光纤光栅技术在竖井井筒变形监测中的应用

竖井井筒是矿井的重要组成部分和生产活动的咽喉要道，它的变形和破坏不仅会对矿井安全生产造成严重威胁，而且还会造成严重的经济损失。自上世纪80年代以来，我国华东地区的淮南、 淮北、 大屯、 徐州、 究州、 济宁等矿区相继有百余个井壁发生了不同程度的破坏，经济损失巨大。其中井筒罐道纵向弯曲变形影响提升，甚至会造成卡罐事故，井壁横向断裂，破裂带内混凝土成片剥落，井壁内纵向钢筋向井内弯曲等都严重影响了矿井的正常生产。

       目前，矿井监测方法主要有倒锤法、 钢丝基准线法、 压缩木法以及埋入传感器法等方法，另外随着计算机和通讯技术的飞速发展，也出现了远程全自动监测的系统，但这些方法普遍存在着测试系统复杂、 测试精度低、 易受到施工干扰、 长期稳定性差等各个方面的问题，有时井筒破坏后才能发觉异常，不能够根据井筒实时变形情况进行破坏预测预报，故难以适应现代工程监测的要求。

      自上世纪90年代以来，美国、 加拿大、 日本、 德国及英国等发达国家先后将光纤监测技术应用于大坝、 桥梁、 电站及高层建筑物等大型民用基础设施的安全监测中。与此同时，在国内光纤监测技术用于土术工程结构健康监测和诊断系统的研究工作也取得了较好的成果。对比以上的监测方法，采用光纤光栅监测的方法有着实时性、 先进性、 准确性、 稳定性等优点，并且基于光纤光栅技术的监测系统应用于矿井监测中，可以方便随时掌握井筒的变形情况，准确判定井筒的安 全状态，提前预报可能发生的破坏，将事故消除于萌芽状态。随着今后国家有关部门对矿井生产信息化的逐渐重视，光纤光栅技术在立井井筒监测中的应用也必将越来越多。

光纤光栅是世界上新出现的一种基础性的光纤元件，在光纤传感、通讯等光电子处理领域有着较为广泛的应用空间。按照折射率的分布，光纤光栅可以分为周期光纤光栅与非周期光纤光栅，其中周期光纤光栅是最普通和常用的。若按照折射率变化的周期长短，光纤光栅可以分作长周期光栅和短周期光栅两类。短周期光栅又被称作布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,简称FBG)，光栅的周期一般小于1μm。长周期光栅又被称作传输光栅(LPG)，光栅的周期大于1μm，通常为数百个微米，它可在传感器领域使用，但其自身具有较高的弯曲灵敏度以及大的带宽等缺点，使得其用于多路复用技术有较大的困难。

      当前，光纤Bragg光栅传感器应用的最广。光纤Bragg光栅作为传感的元件，它的主要作用是在不受光源功率波动及系统损耗的影响下，将所感知到的信息转化成反射波场偏移，即波长编码。

      光纤光栅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、可靠性好等特点，容易将多个光纤光栅一起串联组成光纤光栅阵列来实现分布式传感的功能，这是其他的传感元件所不能实现的。另外，对于波长编码信号的解调需要利用高精度的智能解调仪来解译，从而来精确的监测反射波长的微小移动。

光纤由纤芯、包层、涂覆层（亦称保护层）、增强纤维及保护套组成。其中纤芯和包层是光纤的主体，主要成分是二氧化硅，纤芯直径在5～50 μm之间，包层直径大约为100～150 μm，它们对光波传输起决定作用。保护层、增强纤维及保护套的作用主要是：屏蔽杂光、增大光纤的强度以及保护作用，光纤的结果如下图所示。

光纤的基本工作原理是源于光的全反射现象。光在光纤的纤芯之内传播，由于纤芯的折射率大于包层的折射率，则当孔径满足全反射的条件时，入射光将不会发生折射，而是全部沿纤芯反射前进。故光纤能将光约束在其纤芯内，并引导光波沿光纤轴线向前传播。

与传统的传感器相比，光纤光栅传感器主要具有以下优势：

（1）一根光纤上可串接复用多个相同或不同类型的传感器，且各个传感器间隔可以是几厘米或几十公里，由此形成传感器的网络系统集成度较高。

（2）测量的精度和分辨率均较高。

（3）光纤光栅传感器的零偏值不漂移，故其测量的是绝对量。

（4）光纤光栅传感器寿命长，且长期的工作性能稳定。

（5）光纤光栅传感器所监测的信息均以光信号传输，不会受到电磁干扰和核辐射的影响；被测物联量以光信号中心波长值为表征，不会受到光强的波动和光纤在传输过程中的弯曲损耗等影响。

（6）光纤光栅传感器对于高温、高湿以及存在化学侵蚀等恶劣的环境适应性好。

（7）光纤光栅传感器重量轻，体积小，安装及使用方便。

     针对井壁环境的特点不同，应因地制宜设计出合理的监测方案和方法，同时需要制定出不同的保护措施来确保监测工作能够顺利地进行。

☞为了以上目的，须明确井筒监测的各项原则如下：

（1）可靠性原则

该原则是井筒监测设计中最重要的原则。可靠性主要强调设计可行的监测方案、采用可靠的仪器设备，保证可靠的监测点位以及确保监测数据的可靠性。

（2）多层次原则

井筒一般深达几百米，在制定监测方案时需要充分考虑井筒的空间效应，需要强调多层位的监测以及单点多参数的监测等，以形成具有一定测点规模的监测网，更加全面地反应井筒的各项信息。

（3）关键区重点监测原则

根据现有研究成果和工程经验判断，井壁在底部含水层、表土层与基岩交界面附近等为受力最不利的位置，应列为重点的监测区域。

另外，由于在矿井中主井是提煤的重要通道，在此过程中存在比较严重的落煤问题，故在对主井进行监测的过程中，需要特别注意监测系统线路以及测点的保护问题；而对于风井的监测，由于井内湿度较大，故对监测系统应做好防潮防锈的工作。

竖井井筒的破坏是一个渐进的变化过程，它是各种因素共同作用的结果。在宏观上的主要表现就是井筒变形，当其变形量积累到一定的程度，会对井筒的安全状态造成影响，更甚会导致立井井筒发生破坏事故。而井筒变形是在其原受力平衡状态被打破后逐渐又形成新的平衡状态的过程中发生的，可以看出井筒的变形与井筒的受力是息息相关的。研究表明，井筒的平衡受力状态的打破是由于底部含水层水位下降引起的上覆表土层下沉，进而产生的附加应力所造成的。所以对竖井井筒的状态进行实时监测，就是要对其相关的各项监测参数进行动态追踪。

（1） 井筒变形量

井筒变形监测包括井壁的竖向和径向变形监测，通过监测井壁的竖向变形可得到井壁的竖向压缩量，进而推算出竖向应力；而通过将不同监测水平的径向变形量进行比较，可以获得井筒是否发生了弯曲。对于井筒竖向变形量进行光纤光栅监测是，采用光纤光栅位移传感器，选择好要监测的区域后，在监测区域的上下两边选择两基点，先将传感器基座固定两基点处，然后再将光纤光栅位移传感器安装与基座上。井壁发生竖向变形时，会导致两基点间距离发生变化，这一信息会被光纤光栅传感器所感知，通过监测系统传往地面监控室。

（2） 井筒局部应变量

局部应变反映井壁局部的受力情况，灵敏度较高。当局部发生变形时，适合采用应变测量方法。例如，对于深厚表土层竖井井筒来说，危险截面位于表土层与基岩交界面处，截面附近随着水位下降附加应力增加会发生较大变形，而在交界处安装应变计，则反应快速、灵敏，可做到及时报警。通过局部应变量的监测，得到的数据通过分析计算可换算出结构的应力，进而分析井筒的应力状态，及时进行安全判定于预测。

（3）罐道移动量

井筒内的罐道是与井壁相连的，为防止井壁在发生竖向变形时，导致罐道弯曲，罐笼脱离罐道，进而酿成重大安全事故，上下罐道之间在罐梁处留有伸缩缝。伴随井壁的竖向变形（一般表现为压缩），罐道之间的伸缩缝也随之在不断地减小。因此，对罐道伸缩缝间距实施自动化监测十分必要。与此同时，罐道还可能会发生水平方向的移动，具有极大的危害性，对罐道水平移动量也需要进行监测。罐道缝间距的测量方法与井壁变形测量方法类似，只是两基点选择在上下两罐道上而非井壁。罐道水平移动量的监测方法与井壁径向变形测量方法类似。

以某竖井监测方案为例。布设传感器方案如下：

硬件组成

竖井井筒光纤监测预警系统的硬件系统是由传感器、传输光缆、光纤光栅智能解调仪和计算机四部分组成。传感器由光纤探头和连接光缆组成，安装在被监测点现场。解调仪和计算机安装在控制室内，现场和控制室之间采用单模光纤进行信号传输，由解调仪与计算机系统实施数据采集与处理、故障诊断、报警及控制。如下图所示：

光纤光栅传感器

本工程监测参数主要为应变及位移，选用光纤光栅传感器，其中应变采用混凝土表面应变计，井壁位移采用位移传感器以及选取温度传感器作为监测补偿修正。传感器具体选型如下：

（1）混凝土表面安装应变传感器

HT-OFS2行光纤表面应变计，主要技术参数如下：

(2)  温度传感器

HT-OFT10光纤光栅温度计，主要技术参数如下：

（3）位移传感器

HT-OFD200光纤光栅位移传感器，主要技术参数如下：

（4）光纤光栅解调仪

HT-FT310光纤光栅解调仪，主要技术参数如下：