基于光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法

技术特征：
1.基于光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法，其特征在于，包括(1)、冲预泵光纤传感技术原理；(2)、回采巷道围岩松动圈关键特征及分布式光纤应变表征方法；(3)、围岩松动圈测试光纤布设工艺及方法；所述的冲预泵光纤传感技术原理包括：在测量过程中，连续调整两个激光器的频率以检测接收端的功率，并确定最大能量传输时的频率差，进一步确定产生频率差位置处的外界因素；δv
b
＝v
b(ε)-v
b(0)
＝c1δt c2δε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)δε＝[δv
b-c1δt]/c2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：δv
b
为布里渊频移的变化；c1是温度的敏感系数；v
b(ε)
是应变引起的布里渊频移；c2是应变的敏感系数；v
b(0)
是初始布里渊频移；通过检测布里渊信号的频移变化和归一化信号功率变化值来获得光纤的应变和温度信息，以实现分布式测量。2.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法，其特征在于，所述的回采巷道围岩松动圈关键特征及分布式光纤应变表征方法具体包括：(2.1)碎胀和挤压膨胀岩石多为脆性材料，受井下实际巷道断面限制，巷道围岩在弹性阶段产生很小的弹性变形即发生宏观破坏；破碎岩块在矿山压力作用下进一步挤压破碎；碎胀是岩石类材料的显著特征，当岩石发生宏观破坏后即表现为碎胀，岩体破坏后挤压膨胀则被认为是煤矿软岩或回采巷道变形以数十至数百毫米的主要原因；松动圈岩体处碎胀状态，破碎岩块相互挤压，体积膨胀，是回采巷道围岩松动圈关键特征之一；当松动圈范围为h，挤压移近量为a时，处于松动圈内的光纤整体受拉，其应变可表示为：式中：ψ(c)为光纤与相邻介质的耦合状态函数；k为岩石碎胀系数；α为光纤植入的倾角；f(a)是破碎岩石挤压相对移近时引起的附加膨胀量，当f(a)为0时，对应碎胀特征区范围内光纤应变表示为：可见，松动圈内光纤应变值的大小与破坏区发育范围无关，光纤受拉(应变＞0)范围即表征了松动圈的范围；根据以上分析，通过实时观测光纤的应变为正的对应的光纤范围，即可实现对巷道围岩松动圈发育范围的实时监测；(2.2)渐进破坏回采巷道围岩应力受工作面回采超前支承压力影响不断增大，巷道围岩破坏范围(松动圈范围)不断增大即是围岩应力增大过程的直观响应；根据芬纳——卡斯特纳公式，巷道围岩松动圈半径可表示为：
式中：a为巷道等效半径，m；为围岩摩擦角，度；σ为地应力，mpa；c
*
为围岩内聚力，mpa；可见，受超前支承压力影响，即σ增大的过程，巷道围岩松动圈半径随之增大，表现出由浅即深的渐进破坏特征；分布式光纤受拉应变范围的增大表征了巷道围岩松动圈的增大过程；光纤应变增大的过程表征了围岩应力环境的恶化过程。3.根据权利要求1所述的基于全分布式光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法，其特征在于，所述的围岩松动圈测试光纤布设工艺具体包括：(3.1)光纤植入光纤宜以钻孔形式植入待测巷道围岩中，钻孔应与围岩呈一定夹角，且越小越好；将光纤布设在pvc空心管壁外，将其送入钻孔，并采用水泥封孔；(3.2)光纤定位由于井下所用光缆多为铠装加强筋光缆，传统加热法、张拉法定位效果受到极大限制，故在传感光缆选型时应采用两种不同初始中心频率的光缆；通过传感光缆的初始中心频率即可对光纤的空间位置进行分辨。4.根据权利要求3所述的基于光纤传感技术的巷道围岩松动圈发育实时监测方法，其特征在于，所述的光纤植入具体包括以下步骤：(3.11)钻孔：钻孔孔径应不小于pvc管外径，其偏斜率不超过1
°
；钻孔工作结束后，清孔，并对钻孔进行一次冲孔处理，扫除孔壁上的碎石，保证钻孔的成型质量，保证光纤顺利植入；(3.12)将光纤布设在预先设置孔洞的pvc管壁外，并采用胶带或扎带，按照固定的长度对光纤进行固定；其中，在pvc管上钻孔的作用是为了对带有分布式传感光缆的pvc管进行注浆，水泥浆通过pvc管上的孔流入钻孔中，使带有传感光缆的pvc管与围岩充分粘合；(3.13)光纤下放：以上工作完成后，将带有光纤的pvc管下放至钻孔中，下放过程中，采用激光笔实时对光纤的完好性进行检测；(3.14)注浆：光纤下方完成后，对pvc管内带压注入水泥浆液，待水泥浆注满后封孔。

技术总结
本发明公开了一种基于全分布式光纤传感技术的回采巷道围岩松动圈发育范围实时监测方法，它涉及煤炭开采技术领域。主要包括：


技术研发人员：柴敬 韩志成 张丁丁 黄志明 高靖博 兰浩 马晨阳 孙凯 翁明月 郑忠友
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：2022.08.29
技术公布日：2022/11/18