验在西安科技大学教育部重点实验室的m t s 试验机上进行，试验结果表明通过光纤光 栅的测试，可以达到m t s 的测试精度，甚至在环向钡4 试中精度要高于m r s 的环向应变 计。因此，在岩石的单轴压缩实验中，通过光纤光栅即使是在普通的压力机上也可以实 现应变的高精度测量。 啊 b ) 粘贴后的岩石试件 国l2 光纤光栅粘贴及经粘贴后的岩石试件 1213 基于光纤光栅传感的声发射检测技术 近2 0 年，用于无损检测与评估的声发射( a e ) 技术是各国学者研究的一项重要课 题。声发射是材料中局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的一种现象，用仪器检测分 析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声笈射技术。声发射技术在理 论、实验和应用研究等方面取得了很大进展在检测系统的研制方面，许多新型的a e 检测系统不断问世并被成功应用。目前商用a e 检测系统常采用谐振式压电传感器。其 缺点是体积大、频带窄、只能安装于试件表面并且不能在电磁干扰、高温和腐蚀等恶劣 环境下使用。光纤光栅a e 传感器能完全克服压电声发射传感器的缺点和不足，具有灵 敏度高、体积小、频带宽、易构成分布式检测且能在强电磁干扰、高温高压、核磁辐射 和化学腐蚀等恶劣条件下使用。在岩石材料的声发射检测中，国外积极开展光纤光栅声 发射传感技术的研究，但国内对该技术的研究起步较晚。 日本的j 瑚g - 州l e e 等人i ”l 研究并制作了一种新型的光纤光栅声发射传感器，见图 1 3 。并将该传感器用于用于材料压缩与拉伸试验中，证明了光纤光栅用于卢发射检测要 优于传统的p z t 类声发射传感器。 回一 ：耋：堂奎：筌：竺兰： 瓣臣鬻 闰13 新型光纤光栅声发射传感器 山东大学的蒋奇等人h 1 1 分析了光纤光栅传感检测应变和声发射的机理，组建了相应 的声发射检测实验系统，并在压力机上对演示材料进行了单轴压缩实验，用光纤光栅 a e 传感器来探测和记录声发射能量及累计次数，证明了光纤光栅a e 传感器用于岩石 声发射检测的可行性。 1 2 2 光纤光栅传感技术在模型实验监测中的应用 1 221 煤矿开采相似材料模拟实验 将光纤光栅应用于相似模拟实验中时，直接将裸露的光栅埋入岩层的变形区。通过 对开采过程中反射波长的变化，可实现岩体内部应力、应变变化的定性检测h 2 州】。西安 科技大学柴敬等人将光纤光栅传感器埋设在相似材料模型内部检测相似材料内部变 形，如图14 所示。 磊 图14 模型光纤光栅测试系统 实验表明，光纤光栅不仅可瓤4 试岩层垮落前应力的微小变化，且可在岩层有较大变 形时做出响应。因此，使用光纤光栅测试相似材料的变形具有可行性，可获取采动过程 中岩层的应力状态。这对于提高相似材料的测试水平具有| 定的促进作用。 1222 大坝模型实验 香港理工大学的殷建华等人”7 1 研制了一种新型的基于光纤布拉格光栅( f b 0 ) 技术 的光纤传感器。这种传感器为圆棒式结构，其表面沿轴向安装了准分布式的光纤布拉格 光栅。对于大坝物理模型，该传感器可预埋入坝体和坝基的内部。当大坝受到油压干斤 1 绪论 顶荷载产生变形时，该传感器类似于一根一端固定并同时受轴向拉、压和横向弯曲的弹 性粱。根据弯粱原理，由光纤布拉格光栅涮得的应变结果可反算出大坝沿水平向和竖向 的位移分靠。室内标定试验结果表明，该传感器测得的变形量与其他常规传感器的读数 一致。在一个二维混凝土重力坝物理模型的超载破坏试验巾，采用预埋于坝体、坝基内 部的光纤传感器以及表面安装式位移计、电阻应变花对该模型进行实时的变形监测。试 验结果验证了该光纤传感器在大坝模型内部变形监测中的有效性，同时也揭示了大坝在 超载作用下的变形机制和破坏形态。 i 堇li6 分岔隧道三维地质力学模型照片 1224 边坡模型 浙江大学李焕强等人胂1 构建边坡模型进行人工降雨试验，采用光纤布里渊散射光时 域反射测量技术( b o t d r ) 监测坡体变形和光纤光栅( f b g ) 传感技术监测坡面变形a 将 西安科技大学硕士学位论文 b o i r 光纤分层埋入坡体不同位黄，以边坡后缘模型箱为固定的参照点，监测坡体内 不同位置的应变变化；将光纤光栅传感嚣铺设在坡面的不同位置，以坡面后缘为固定参 照点，监测坡面各位置处位移变化。根据降雨前、降雨过程中及降雨后变形记录资料， 得到边坡在降雨作用下的变形规律：在降雨初始一段时间内，边坡并没有明显变形，随 着降雨时间的发展，坡体和坡面位移会出现突发性的大幅度增长，并且距坡面较近的土 体产生较大的变形，坡体底部变形较小。总体规律是随着坡体深度的增大坡体变形受 降雨入渗的影响越来越不明显，这解释了降雨诱发的均质土坡破坏容易出现在浅层的原 因。在坡面上，后缘产生较大位移而坡体前端位移较小。降雨停止后，部分变形值会 变小。试验结果表明，用光纤b o t d r 和f b g 传感技术监测有众多的优点，且光纤传 感技术在岩土模型试验中具有良好的应用价值和前景。 圈l7 试验模型及监测系统 1225 地质构造模型 唐山学院的雷振山等人4 1 为了精确、实时、完整地监测地质构造物理模拟实验介质 的三维变形，设计了光纤布喇格光栅传感系统。在高分子弹性带上，双面交错布置光纤 布喇格光栅构成传感链；用可调谐法布里珀罗腔进行波长解调；用有限单元法进行变 形分析：用虚拟仪器进行信号处理。系统容量1 4 0 0 点，应变量程8 0 0 1 0 4 ，应变测量 精度为1 0 4 ，测量全部测点的时间小于1 s 。 1 2 3 光纤传感技术在工程监测中的应用 1 9 9 5 年，在欧洲的s 1 a b i l o s 计划中，p i f e r d i n a l l d 等人研究了一种新型的基于 光纤传感技术的设备来测量地下工程中的载荷和位移的变化，如矿山、隧道以及岩洞等。 在项目实践中，他们利用光纤传感器测量煤矿采场老顶位移的变化，利用分布式的光纤 光栅传感器测量矿体上盘的位移变化，同时对采场间横向煤柱的载荷进行监测( 如图l8 所示) ，研究了因回填对煤柱压力分布的影响p “。 剀18 矿井光纤传感系统布置瞄 德国的g f zp o t s d 锄吲丌发了一种地下岩石挖掘过程中测量应变的光纤光栅传感 器一f b x 地脚螵栓。这种新型的传感器是在一根玻璃纤维增强聚台物岩石地脚螺栓中埋 入光纤光栅用于探测岩石构成和岩石工程结构中的静态和动态应变，这些结构包括隧 道、洞穴、坑道、或者深层地基。这种传感器很有希望用于监视复杂的地质数据场，如 恶劣环境条件下的位移、应变、应力、h i 力和温度。另外他们还开发了一种光纤光栅地 震成像系统口”，并在瑞士个地下煤矿坑道中进行了现场试验。新的光纤光栅传感器能 被用作地震接收器，测量实际岩块中非常小的应变振动。 1 9 9 7 年，n e l l e n 等人在瑞典w i n 把r h s t o r c k 桥的两根碳纤维索上柑置了布拉格光 栅和标准电阻应变计，实测数据表明两者吻合很好。他们还在瑞士a i p s 的l u z z o n c 水 电站大体积混凝土坝中埋布拉格光栅传感器。用柬监测混凝士的温度与应变变化 。 1 9 9 9 年，n e i l e n 等人分别在瑞典s 哪肌附近的隧道岩栓和用于l u c e m e 桥预虑力索上布 置了光纤布拉格光栅传感器。隧道岩栓是用玻璃纤维聚合物制成的，布置布拉格光栅的 目的是监测隧道建造与运行状态下砾石的活动状况。后者是用碳纤维聚合物制成的，在 制造过程中就埋入了布拉格光栅传感器，用来探测索的应力松弛情况，结果表明柿拉格 光栅可以监测碳纤维高达8 0 0 0 肛的应变值f 5 ”。 只本珠式会社在边坡上布置光纤位移传感器、倾角传球器和b o t d r 传感器成功实 现了对自然边坡和人工边坡的监测，如图19 所示。 嘲】9 边坡光纤传感器监测 德国k o n r a d 矿在井下巷道周围和置了1 8 个光纤光栅传感器，用来长期监测巷道的 变形破坏情况。在巷道丁贞板邪置了两根光纤8 个传感器监测项板位移，在巷道底板卜钻 孔布簧了5 根光纤1 0 个传感器监测底板麻变和温度如图1 _ l o 所示。 脚en e t k 叩p 1 1 e d1 n “yk o dv 篱羔薹瓣辫严。 1 卜 黼腻溅亭y “ 酬ll o 德国k o n m d 矿巷道变形光纤光栅监测 2 0 0 8 年，英国的ak e d u c h e 等在瑞七一座具有5 0 年历史的铁路桥的加固过程中， 将光纤光栅贴到预先开槽的c f g p 材料的杆状和管状材料上，通过光纤光栅复合结构柬 对桥粱在加固过程中的性能进行监测【s 6 】。这一方法对铁路桥粱改造加固的监测提供了一 项新的尝试。 崮1l l 光纤光栅柏入c f g p 材料j j 于桥梁健康监测 2 0 0 8 年，柴敬等人 h “为了及时发现第心系巨厚含水松散层沉降变形，减少对井筒 破坏的影响，基于光纤光栅传感技术，采用在松敞地层预设深度1 8 0 m 的钻孔中埋入1 8 个光纤b r a g g 光栅，形成对松散含水地层井筒变形的监测和预报方法。根据矿井地质条 件和松散层沉降变形对井筒变形破坏的特征，提出光纤光栅传感器监测系统和层位柿冒 设计，就钻孔的技术参数、钻孔的施丁、封堵、光纤光栅传感器植入r 艺进行了深入研 究，成功实现了井筒变形的监测。实践结果表明，光纤光栅传感器检测j 下常。光纤光栅 作为应力应变检测使用安全可靠，植入松散层的操作方便，使用工艺简单，可以被应用 于此类材料的检测，如图l1 2 所示。 圈l1 2 光纤光栅风井升筒变形破坏监测 13 深厚松散层立井井壁破裂机理研究 13 l 模拟实验研究 1 9 8 8 年中国矿业大学特殊凿井实验室利用大型多功能竖井模拟实验平台，以张双楼 副井为原型，首次用物理模拟方法研究了井壁破裂的机理。实验结果表明，不论深部还 是浅部，随着台水层水位的下降，井壁外表面均有向下的蛏卣附加荷载一一蛏直附加应 ；麟纂嘻 。露嚣圈圈涨漤一 西安科技大学硕士学位论文 力的作用。竖直附加应力随着疏水层水压的线性下降而呈现线性增长，在含水层水压下 降0 8 m p a 时，最大的竖直附加应力达到了7 0 k p a 。在该情况下，若按竖直附加应力沿 井筒深度呈线性分布推算，张双楼副井井筒在2 3 0 m 深处所受的竖直总附加应力达到3 3 7 6 1 7 k n ，约是井壁自重、井塔自重之和的1 6 倍。仅按单轴抗压强度计算，在竖直附加 应力、井壁自重和井塔自重的作用下，在2 3 0 m 深处的井壁的竖向应力就达到了1 9 m p a ， 大大地超过了井壁的允许主力值从而导致井壁破裂，因此竖直附加应力是导致井壁破裂 的主要因素【6 3 。 在此基础上，中国矿业大学又进行了多次为获得竖直附加应力变化规律的大型模拟 实验。实验所用的土层为纯砂、纯粘土、砂质粘土、粘土质砂四种，模拟深度为5 0 m 、 1 0 0 m 、1 5 0 m 、2 5 0 m 、3 0 0 m ，得到的竖直附加应力与时间和土层性质的关系如图1 1 3 、 图1 1 4 所利6 引。 2 o 1 6 叹1 2 一 生o 8 氐0 4 0 t f 其 图1 1 3 竖直附加应力与时间的关系 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 薯| m 图1 1 4 竖直附加应力与深度及土层性质的关系 1 9 9 l 一1 9 9 4 年期间，中国矿业大学崔广心教授等人经改装建立了井壁破裂受力模拟 试验平台( 图1 1 5 ) 【6 5 1 ，模拟了底部含水层失水后井壁附加应力的大小。模型井壁高约 2 0 m ，外径0 4 m ，每次可模拟实际井壁长约5 0 0 m 。采用顶部加载模拟土体自重，用 底座荷载传感器测得的井壁总附加载荷除以模型外壁总面积，得到井壁附加剪应力。采 用近似模拟方法的还有安徽理工大学所建的模拟试验台，他们利用相似材料进行模拟试 1 2 1 绪论 验研究。 1 一荷载传感器1 2 一一千斤顶1 3 一承力座 4 ：盘；5 一顶部液压槽；6 _ - 围辑土体1 7 一外支承圈； 8 一一侧面液压槽1 9 一。底部砂砾层；l o 一泄水扎；1 1 一下支承圈；1 2 一底盘；1 3 上支承圈i 1 4 、1 7 一一内挡圈；1 5 一一模拟井壁1 1 6 一度变计# 1 8 一进水门和引线口；1 9 测力架 图1 1 5 井壁破裂受力模拟试验平台 1 9 9 3 年，安徽理工大学( 原淮南矿业学院) 地下结构研究所用钢筋混凝土材料浇铸成 直径为9 0 0 m m 的井筒模型，进行轴向加载和水平加载两种试验，观察井筒混凝土的破 坏形态。得出的结论是：水平侧向载荷为主引起的井壁破坏形态其主破裂面沿井壁的轴 向分布，次级破裂面与环向切线方向的夹角为2 5 0 3 5 0 ，该破裂形态与实际调查的井壁 破裂形态是不相符的；而轴向载荷为主引起的井壁破裂，主破裂面沿井壁的环向分布， 许多次级破裂与井壁的轴线呈2 5 0 一3 5 0 夹角，该破裂形态与实际调查的破裂形态是一致 的【鲫。 1 3 2 竖直附加应力理论分析 1 9 9 0 年，娄根达、苏立凡曾对地面下沉中井壁受力进行解析计算分析，其分析模型 如图2 3 所示【67 。，分析中做了以下假设： 只有第四系底部含水层大范围疏水，且在地层沉降受井筒影响的范围内，含水层 厚度和疏水引起的水头变化为常值。 1 3 西安科技大学硕士学位论丈 地层和井壁应力计算符合叠加原理。井壁所受总应力等于地层沉降之前由于地压、 井壁及其附属设施自重和施工因素等引起的初始应力与由于地层沉降引起的井壁附加 轴向应力之和。 内外壁之间无滑动，在计算附加应力时认为井壁轴向应变沿截面均匀分布。 在假设的基础上，根据土力学原理导出了井壁在疏水含水层处的附加轴向应力o z 及 其极限值g m 的计算公式。 1 9 9 4 年，中国矿业大学杨维好教授等人对破裂井壁建立了模型( 2 4 ) 并做了公式推 导【6 8 】。其公式中做了如下假设： 在地层沉降受井筒影响的范围内，底部含水层及上覆土层水平，空间问题可简化 为轴对称平面问题。 只有底部含水层失水。 井壁和土层为线弹性体。 土与井壁间无相对滑动。 井壁轴向应变沿径向均匀分布。 将井筒按纵向抗压刚度及外直径不变的原则等价地视为一个实心井筒。 d 地表， l 舀a a ，痧 签a a 签 一 彳 与井壁抗胝同 。 度相等的井筒 -芒 。 。 。 表土层 ， 巴 。 l 底砾石含水层i - - ! l 7 ， ，。，v ， z 基岩 图2 3 井壁受力计算模型图2 4 井壁受力模拟试验模型 1 9 9 4 年，于双忠教授在煤矿工程地质研究中提出了利用土的长期抗剪强度指标 计算井壁附加应力，并详细分析了土对井壁”围抱”作用，首次采用土的长期抗剪强度指 标计算了张双楼矿主、副井的附加轴向应力【6 9 】。 1 9 9 7 年，北京大学的毕思文等人从地质环境、工程动力学特性以及工程动力与地质 环境相互作用方面论述了徐淮地区煤矿竖井变形破坏与地质环境的关系。并对竖井变形 破坏进行了理论分析、数值模拟和物理模拟研究【7 仉7 4 1 。 2 0 0 0 年，中国矿业大学李文平教授从深厚土层结构、水文工程地质性质的