基于光纖光柵技術的豎井井壁變形在線監測系統研究與設計

王太元

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶市九龍坡區,400039)

★煤炭科技·機電與信息化★

基于光纖光柵技術的豎井井壁變形在線監測系統研究與設計

王太元

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶市九龍坡區,400039)

針對深部礦井井筒井壁應力環境復雜的特點,結合光纖光柵傳感技術原理及優勢,將光纖光柵傳感器埋入井筒套壁混凝土內部,根據井筒地質結構及套壁工藝設計了監測方案,構建多點分布式傳感系統對井筒井壁大尺度的多點進行長期實時的在線監測。監測數據表明,利用光纖布拉格光柵傳感技術監測井筒井壁結構健康具有很好的效果,為及時評價井筒安全狀況與運行狀態提供依據。

豎井井壁 光纖光柵 應變傳感器 在線監測

隨著礦井開采深度的增加,采礦工程面臨的問題更加復雜,由此產生的工程災害事故更為嚴重,尤其是地應力場的復雜變化造成礦井礦壓的危害加大,這給煤礦生產帶來巨大的安全隱患和經濟損失。豎井井筒是煤礦的“咽喉”,其安全運營是煤礦生產順利進行的重要保障。因此,建立一套豎井井筒井壁在線實時監測系統,隨時掌握井壁結構參數和環境參數的變化,對保證井壁的受力安全是很有必要的。

光纖布拉格光柵(FBG)是近10多年以來國際上新興的一種有著廣泛應用前景且性能優良的反射濾波無源敏感元件。光纖傳感技術與傳統的結構應變監測技術相比,具有環境影響較小、抗電磁干擾強、靈敏度高、穩定性好、質輕徑細、抗腐蝕以及適合埋入大型工程結構等優點。基于此,本文應用光纖布拉格光柵傳感原理,對深度近800 m的主井套壁井筒中埋入光纖光柵傳感器,對井筒井壁各層位受力變形情況進行了在線實時監測。

1 工程概況

安徽淮南國投新集能源股份有限公司板集煤礦發生突水后,主井井筒井壁的受到了不同程度的破壞,因此對主井井筒需加固處理,其加固方案為井筒上部和下部均采用鋼筋混凝土進行加固,井筒中部采用槽鋼鋼筋混凝土進行加固。主井井口標高為＋27.5 m,井底標高為－768 m,井筒深度為795.5 m,其中0～638.3 m為表土段,638.3～795.5 m為基巖段,表土層的施工工藝采用凍結沉井法施工,基巖段采用鉆井法施工。為了了解板集煤礦主井井筒在今后的使用過程中是否存在明顯的異常安全風險,故將FBG應變傳感器埋入到套壁混凝土內部,對其結構健康進行長期在線監測,為井筒的安全運營提供保障。

2 主井井筒井壁變形監測方案

2.1 監測系統整體設計

主井井筒井壁變形在線監測系統由各層應變傳感器、單芯單模光纜、光纜接續盒、多芯主光纜、二次儀表(FBG解調儀)和計算機組成。井筒監測系統包括井下和井上兩部分,井下部分由FBG光纖光柵傳感器及傳輸主光纜組成,采用定制埋入式FBG傳感器埋設在井筒內,傳輸主光纜沿井壁自傳感器埋設位置從下到上鋪設,各個FBG傳感器采用并聯方式獨立接入主光纜中,保證埋入傳感器的成活率。監測系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 監測系統組成示意圖

2.2 傳感器布置方案

為了準確掌握井筒井壁的變形動態,應布設較為全面完整的多方位監測體系。結合主井井筒地質條件與井筒井壁破壞情況,主井共布設3條測線,以其中一條測線為主,另兩條測線為輔。測線1 (主測線)的方位角為206°,測線2的方位角為326°,測線3的方位角為86°,并在關鍵層位布設切向傳感器。豎向布設的每個測點均需同時進行應力、應變和溫度的監測,即該傳感器為帶溫度補償的應變傳感器,而切向布設的傳感器為不帶溫度補償的應變傳感器,FBG傳感器布置位置圖如圖2所示。

圖2 FBG傳感器布置位置圖

為了確保埋入套壁混凝土中傳感器的成活率,每條測線的主光纜井下部分采用雙回路,主井傳感器及光纜的布設隨著加固處理施工作業同時進行,即主光纜和傳感器光纜需捆扎在豎向主筋和環向主筋上,傳感器綁扎在環向主筋和豎向主筋附近。如果在傳感器和光纜附近存在焊接作業時,要求在焊接前對相應的傳感器及光纜等采取可靠的保護措施,確保傳感器及光纜不受損壞。FBG傳感器與主光纜連接方式如圖3所示。

圖3 FBG傳感器與主光纜連接方式

2.3 傳感器初始波長的選擇

實驗表明,FBG傳感器溫度和應變靈敏度分別為10.2 pm/℃和0.9742 pm/με,傳感器靈敏度較高。因此將傳感器綁扎在鋼筋籠上時,傳感器的出廠中心波長會發生漂移。固定在鋼筋籠上的傳感器會被澆筑到套壁混凝土當中,而根據混凝土的凝固特性,在澆筑早期水泥會放出大量的水化熱,溫度升高,混凝土彈性模量發生急劇變化并在混凝土內部形成殘余應力,放熱作用結束至混凝土冷卻到穩定溫度時,傳感器中心波長會再一次發生漂移,因此記錄下此時應變傳感器所對應的波長值作為初始波長值,便可更準確地計算出井筒井壁受力情況。FBG傳感器在混凝土澆筑和冷卻過程溫度波長變化趨勢如圖4所示。

圖4 FBG傳感器在混凝土澆筑和冷卻過程溫度波長變化趨勢

3 監測數據分析及評價

板集煤礦主井井筒井壁監測主要是以豎向應變傳感器為主,在關鍵層位布設切向應變傳感器。豎向主要監測豎井井筒井壁在縱向上的應變情況,切向主要監測豎井橫斷面井壁切線方向的應變情況。本文分別選擇井筒上部、中部和下部幾個有代表性的監測點位進行數據分析及評價。

(1)Z2－3傳感器位于主井井筒垂深296.5 m處,方位角為326°,所處層位為新生界第三含水層,巖性為厚度5.1 m的細砂巖組合。該層位從7月20日－8月15日一直處于壓縮應變狀態,并于8月15日達到最大值－270με,8月15日之后該傳感器開始受力不均勻,出現了小幅度震蕩,8月23日左右壓縮量開始減小,并與10月20日應變量達到－190με左右,之后壓縮量又開始增大,并于12月初開始到次年1月受力趨于穩定。傳感器Z2－3應變變化趨勢如圖5所示。

圖5 傳感器Z2－3應變變化趨勢

(2)Z3－7傳感器位于主井井筒垂深496 m處,方位角為86°,所處層位新生界第三隔水層,巖性為厚度9 m的砂質粘土層。該層位由7月20日左右到次年1月受力一直處于壓縮狀態,最大壓縮形變為－270με左右,12月底到次年1月初形變量有逐漸變小的趨勢。傳感器Z3－7應變變化趨勢如圖6所示。

(3)Z1－13豎向和切向傳感器位于筒垂深653.6 m處,方位角為206°,所處層位為二疊系含煤地層,巖性為厚度17.99 m的砂泥互層。該層位豎向傳感器由7月20日左右開始由微小的拉伸形變逐漸變為穩定的壓縮形變,應變量為－50με左右,該傳感器由10月18日左右開始受力狀態發生了巨大變化,形變量突然增加到近－780με左右,之后繼續增大,但漲幅變小,一直持續到次年1月,達到了－920με左右;切向傳感器從7月20日左右開始到次年1月一直處于壓縮狀態,8月20日左右至8月底時間段內受力不均勻,但漲幅較大,之后該層位切向傳感器一直處于穩定的壓縮狀態,應變量約－1350με左右。傳感器Z1－13豎向應變變化趨勢和切向應變變化趨勢如圖7和圖8所示。

圖6 傳感器Z3－7應變變化趨勢

圖7 傳感器Z1－13豎向應變變化趨勢

圖8 傳感器Z1－13切向應變變化趨勢

依據GB50010－2010《混凝土結構設計規范》標準,并結合所用澆筑混凝土抗壓強度試驗報告,對不同強度的混凝土建立了不同的報警閾值,目前整個主井井筒井壁受力都以壓縮形變為主,且各層位都處于安全彈性形變范圍之內,但是井筒中下部,即垂深500 m以下,井筒豎向和切向受力都明顯增大,這與實際情況相符,是今后監測的重點部位。

5 結論

(1)本井筒井壁監測系統將傳感器埋入到套壁混凝土內部,且用雙回路設計,克服了傳統應變監測技術的不足,充分保證了其可長久持續在深部井筒復雜地質條件下實現多種物理量在線實時監測。實現了井筒井壁多點分布式傳感,對整個井筒井壁的結構健康狀況可全方位評價。

(2)FBG應變傳感器測試精度高且穩定性好,基于傳感器的安裝固定及混凝土澆筑對傳感器波長的影響,對傳感器初始波長的選擇進行了分析探討,提高了監測數據的準確率。

(3)監測數據結果表明整個主井井筒井壁主要受擠壓應力,且以西南方位為主,井筒下部受力明顯大于中上部,與礦井井筒實際情況相符。因此,將光纖布拉格光柵傳感系統應用到煤礦豎井井筒井壁變形安全監測領域是切實可行的,且效果良好。

[1] 獨知行,黃國斌,靳奉祥.某煤礦立井井筒監測基準的建立及坐標系的統一[J].勘察科學技術, 2000(1)

[2] 韓濤,黃家會,李建清.基于光纖光柵傳感技術的深井井壁結構監測[J].鐵道工程學報,2011(11)

[3] 郁尚奇,唐艷,湯樹成等.光纖光柵傳感技術在煤礦井筒安全智能監測系統中的應用[J].煤礦支護,2013(4)

[4] 劉鵬飛.井壁變形全自動監測系統的工程應用[J].煤炭科學技術,2005(2)

[5] 梁恒昌,周國慶,劉志強.井筒井壁應變自動監測系統及其工程應用[J].煤礦安全,2009(10)

[6] 郝晉豫,朱少捷.鄭西客運專線路基工后沉降監測方案的探討[J].鐵道工程學報,2010(3)

[7] 黃雪峰.光纖Bragg光柵測量理論及其在動力工程中應用的研究[D].浙江大學,2008

(責任編輯 路 強)

Research and design of online monitoring system of shaft sidewall deformation based on fiber Bragg grating

Wang Taiyuan
(China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Jiulongpo,Chongqing 400039,China)

Aimed at the complex stress characteristics of deep mine shaft sidewall,the fiber Bragg grating sensors were embedded in concrete of shaft casing wall because of the merits of fiber Bragg grating sensing technology．The monitoring plan was designed according to the geological structure and technical process of shaft casing wall,and the multipoint distributed sensing system was set up to realize real-time online monitoring on multipoint on shaft wall in large range for a long time．Monitoring data showed that the fiber Bragg grating sensing technology could effectively monitor the structure of shaft wall,and could provide a basis for evaluating the safety status and running state of shaft in time．

shaft sidewall,fiber Bragg grating,strain sensor,online monitoring

TD326

A

王太元(1982－),男,山西晉中人,碩士研究生,工程師,主要從事礦井物探技術和監測技術的研究工作。