巖體變形光纖光柵傳感檢測(cè)的理論與方法研究.pdf

1、我國(guó)是世界上煤礦事故頻繁發(fā)生的國(guó)家之一，而很多重大災(zāi)害的發(fā)生都是由于人們對(duì)煤巖體物理力學(xué)行為的認(rèn)知缺乏所致。提高監(jiān)測(cè)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)及其廣闊的應(yīng)用前景，借助該項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)巖體的變形破壞過程，研究適合于巖體的光纖光柵檢測(cè)方法，對(duì)于提高人們對(duì)巖石力學(xué)行為及其變形破壞機(jī)理的認(rèn)知具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本論文由光纖的波動(dòng)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(duì)光纖光柵的傳感實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了光柵波長(zhǎng)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(cè)試性能。 提出了光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)巖體變形的測(cè)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(shí)的力學(xué)傳遞模型，推導(dǎo)出了在考慮表面凹槽時(shí)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(shí)，可以求得應(yīng)變傳遞系數(shù)，通過換算后得到巖體真實(shí)應(yīng)變。 研究了采場(chǎng)周圍水平應(yīng)力分布的光纖光柵埋入式檢測(cè)方法。在相似模型中埋入裸露的光纖光柵，檢測(cè)采動(dòng)過程中波長(zhǎng)的變化。借助埋入法應(yīng)變傳遞的分析結(jié)果，由波長(zhǎng)漂移量得出光柵附近巖體的水平應(yīng)力，再由多點(diǎn)光柵的測(cè)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(cè)出采動(dòng)影響下水平應(yīng)力的分布，并通過數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證了測(cè)試結(jié)果。 本文在國(guó)內(nèi)首次

4、采用了光纖光柵表面粘貼法對(duì)MTS伺服機(jī)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了檢測(cè)。在試件的軸向和環(huán)分別布置兩個(gè)光柵，以測(cè)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(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，光纖光柵測(cè)試效果明顯優(yōu)于應(yīng)變片及MTS的環(huán)向應(yīng)變計(jì)，與MTS的軸向位移計(jì)精度相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)說明了光纖光柵優(yōu)越的測(cè)試性能，并驗(yàn)證了所建立表面粘貼模型的正確性。 對(duì)濟(jì)寧三號(hào)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(cè)的應(yīng)用，光纖光柵的埋入采用了鉆孔注漿法。分