1、FBG 传感技术在矿山地压监测中的应用余乐文（北京矿冶研究总院，北京 100070）摘要：在光纤 Bragg 光栅传感原理理论分析的基础上，提出基于 FBG 的地压监测系统。在承德铜兴矿业有限责任公司建立地压监测系统，实时监测岩体的位移和压力变化。监测结果表明，FBG 传感技术可有效监测岩体位移和压力变化，验证了该技术的可靠性和可行性，为矿山地压监测提供新方法。关键字：光纤 bragg 光栅，地压监测，位移，压力中图分类号：TN247,TP212 文献标识码：AApplication of FBG Sensing Technology in Mine Ground Pressure Monit
2、oringYU Le-wen(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100070, China)Abstract: On the basis of the theoretical analysis of fiber bragg grating sensing technology, the ground pressure monitoring system basing on fiber bragg grating is proposed. The system is established i
3、n ChengDe TongXing Co.Ltd for monitoring the changes of the displacement and pressure.The results show that the FBG sensing technology can monitor the changes of the displacement and pressure effectively, which verify the reliability and feasibility of the FBG sensing technology and provide a new me
4、thod for ground pressure monitoring. Key words: fiber bragg grating; ground pressure monitoring; displacement; pressure0 引言光纤传感技术是 20 世纪 70 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，该技术具有“传” 、 “感”合一的特点 1，代表新一代传感技术的发展趋势，并以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感技术具有可靠性好、抗电磁干扰能力强、动态响应快、灵敏度和测试精度高、体积小、质量轻、耐久性强及可实现远距离实时监测
5、等优点，BOTDR、BOTDA 等新技术可进行分布式测量，在航空航天、船舶、电力、桥梁、堤坝、边坡和隧道等工程结构及岩土工程的监测与诊断中获得广泛研究与应用 2-6。我国对光纤传感技术的研究相对国外晚一些，尤其在金属矿山中的安全监测手段以传统监测方法为主，还鲜见 FBG 在地压监测中的应用实例。文中采用 FBG 传感技术对承德铜兴矿业公司南六号空区下三中段 41 线附近巷道进行安全监测，监测巷道当前的位移、压力变化和长期使用的可靠性及安全程度，为矿山安全运营提供可靠监测数据，提升矿山安全监测的整体水平，并在矿山安全管理方面发挥重要的作用。1 工作原理光纤 Bragg 光栅传感技术是通过对在光纤
6、内部写入的光栅反射或透射 Bragg 波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量，其传感原理如图 1 所示。而光纤Bragg 光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期 和反向耦合模的有效折射率*国家高技术研究发展计划（863 计划）重点项目（编号：2008AA062101 ）；北京矿冶研究总院院科研基金项目（编号：YJ-2008-11）。余 乐文：（1984- ），男，助理工程师，机械设计及理论专业，主要从事矿山自动化仪器 仪表研发。，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅 Bragg 波长的漂移 7-9。efnBragg 波长由下式决定：(1)2Befn式中 为 Bra
7、gg 波长； 为纤芯有效折射率； 为光栅周期。Befn由式(1)可知，Bragg 波长是随 和 而改变的。当光栅所处的外界环境发生变化时，ef可能导致光纤光栅本身的温度发生变化。由于光纤材料的热光效应，光栅的折射率会发生变化；由于热胀冷缩效应，光栅的周期也会发生变化，从而引起 的变化，最终导致光栅efnBragg 波长 的漂移。漂移的幅度与温度的改变量呈线性关系：B(2)=+BB（ ） T式中 为温度变化引起的 的漂移幅度； 为光纤材料的热膨胀系数；B1d为热光系数；T 为温度的变化量。1=efdn入射透射反射光 纤 包 层 光 纤 纤 芯图1 光纤bragg 光栅传感原理Fig.1 The
8、sensing principle of fiber bragg grating2 光纤地压监测系统构成基于光纤光栅的矿山地压监测系统应包括以下几个部分：1）光纤传感系统：主要包括光纤光栅解调仪、光纤传感器，是将光纤传感器中待测的物理量通过解调仪解调成为电信号接入工控机。2）数据采集和存储：通过光纤传感采集软件将数据进行初步处理，并将数据储存在数据库中，以备查询、调用。3） 通讯系统：将储存在数据库中的数据传输到监控中心。4） 监控中心和网络发布：利用网络发布软件系统实时显示数据，并查询、调用数据库数据，通过监控中心专家系统分析数据，对矿山地压监测系统中位移、压力等测量参数做出判断，评估地压监
9、测系统的安全性和稳定性，如果发现异常，发出报警信息。同时网络发布系统可以在异地查询系统的实时运行状态。系统构成如图2所示： 地 压监 测对 象 智 能光 纤传 感 数 据采 集与 储存 通 讯系 统 监 控中 心与 网络 发布 专 家系 统判 断图 2 系统构成Fig.2 System structure3 光纤传感系统工程应用(1)工程概况承德铜兴矿业有限责任公司光纤光栅地压监测系统布设于南六号空区下三中段 41 线附近，目的是监测该区域空区稳定性。41 线临近空区巷道顶板出现裂缝，裂缝的长度大约有10 米，开口最大的达 4cm，裂缝距离空区最近的距离大约只有 3m，巷道有垮塌的危险。因此，
10、在顶板裂缝处布置光纤光栅位移传感器，用于监测裂缝位移变化，判断岩体的稳定性和安全性；同时安装光纤光栅压力计，监测巷道周围压力分布情况，分析巷道岩体应变分布情况，如图 3 所示。图 3 工程概况Fig.3 The engineering situation(2)光纤传感系统承德铜兴矿业有限责任公司光纤光栅地压监测系统主要由光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、工控机、光纤、光纤跳线、传输光缆、系统软件等部分组成。其中光纤光栅解调仪采用美国 Micron Optics 公司生产的 SM130，如图 4 所示；监测系统采用光纤光栅位移传感器、压力传感器监测空区稳定性，如图 5 所示。图 4 SM130 解
11、调仪Fig.4 The SM130 demodulation instrument(a)光纤位移传感器 (b)光纤压力传感器图 5 FBG 传感器(a) Optical fiber displacement sensor (b) Optical fiber pressure sensorFig.5 Fiber bragg grating sensor(3)传感器安装光纤光栅传感器安装方式如图 6 所示。光纤位移传感器安装在裂缝的两侧，用不锈钢杆固定，首先在巷道顶板裂缝两侧钻两个孔，安装过程中在水泥沙中加入少量的水玻璃，使水泥能快速凝固，缩短传感器安装时间和降低安装难度，并增加结构稳定性。光纤光
12、栅压力传感器安装方法简单，首先在巷道中钻孔，将传感器放入孔中，用水泥灌浆，动态监测巷道周围应力的变化情况。(a)光纤位移传感器安装方法 (b)光纤压力传感器安装方法图 6 光纤传感器安装方法(a) The installation method of optical fiber displacement sensor (b) The installation method of optical fiber pressure sensorFig.6 The installation method of optical fiber sensor4 数据采集与结果分析(1)系统软件功能承德铜兴矿业有
13、限责任公司光纤光栅地压监测系统软件部分主要包括数据采集、储存和网络发布功能。数据采集和储存系统位于井下工控机中，主要功能包括采集光纤传感器数据，并光纤传感器进行编号后将数据储存在相应的数据库中，软件界面如图 7 所示；网络发布系统位于监控中心服务器上，主要功能有显示、数据查询调用、报表和报警等，软件界面如图 8 所示。显示功能可以显示现场传感器安装位置图和采集数据信息；数据查询调用主要是对安装的传感器进行传感器分类查询、历史数据查询和报警信息查询，便于分析统计实时和历史数据；报表功能是系统可打印年、季、月、日等信息报表，以及曲线列表信息等；报警功能先设置阈值，当位移、压力变化超过预设阈值时进行
14、报警，包括声光报警和短信报警，可以通过短信形式将报警信息发送到相关部门领导和工作人员手机上。图 7 数据采集与储存 图 8 数据查询与调用Fig.7 The data acquisition and storage Fig.8 The data query and transferring(2)结果分析对承德铜兴矿业有限责任公司南六号空区下三中段 41 线的围岩条件进行一个月的持续监测，从监测数据结果分析，光纤位移传感器和光纤压力传感器中心波长变化稳定，未出现大的离散变化，与巷道实际情况相吻合。系统采集数据如图 9、10 所示。12.51313.51414.5150 200 400 600 8
15、00 1000位移/mm测 量 时 间 /h0.50.550.60.650.70.750.80 200 400 600 800 1000压力/Mpa测 量 时 间 /h 图 9 位移- 时间变化曲线 图 10 压力-时间变化曲线Fig.9 The variation curves of displacement-time Fig.10 The variation curves of pressure-time光纤光栅地压安全监测系统中位移传感器初始位移为 13.8mm；压力传感器初始压力为 0.66Mpa。由图 9，10 可知，巷道经过一个月的持续监测，FBG 传感系统的传感器中心变化稳定，位
16、移在0.2mm 范围内变化，变化比例为1.44% ，压力在0.015Mpa 范围内变化，比划比例为2.3%。根据现场实际情况看，位移和压力的变化原因可能是温度、应变较差影响带来的中心波长偏移；同时巷道附近的施工爆破及巷道内皮带工作引起的振动对光纤传感器可能产生影响。井下环境恶劣，常伴有防尘、潮湿、震动等因素干扰，光纤光栅地压监测运行状态稳定，由此可见，光纤光栅地压监测系统的可靠性和稳定性较好，适用矿山安全监测中应用。5 结论（1 ）通过对承德铜兴矿业有限责任公司南六号空区下三中段 41 线围岩条件进行一个月的持续监测表明：裂缝位移变化为0.2mm，压力值基本保持稳定，说明顶板岩体结构稳定，与裂
17、缝没有产生变化相符合。（2 ）考虑 FBG 的中心波长变化与温度的交叉敏感问题，需要在光纤传感器中加入光纤光栅温度传感器进行温度补偿，减小井下温度变化带来的影响，确保监测数据的准确性。（3 ）文中提出的巷道光纤光栅传感器布设方案可以持续、稳定监测空区状态，同时光纤线路运行良好。监测结果表明，FBG 传感技术可对有效监测矿山地压，监测围岩位移和压力变化情况。随着这项技术的不断成熟和发展，其在矿山地压监测领域将会有更为广阔的应用前景。参考文献1 温立志,张戌社. 光纤 FBG 光栅传感测试技术研究及其应用 J. 石家庄铁道学院学报, 2004, 17(4): 71-74.2 丁勇,施斌,崔何亮,等
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