新型光纤光栅测力锚杆在沙曲矿14301轨道巷检测项目的应用

2020-01-09周鹏飞

同煤科技 2019年6期

周鹏飞

（大同煤矿集团雁崖煤业公司，山西大同，037000）

1 引言

光纤光栅传感器是一种新型的全光纤无源器件[1]，是用光纤光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器[2,3]。目前，国内已经有很多学者开展了对光纤光栅传感技术应用于锚杆工况检测的研究[4,5]。但现有光纤光栅测力锚杆还需要进一步改进，本文提出了针对光纤光栅测力锚杆中存在的锚杆应变与光纤应变不同步的问题而进行的改进，并在现场检测中取得了较好的实验效果。

2 现有光纤光栅测力锚杆存在的问题

原有光纤光栅测力锚杆通过在测力锚杆上开槽（2 mm宽，1 mm深），并在槽内贴上光栅（如图1）。使测力锚杆在纵向应变的时候连带贴在槽内的光栅一起应变，光栅感应到应变以后通过同样埋在槽内的光纤（上图橙色线条）传感出去，从而达到测量测力锚杆纵向应变的目的。

图1现有光纤光栅测力锚杆结构示意图

但通过分析与现场测试，也暴露了该传感结构设计中的一个主要问题，即：光纤光栅延伸率与测力锚杆不匹配。光纤光栅测力锚杆的传感原理是测力锚杆经过应变后连带贴在其上的光栅一起应变，即要求测力锚杆有多大应变，光栅也有多大应变。而实际情况是测力锚杆的最大延伸率是17%，而光纤光栅的最大延伸率是0.3%。一旦测力锚杆的应变大于0.3%，不但达不到测力的目的，还会造成光纤光栅损坏的后果。

3 光纤光栅测力锚杆结构改进

为了解决光栅光纤的应变和锚杆应变不同步的问题，思路就是借鉴已有的光纤光栅减敏传感器，使光纤光栅的基片载体应变相对减少，而其它部分应变不变，从而达到减敏的目的。

其中应该注意的细节：

（1）光纤光栅在粘贴过程中应尽可能的贴在弹簧拉直段的正中间，以减小误差。

（2）由于光纤的抗剪能力较差，尽量不要弯曲光纤。如必须弯曲，也要保证光纤弯曲的曲率较小。

（3）由于光纤的延伸率为0.3%，而锚杆的延伸率为17%。因此在光纤与锚杆紧贴在一起进行纵向应变的时候，很容易造成锚杆应变还来不及测出就使光纤被拉断的结果。由此提出一种类似以上所提的减敏光纤光栅传感器。原理如图2所示（E表示材料的弹性模量），利用材料力学相关知识，使光纤光栅紧贴的部分，即实际测量应变的部分应变尽可能减少，而与锚杆联动的部分应变尽可能变大，从而达到减敏目的。

图2光纤光栅测力锚杆减敏传感器结构原理图

如图3所示（A表示材料截面面积、L表示材料长度），中间橙色的部分为光纤光栅的载体，其与光纤光栅固定在一起并随着一起应变；两端黄色的部分为非载体，端部通过深蓝色部分与锚杆固定。锚杆应变的同时通过深蓝色部分拉动黄色非载体，进而拉动橙色载体引起光纤光栅的应变。

图3光纤光栅测力锚杆传感器结构初步设想图

设计思路：通过弹性力学公式尽量找弹性模量比较大的E1材料作为橙色块，找到弹性模量比较小的E2材料作为黄色块；另外橙色快横截面积A1选大，黄色块A2选小。这样就能达到橙色块的横向形变量1小于黄色块2的目的。再根据具体数据的计算，设计并选出适合的E和A，最终达到减敏目的。

4 应用

4.1 概况

14301工作面为倾向长壁工作面，为南三采区第一个回采工作面，北面为杜峪村保护煤柱；南面为14302工作面，未开掘；东面为胶泥垄村保护煤柱，西面至南三采区大巷。工作面设计两进一回，为“刀把”型工作面，三条顺槽都与南三集中胶带巷呈80°交角。轨道顺槽1 350 m，胶带顺槽长1 400 m，工作面切眼宽220 m，工作面可采长度为1 345 m，可采面积为 0.298 km2。

4.2 安装及检测

通过对沙曲矿14301轨道巷的开采状况、煤层赋存特点、地质特征，综合考虑系统施工时间、排线难易及煤矿生产计划，结合沙曲矿井工业以太环网的铺设线路及布置地点，最终确定将光纤光栅信号解调主机放在南三采区变电所。14301工作面全长1 288 m，已采至第二开切眼位置（距巷口800 m），考虑到工作面停采线位置，决定在14301轨道巷内布设2个综合测站，即第一综合测站距14301轨道巷巷口350 m，第二综合测站距14301轨道巷巷口600 m，如图4