光纖光柵應變傳感器在鉆孔圍壓監測中的應用

閆文超 藺兌波 南漢晨 楊 偉

(中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

光纖光柵傳感技術是光電行業重要的技術之一，具有抗電磁干擾、動態范圍寬、靈敏度高、可實現分布式測量等優點，為圍巖應變監測提供了可行的途徑[1-3]。近年來，光纖光柵傳感技術得到迅速發展，傳感器種類不斷增多，靈敏度不斷提高，解調技術不斷發展，研究光纖光柵技術的企業和研究機構增多，國內的研究機構主要有武漢理工光科股份有限公司、上海波匯科技有限公司、北京基康科技有限公司等，國外的研究機構主要有美國的微光光學傳感公司(MOI)、智能科技有限公司(Smart Tech)以及加拿大的FISO公司等[4-6]，上述產品在煤礦井下的復雜環境應用較少，特別是在深鉆孔中進行工作面圍巖應變的監測應用。本次試驗是針對煤礦井下鉆孔復雜環境在實驗室搭建相似的物理模型，得到傳感器在不同角度下應變數據。依照實驗室所得結果，在煤礦井下鉆孔進行了相應的試驗，將傳感器按照特定的角度在孔內進行布置，并監測一段時間內的鉆孔圍壓。本次試驗結果能夠為今后光纖光柵傳感器在井下鉆孔中實時監測應用提供理論依據。

1 光纖光柵監測原理

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵傳感技術進行測量的傳感器，光纖光柵就是一段周期性調制的光纖，當傳感器所處位置的壓力、溫度等參數發生變化時，光柵的柵格周期和有效折射率就會發生變化，從而引起反射光的中心波長漂移，通過測量被測物理量變化前后光柵中心波長的變化量[7-8]，可實現被測物理量的測量。光柵應變計觀測值為應變光柵當前波長值λ1和λtl溫補光柵當前波長值，圍巖由于溫度和荷載變化引起的總應變計算見式(1):

εt=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)

(1)

K——應變計應變系數，με/nm；

B——應變計溫度修正系數，με/nm；

λ1——應變光柵當前時刻的波長值，nm;

λ0——應變光柵初始的波長值，nm；

λt1——溫補光柵當前時刻的波長值，nm；

λt0——溫補光柵初始的波長值，nm。

通過不同時刻的觀測值可求得各測點的應變變化值[9-11]。當光柵周期的溫度或應力發生變化時,將導致光柵柵距周期及纖芯折射率的變化,從而使光纖光柵中心波長發生移動,光纖光柵的傳感光路如圖1所示。

圖1 光纖光柵傳感光路

2 試驗概況

本次利用光纖光柵應變傳感器在實驗室開展巖石模型圍壓監測試驗，相似模擬材料選擇與實際巖層力學指數相吻合的相似材料(本次模擬中砂巖力學指數)，以便較為真實地模擬實際現場情況。傳感器所處環境為埋深超過300 m，巖性為中砂巖，工作面圍壓為7～8 MPa，水量未知，傳感器填埋深度約為250 m，煤層厚度約為7 m。

另外，在換低速擋的同時，應結合使用手剎，但要注意手剎不能拉緊不放，也不能拉得太慢。如果手剎和強制減檔的方法都不起作用，那么就要大聲鳴笛提醒前方車輛注意給你讓道，并及時尋找合適路段進行減速。如果以上方法都不適用，就要考慮利用路邊的障礙物來降低車速了。

2.1 物理模型設計

模型根據煤礦井下現場的實際要求，在實驗室設計物理模型長度為1.4 m、寬度為0.8 m、高度為1 m的長方體，澆筑材料使用經過試驗所得的配比材料一次澆筑成型。模型的側面預留5個光纖光柵傳感器埋設注漿孔，傳感器的下傾角度分別為1號孔為10°、2號孔為20°、3號孔為30°、4號孔為45°、5號孔為50°，孔與孔之間的間隔約為20 cm，以易于注漿。圍壓監測試驗物理模型如圖2所示。

圖2 圍壓監測試驗物理模型

2.2 測試過程

本次測試在礦山水害鑒定與治理技術模擬實驗室進行單軸加壓試驗，此次試驗分為以下3個階段。

(1)將圍壓設備安裝到實驗模型上，連接好加壓泵，并將傳感器尾纖與光纖光柵解調儀相連接，配置解調儀參數，進入采集階段。

(2)利用加壓泵向安裝的圍壓裝置進行加壓，加壓分為軸向加壓、徑向加壓和頂向加壓， 整個加壓過程分為3個階段，第一階段進行軸向加壓，加壓從0.02～0.1 MPa，每間隔0.02 MPa就保壓5 min，到0.1 MPa后保壓10 min，然后泄壓至0 MPa；第二階段徑向加壓，第三階段是頂向加壓，后2個階段的加壓過程和第一階段相同。

(3)利用光纖光柵解調儀讀取在不同方向加壓時，預設不同角度下傳感器監測圍壓的變化情況。

通過以上3個階段，最終得到光纖光柵應力應變傳感器在三維試驗臺測試的應變曲線。

3 試驗結果

按照設計的測試過程以及加壓過程對傳感器采集的數據在解調儀上進行解調，獲得原始的測試結果，經過對數據的處理分析得到傳感器在不同角度下加壓過程中所反映的應力變化曲線如圖3～圖7所示。

圖3 傳感器下傾10°的應力變化

圖4 傳感器下傾20°的應力變化

圖5 傳感器下傾30°的應力變化

圖6 傳感器下傾45°的應力變化

圖7 傳感器下傾50°的應力變化

通過試驗數據所繪制的圖形分析可得，試驗初設計的5個不同角度放置的光纖光柵應變傳感器，在下傾角度越小的情況下對物理模型軸向加壓時數據測量能力更好，而且數據線性度也較好，能夠準確地反應出不同加載壓力下的變化情況，而在徑向和頂上加壓時對傳感器的采集數據影響不大，符合預期試驗目標。

4 工程應用

本次應用的目的是通過光纖光柵監測方式觀察工作面鉆孔的壓力變化情況。2019年7月，在河北冀中能源葛泉東井礦11916工作面東翼運輸巷應用光纖光柵監測系統，到2020年4月，歷經了10個月的監測。首先在11916工作面鉆窩處打100 m深的特定角度的鉆孔，然后通過PVC管將光纖光柵應變傳感器推進孔底，到達預設位置后，開始向鉆孔底部注入混合配比的沙土，將光纖光柵應變傳感器固定在設計好的測點位置，保證傳感器與鉆孔壁較好耦合；最后封孔甩出傳感器尾纖并熔接進入井下環網；通過交換機將數據傳輸到光纖光柵解調儀中，監測的數據實時傳輸到監測站；井下分出可用的光纖數量有限，監測的方式是循環滾動的，監測完前面的區域后需要調整接入后面的傳感器光纖接口。煤礦井下鉆孔圍壓光纖光柵監測系統如圖8所示。

圖8 煤礦井下鉆孔圍壓光纖光柵監測系統

本次處理的數據來源于其中1個鉆孔3個月來的傳感器實時監測的結果，通過對這個鉆孔3個月的監測數據進行分析整理，得到的傳感器監測結果曲線如圖9所示。

圖9 傳感器監測結果曲線

由圖9可以看出，光纖光柵應變傳感器在監測時間段內應變曲線有起伏變化，其中曲線下降能夠說明工作面處于加壓的過程，曲線上升說明工作面處于泄壓過程。在2019年9月26日、10月7日、11月7日左右都可以看出曲線有細微上升和下降的過程，通過與礦上其他監測資料結果對比后得出，在這幾天工作面圍巖壓力發生了一定量的變化，這與光纖光柵應變傳感器分析的結果相吻合。

5 結論

光纖光柵應變傳感器在煤礦井下深鉆孔的布置和監測工作面圍巖壓力的應用較少，經過前期實驗室模型測試以及井下的現場應用分析結果，得到以下結論：

(1)光纖光柵應變傳感器能夠有效反映在被測物體受壓情況下的應力變化情況以及變化規律；

(2)光纖光柵應變傳感器在鉆孔中的布設角度與被測物體在受壓情況下的監測效果有一定的關系，在下傾角度越小的情況下對物理模型軸向加壓時，傳感器有更好的數據測量能力，而且數據線性度好，能夠準確地反應出不同加載壓力下的變化情況；

(3)光纖光柵應變傳感器監測工作面圍巖壓力相對于其他產品有安裝方便、經濟適用等明顯優勢，為煤礦井下圍巖壓力監測提供了一種可靠的技術。