基于光纤传感技术的深部高地应力巷道围岩应变监测方法

1.本发明涉及围岩应变监测技术领域，特别涉及一种深部巷道围岩应变监测方法。


背景技术：

2.随着矿山开采深度的不断增加，地应力随之增大，原岩应力与构造应力不断升高。高地应力作用下的岩体稳定性变差，巷道围岩的变形失稳破坏日益严重。为了及时了解深部巷道围岩的稳定性情况，实时掌握围岩的稳定性，准确判断围岩变形程度，确保开采过程中深部巷道结构的安全性，保障矿山正常安全生产，必须对深部巷道围岩应变进行实时监测。
3.现有技术中对深部巷道围岩的应力监测常采用锚杆应力计，锚杆应力计的基本原理是利用应变计测量锚杆受力后的应变，推求出锚杆应力。现阶段的锚杆应力计已经可以做到自动将识别信息读出，可顺序存入读数仪内，方便快速统计计算及查询。但缺点是监测范围小、难以在矿山复杂的环境(如高地应力、高瓦斯、高水压及高强度的开采扰动等)下长期稳定工作，更难实现对监控对象的远程监控和全过程监测。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于光纤传感技术的深部高地应力巷道围岩应变监测方法，以解决对深部巷道围岩应变进行大范围监测及远程监测的技术问题。
5.本发明基于光纤传感技术的深部高地应力巷道围岩应变监测方法包括以下步骤：
6.1)将若干个应变探测器均匀锚入巷道两侧及顶部的围岩上，所述应变探测器包括刚性锚杆、用于探测应变的第一光纤和用于探测温度的第二光纤；
7.所述刚性锚杆上设置有沿轴向贯穿的测应变光纤通道，所述第一光纤从刚性锚杆的后端向前穿入测应变光纤通道，再从刚性锚杆前端向后经测应变光纤通道穿出；所述测应变光纤通道内填充有将第一光纤封固在测应变光纤通道中的填充物；
8.所述刚性锚杆上设置有沿轴向贯穿的测温度光纤通道，所述第二光纤从刚性锚杆的后端向前穿入测温度光纤通道，再从刚性锚杆前端向后经测温度光纤通道穿出，所述测温度光纤通道和第二光纤之间具有避免第二光纤被压迫的空隙；
9.所述刚性锚杆的前端设置有对露出的第一光纤和第二光纤进行保护的护帽；
10.2)将各个应变探测器的第一光纤依次串联，并将各个应变探测器的第二光纤依次串联；并将串联线路上的第一个应变探测器的第一光纤分别与第一光源和第一信号处理装置连接，将串联线路上的第一个应变探测器的第二光纤分别与第二光源和第二信号处理装置连接；
11.3)通过第一光源向第一光纤射入探测光，通过第一信号处理装置对第一光纤反射的光信号进行处理，得到被监测对象的应变数据；通过第二光源向第二光纤射入探测光，通过第二信号处理装置对第二光纤反射的光信号进行处理，得到被监测对象的温度数据；
12.4)在第二信号处理装置处理得到的温度数据基础上由温度与光纤应变间的关系
得到因温度导致的第一光纤应变数据，再根据因温度导致的第一光纤应变数据修订第一信号处理装置处理得到的应变数据。
13.进一步，所述刚性锚杆由刚性外套管和可拆卸式插装在刚性外套管中的内杆组成，内杆的外壁贴在刚性外套管的内壁上，所述护帽设置在外管套上，所述测应变光纤通道和测温度光纤通道设置在内杆上，且测应变光纤通道和测温度光纤通道沿轴向贯穿内杆。
14.进一步，所述测应变光纤通道为偶数条，所述第一光纤在每条测应变光纤通道中只穿进一次。
15.进一步，所述刚性锚杆为中空锚杆，所述测应变光纤通道和测温度光纤通道设置在中空锚杆的内孔周边上。
16.进一步，所述的应变探测器还包括固定在测温度光纤通道中的护管，所述第二光纤穿在护管中，护管和第二光纤之间具有避免第二光纤被压迫的空隙。
17.本发明的有益效果：
18.1、本发明基于光纤传感技术的深部高地应力巷道围岩应变监测方法，其采用的应变探测器不仅具备锚杆的锚固功能，还具有对被锚固对象进行应变监测的功能，既解决了深部巷道围岩的锚固问题，又解决了对围岩应变的监测问题。
19.本发明巷道围岩应变监测方法将应变探测器依次串联，形成了对被监测对象由点到线、再到面的全面监测，监测范围大、深度大，且能进行全时段实时监测，能全面掌握被监测深部巷道围岩应变内部的应变及应力情况。
20.2、本发明基于光纤传感技术的深部高地应力巷道围岩应变监测方法，其应变探测器中不仅设置了能跟随锚杆一起变形的第一光纤来探测被锚固对象的应变情况，而且锚杆内还设置了探测温度的第二光纤，由于测温度光纤通道不会压迫第二光纤，使得刚性锚杆的应变不会影响第二光纤测得的温度数据，同时又因能利用第二光纤测得的温度数据对第一光纤的应变监测数据进行修正，消除第一光纤应变中由温度造成的部分，从而更好的保证了巷道围岩应变监测数据的准确性。
21.3、本发明基于光纤传感技术的深部高地应力巷道围岩应变监测方法，通过光纤传输监测信号，监测距离大，且监测数据还可通过无线网络远程发送给监控中心，可实现远程监测。
附图说明
22.图1为深部巷道围岩应变监测系统的示意图；
23.图2为应变探测器设置在深部巷道围岩上的示意图；
24.图3为应变探测器设置的立体结构示意图；
25.图4为应变探测器设置在去掉护帽后的立体结构示意图；
26.图5为中空刚性锚杆的立体结构示意图；
27.图6为图4中p部的放大示意图；
28.图7为内杆插装在刚性外套管中的示意图。
具体实施方式
29.本实施例中基于光纤传感技术的深部高地应力巷道围岩应变监测方法包括以下
步骤：
30.1)将若干个应变探测器均匀锚入巷道两侧及顶部的围岩上，所述应变探测器包括刚性锚杆1、用于探测应变的第一光纤2和用于探测温度的第二光纤3。
31.所述刚性锚杆上设置有沿轴向贯穿的测应变光纤通道4，所述第一光纤从刚性锚杆的后端向前穿入测应变光纤通道，再从刚性锚杆前端向后经测应变光纤通道穿出；所述测应变光纤通道内填充有将第一光纤封固在测应变光纤通道中的填充物5。在具体实施中，填充物5可以为密封胶、树脂等。本实施例中所述测应变光纤通道为偶数条，具体为两条，当然在不同实施例中还可为其它偶数条；所述第一光纤在每条测应变光纤通道中只穿进一次。
32.所述刚性锚杆上设置有沿轴向贯穿的测温度光纤通道6，所述第二光纤从刚性锚杆的后端向前穿入测温度光纤通道，再从刚性锚杆前端向后经测温度光纤通道穿出，所述测温度光纤通道和第二光纤之间具有避免第二光纤被压迫的空隙。
33.所述刚性锚杆的前端设置有对露出的第一光纤和第二光纤进行保护的护帽7。在刚性锚杆锚入围岩时护帽能保护第一光纤及第二光纤不被损坏。护帽可采用螺纹连接等现有连接方式连接在刚性锚杆的前端。
34.2)将各个应变探测器的第一光纤依次串联，并将各个应变探测器的第二光纤依次串联；并将串联线路上的第一个应变探测器的第一光纤分别与第一光源8和第一信号处理装置9连接，将串联线路上的第一个应变探测器的第二光纤分别与第二光源10和第二信号处理装置11连接。在具体实施中各个应变探测器的第一光纤可通过光纤耦合器串联，也可是各个应变探测器共用一根完整的第一光纤和一根完整的第二光纤。
35.3)通过第一光源向第一光纤射入探测光，通过第一信号处理装置对第一光纤反射的光信号进行处理，得到被监测对象的应变数据；通过第二光源向第二光纤射入探测光，通过第二信号处理装置对第二光纤反射的光信号进行处理，得到被监测对象的温度数据。本实施例中，所述第一信号处理装置为分布式光纤应变感应系统，所述第二信号处理装置为分布式光纤测温系统。
36.4)在第二信号处理装置处理得到的温度数据基础上由温度与光纤应变间的关系得到因温度导致的第一光纤应变数据，再根据因温度导致的第一光纤应变数据修订第一信号处理装置处理得到的应变数据。
37.本实施例中基于光纤传感技术的深部高地应力巷道围岩应变监测方法，其采用的应变探测器不仅具备锚杆的锚固功能，还具有对被锚固对象进行应变监测的功能，既解决了深部巷道围岩的锚固问题，又解决了对围岩应变的监测问题。
38.本实施例中巷道围岩应变监测方法将应变探测器依次串联，形成了对被监测对象由点到线、再到面的全面监测，监测范围大、深度大，且能进行全时段实时监测，能全面掌握被监测深部巷道围岩应变内部的应变及应力情况。
39.本实施例中基于光纤传感技术的深部高地应力巷道围岩应变监测方法，其应变探测器中不仅设置了能跟随锚杆一起变形的第一光纤来探测被锚固对象的应变情况，而且锚杆内还设置了探测温度的第二光纤，由于测温度光纤通道不会压迫第二光纤，使得刚性锚杆的应变不会影响第二光纤测得的温度数据，同时又因能利用第二光纤测得的温度数据对第一光纤的应变监测数据进行修正，消除第一光纤应变中由温度造成的部分，从而更好的
保证了巷道围岩应变监测数据的准确性。
40.作为对上述实施例的改进，所述刚性锚杆1由刚性外套管101和可拆卸式插装在刚性外套管中的内杆102组成，内杆的外壁贴在刚性外套管的内壁上，所述护帽设置在外管套上，所述测应变光纤通道和测温度光纤通道设置在内杆上，且测应变光纤通道和测温度光纤通道沿轴向贯穿内杆。在具体实施中，刚性外套管可由中空圆钢或中空螺纹钢制成，内杆可由比刚性外套管软的材料制成，以便内杆能跟随刚性外套管变形，同时也使得能更容易的从刚性外套管中拔出。本改进使得在深部巷道掌子面向前推进时，只需要将内杆拔出再插入新的刚性外套管，即可重新组成新的应变探测器，可节约成本。
41.当然在不同实施例中，所述的刚性锚杆还为中空锚杆，所述测应变光纤通道和测温度光纤通道设置在中空锚杆的内孔周边上。
42.作为对上述实施例的改进，所述的巷道围岩应变监测方法还包括固定在测温度光纤通道中的护管12，所述第二光纤穿在护管中，护管和第二光纤之间具有避免第二光纤被压迫的空隙。具体的护管可通过粘接方式固定在测温度光纤通道中，护管能对第二光纤起到保护作用，避免第二光纤在刚性锚杆发生变形时受到压迫。
43.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。