彭 泓，劉亞飛

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

0 引 言

隨著現(xiàn)代開(kāi)采技術(shù)的更新?lián)Q代，煤礦向深部開(kāi)采逐漸成為常態(tài)[1]。深部復(fù)雜的圍巖結(jié)構(gòu)增加了掘進(jìn)和回采的風(fēng)險(xiǎn)，也對(duì)巷道支護(hù)強(qiáng)度提出了更加嚴(yán)苛的要求。錨桿作為一種成熟的支護(hù)方式代替了木棚支護(hù)[2]，在控制圍巖變形、提升巷道的穩(wěn)定性方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。在運(yùn)用錨桿對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，需要對(duì)圍巖進(jìn)行鉆孔，配合樹(shù)脂藥卷和鎖具將錨桿錨固到圍巖中。巷道圍巖一般處于層狀式結(jié)構(gòu)，在受到工作面回采擾動(dòng)或礦山壓力增加的時(shí)候，錨桿無(wú)法跟隨圍巖持續(xù)變形導(dǎo)致錨桿被剪切[3-4]，部分錨桿出現(xiàn)斷裂、崩出的情況。錨桿斷裂導(dǎo)致區(qū)段平巷支護(hù)失效，對(duì)煤礦作業(yè)人員有著嚴(yán)重威脅，因此需要一種對(duì)錨桿桿體有效的監(jiān)測(cè)方式對(duì)其受力變化進(jìn)行分析并針對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。

目前錨桿桿體狀態(tài)檢測(cè)一般采用電阻應(yīng)變片、活塞式軸力監(jiān)測(cè)等裝置；應(yīng)力反射波法用于檢測(cè)錨桿有效錨固長(zhǎng)度等[5]。邵鳳瑩等[6]用電阻應(yīng)變片改進(jìn)錨桿組建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是瓦斯氣體的存在導(dǎo)致電壓信號(hào)傳遞存在安全隱患，且防爆設(shè)備對(duì)經(jīng)濟(jì)成本要求更高。柴敬等[7]將光柵傳感器和電阻應(yīng)變片粘貼于錨桿表面，通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)光柵傳感器精度更高，但此種制作方式無(wú)法在巷道支護(hù)中安裝使用。李毅等[8]通過(guò)增加參考光纖對(duì)測(cè)力計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但是這種油缸傳遞式僅能測(cè)量錨桿端部應(yīng)力，無(wú)法對(duì)桿體狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。孫玉萍等[9]采用了光纖光柵對(duì)錨桿應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但是其整個(gè)監(jiān)測(cè)集中在頂板的分析，在巷道中只有一個(gè)斷面安裝傳感器且只有單幫安裝，無(wú)法對(duì)區(qū)段平巷兩幫受力進(jìn)行觀測(cè)。章嘉康等[10]通過(guò)數(shù)學(xué)差分法對(duì)錨桿波長(zhǎng)變化分析計(jì)算出受力角度，但未給出桿體受力變化規(guī)律，同時(shí)3條光纖的開(kāi)槽對(duì)桿體破壞程度較高，桿體本身支護(hù)效果受到影響。

為更好地研究錨桿桿體不同部位受力變化規(guī)律，筆者提出一種基于光纖光柵的錨桿傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。利用光纖光柵抗拉、體積小的特性將其埋入錨桿桿體內(nèi)部，使得其既能夠克服表貼式無(wú)法在工業(yè)中使用的缺點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)地實(shí)時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)特性能夠保證后期分析數(shù)據(jù)量充足，最終能判斷桿體變化規(guī)律并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。

1 錨桿傳感器原理

錨桿傳感器主要由Bragg光柵傳感器、光纖信號(hào)傳輸線、錨桿、FC接頭、耦合器、樹(shù)脂膠水組成。傳感器通過(guò)信號(hào)傳輸線連接，將其和桿體一體封裝，通過(guò)FC跳頭和耦合器接入至解調(diào)設(shè)備內(nèi)，錨桿傳感器即可工作。

1.1 光柵傳感器工作原理

Bragg光柵傳感器[11]由于諧振波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)變等環(huán)境變化較為敏感，因此在測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12]。通過(guò)在光纖纖芯一端打入和傳感器波段范圍匹配的光譜，由于光柵對(duì)入射光進(jìn)行反射，可以在入射光同一端對(duì)反射光的光譜進(jìn)行測(cè)算從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵中心波長(zhǎng)的解調(diào)，如圖1所示。

圖1 光柵傳感器工作原理Fig.1 Principle of fiber sensor

光柵傳感器中心波長(zhǎng)：

λ=2neffΛ

(1)

式中：neff為光柵有效折射率；Λ為光柵周期。

光柵周期可以根據(jù)其本身所受形變而變化，例如光柵被擠壓、拉伸導(dǎo)致微弱形變即可反映到光柵中心波長(zhǎng)的變化[13]。光纖光柵解調(diào)器是對(duì)傳感器提供帶寬光源、控制激光打入頻率、解調(diào)反射光譜、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的重要設(shè)備。主要由AES掃描光源、F-P校準(zhǔn)模塊、調(diào)理轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等構(gòu)成。其中解調(diào)設(shè)備本身帶有校準(zhǔn)光柵，解調(diào)算法依靠掃頻光源對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的周期性掃描[14]從而對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中心波長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。由于電路、光路噪聲影響，采樣信號(hào)產(chǎn)生畸變導(dǎo)致最大值法尋峰測(cè)量不夠準(zhǔn)確[15],高斯多項(xiàng)式擬合[16]是利用反射光譜與高斯曲線類似的特點(diǎn)，根據(jù)多項(xiàng)式尋找中心波長(zhǎng)，精度較高，因此本方案中采用多項(xiàng)式擬合作為解調(diào)算法。

1.2 光纖光柵傳感器錨桿結(jié)構(gòu)原理

錨桿傳感器結(jié)構(gòu)由光纖光柵、配套鎖具、纖芯、錨桿桿體、鎧裝尾纖5部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。光纖光柵部分用于測(cè)量桿體的形變程度，通過(guò)自身光柵周期偏移量計(jì)算桿體受力變化量；光芯部分用于將多個(gè)不同參數(shù)的光柵連接起來(lái)，并將其不同的中心波長(zhǎng)信息傳遞到鎧裝尾纖部分；鎧裝尾纖用于在不同環(huán)境下保證其能夠連接到解調(diào)設(shè)備中，解決普通光纖易于折斷的問(wèn)題。配套鎖具和托盤用于對(duì)傳感器施加高預(yù)應(yīng)力，使其能夠測(cè)量軸向受力變化。錨桿端部根據(jù)所需測(cè)量的錨桿長(zhǎng)度和錨固藥劑的用量按比例預(yù)留未拉槽的部分，用于和錨固劑進(jìn)行錨固，避免錨桿在托盤受力后崩出導(dǎo)致測(cè)量失效。

圖2 錨桿傳感器結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structural principle of anchor sensor

將連接好的光柵串平整放入凹槽，通過(guò)將光纖光柵區(qū)域貼附至凹槽處保證錨桿受力和傳感器變形的同步，其余光芯通過(guò)凹槽回填的方式進(jìn)行封裝使其能夠準(zhǔn)確地傳輸所有傳感器信號(hào)，最終對(duì)所有傳感器和線路進(jìn)行封裝并保護(hù)。封裝后如圖3所示。

圖3 錨桿傳感器Fig.3 Anchor sensor

光柵本身的靈敏性決定其對(duì)應(yīng)變測(cè)量的敏感性，也意味著光柵用于測(cè)量的時(shí)候?qū)е缕浯嬖诤芏嗟脑肼晹?shù)據(jù)。在后續(xù)采集數(shù)據(jù)中，需要對(duì)光柵傳感器所測(cè)量的環(huán)境相關(guān)因素同時(shí)進(jìn)行測(cè)量記錄。利用光纖纖芯本身抗拉的特性使得其能夠同步匹配被測(cè)量的支護(hù)材料變形，較大的動(dòng)態(tài)變化范圍及易于對(duì)中心波長(zhǎng)擬合的特性使得測(cè)量更直觀準(zhǔn)確。

2 錨桿傳感器監(jiān)測(cè)方案

試驗(yàn)方案包括傳感器錨桿的標(biāo)定、選定錨桿傳感器測(cè)量位置、對(duì)其進(jìn)行安裝，最終進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析。

2.1 技術(shù)路線

整個(gè)錨桿受力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：帶有傳感器的錨桿、信號(hào)傳輸光纜、解調(diào)設(shè)備、上位機(jī)軟件。首先對(duì)監(jiān)測(cè)錨桿進(jìn)行制作封裝，在完成制作后選取監(jiān)測(cè)位置以及合適步距，確定之后配合井下工人對(duì)巷道圍巖進(jìn)行打鉆安裝，將錨桿尾端信號(hào)傳輸線通過(guò)光纜連接至解調(diào)儀的FC端口，安裝完成后通過(guò)上位機(jī)軟件運(yùn)行解調(diào)設(shè)備對(duì)所有錨桿的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，設(shè)備不間斷運(yùn)行對(duì)錨桿每時(shí)刻狀態(tài)進(jìn)行記錄，最終將波長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理從而達(dá)到對(duì)錨桿桿體受力變化監(jiān)測(cè)目的。技術(shù)方案如圖4所示。

圖4 技術(shù)方案Fig.4 Technical proposal

2.2 錨桿傳感器標(biāo)定

在將傳感器埋入到錨桿中，傳感器本身應(yīng)變對(duì)應(yīng)的受力與錨桿桿體受力需要重新進(jìn)行標(biāo)定[17]，通過(guò)將成品測(cè)量錨桿在拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)加力，然后對(duì)其變化波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定，在測(cè)定波長(zhǎng)變化后與拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)加載力的變化對(duì)比擬合，從而為后續(xù)測(cè)量波長(zhǎng)計(jì)算錨桿受力變化進(jìn)行對(duì)比。同批次的傳感器其變化特性一致，為了減小標(biāo)定量的誤差，對(duì)其進(jìn)行2次標(biāo)定試驗(yàn)。

2.3 錨桿傳感器布置方案

為保證試驗(yàn)錨桿和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用一致，本方案采取規(guī)格為?18 mm×2 100 m的螺紋鋼錨桿，將5個(gè)波長(zhǎng)不同的光纖光柵傳感器按照380 mm的間距安裝在桿體內(nèi)部，并在錨桿頭部預(yù)留200 mm的距離用于錨固。采取32組錨桿布設(shè)方式來(lái)提高測(cè)量數(shù)據(jù)的容錯(cuò)性能，采用和現(xiàn)有錨固方式相同的錨固材料KS50保證錨固強(qiáng)度，同時(shí)將鎧裝尾纖穿過(guò)木制托盤和配套鎖具，在錨桿裝好后將信號(hào)通過(guò)接線盒接入至解調(diào)設(shè)備中。

監(jiān)測(cè)錨桿位置布置原則包括：①根據(jù)巷道來(lái)壓步距對(duì)錨桿監(jiān)測(cè)斷面定在每組為10 m的采樣間距。②錨桿監(jiān)測(cè)位置易于施工，后期輔運(yùn)巷道拆卸水管和二次掛網(wǎng)等工作會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)線造成損毀，需要方便后期維護(hù)；③選擇錨桿受損嚴(yán)重或有斷裂的位置安裝，選擇錨桿在巷道兩幫變形較大的位置處監(jiān)測(cè)；④完成布設(shè)工作后，距離工作面最近的監(jiān)測(cè)錨桿要大于200 m，使得數(shù)據(jù)能夠測(cè)算到工作面較遠(yuǎn)的時(shí)候錨桿桿體受力情況，判斷其是否有明顯受力變化。

低位監(jiān)測(cè)錨桿距離底板高度約為800 mm，高位監(jiān)測(cè)錨桿約為1 800 mm；錨桿采用分布式布置[18]，每個(gè)斷面設(shè)置為4根錨桿傳感器，內(nèi)、外幫每幫各1組即2根錨桿傳感器，試驗(yàn)巷道長(zhǎng)80 m，超前支架布置在超前工作面40 m范圍內(nèi)，因此為檢測(cè)到離工作面最近的錨桿數(shù)據(jù)，需要將解調(diào)設(shè)備布置在距離最先進(jìn)入工作面錨桿的120 m位置處才能保證所有錨桿的數(shù)據(jù)完整采集。錨桿在監(jiān)測(cè)斷面位置如圖5所示。解調(diào)設(shè)備是24 h不間斷運(yùn)行的，要采用光纜保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)性，為節(jié)省材料和施工、維護(hù)方便，采用4芯光纜對(duì)每幫的2組即4根錨桿進(jìn)行接線，另一端通過(guò)FC接口法蘭接入解調(diào)設(shè)備。所有安裝完成以后，開(kāi)始運(yùn)行解調(diào)儀采集數(shù)據(jù)。

圖5 監(jiān)測(cè)位置Fig.5 Installation location

3 波長(zhǎng)數(shù)據(jù)分析

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集完畢后，通過(guò)對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)剔除，同時(shí)統(tǒng)計(jì)工作面每日推進(jìn)進(jìn)度、支架工作阻力數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)錨桿距離工作面的動(dòng)態(tài)位置，進(jìn)行綜合比對(duì)分析。

3.1 無(wú)效數(shù)據(jù)剔除

在區(qū)段平巷安裝工作完成后，開(kāi)始運(yùn)行設(shè)備、對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，設(shè)備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)頻率為1 Hz，即每秒儲(chǔ)存1個(gè)波長(zhǎng)，解調(diào)和監(jiān)測(cè)設(shè)備需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)存。解調(diào)設(shè)備本身設(shè)置的算法是消除光譜尋峰帶來(lái)的誤差，但無(wú)法對(duì)巷道壓力作用在傳感器上的波長(zhǎng)抖動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，為了能夠準(zhǔn)確地分析變化規(guī)律，需要對(duì)噪聲波長(zhǎng)進(jìn)行剔除。巷道中錨桿受力監(jiān)測(cè)變化在以秒為單位的時(shí)間里變化較慢，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保證即使在剔除部分?jǐn)?shù)據(jù)依然可以實(shí)現(xiàn)結(jié)果準(zhǔn)確分析，因此對(duì)于無(wú)效波長(zhǎng)數(shù)據(jù)采取剔除的方式。數(shù)據(jù)剔除采用3σ準(zhǔn)則結(jié)合Grubbs準(zhǔn)則檢測(cè)方法[19]。

3σ準(zhǔn)則思想源于切比雪夫不等式[20]，假設(shè)對(duì)被測(cè)量進(jìn)行等精度測(cè)量且服從正態(tài)分布，測(cè)試值Xi的殘差Xd=Xi-u(1?d?n)滿足|Xd|>3σ，則將測(cè)量值作為異常值剔除；σ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差，按照貝塞爾公式計(jì)算：

(2)

式中:n為樣本總數(shù)；Xi為樣本值；μ為均值。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)將滿足μ-3σ≤Xi≤μ+3σ的數(shù)據(jù)作為測(cè)量值保留。設(shè)備在每分鐘的時(shí)間中進(jìn)行60次波長(zhǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，波長(zhǎng)值基于正態(tài)分布。將每個(gè)傳感器1 min內(nèi)的中心波長(zhǎng)λ1,λ2，…,λ60按照上述方式剔除，剩下的波長(zhǎng)λ1,λ2，…,λi(i<60)記作有效波長(zhǎng)。由于波長(zhǎng)抖動(dòng)、誤差出現(xiàn)頻次不規(guī)律，在擬合分析中采用3σ準(zhǔn)則以每分鐘60個(gè)樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，在對(duì)每分鐘樣本數(shù)據(jù)剔除后計(jì)算有效值。在分析長(zhǎng)期受力變化中，在每分鐘有效數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過(guò)Grubbs準(zhǔn)則檢測(cè)，以每15 min為1個(gè)單位，再次進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除，如此一來(lái)既保證有效數(shù)據(jù)不會(huì)被刪除又能夠剔除噪聲波長(zhǎng)。

3.2 錨桿不同位置受力分析

在結(jié)合推進(jìn)度對(duì)采集到的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)處理分析后：將所有傳感器安裝好后以其安裝后第2天數(shù)據(jù)為基值數(shù)據(jù)，后期數(shù)據(jù)與基值數(shù)據(jù)作差比較，以其中一根錨桿從距離工作面300 m到距離20 m左右的變化為例，如圖 6所示。

圖6 錨桿不同埋深位置受力Fig.6 Stress at different buried depth

在工作面還沒(méi)有近距離推進(jìn)過(guò)來(lái)時(shí)，即在距工作面120 m以外時(shí)，錨桿桿體不同部分雖然有變化，但趨勢(shì)總體較為平緩，這說(shuō)明桿體本身處于正常服役狀態(tài)且巷道支護(hù)有效。同時(shí)也反映巷道兩幫受力即使離工作面較遠(yuǎn)也在發(fā)生著變化但其受力變化較為微弱，受工作面應(yīng)力重新分布影響較小。在距離工作面100～60 m時(shí)，錨桿傳感器中心波長(zhǎng)發(fā)生了較為劇烈的變化，埋深不同的位置變化幅度、變化趨勢(shì)都出現(xiàn)了較大的變化和差異，埋深280 mm和660 mm的位置受力先是出現(xiàn)了急速的增長(zhǎng)，但是后期逐漸又降了下來(lái)，且變化趨勢(shì)和增量趨于一致；埋深1 040 mm和1 420 mm的位置受力趨于一致，在距離工作面較遠(yuǎn)的時(shí)候，總體受力雖有波動(dòng)但無(wú)巨大變化，在距離工作面50 m時(shí)，錨桿桿體埋深的位置受力隨著工作面的推進(jìn)迅速增大；而埋深1 800 mm 的位置則是一直持續(xù)增長(zhǎng)。

總結(jié)以上錨桿不同位置受力情況可以看出，錨桿桿體在巷道圍巖支護(hù)的時(shí)候，不同位置受力變形并不同步，因此可以看出錨桿受力復(fù)雜且受力變化非線性的特點(diǎn)，并不是傳統(tǒng)中認(rèn)為錨桿受力僅集中在軸向，如果錨桿受力主要由于圍巖表層煤塊碎落導(dǎo)致木托盤帶動(dòng)錨桿崩出導(dǎo)致，那么錨桿不同位置變化增量可以不一致，但是總體變化趨勢(shì)必須一致；然而根據(jù)測(cè)量到的數(shù)據(jù)分析，說(shuō)明桿體不僅受軸向拉力，其徑向所受煤層壓應(yīng)力影響也很大。

3.3 內(nèi)外幫錨桿受力對(duì)比

監(jiān)測(cè)錨桿施工位置在輔助運(yùn)輸巷，因此內(nèi)幫監(jiān)測(cè)錨桿位于開(kāi)采的工作面，外幫為支撐煤柱?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鄰近工作面時(shí)巷道兩幫幫鼓、片幫程度不一致，因此需要通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，和現(xiàn)場(chǎng)情況相互驗(yàn)證。對(duì)兩幫錨桿受力進(jìn)行對(duì)比，可以看出內(nèi)幫錨桿從100 m以外、外幫從60 m以外的距離，兩幫錨桿受力變化較為平緩，幾乎沒(méi)有發(fā)生大的受力以及形變，說(shuō)明錨桿支護(hù)在離工作面較遠(yuǎn)的時(shí)候，支護(hù)效果非常好，如果沒(méi)有采動(dòng)影響，圍巖支護(hù)狀態(tài)和錨桿結(jié)構(gòu)都非常健康。在距離工作面50 m以內(nèi)，由于工作面離監(jiān)測(cè)錨桿越來(lái)越近，即采動(dòng)影響越來(lái)越大，錨桿檢測(cè)到的數(shù)據(jù)也發(fā)生較大變化，外幫錨桿軸力變化整體處于上升狀態(tài)，受力也越來(lái)越大，可以看到在工作面經(jīng)過(guò)之前，其最大值已經(jīng)達(dá)到了30 kN，同時(shí)錨桿傳感器埋深較淺的地方受力最大，可以看出外幫錨桿越靠近托盤的地方受力越大，如圖7所示；內(nèi)幫的錨桿受力最大的位置可以達(dá)到將近150 kN，但由于內(nèi)幫錨桿是處于工作面，其受力情況更為復(fù)雜，不同位置的受力情況也不一致，但是錨桿總體受力趨于變大；其靠托盤位置和埋深最深的位置受力較大，圍巖表層比較疏松，幫鼓的位置增大了托盤的受力，因此其軸向受力較大如圖8所示。從內(nèi)外幫兩側(cè)錨桿變化對(duì)比可以看出，錨桿桿體受復(fù)合應(yīng)力影響較大；內(nèi)幫錨桿受采動(dòng)影響較外幫錨桿更大，同時(shí)采動(dòng)對(duì)內(nèi)外幫錨桿的影響距離也不一致。

圖7 外幫錨桿受力變化Fig.7 Stress change of outer bolt

圖8 內(nèi)幫錨桿受力變化Fig.8 Stress change of inner bolt

3.4 錨桿單日受力分析

錨桿受力變化較大的單日受力情況，如圖9、圖10所示。錨桿單日16：00開(kāi)始對(duì)錨桿受力進(jìn)行分析，時(shí)間持續(xù)24 h。可以看出：錨桿桿體受力變化并非處于一直增長(zhǎng)或下降的狀態(tài)，而是其在某個(gè)時(shí)刻變形到一定程度，桿體進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，隨后進(jìn)行二次變形。錨桿桿體不同部位受力趨于一致，且桿體進(jìn)入穩(wěn)定的狀態(tài)后，表示所支護(hù)圍巖也是一直處于支護(hù)良好且沒(méi)有嚴(yán)重變形的狀態(tài)，后續(xù)隨著工作面的推進(jìn)錨桿受力仍在持續(xù)變化，說(shuō)明錨桿中安裝的傳感器并沒(méi)有失效；錨桿桿體受力變化是在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一次變形，且之后桿體受力處于平衡狀態(tài)，巷道圍巖本身也是在受到擾動(dòng)后出現(xiàn)變形，圍巖內(nèi)部出現(xiàn)裂隙、巖層之間錯(cuò)動(dòng)，當(dāng)支護(hù)設(shè)備和圍巖內(nèi)層本身重新構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候，巷道支護(hù)以及圍巖整體再次處于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖9 內(nèi)幫桿體單日受力變化Fig.9 Single day stress variation of inner bolt

圖10 外幫桿體單日受力變化Fig.10 Single day stress variation of outer bolt

通過(guò)上述對(duì)桿體單日受力分析，結(jié)合單日工作面支架工作阻力數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖11所示。從單日支架數(shù)據(jù)變化可以看出，支架阻力變化情況仍然不是處于時(shí)刻變化，隨著工作面進(jìn)刀次數(shù)，其支架工作阻力變化規(guī)律和錨桿桿體基本一致，在支架阻力某時(shí)刻變大后，后續(xù)一段時(shí)間會(huì)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 單日支架工作阻力數(shù)據(jù)Fig.11 Support resistance data of single day

3.5 桿體彎曲變形分析

從上邊監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)繪制的曲線中可以看到部分曲線有逐漸減小隨后又增大的趨勢(shì)，而同錨桿其他部位受力又是變大的趨勢(shì)，根據(jù)光柵應(yīng)變?cè)砜梢耘袛嗾J(rèn)為是錨桿一部分受到了壓縮，一部分受到了張拉，而這一情況顯然與實(shí)際情況不符。針對(duì)上述情況，針對(duì)未打入巷道的錨桿進(jìn)行驗(yàn)證：由于傳感器未埋入錨桿的中心位置，錨桿開(kāi)槽深度約為6 mm，而錨桿整個(gè)直徑約為18 mm，因此傳感器安裝約在錨桿1/3的位置；錨桿打入巷道后，圍巖變形不均勻、變形位置也有差別，距離底板相同高度的圍巖內(nèi)部巖層錯(cuò)動(dòng)程度也不一致，這就造成了錨桿在徑向上變形不一致，可能出現(xiàn)桿體中心被支撐，兩端被壓彎或是偏移中心的位置被支撐等情況出現(xiàn)，這種現(xiàn)象非常容易導(dǎo)致錨桿桿體整體受力變大，但是錨桿局部撓度變大，因此會(huì)出現(xiàn)部分傳感器中心波長(zhǎng)出現(xiàn)負(fù)值變化的情況。

4 結(jié) 論

1)驗(yàn)證了基于光纖光柵傳感器的錨桿受力測(cè)量系統(tǒng)可以有效監(jiān)測(cè)桿體受力變化，數(shù)據(jù)分析結(jié)果也證明了錨桿桿體受力非線性的特性，桿體本身不同位置受力變化趨勢(shì)、增量不一致；通過(guò)錨桿受力變化也發(fā)現(xiàn)錨桿以及巷道支護(hù)隨著工作面推進(jìn)所受壓力越來(lái)越大且內(nèi)外幫受力以及影響距離不一致。

2)對(duì)錨桿總體分析也反映了巷道圍巖在變形受到煤層壓應(yīng)力或者受到工作面擾動(dòng)的時(shí)候，桿體受力變化是突變的；桿體本身受力的變化也不存在持續(xù)性，因?yàn)樵谕蛔兒笃浔旧頎顟B(tài)又一次進(jìn)入穩(wěn)定，而這種穩(wěn)定直到被下一次的擾動(dòng)即工作面的推進(jìn)或煤層集中應(yīng)力重新分布所改變。

3)本次工業(yè)試驗(yàn)安裝在巷道兩幫錨桿受力變化數(shù)據(jù)規(guī)律較為一致，頂板數(shù)據(jù)較為特殊：在工作面采動(dòng)時(shí)，頂板錨桿軸向力呈現(xiàn)波動(dòng)性增長(zhǎng)變化趨勢(shì)，頂板活動(dòng)導(dǎo)致錨桿軸向力多次出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象[21]，但是從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，支承壓力對(duì)巷道頂板影響范圍為50～80 m，與本次測(cè)量結(jié)果一致。

4)基于光纖光柵傳感器的錨桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效地測(cè)量了錨桿桿體受力變化；但由于測(cè)量錨桿打入的方式和時(shí)間的特殊性，無(wú)法從在巷道剛被開(kāi)掘完成的時(shí)候就進(jìn)行測(cè)量；如果監(jiān)測(cè)錨桿和支護(hù)錨桿能夠同步進(jìn)行施工，在一定程度上可以更完整地對(duì)巷道、錨桿變形進(jìn)行更有效的監(jiān)測(cè)。