梁敏富，方新秋，陳寧寧，吳 剛，薛小妹，宋 揚(yáng)，張 璠

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 智能化開采研究中心，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭作為我國(guó)的能源戰(zhàn)略資源，是能源安全與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。經(jīng)過長(zhǎng)期大規(guī)模的煤炭開采，淺部資源日益枯竭，煤炭開采深度以10～25 m/a的速度持續(xù)向深部延伸，平均采深已達(dá)700 m左右，最深的礦井已經(jīng)超過1 500 m。深部巷道具有變形速度快、變形量大、底臌嚴(yán)重等特點(diǎn)，使得巷道維修成本大增，也對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)提出更高要求。從工程實(shí)踐來看，不同礦井或同一礦井不同區(qū)域巷道的巖層性狀不同，難以形成統(tǒng)一的指導(dǎo)性支護(hù)方案。因此，有必要建立巷道圍巖狀態(tài)感知系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集巷道礦壓數(shù)據(jù)，確定合理、經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)錨桿支護(hù)方案。

錨桿支護(hù)已經(jīng)成為煤礦行業(yè)運(yùn)用最廣泛的主動(dòng)支護(hù)方式，給我國(guó)煤礦帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前應(yīng)力波無損檢測(cè)法、瞬變電磁法、紅外輻射檢測(cè)法等技術(shù)手段用于檢測(cè)錨桿工作狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)錨桿桿身受力情況得到廣泛認(rèn)可。常規(guī)的測(cè)力錨桿可分為電測(cè)式和機(jī)械式，電測(cè)式測(cè)力錨桿以電阻應(yīng)變式為主，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多。上述檢測(cè)手段抗電磁干擾能力弱，需要人工采集數(shù)據(jù)，不方便組建傳輸網(wǎng)絡(luò)，不易實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖制造和光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展而興起的一種以光波為載體進(jìn)行感知和測(cè)量的新型傳感技術(shù)。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象的受力狀態(tài)或溫度環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，光在光纖中的傳輸特性，如波長(zhǎng)、相位、振幅、偏振態(tài)等也將隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過反射光的調(diào)制和檢測(cè)，便能捕捉、感知外界物理量的變化信息。光纖傳感器采用光源，本質(zhì)安全，對(duì)于煤礦井下瓦斯監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)距離多點(diǎn)井筒變形、巷道圍巖變形、采場(chǎng)應(yīng)力等在線監(jiān)測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)的應(yīng)變、溫度、壓力、位移、加速度等傳感器，以及光纖分布式傳感器將在日益興起的智能礦山建設(shè)中發(fā)揮巨大作用。一些學(xué)者也對(duì)光纖光柵測(cè)力錨桿進(jìn)行了研究，梁敏富等研究了表貼式光纖光柵測(cè)力錨桿應(yīng)變感知機(jī)理，將黏結(jié)層簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型，建立光纖光柵剪切應(yīng)變傳遞的力學(xué)分析模型。CHAI等采用PPP-BOTDA技術(shù)和光纖光柵傳感技術(shù)測(cè)試錨桿在拉拔載荷下的傳感性能，分析了錨桿軸向應(yīng)力的分布特征。WANG等設(shè)計(jì)了一種全長(zhǎng)錨固FBG測(cè)力錨桿及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在錨桿桿身上開設(shè)一對(duì)對(duì)稱分布的梯形凹槽，用于埋設(shè)光纖光柵，得到錨桿軸向力與光纖光柵波長(zhǎng)變化之間的轉(zhuǎn)換公式。DONG等基于光纖光柵傳感原理設(shè)計(jì)一種FBG錨桿應(yīng)力傳感器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，為巷道錨桿支護(hù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供新的解決思路。ZHAO等研究了凹槽形態(tài)和黏結(jié)劑材料對(duì)FBG測(cè)力錨桿的影響，通過錨桿拉伸試驗(yàn)和有限元分析的方法分析了無凹槽、U形凹槽、梯形凹槽和V形凹槽對(duì)錨桿強(qiáng)度的影響，得到FBG測(cè)力錨桿凹槽優(yōu)選梯形槽。上述研究缺少對(duì)FBG傳感器結(jié)構(gòu)封裝優(yōu)化方案的探討，而傳感器的封裝方式對(duì)傳感器精度、靈敏度和穩(wěn)定性等傳感特性至關(guān)重要。因此，亟需在FBG測(cè)力錨桿的封裝技術(shù)領(lǐng)域提出新的解決辦法。

筆者基于光纖光柵傳感基本原理，研究FBG測(cè)力錨桿的關(guān)鍵技術(shù)，包括測(cè)力錨桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理和應(yīng)變傳遞規(guī)律，確定黏結(jié)劑的剪切模量、凹槽的形狀以及光纖光柵粘貼長(zhǎng)度與FBG傳感器的應(yīng)變傳遞效率相關(guān)性；通過正交試驗(yàn)方法提出9種測(cè)試方案，并設(shè)計(jì)3組錨桿拉伸試驗(yàn)，經(jīng)極差和方差計(jì)算分析，確定最優(yōu)的封裝方案，為FBG傳感器封裝方式提供了新思路；并在山西陽煤寺家莊礦15106回風(fēng)巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果顯著。

1 光纖光柵傳感基本原理

光纖光柵是指利用強(qiáng)紫外光曝光方法改變摻鍺光纖纖芯結(jié)構(gòu)，在纖芯軸向方向形成折射率周期變化、等距均勻分布的相位光柵的一段光纖。光纖光柵反射波長(zhǎng)的基本關(guān)系式為

=2

(1)

式中，為光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)；為纖芯有效折射率；為光纖光柵周期。

光纖光柵傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)寬譜光源發(fā)射的光經(jīng)過光柵時(shí)，滿足式(1)光柵波長(zhǎng)條件的光被反射回來而形成反射光，其余光發(fā)生透射，反射光經(jīng)過系列光學(xué)元件被解調(diào)出來，得到反射光中心波長(zhǎng)的峰值。當(dāng)光纖光柵做探頭測(cè)量外界的溫度、壓力或應(yīng)力時(shí)，光柵部分的和發(fā)生變化，從而使反射波波長(zhǎng)產(chǎn)生偏移。反射波波長(zhǎng)的變化與外界物理量的變化遵循一定規(guī)律，即可通過測(cè)得的光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化推導(dǎo)出外界溫度、壓力或應(yīng)力。

圖1 光纖光柵傳感原理

當(dāng)光纖只受軸向應(yīng)力作用時(shí)，反射光的中心波長(zhǎng)變化量與光柵所受的軸向應(yīng)變關(guān)系為

(2)

式中，Δ為反射光中心波長(zhǎng)漂移量，nm；為光柵的軸向應(yīng)變；為光纖材料的彈光系數(shù)，對(duì)于石英光纖，=0.22；為光纖光柵軸向應(yīng)變與中心波長(zhǎng)漂移量的靈敏度系數(shù)。

當(dāng)光纖只受溫度作用時(shí)，反射光的中心波長(zhǎng)變化量與溫度的關(guān)系為

(3)

式中，為熱膨脹系數(shù)；為熱光系數(shù)；Δ為溫度的變化量。

當(dāng)光纖受到軸向應(yīng)力和溫度的共同作用時(shí)，反射光的中心波長(zhǎng)變化量與自變量的關(guān)系為

(4)

為消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，常附加一個(gè)不受力的光纖光柵傳感器作溫度補(bǔ)償。

2 測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 測(cè)力錨桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)錨桿桿體。尺寸為22 mm×2 200 mm，采用MG500高強(qiáng)度礦用錨桿材質(zhì)，該錨桿屈服強(qiáng)度為560～595 MPa，抗拉強(qiáng)度為685～715 MPa，伸長(zhǎng)率為24%～29%。如圖2所示，在桿體表面銑出一個(gè)半徑為2 mm的半圓形凹槽，再以錨桿端頭300 mm開始布設(shè)和粘貼光纖光柵，相鄰兩段光柵間隔300 mm，一根光纖上布設(shè)6組光柵，最后用黏結(jié)劑將半圓形凹槽密封。FBG6為溫度補(bǔ)償光纖光柵，套設(shè)在套管內(nèi)，防止光纖與錨桿桿體直接接觸。

圖2 光纖光柵測(cè)力錨桿結(jié)構(gòu)

(2)光纖尾纖。光纖尾纖從錨桿尾部引出，與光纖接線盒連接以傳輸信息。

2.2 測(cè)力錨桿工作原理

光纖光柵測(cè)力錨桿作為感知構(gòu)件錨固于圍巖中，當(dāng)圍巖發(fā)生位移變形時(shí)，錨桿為約束圍巖變形而受到圍巖對(duì)錨桿的反作用力。錨桿桿體上的應(yīng)力通過黏結(jié)劑以剪切應(yīng)力形式作用到光纖纖芯上，纖芯受力引起光柵柵格周期和光纖折射率變化，攜帶錨桿應(yīng)變信息的反射光信號(hào)通過光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)將光信號(hào)傳輸至光纖交換機(jī)主機(jī)，經(jīng)解調(diào)設(shè)備處理后，光信號(hào)被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過井下環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛娣?wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)，技術(shù)管理人員通過專用光纖在線監(jiān)測(cè)軟件可隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形成可視化的圖形和報(bào)表。

錨桿桿體應(yīng)變與光纖光柵應(yīng)變的關(guān)系為

=

(5)

式中，為光纖光柵感知的應(yīng)變；為錨桿桿體上的應(yīng)變；為錨桿桿體應(yīng)變與光纖光柵感知應(yīng)變之間的傳遞系數(shù)。

錨桿桿體上各點(diǎn)的軸力為

(6)

式中，z,為錨桿桿體第點(diǎn)處的軸力，kN；為錨桿的彈性模量，MPa；為錨桿桿體上第點(diǎn)處的應(yīng)變；為錨桿直徑。

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)有

(7)

式中，為錨桿的橫截面積。

進(jìn)而得到錨桿軸力與光纖光柵中心波長(zhǎng)變化量Δ之間的關(guān)系式為

(8)

假設(shè)錨桿變形前、后橫截面保持不變，因此錨桿的橫截面面積可看作常數(shù)。由式(8)可以看出，錨桿某點(diǎn)處的軸力與該點(diǎn)處的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量成正比。

假設(shè)錨桿桿體臨近兩點(diǎn)間所受軸力差Δ與應(yīng)變?cè)?，)長(zhǎng)度上的積分等效，即

(9)

可推導(dǎo)出(，)長(zhǎng)度上任意一點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)?/p>

(10)

式中，為錨桿半徑，m；為(，)間的長(zhǎng)度，m。

2.3 FBG傳感器基體表面粘貼封裝和基體刻槽封裝的應(yīng)變傳遞對(duì)比分析

2.3.1 表貼式光纖光柵應(yīng)變傳遞

FBG傳感器的表貼式封裝是指用黏結(jié)劑將裸光纖光柵(不包括涂覆層)直接粘貼在基體表面的一種封裝方式。表貼式FBG傳感器應(yīng)變傳遞分析基于COX提出的應(yīng)力傳遞剪滯理論，認(rèn)為基體受力后以剪切應(yīng)變的形式通過黏結(jié)層作用到光纖纖芯上。如圖3所示，建立了基體-黏結(jié)層-包層-纖芯的剪切應(yīng)變傳遞模型，圖中，為黏結(jié)層寬度；為黏結(jié)層厚度；為光纖光柵粘貼長(zhǎng)度；為光纖包層到基體的最小距離(中間層厚度)；,分別為纖芯的半徑和包層的外半徑。

圖3 表貼式FBG傳感器應(yīng)變傳遞分析模型

根據(jù)平衡微分方程，分別對(duì)纖芯微元體、包層微元體和黏結(jié)層微元體進(jìn)行受力分析，再利用拉普拉斯逆運(yùn)算，求得光纖光柵應(yīng)變傳遞率為

(11)

將黏結(jié)層簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型，該模型由一個(gè)彈簧模型和一個(gè)Kelvin模型串聯(lián)，在外力的響應(yīng)下表現(xiàn)出彈性固體和黏性液體的力學(xué)性質(zhì)，如圖4所示，其中，，分別為彈簧單元和Kelvin單元的彈性模量；為Kelvin單元的黏度系數(shù)；為標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型受到的正應(yīng)力。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型

根據(jù)拉普拉斯變換初值定理，得到式(11)中特征值為

(12)

式中，為彈簧單元的剪切模量；為包層剪切模量；為光纖的彈性模量。

式(11),(12)中各參數(shù)取值見表1。

表1 理論方程中各參數(shù)取值

2.3.2 半圓形凹槽基體的光纖光柵應(yīng)變傳遞

魏世明推導(dǎo)出半圓形凹槽基體的光纖光柵應(yīng)變傳遞公式，用于監(jiān)測(cè)巖體變形。如圖5所示，半圓形凹槽的半徑是光纖包層外半徑的2倍。

圖5 半圓形凹槽基體的光纖光柵封裝結(jié)構(gòu)示意

同樣以光纖纖芯、光纖包層及黏結(jié)層為研究對(duì)象，取單位長(zhǎng)度d，進(jìn)行力學(xué)平衡分析。如圖6所示，受半圓形凹槽形狀限制，黏結(jié)層沿光纖環(huán)向方向厚度不均，導(dǎo)致其內(nèi)部剪切應(yīng)力不均勻分布。()，()+d()為黏結(jié)層微元體兩端受到的正應(yīng)力，()為黏結(jié)層與包層之間的剪切應(yīng)力，()為黏結(jié)層與基體之間的剪切應(yīng)力。

圖6 黏結(jié)層力學(xué)模型

圖7 黏結(jié)層的等效力學(xué)模型

在黏結(jié)層的等效力學(xué)模型中，黏結(jié)層受力均勻，推導(dǎo)出半圓形凹槽形態(tài)下的光纖應(yīng)變傳遞公式為

(13)

(14)

式中，為光纖光柵感知的應(yīng)變；為錨桿桿體上的應(yīng)變；為光纖的彈性模量；為包層剪切模量；為黏結(jié)層剪切模量；為另一特征值。

對(duì)比式(12)，(14)可知，特征值，的大小與纖芯半徑、包層外半徑、黏結(jié)層外半徑、包層剪切模量、黏結(jié)劑剪切模量以及光纖光柵粘貼長(zhǎng)度等參數(shù)有關(guān)，而纖芯半徑、包層外半徑、包層剪切模量為常量。表貼式封裝和凹槽粘貼封裝的光纖光柵應(yīng)變傳遞系數(shù)表達(dá)形式相同，區(qū)別在于特征值的表達(dá)式。這是由于凹槽結(jié)構(gòu)破壞基體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致凹槽處應(yīng)力重新分布，若凹槽為矩形、V形或梯形，還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。另一方面，凹槽結(jié)構(gòu)會(huì)影響?zhàn)そY(jié)層外半徑和黏結(jié)層內(nèi)部剪切應(yīng)力大小及分布狀態(tài)，進(jìn)一步影響光纖光柵的受力狀態(tài)。以上2點(diǎn)也充分說明基體上凹槽結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)對(duì)光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞產(chǎn)生影響。

綜上，確定黏結(jié)劑的剪切模量、凹槽形狀以及光纖光柵的粘貼長(zhǎng)度與FBG傳感器的應(yīng)變傳遞效率具有相關(guān)性。

3 測(cè)力錨桿應(yīng)變傳遞影響因素正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(簡(jiǎn)稱正交法)是利用正交表科學(xué)地挑選試驗(yàn)條件，合理安排試驗(yàn)方案，再利用極差和方差的數(shù)學(xué)思想對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，推斷出最優(yōu)方案。

經(jīng)分析，影響測(cè)力錨桿的應(yīng)變傳遞因素有3個(gè)：黏結(jié)劑的剪切模量、凹槽的形狀以及光纖光柵的粘貼長(zhǎng)度。其中，黏結(jié)劑的類型分為3水平(水平是指試驗(yàn)中選定的因素所處的狀態(tài)和條件，也稱位級(jí))，即502膠水、AB環(huán)氧樹脂膠和504膠水3種；凹槽的結(jié)構(gòu)分為3水平，選擇半圓形、矩形和V形3種形狀；光纖光柵的粘貼長(zhǎng)度也分為3水平，即60，80，100 mm，以應(yīng)變傳遞效率作為正交試驗(yàn)結(jié)果的考查指標(biāo)。

表2 因素水平

按照傳統(tǒng)試驗(yàn)方法，根據(jù)排列組合原理要進(jìn)行27次試驗(yàn)，表2只需進(jìn)行9次試驗(yàn)即可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合處理，不僅縮短了試驗(yàn)時(shí)間，而且在試驗(yàn)結(jié)果處理也極大方便。

3.2 試驗(yàn)裝置及加載方式

圖8 試驗(yàn)裝置連接示意

圖9 FBG測(cè)力錨桿試樣

表3 FBG測(cè)力錨桿觀測(cè)位置上的封裝參數(shù)

試驗(yàn)分別對(duì)半圓形、矩形和V形3類FBG測(cè)力錨桿試驗(yàn)進(jìn)行拉伸，按照表3封裝參數(shù)準(zhǔn)備錨桿試樣，進(jìn)行3組拉伸試驗(yàn)，可得到9種正交試驗(yàn)方案的測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)加載方式為：先在1 min中內(nèi)分別將載荷加載到140 kN(錨桿試樣處于彈性變形階段，彈性極限為170～180 kN)，保持載荷不變，維持10 min后，再在1 min內(nèi)將載荷卸載到5 kN。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.3.1 極差處理與分析

試驗(yàn)測(cè)試值和極差處理結(jié)果見表4，影響因素各水平均值分布如圖10所示。

表4 試驗(yàn)測(cè)試值和極差處理結(jié)果

圖10 影響因素各水平均值分布

根據(jù)表4的極差計(jì)算結(jié)果，極差得到的結(jié)果為0.196 2>0.124 1>0.004 4，在變化的水平范圍內(nèi)，說明黏結(jié)劑種類對(duì)應(yīng)變傳遞效率造成的影響最大，其次為凹槽形狀和光纖光柵粘貼長(zhǎng)度。從圖10可看出，AB膠的均值最大，504膠的均值最小，說明黏結(jié)劑種類選擇AB膠對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響最顯著；半圓形的均值最大，矩形的均值最小，說明凹槽結(jié)構(gòu)選擇半圓形對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響最顯著；粘貼長(zhǎng)度100 mm的均值最大，60 mm的均值最小，說明粘貼長(zhǎng)度選擇100 mm對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響最顯著。因此，使用AB環(huán)氧樹脂膠、凹槽形狀為半圓形且粘貼長(zhǎng)度為100 mm時(shí)應(yīng)變傳遞效率最大，為最優(yōu)方案。在9種正交試驗(yàn)方案中，未給出“AB膠 + 半圓形 + 粘貼長(zhǎng)度100 mm”的試驗(yàn)方案，通過計(jì)算分析即可選出最優(yōu)方案，說明正交試驗(yàn)法的科學(xué)性和高效性。

3.3.2 方差處理與分析

極差分析法計(jì)算得到9種封裝方案對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響程度，但極差分析忽略了試驗(yàn)中偶然誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，而方差分析法可彌補(bǔ)其不足。

在方差分析計(jì)算中，總偏差平方和為

(15)

式中，為某因素的水平數(shù)，=3；=1,2,3。

=-1

(16)

(17)

(18)

式中，為自由度；為因素水平數(shù);為因素均方差；為方差分析中的值；為試驗(yàn)誤差均方差。

對(duì)試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行方差分析，處理結(jié)果見表5。

表5 方差分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表5的方差計(jì)算結(jié)果，=47.806 >(2,8)，說明膠的種類對(duì)應(yīng)變傳遞效率的作用顯著；=19.319>(2,8)，認(rèn)為凹槽形狀對(duì)應(yīng)變傳遞效率的作用比較顯著；=0.024<(2,8)，說明光纖光柵的粘貼長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)變傳遞效率的作用不顯著。該結(jié)論與極差分析結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了最優(yōu)方案的正確性。但在工程實(shí)踐中，還應(yīng)考慮生產(chǎn)成本、加工難度、勞動(dòng)條件等其他條件，選擇符合實(shí)際生產(chǎn)需要的最優(yōu)或較優(yōu)方案。

4 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

4.1 工程概況

寺家莊礦為華陽新材料科技集團(tuán)公司主要生產(chǎn)礦井之一，礦井主采15號(hào)煤層，煤層平均埋深574 m。15106工作面設(shè)計(jì)南北方向布置，東側(cè)為15108工作面采空區(qū)，西側(cè)為15104工作面采空區(qū)，形成孤島工作面。

15106工作面2條回采巷道均采用沿空掘巷方式，與鄰近采空區(qū)留設(shè)7 m煤柱，回采巷道沿煤層頂板隨層掘進(jìn)。其中，15106回風(fēng)巷設(shè)計(jì)為矩形斷面，寬×高為4.8 m×3.9 m，從巷道撥門口向里1 100 m范圍內(nèi)采用如圖11(a)所示的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案施工。根據(jù)巷道現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，在原有支護(hù)方案下，15106回風(fēng)巷變形量較大，兩幫最大移近量達(dá)1 560 m，頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)移近量達(dá)900 mm。為使該巷道達(dá)到正常使用要求，巷道撥門口向里1 100 m至開切眼段改用圖11(b)的優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，并引進(jìn)巷道圍巖狀態(tài)光纖智能感知成套設(shè)備及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取巷道支護(hù)設(shè)計(jì)變換前后的礦壓數(shù)據(jù)，以檢驗(yàn)優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)的實(shí)施效果。

圖11 15106回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)

4.2 15106工作面監(jiān)測(cè)測(cè)站布置及數(shù)據(jù)分析

寺家莊礦15106回風(fēng)巷圍巖狀態(tài)感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于多源信息感知的礦用光纖光柵傳感成套設(shè)備，構(gòu)建了光纖傳感網(wǎng)絡(luò)及大容量智能感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了巷道頂板離層、圍巖應(yīng)力和錨桿應(yīng)力應(yīng)變等多參量信息高精度監(jiān)測(cè)及可靠快速傳輸。

結(jié)合寺家莊礦15106工作面回采巷道、配電室及井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的布置特點(diǎn)，在15106回風(fēng)巷內(nèi)布置3個(gè)綜合測(cè)站，如圖12所示。第1綜合測(cè)站距15106回風(fēng)巷巷口1 050 m(位于原巷道支護(hù)段范圍內(nèi))，第2綜合測(cè)站距15106回風(fēng)巷巷口1 150 m，第3綜合測(cè)站距15106回風(fēng)巷巷口1 250 m。每個(gè)測(cè)站的巷道頂板和兩幫各布設(shè)1根FBG測(cè)力錨桿，尺寸為22 mm×2 200 mm。

圖12 15106工作面及監(jiān)測(cè)測(cè)站布置

圖13為第3綜合測(cè)站在30 d觀測(cè)期內(nèi)巷道頂板、實(shí)體煤幫側(cè)和煤柱幫側(cè)錨桿桿體軸力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，第3綜合測(cè)站緊跟巷道掘進(jìn)工作面安裝，在觀測(cè)期內(nèi)巷道向前掘進(jìn)272 m，可完整地呈現(xiàn)出巷道掘進(jìn)影響期和掘進(jìn)穩(wěn)定期內(nèi)錨桿受力的全過程。

從圖13可以得出：頂板錨桿在距巷道周邊800～1 700 mm內(nèi)受力較大且均勻，桿體最大軸力為96 kN，在錨桿安裝5 d后基本穩(wěn)定；實(shí)體煤幫側(cè)錨桿桿體最大軸力點(diǎn)在距巷道周邊1 100 mm位置，桿體最大軸力為113 kN，在錨桿安裝5 d后基本穩(wěn)定并有緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)；窄煤柱幫側(cè)錨桿桿體最大軸力點(diǎn)在距巷道1 400 mm位置，桿體最大軸力為91 kN，在錨桿安裝5 d后基本穩(wěn)定。分析表明，前5 d為該巷道的掘進(jìn)影響期，5 d后巷道處于穩(wěn)定期。

圖13 第3綜合測(cè)站錨桿桿體的軸力監(jiān)測(cè)情況

圖14為第3綜合測(cè)站附近頂板下沉量和兩幫位移量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。頂板下沉量最大為65 mm，實(shí)體煤幫側(cè)位移量最大為90 mm，窄煤柱幫側(cè)位移量最大為80 mm，均遠(yuǎn)小于原支護(hù)巷道的變形量(兩幫最大移近量達(dá)1 560 mm，頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)移近量達(dá)900 mm)，證明優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案能夠有效控制圍巖變形，改善錨桿受力狀態(tài)。

圖14 巷道圍巖變形測(cè)量曲線

5 結(jié) 論

(1)對(duì)比分析了基體表面粘貼封裝和基體刻槽封裝的FBG傳感器應(yīng)變傳遞公式，得到FBG傳感器應(yīng)變傳遞受黏結(jié)劑剪切模量、凹槽形狀和光纖光柵粘貼長(zhǎng)度3個(gè)因素影響，凹槽形狀不僅改變基體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，還導(dǎo)致黏結(jié)劑內(nèi)部剪切應(yīng)力不均勻分布，進(jìn)而影響光纖光柵受力狀態(tài)。

(2)根據(jù)正交試驗(yàn)的極差計(jì)算結(jié)果，使用AB環(huán)氧樹脂膠、凹槽形狀為半圓形且粘貼長(zhǎng)度為100 mm時(shí)應(yīng)變傳遞效率最大，為最優(yōu)封裝方案；根據(jù)方差計(jì)算結(jié)果，黏結(jié)劑的種類對(duì)應(yīng)變傳遞效率的作用顯著，其次為凹槽形狀，光纖光柵的粘貼長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)變傳遞效率的作用不顯著。

(3)建立了寺家莊礦15106回風(fēng)巷圍巖狀態(tài)感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了第3綜合測(cè)站30 d觀測(cè)期內(nèi)錨桿桿體的受力情況，結(jié)果表明：頂板錨桿在距巷道周邊800～1 700 mm受力較大且均勻，桿體最大軸力為96 kN；實(shí)體煤幫側(cè)錨桿桿體最大軸力點(diǎn)在距巷道周邊1 100 mm位置，桿體最大軸力為113 kN；窄煤柱幫側(cè)錨桿桿體最大軸力點(diǎn)在距巷道1 400 mm位置，桿體最大軸力為91 kN，前5 d為該巷道的掘進(jìn)影響期，5 d后巷道處于穩(wěn)定期。通過光纖光柵礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可方便提取井下個(gè)測(cè)站中每根測(cè)力錨桿的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為分析巷道礦壓和評(píng)價(jià)支護(hù)方案提供便利。