2019西安煤炭会议柴敬

采动煤岩光纤感测方法西安科技大学柴敬2019年9月8-10日西安目录1前言2光纤传输与传感理论3覆岩变形光纤表征4工程应用5结论与展望1前言中国煤矿开采基本情况中国年生产约37.5亿吨煤炭，有14个大型基地，45个重点矿区，53个为千万吨级特大型煤矿，共有煤矿约6000处，90%为井工开采。如，以宁东、鄂尔多斯、榆林为核心的能源“金三角”地区，煤、油、气是区内的优势矿产资源，已查明煤炭资源总量3514亿吨，占全国25.50%，适合建设特大型矿井。我国煤矿开采的特点是，地域分布广，地质构造复杂，高瓦斯、突出矿井多。其中，工作面上覆岩层变形破坏是确保安全生产的重点问题之一，安全高效绿色开采，是未来发展的目标。三维模型试验能真实反映复杂工程地质构造和工程结构的空间关系，是工程开挖、支护设计、理论与数值计算验证及系统优化的重要手段。ABC采动覆岩“三带”与“三区”分布的理论模型与物理模型采场覆岩变形破坏信息化是煤矿精准开采在采场及开采扰动区多源信息采集传感的主要内容，是煤矿自动化、无人化、智能化开采的一个重要组成部分。覆岩变形的信息化是煤矿智能化开采的需要物理模型试验是重要研究手段1前言光导纤维的简称，一般由玻璃（SiO2）制成，是光信号传播的介质。a.光纤（opticalfiber）2光纤传输与传感理论0.009mm6由圆柱型内芯和包层组成，内芯材料为SiO2，且内芯的折射率略大于包层的折射率。斯乃尔定理：当光由光密物质出射至光疏物质时，将发生折射现象。全反射：利用不同介质使光在分界面上只产生反射，不产生折射。如果玻璃纤维弯曲得很厉害，以致于某些光线在弯曲处在芯与外层的分界面上的入射角小于临界角，则相应的光线会透过分界面，由外皮层漏掉。不过，只要弯曲的曲率半径比纤维的截面半径大10倍以上，则漏光很低。光纤弯曲角度不能小于50°。光纤传输的核心在于光纤中光的全反射2光纤传输与传感理论光纤损耗分为：（1）吸收损耗，如紫外、红外、OU、金属离子吸收损耗，属光纤本征损耗（2）散射损耗，如瑞利散射、波导散射、非线性散射损耗•当入射光功率很强时，光纤产生受激拉曼、受激布里渊散射和四波混频等现象，导致输入光能量转移至新频率分量上而带来损耗•瑞利散射损耗是光纤材料的本征损耗，不能消除，是材料密度不均匀引起折射率不均匀造成的，其本质是光遇到比其波长小的随机起伏的不均匀微粒，产生的光散射•波导散射损耗是光纤波导结构缺陷引起的，其本质是光纤制造工艺存在微裂痕、气泡、残存应力等波导结构不规则造成的散射•非线性损耗是导致光纤波长（频率）改变的损耗类型，如布里渊散射、拉曼散射等（3）辐射损耗，光纤受外力而弯曲导致形成辐射模所产生的光能量泄露•如拉张力、侧压、弯曲、挤压造成的宏弯和微弯-2光纤传输与传感理论2光纤传输与传感理论b.光纤传感（opticalfibersensor）外界信号如何调制光纤中的光波参量的调制技术和如何从被调制的光波中提取外界信号的解调技术。调制（Modulate）：对外界参量变化的感知，即外界信号对光纤的光参量（波长、频率等）的调制。解调（Demodulate）：将光纤中被调制的光波提取出来进行数据处理。光波的不同属性演化出了不同的调制技术类型：强度调制型，相位调制型，偏振调制型，波长调制型，频率调制型等。调制解调外界信号0(m)脉冲光探测器L(m)耦合器数据光纤（或光纤传感器）2光纤传输与传感理论光源耦合器脉冲光锐利散射探测器Power[dBm]0(sec)0(m)L(m)2nLC(sec)数据（一）基于瑞利散射的光时域分析技术（OpticalTime-DomainReflector,OTDR）用于检测光纤损耗、定位光纤故障的常用设备，是光纤的定位雷达。其工作原理是通过向被测光纤发射光脉冲，通过检测背向散射的瑞利散射在不同时域的光强，从而得到在光纤空间上的损耗定位；定位的距离和时域关系如下：式中，c是光在真空中的速度，t是光信号发出后到散射信号接收回来的时间，n是光纤的折射率。2光纤传输与传感理论周期微弯损耗外界信号使光纤发生周期很小的波状变化，光纤沿其轴线产生周期性微小弯曲。基于光纤微弯损耗原理的光纤微弯传感器是1980年J.N.Fields和J.H.Cole首次提出。22200023.06exp()wTNDwd高斯型曲率函数引起的微弯损耗式中，D0、w0为平均曲率脉冲峰值和宽度，N为脉冲数目。微弯损耗T随着w0的减小而增大，调节N、D0、w0的值可获得所需传感器的灵敏度及测量范围。裂隙测试位移测试周界安全测试2光纤传输与传感理论（二）基于Bragg反射的准分布式光纤光栅技术（FiberBraggGratings,FBG）宽带光入射光纤时，Bragg光栅会反射特定波长的光，该反射光的中心波长值λB与光栅所受的轴向应变和温度存在线性关系，表达为：式中，λB为反射光的初始中心波长；ΔλB为中心波长漂移量；Δε，ΔT分别为光栅受到的应变、温度变化量；Kε和KT分别为光栅的应变、温度标定系数，石英材质时其值约为0.784和6.67×10-6。BεTBgKKTBB=RHTSRHSTBB式中，为反射的中心波变化量，为反射中心波长，为温度变化量，为湿度变化量TRH、分别代表湿度和温度的灵敏度。RHSTS自主研制的基于光纤光栅的含水率传感器P-FBG基于湿敏材料的P-FBG准分布式光纤光栅技术其中参数2光纤传输与传感理论P-FBG传感器的制作、封装和安装，涂覆聚酰亚胺30mmφ=0.01mm涂覆后的传感器表面的扫描电镜图像试件中的铺装2光纤传输与传感理论（三）基于受激布里渊散射的光时域分析技术（BrillouinOpticalTime-DomainAnalysis,BOTDA）泵浦光源信号处理光纤入射光散射光脉冲光使声子激发，布里渊散射得到增强受激布里渊散射频率约±11GHz瑞利散射入射光频率拉曼散射频率拉曼散射光强探测光源连续光脉冲光SBSSBS2光纤传输与传感理论（三）基于受激布里渊散射的光时域分析技术（BrillouinOpticalTime-DomainAnalysis,BOTDA）宽带光纤两端的可调谐激光器分别将泵浦光与探测光注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频率差与光纤中某一区域的布里渊频移相等时，两束光之间发生能量转移，在该区域就会产生布里渊放大效应。因此测量过程中，调节激光器频率，检测接收器端功率，确定能量转移最大时的频率差：式中，ΔvB为布里渊频移变化量，c1为光纤对温度的敏感系数，c1=dvB(T)/dT；vB(ε)为发生应变处布里渊频移，c2为光纤对应变的敏感系数，c2=dvB(ε)/dε，vB(0)为初始布里渊频移。ΔvB=vB(ε)-vB(0)=c1ΔT+c2εε=[ΔvB-c1ΔT]/c2受激布里渊散射探测器光源脉冲光耦合器CW光源光纤（或光纤传感器）2光纤传输与传感理论光在传输过程中，光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生。光能转换为热振动，将发出一束受温度影响很小的光——斯托克斯光（Stokes光）；光能吸收热振动，将发出一束受温度影响较大的光——称为反斯托克斯光（Anti-Stokes光）。当温度发生变化时，结合光时域技术（OTDR）,可得Stokes和Anti-Stokes光的光强与温度的关系如下：式中，h为普拉克常数，k为波尔兹曼常数，△v为拉曼频移波数，T为绝对温度，vs和vas分别为斯托克斯散射光频率和反斯托克斯散射光频率。（四）基于拉曼散射的光时域分析技术（DistributedTemperatureSystem,DTS）耦合器光谱分离单元Anti-StokesStokes温度变化激光器脉冲光信号处理温度数据输出kTvhcvvIITRsassas/exp)(/43试验结果分析（一）平面模型试验结果岩层变形移动造成光纤频移的变化，光纤对采动影响（工作面位置）的响应，随着覆岩变形垮落高度位置不同，其频移变化特征呈现为不规则“台阶”。---光纤位置工作面位置---光纤频移曲线工作面远离光纤工作面靠近光纤工作面过光纤工作面再次远离光纤3覆岩变形光纤表征模型选用3m平面应力模型架，模型尺寸3000（L）×200（W）×1280（H）mm，几何相似比1:150，模拟上覆岩层厚度118cm3试验结果分析（一）平面模型试验结果-20002004006008001000布里渊频移/MHz100806040200推进138cm模型高度/cm118推进165cm推进177cm推进120cm推进189cm模型二光纤V2推进120cm时，工作面与垂直光纤V2的水平距离为3cm，受工作面前方超前支承压力影响，布里渊频移在36.56~37.02m段为负值，即在模型0~46cm高度范围内岩层受到压应力作用；推进138cm时，布里渊频移转在模型0~14cm高度范围为0，在14~108cm高度范围呈现向右的“台阶”，并在推进165cm时“台阶”向上移动；推进177cm、189cm后，光纤V2处于岩层垮落的采空区内，布里渊频移整体呈现负值，岩层在垮落荷载影响下处于压应力状态。模型二：垂直光纤V2随工作面推进的频移变化曲线4煤岩变形光纤表征3试验结果分析01002003004005006007007654321004080120160200240布里渊频移/MHz推进96cm推进111cm推进129cm推进147cm推进189cm推进219cm推进240cm模型位置/cm岩层位移/cm水平光纤的布里渊频移与测线D和F的下沉量，有对应关系，反映出了岩层的垮落下沉形态；测线D和F的位移曲线在模型0cm附近变化较为陡峭，而在远离0cm一侧变化较为平缓，这与光纤所测频移曲线相对应关系；布里渊频移代表该处光纤受到最大的拉应力，反映出岩层垮落形态即岩层破断线位置。平面模型光纤H3与全站仪下沉量测试结果对比3覆岩变形光纤表征300600900120015001800210024002700-100010020030040050060030000模型长度/mmBrillouin频移/MHz（一）平面模型试验结果19工作面推进248cm时，2号层位实际垮落宽度173cm，1号层位实际垮落宽度220cm，在破断位置形成明显的张拉裂隙。基于BOTDA分布式光纤测试的布里渊频移曲线能够反映岩层的整体移动变形情况。3覆岩变形光纤表征垮落宽度173cm垮落宽度220cm（一）平面模型试验结果3试验结果分析（17）推进2080mm（18）推进2200mm（19）推进2280mm（20）推进2400mm（二）三维立体模型-垂直光纤应变测试3覆岩变形光纤表征工作面1开挖，垂直光纤V11数据分析：依据工作面与光纤的距离，将频移曲线划分为3部分：02004006008001000120014001600-600-500-400-300-200-1000100200300400500600Brillouin频移/MHz模型高度/mm推进560mm推进480mm推进360mm推进0mm174002004006008001000120014001600-600-500-400-300-200-1000100200300400500600Brillouin频移/MHz模型高度/mm推进840mm推进720mm推进680mm174002004006008001000120014001600-600-500-400-300-200-1000100200300400500600Brillouin频移/MHz模型高度/mm推进2400mm推进2280mm推进2200mm推进2080mm推进1960mm推进1840mm推进1680mm推进1560mm推进1440mm推进1320mm推进1200mm推进1080mm推进960mm1740工作面推进0～560mm工作面推进680～840mm工作面推进960～2400mmH=500H=310H=620H=170H=640H=