新型光纖光柵測力錨桿在沙曲礦14301軌道巷檢測項目的應用

周鵬飛

（大同煤礦集團雁崖煤業(yè)公司，山西大同，037000）

1 引言

光纖光柵傳感器是一種新型的全光纖無源器件[1]，是用光纖光柵（FBG）作敏感元件的功能型光纖傳感器[2,3]。目前，國內已經有很多學者開展了對光纖光柵傳感技術應用于錨桿工況檢測的研究[4,5]。但現有光纖光柵測力錨桿還需要進一步改進，本文提出了針對光纖光柵測力錨桿中存在的錨桿應變與光纖應變不同步的問題而進行的改進，并在現場檢測中取得了較好的實驗效果。

2 現有光纖光柵測力錨桿存在的問題

原有光纖光柵測力錨桿通過在測力錨桿上開槽（2 mm寬，1 mm深），并在槽內貼上光柵（如圖1）。使測力錨桿在縱向應變的時候連帶貼在槽內的光柵一起應變，光柵感應到應變以后通過同樣埋在槽內的光纖（上圖橙色線條）傳感出去，從而達到測量測力錨桿縱向應變的目的。

圖1現有光纖光柵測力錨桿結構示意圖

但通過分析與現場測試，也暴露了該傳感結構設計中的一個主要問題，即：光纖光柵延伸率與測力錨桿不匹配。光纖光柵測力錨桿的傳感原理是測力錨桿經過應變后連帶貼在其上的光柵一起應變，即要求測力錨桿有多大應變，光柵也有多大應變。而實際情況是測力錨桿的最大延伸率是17%，而光纖光柵的最大延伸率是0.3%。一旦測力錨桿的應變大于0.3%，不但達不到測力的目的，還會造成光纖光柵損壞的后果。

3 光纖光柵測力錨桿結構改進

為了解決光柵光纖的應變和錨桿應變不同步的問題，思路就是借鑒已有的光纖光柵減敏傳感器，使光纖光柵的基片載體應變相對減少，而其它部分應變不變，從而達到減敏的目的。

其中應該注意的細節(jié)：

（1）光纖光柵在粘貼過程中應盡可能的貼在彈簧拉直段的正中間，以減小誤差。

（2）由于光纖的抗剪能力較差，盡量不要彎曲光纖。如必須彎曲，也要保證光纖彎曲的曲率較小。

（3）由于光纖的延伸率為0.3%，而錨桿的延伸率為17%。因此在光纖與錨桿緊貼在一起進行縱向應變的時候，很容易造成錨桿應變還來不及測出就使光纖被拉斷的結果。由此提出一種類似以上所提的減敏光纖光柵傳感器。原理如圖2所示（E表示材料的彈性模量），利用材料力學相關知識，使光纖光柵緊貼的部分，即實際測量應變的部分應變盡可能減少，而與錨桿聯(lián)動的部分應變盡可能變大，從而達到減敏目的。

圖2光纖光柵測力錨桿減敏傳感器結構原理圖

如圖3所示（A表示材料截面面積、L表示材料長度），中間橙色的部分為光纖光柵的載體，其與光纖光柵固定在一起并隨著一起應變；兩端黃色的部分為非載體，端部通過深藍色部分與錨桿固定。錨桿應變的同時通過深藍色部分拉動黃色非載體，進而拉動橙色載體引起光纖光柵的應變。

圖3光纖光柵測力錨桿傳感器結構初步設想圖

設計思路：通過彈性力學公式盡量找彈性模量比較大的E1材料作為橙色塊，找到彈性模量比較小的E2材料作為黃色塊；另外橙色快橫截面積A1選大，黃色塊A2選小。這樣就能達到橙色塊的橫向形變量1小于黃色塊2的目的。再根據具體數據的計算，設計并選出適合的E和A，最終達到減敏目的。

4 應用

4.1 概況

14301工作面為傾向長壁工作面，為南三采區(qū)第一個回采工作面，北面為杜峪村保護煤柱；南面為14302工作面，未開掘；東面為膠泥壟村保護煤柱，西面至南三采區(qū)大巷。工作面設計兩進一回，為“刀把”型工作面，三條順槽都與南三集中膠帶巷呈80°交角。軌道順槽1 350 m，膠帶順槽長1 400 m，工作面切眼寬220 m，工作面可采長度為1 345 m，可采面積為 0.298 km2。

4.2 安裝及檢測

通過對沙曲礦14301軌道巷的開采狀況、煤層賦存特點、地質特征，綜合考慮系統(tǒng)施工時間、排線難易及煤礦生產計劃，結合沙曲礦井工業(yè)以太環(huán)網的鋪設線路及布置地點，最終確定將光纖光柵信號解調主機放在南三采區(qū)變電所。14301工作面全長1 288 m，已采至第二開切眼位置（距巷口800 m），考慮到工作面停采線位置，決定在14301軌道巷內布設2個綜合測站，即第一綜合測站距14301軌道巷巷口350 m，第二綜合測站距14301軌道巷巷口600 m，如圖4

圖4檢測測站布置位置

光纖光柵測力錨桿安裝在綜合測站內，布置14301軌道巷的兩幫，每個綜合測站布置2個，共布置4個，安裝情況可按如下步驟進行：

（1）光纖光柵測力錨桿在安裝前，利用風動錨桿鉆機在煤礦巷道的頂板鉆孔，鉆孔深度為2 m，鉆孔直徑為32 mm，鉆孔高度距巷道底板1.5 m；

（2）在鉆孔的頂端推入錨固劑，將錨桿放入鉆孔中，在錨桿放入過程中，輕微旋轉錨桿使錨固劑與錨桿充分接觸，不可用力旋轉以防測力錨桿的光纖被扯斷；

（3）將光纖光柵測力錨桿的光纖尾纖通過分光器和跳線接入預先設計好的主光纜。

14301軌道巷光纖光柵測力錨桿的安裝示意圖和效果圖分別如圖5和圖6所示。

圖5光纖光柵測力錨桿的安裝示意圖

圖6光纖光柵測力錨桿的安裝效果圖

表1錨桿載荷實時監(jiān)測值(1 MPa=8.67 kN)

第一測站（350 m）錨桿載荷變化：

監(jiān)測時段：2015.1.21～2015.1.28

圖7第一測站錨桿載荷變化

第二測站（600 m）錨桿載荷變化：

監(jiān)測時段：2015.1.21～2015.1.28

圖8第二測站錨桿載荷變化

第一測站（350 m）錨桿軸向力變化曲線：

圖9第一測站測力錨桿軸向力變化曲線

第二測站（600 m）錨桿軸向力變化曲線：

圖10第二測站測力錨桿軸向力變化曲線

5 結論

本文在現有測力光纖光柵基礎上，通過對截面積、長度、彈性模量的合理選擇，設計了新型的光纖光柵，并將其應用到現場實踐，通過在沙曲礦14301軌道巷的具體實施案例驗證新型產品的可靠性，結果表明基于新型的光纖光柵能夠較精準的得到巷道礦壓數據和檢測錨桿支護質量，達到了預期的效果。