巖體變形光纖光柵傳感檢測的理論與方法研究.pdf

1、我國是世界上煤礦事故頻繁發(fā)生的國家之一，而很多重大災(zāi)害的發(fā)生都是由于人們對煤巖體物理力學(xué)行為的認(rèn)知缺乏所致。提高監(jiān)測手段，減少災(zāi)害的發(fā)生顯得尤為重要。鑒于光纖光柵傳感技術(shù)的獨特優(yōu)點及其廣闊的應(yīng)用前景，借助該項技術(shù)檢測巖體的變形破壞過程，研究適合于巖體的光纖光柵檢測方法，對于提高人們對巖石力學(xué)行為及其變形破壞機理的認(rèn)知具有非常重要的現(xiàn)實意義。 本論文由光纖的波動理論出發(fā)，以麥克斯韋方程組及光纖光柵傳輸模式的正交關(guān)系為理論依據(jù)，推證

2、出了光纖光柵的傳輸理論，并得到了傳感方程。通過對光纖光柵的傳感實驗，驗證了光柵波長與應(yīng)變及溫度之間的線性關(guān)系，表明光纖光柵具有良好的測試性能。 提出了光纖光柵傳感技術(shù)對巖體變形的測試方法，即埋入法和表面粘貼法，其中埋入法又可分為錨桿封裝法、直接埋入法和鉆孔注漿法。分析了埋入狀態(tài)下光纖的受力特征，推導(dǎo)出了光纖與巖體之間的應(yīng)變傳遞方程，得出了二者的應(yīng)變傳遞關(guān)系。建立了光纖光柵表面粘貼時的力學(xué)傳遞模型，推導(dǎo)出了在考慮表面凹槽時的力學(xué)傳

3、遞方程。在光纖及中間介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)已知時，可以求得應(yīng)變傳遞系數(shù)，通過換算后得到巖體真實應(yīng)變。 研究了采場周圍水平應(yīng)力分布的光纖光柵埋入式檢測方法。在相似模型中埋入裸露的光纖光柵，檢測采動過程中波長的變化。借助埋入法應(yīng)變傳遞的分析結(jié)果，由波長漂移量得出光柵附近巖體的水平應(yīng)力，再由多點光柵的測試即可得出應(yīng)力的分布規(guī)律。結(jié)果表明，借助光纖光柵可以測出采動影響下水平應(yīng)力的分布，并通過數(shù)值模擬計算，驗證了測試結(jié)果。 本文在國內(nèi)首次

4、采用了光纖光柵表面粘貼法對MTS伺服機單軸壓縮實驗過程進(jìn)行了檢測。在試件的軸向和環(huán)分別布置兩個光柵，以測試壓縮過程中的應(yīng)變變化。在同一位置附近粘貼應(yīng)變片，對照實驗結(jié)果。實驗表明，光纖光柵測試效果明顯優(yōu)于應(yīng)變片及MTS的環(huán)向應(yīng)變計，與MTS的軸向位移計精度相當(dāng)。實驗說明了光纖光柵優(yōu)越的測試性能，并驗證了所建立表面粘貼模型的正確性。 對濟寧三號煤礦風(fēng)井松散層的沉降變形進(jìn)行了光纖光柵埋入法檢測的應(yīng)用，光纖光柵的埋入采用了鉆孔注漿法。分