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        光纖光柵技術在豎井井筒變形監測中的應用

        時間:2021-8-19    來源:瑞科儀器微信公眾號    查看次數:2511

         

        光纖光柵技術在豎井井筒變形監測中的應用

        豎井井筒是礦井的重要組成部分和生產活動的咽喉要道,它的變形和破壞不僅會對礦井安全生產造成嚴重威脅,而且還會造成嚴重的經濟損失。自上世紀80年代以來,我國華東地區的淮南、 淮北、 大屯、 徐州、 究州、 濟寧等礦區相繼有百余個井壁發生了不同程度的破壞,經濟損失巨大。其中井筒罐道縱向彎曲變形影響提升,甚至會造成卡罐事故,井壁橫向斷裂,破裂帶內混凝土成片剝落,井壁內縱向鋼筋向井內彎曲等都嚴重影響了礦井的正常生產。

               目前,礦井監測方法主要有倒錘法、 鋼絲基準線法、 壓縮木法以及埋入傳感器法等方法,另外隨著計算機和通訊技術的飛速發展,也出現了遠程全自動監測的系統,但這些方法普遍存在著測試系統復雜、 測試精度低、 易受到施工干擾、 長期穩定性差等各個方面的問題,有時井筒破壞后才能發覺異常,不能夠根據井筒實時變形情況進行破壞預測預報,故難以適應現代工程監測的要求。

              自上世紀90年代以來,美國、 加拿大、 日本、 德國及英國等發達國家先后將光纖監測技術應用于大壩、 橋梁、 電站及高層建筑物等大型民用基礎設施的安全監測中。與此同時,在國內光纖監測技術用于土術工程結構健康監測和診斷系統的研究工作也取得了較好的成果。對比以上的監測方法,采用光纖光柵監測的方法有著實時性、 先進性、 準確性、 穩定性等優點,并且基于光纖光柵技術的監測系統應用于礦井監測中,可以方便隨時掌握井筒的變形情況,準確判定井筒的安 全狀態,提前預報可能發生的破壞,將事故消除于萌芽狀態。隨著今后國家有關部門對礦井生產信息化的逐漸重視,光纖光柵技術在立井井筒監測中的應用也必將越來越多。


        光纖光柵傳感基本原理

        光纖光柵是世界上新出現的一種基礎性的光纖元件,在光纖傳感、通訊等光電子處理領域有著較為廣泛的應用空間。按照折射率的分布,光纖光柵可以分為周期光纖光柵與非周期光纖光柵,其中周期光纖光柵是最普通和常用的。若按照折射率變化的周期長短,光纖光柵可以分作長周期光柵和短周期光柵兩類。短周期光柵又被稱作布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,簡稱FBG),光柵的周期一般小于1μm。長周期光柵又被稱作傳輸光柵(LPG),光柵的周期大于1μm,通常為數百個微米,它可在傳感器領域使用,但其自身具有較高的彎曲靈敏度以及大的帶寬等缺點,使得其用于多路復用技術有較大的困難。

              當前,光纖Bragg光柵傳感器應用的最廣。光纖Bragg光柵作為傳感的元件,它的主要作用是在不受光源功率波動及系統損耗的影響下,將所感知到的信息轉化成反射波場偏移,即波長編碼。

              光纖光柵具有抗電磁干擾、抗腐蝕、可靠性好等特點,容易將多個光纖光柵一起串聯組成光纖光柵陣列來實現分布式傳感的功能,這是其他的傳感元件所不能實現的。另外,對于波長編碼信號的解調需要利用高精度的智能解調儀來解譯,從而來精確的監測反射波長的微小移動。


        光纖基本結構

        光纖由纖芯、包層、涂覆層(亦稱保護層)、增強纖維及保護套組成。其中纖芯和包層是光纖的主體,主要成分是二氧化硅,纖芯直徑在5~50 μm之間,包層直徑大約為100~150 μm,它們對光波傳輸起決定作用。保護層、增強纖維及保護套的作用主要是:屏蔽雜光、增大光纖的強度以及保護作用,光纖的結果如下圖所示。

        光纖結構圖

        光纖的基本工作原理是源于光的全反射現象。光在光纖的纖芯之內傳播,由于纖芯的折射率大于包層的折射率,則當孔徑滿足全反射的條件時,入射光將不會發生折射,而是全部沿纖芯反射前進。故光纖能將光約束在其纖芯內,并引導光波沿光纖軸線向前傳播。


        與傳統的傳感器相比,光纖光柵傳感器主要具有以下優勢

        (1)一根光纖上可串接復用多個相同或不同類型的傳感器,且各個傳感器間隔可以是幾厘米或幾十公里,由此形成傳感器的網絡系統集成度較高。

        (2)測量的精度和分辨率均較高。

        (3)光纖光柵傳感器的零偏值不漂移,故其測量的是絕對量。

        (4)光纖光柵傳感器壽命長,且長期的工作性能穩定。

        (5)光纖光柵傳感器所監測的信息均以光信號傳輸,不會受到電磁干擾和核輻射的影響;被測物聯量以光信號中心波長值為表征,不會受到光強的波動和光纖在傳輸過程中的彎曲損耗等影響。

        (6)光纖光柵傳感器對于高溫、高濕以及存在化學侵蝕等惡劣的環境適應性好。

        (7)光纖光柵傳感器重量輕,體積小,安裝及使用方便。


        豎井監測的原則

             針對井壁環境的特點不同,應因地制宜設計出合理的監測方案和方法,同時需要制定出不同的保護措施來確保監測工作能夠順利地進行。


        ?為了以上目的,須明確井筒監測的各項原則如下:

        (1)可靠性原則

        該原則是井筒監測設計中最重要的原則??煽啃灾饕獜娬{設計可行的監測方案、采用可靠的儀器設備,保證可靠的監測點位以及確保監測數據的可靠性。

        (2)多層次原則

        井筒一般深達幾百米,在制定監測方案時需要充分考慮井筒的空間效應,需要強調多層位的監測以及單點多參數的監測等,以形成具有一定測點規模的監測網,更加全面地反應井筒的各項信息。

        (3)關鍵區重點監測原則

        根據現有研究成果和工程經驗判斷,井壁在底部含水層、表土層與基巖交界面附近等為受力最不利的位置,應列為重點的監測區域。


        另外,由于在礦井中主井是提煤的重要通道,在此過程中存在比較嚴重的落煤問題,故在對主井進行監測的過程中,需要特別注意監測系統線路以及測點的保護問題;而對于風井的監測,由于井內濕度較大,故對監測系統應做好防潮防銹的工作。


        監測參數及方法的確定

        豎井井筒的破壞是一個漸進的變化過程,它是各種因素共同作用的結果。在宏觀上的主要表現就是井筒變形,當其變形量積累到一定的程度,會對井筒的安全狀態造成影響,更甚會導致立井井筒發生破壞事故。而井筒變形是在其原受力平衡狀態被打破后逐漸又形成新的平衡狀態的過程中發生的,可以看出井筒的變形與井筒的受力是息息相關的。研究表明,井筒的平衡受力狀態的打破是由于底部含水層水位下降引起的上覆表土層下沉,進而產生的附加應力所造成的。所以對豎井井筒的狀態進行實時監測,就是要對其相關的各項監測參數進行動態追蹤。

        (1) 井筒變形量

        井筒變形監測包括井壁的豎向和徑向變形監測,通過監測井壁的豎向變形可得到井壁的豎向壓縮量,進而推算出豎向應力;而通過將不同監測水平的徑向變形量進行比較,可以獲得井筒是否發生了彎曲。對于井筒豎向變形量進行光纖光柵監測是,采用光纖光柵位移傳感器,選擇好要監測的區域后,在監測區域的上下兩邊選擇兩基點,先將傳感器基座固定兩基點處,然后再將光纖光柵位移傳感器安裝與基座上。井壁發生豎向變形時,會導致兩基點間距離發生變化,這一信息會被光纖光柵傳感器所感知,通過監測系統傳往地面監控室。

        (2) 井筒局部應變量

        局部應變反映井壁局部的受力情況,靈敏度較高。當局部發生變形時,適合采用應變測量方法。例如,對于深厚表土層豎井井筒來說,危險截面位于表土層與基巖交界面處,截面附近隨著水位下降附加應力增加會發生較大變形,而在交界處安裝應變計,則反應快速、靈敏,可做到及時報警。通過局部應變量的監測,得到的數據通過分析計算可換算出結構的應力,進而分析井筒的應力狀態,及時進行安全判定于預測。

        (3)罐道移動量

        井筒內的罐道是與井壁相連的,為防止井壁在發生豎向變形時,導致罐道彎曲,罐籠脫離罐道,進而釀成重大安全事故,上下罐道之間在罐梁處留有伸縮縫。伴隨井壁的豎向變形(一般表現為壓縮),罐道之間的伸縮縫也隨之在不斷地減小。因此,對罐道伸縮縫間距實施自動化監測十分必要。與此同時,罐道還可能會發生水平方向的移動,具有極大的危害性,對罐道水平移動量也需要進行監測。罐道縫間距的測量方法與井壁變形測量方法類似,只是兩基點選擇在上下兩罐道上而非井壁。罐道水平移動量的監測方法與井壁徑向變形測量方法類似。


        監測方案

        以某豎井監測方案為例。布設傳感器方案如下:

        硬件組成

        豎井井筒光纖監測預警系統的硬件系統是由傳感器、傳輸光纜、光纖光柵智能解調儀和計算機四部分組成。傳感器由光纖探頭和連接光纜組成,安裝在被監測點現場。解調儀和計算機安裝在控制室內,現場和控制室之間采用單模光纖進行信號傳輸,由解調儀與計算機系統實施數據采集與處理、故障診斷、報警及控制。如下圖所示:

        光纖光柵傳感器

        本工程監測參數主要為應變及位移,選用光纖光柵傳感器,其中應變采用混凝土表面應變計,井壁位移采用位移傳感器以及選取溫度傳感器作為監測補償修正。傳感器具體選型如下:

        (1)混凝土表面安裝應變傳感器

        HT-OFS2行光纖表面應變計,主要技術參數如下:

        (2)  溫度傳感器

        HT-OFT10光纖光柵溫度計,主要技術參數如下:

        (3)位移傳感器

        HT-OFD200光纖光柵位移傳感器,主要技術參數如下:

        (4)光纖光柵解調儀

        HT-FT310光纖光柵解調儀,主要技術參數如下:


        參考文獻:劉化寬 《基于光纖光柵技術立井井筒變形監測預警方法及系統研究》


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