光纤光栅矿业工程论文

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1在相似模拟实验中的应用

光纤光栅传感器的准分布式测量、抗电磁干扰等独特性能受到广泛关注后，国内外科研单位利用光纤光栅优异的特性开发出多种体积小、耐腐蚀、持久可埋入检测体内部的传感结构。1995年，A．Schena，R．falciai，R．Fontan提出在结构物中使用光纤Bragg光栅进行应变测量。由于光纤光栅体积小、结构多样，可在不破坏结构物的基础上埋入结构内部进行长时间检测，并且测量结果线性度和精确度均很高。国内学者柴敬、常心坦为探索相似模拟实验中的新检测方法，在光纤传感器的基础上，研究使用光纤光栅传感技术在相似模型中的应用，设计了一种基于光时域反射技术的新型微弯光纤传感器，用于对相似材料模型的应变、位移检测，构建了使用光纤检测岩体变形的基础。2005年，赵海云、王杰明采用光纤光栅传感器对立体相似模拟材料内部的应力和变形进行了测量，解决了多年来对立体模型内部参数测量困难的问题。2007年，柴敬、魏世明使用将裸光纤、自制蛇形传感器和光纤Bragg光栅埋入材料内部进行相似材料模拟实验检测。结果表明，光纤Bragg传感器在考虑波长的动态范围，可以进行小变形和破坏过程的测试。魏世明、柴敬为探索光纤光栅传感器在相似模拟实验中的应用，通过在相似模型底部埋设光纤光栅传感器的方法来检测采动过程中上覆岩层的应力，最终结果表明，采动过程中的应力变化可使得反射波长发生偏移，这为应用在相似模拟实验中的应力检测提供了一种新的手段。2008年，柴敬、魏世明、邱标等研究了光栅—传感器结构—岩层之间的应变传递系统，建立了光纤光栅传感器应变传递理论，给出优化了的光纤光栅传感器结构和钻孔尺寸，并在工程中应用。在以往相似模拟实验模型检测中，通常使用位移计、电阻应变片等以准确把握模型受力变形情况，模型内部检测受到模型体积限制，使用常规仪器进行测定时会破坏结构，影响测量结果准确性;光纤光栅传感器在相似模拟实验中提供了一种新型检测手段，在实际应用中克服了常规电类应变传感器寿命短、易受电磁干扰、易受环境影响等缺点，实现了长时间、防水防潮、高灵敏度检测。

2在室内岩石试件试验中的应用

地下工程中需要对岩石进行大量的力学试验，但岩石内部是具有空隙的非均质体，其测试结果具有一定的离散性，所以需要对地下大规模工程岩体进行连续和实时的变形检测。光纤光栅传感器是无源检测器件的一种，用于岩石试件变形破坏检测是一个新的发展方向。2000年，Hattenberger．C．S，Naumann．M，Borm．G使用光纤光栅传感器与传统技术手段对岩石力学应变测量做了对比试验。分别将光纤光栅传感器、应变片粘贴在圆柱形岩石试件表面，在单轴压缩试验机上进行轴向压缩试验，测试结果表明使用光纤光栅传感器可以作为一种新的测试手段。2003年，Hattenberger．C．S，Naumann．M，Borm．G在岩石试件实验中采用光纤光栅传感器与传统电类传感器做对比实验。试验结果表明，新型光纤光栅传感器具有很好的测试精度，指出最终的结果受到粘结剂的影响，并给出不同粘结剂的影响结果。2012年，Re-insch．T，Blcher．G，Milsch．H为确定岩石在温度和三轴压力作用下的变形特性，采用光纤光栅传感器与法布里—珀罗干涉仪做了对比试验。最终测试结果说明光纤光栅传感器精度高，变形结果也更接近于岩石的真实应变。国内学者魏世明、柴敬为确定在岩石变形中光纤光栅传感器检测的应变传递系数，在单轴压缩实验中分析了光纤光栅传感器在表面粘贴状态下的应变传递特性，最终测试结果表明光栅传感器测量精度优于粘贴于同位置的应变片。光纤光栅传感器在室内岩石式样单轴、三轴压缩实验中的应用表明，光栅比传统电阻片具有更优异的精度测试和特性，再完善埋入和表面粘贴的应变传递模型后，为光栅检测岩石破坏提供了一种新的技术手段。

3在锚杆支护稳定性检测中的应用

锚杆支护具有施工简单、控制围岩变形效果好的优点。锚杆支护的质量成为决定巷道安全性和围岩稳定性的关键因素。但受围岩环境影响，锚杆支护的可靠性和寿命受到制约。

3.1在锚杆测力计上的应用

2005年，柴敬、兰曙光、李继平等针对现有锚杆支护质量检测无法进行远程监控和对支护质量进行全程检测等缺点，将光纤光栅传感器粘贴在锚杆杆体表面与传统电测方法进行了对比试验。结果表明，新型传感器结构简单，可实时检测。柴敬、李毅、赵文华等利用光纤光栅传感技术构建锚杆支护检测系统并做了实验，在实验室模拟煤矿井下巷道锚杆支护的受力过程，通过拉拔实验，光纤光栅端头式测力计检测锚杆轴力与杆身光纤光栅传感器、电阻应变片测试应变结果相一致，且光纤光栅传感器易于安装，可以重复使用。光纤光栅锚杆测力计埋设如图3所示。在锚杆检测试验中，锚杆使用时间长，为剔除温度带来的交叉敏感，柴敬、李毅、邱标设计了温度补偿光栅解决了交叉敏感问题带来的影响，测量结果线性度很好。

3.2在围岩变形检测中的应用

2000年，PhilippMNellen，Frank．A，Brnniman-net．R利用光纤光栅传感器对隧道变形进行了检测，为保证结果的准确可靠，在传感器安装时采取了特别措施，排除了长时间检测温度对测量结果的影响。HattenbergerC．S等开发了一种在岩石开掘过程中测量应变的光纤光栅地震波检测系统。在加强树脂锚杆上粘附光纤光栅用于探测岩土工程结构中的静态和动态应变，新型传感器在改善信噪比以后，还可进一步提升检测时的敏感度。与此同时，研发者还设计了与检测信号相互匹配的光纤光栅地震成像系统，并在岩石巷道内进行了现场试验。苏小杰、高艳磊采用光纤光栅传感器对巷道进行了静态实验研究，将光纤光栅传感器粘贴在锚杆上，分别布置在巷道3处不同地点。测量巷道放炮后对岩体的影响，分析岩石裂隙的产生。蒋奇、隋青美、张庆松等为弥补电磁传感器在隧道长期检测时出现的不足，设计了一种基于隧道应力应变检测用的FBG锚杆传感器，通过制作完成的FBG锚杆进行动态测试，可以实现长期检测的需要。光纤光栅传感器作为锚杆检测的敏感元件，在围岩应力检测中抗干扰能力强、耦合损耗小、寿命长，可以形成光栅传感网络，可实现实时、长期检测。与锚杆测力计相比，其具有更高的测量精度，且为本质安全型，符合井下检测安全防爆的要求。

4在矿山火灾检测中的应用

随着光纤光栅优异性能被广泛认可，针对光栅特点进行特殊封装后的传感器在现场应用越来越广泛。矿井内采用电信号火灾探测存在设备灵敏度低、易受干扰、传输距离短等不足，研究者们提出使用光纤Bragg光栅火灾探测器探测煤炭自燃理念。2008年，王宏亮、乔学光、张晶等针对光纤Bragg光栅在高温段的线性特征，设计了一种高温光纤Bragg光栅的传感探头，在250℃环境下误差波动不超过0．06%。2009年，付华、蔡玲提出了使用金属化封装技术制作的光纤Bragg光栅探测器，实验结果表明，该煤矿火灾检测系统能够提供详细的巷道温度分布情况并且可以及时报警，便于作业人员防灾灭火。2010年，针对采空区自燃事故，魏世明、柴敬、许力采用特殊合金材料封装制作了光纤光栅火灾探测器，传感器与解调仪、数据传输线、控制系统组成了矿用火灾探测系统。通过检测井下温度变化率来预警是否发生火灾，并且可以进行实时检测，缩短了火灾报警时间。现场实际条件复杂多变，基于光纤Bragg光栅传感器技术研制的温度传感器及时采集温度的状态，尤其是对骤变的温度进行预警，对保证现场人员安全有重要意义，了解采空区煤岩的温度变化，就能有效控制煤炭自燃灾害。

5结论

(1)在工程应用中，光纤光栅传感器所处环境复杂多变，光纤光栅传感器不仅测量精度和安全性可满足需求，在使用寿命和便携性上也符合工程应用条件。光纤光栅传感器自诞生以后，优异的传感特性在结构物健康检测、室内模拟试验、岩石试件变形检测等应用中得到了广泛的认可。

(2)光纤光栅传感器对岩体变形破坏检测研究很多，并且取得了一定成果。封装埋入岩体内部传感器使用寿命长、不受周围环境影响，可实现长时间、不间断对岩体应力检测。接入波长检测系统后，可实时传输测量结果。

(3)将光纤光栅进行目的性封装后可实现对不同参数的检测。如采空区煤炭自燃温度检测、锚杆应力和井下人员健康检测等。在不同的工程环境中，不同封装后的光纤光栅体现了优越的可靠性和抗干扰性，是能够在恶劣环境中工作的理想元件。基于此，使用光纤光栅作为矿井应力应变等参数的测量是切实可行的。

作者：单位：张立强 李超河南理工大学能源学院