巷道锚杆锚索支护结构光纤在线监测研究

本项目用光纤传感技术,解决巷道的顶板不同控制岩层范围内的锚杆锚索支护结构的协同作用进行在线监测的问题。研究光纤传感的锚杆锚固质量检测方法、及外锚头光纤测量锚固力的方法，设计适合于该监测方法的光纤传感器件及测温系统，开展锚杆锚索协同作用监测分析；研究对锚固力变化及其长期工作状态监测的多点准分布式信号检测技术、温度补偿、光纤保护等一系列关键技术。建立光纤传感的巷道顶板锚固质量检测理论，为地下加固工程的稳定性状态评价奠定理论基础。给煤矿回采巷道锚杆锚索支护质量的长期、在线、地面监测提供一种可靠有效的新手段，具有重要的工程应用价值。

为研究锚杆锚索支护巷道的围岩变形，监测锚杆受力和支护质量，本项目开展了基于光纤传感技术的锚杆监测研究。研究了巷道开挖过程中顶底板和两帮围岩的变形及松动圈范围，采用光纤光栅进行测试；研究了锚杆杆体在岩体中的应力应变情况，运用锚杆杆体的应力分布判定岩体对锚杆的握裹程度。建立了锚杆杆体表面粘贴式的光纤传感应变传递过程，及其光纤光栅和分布式光纤传感巷道锚固质量检测系统，开展了平面模型试验和锚杆拉拔试验。.处于锚固状态的锚杆上的轴力分布不仅与锚固端的力相关，还与岩体对锚杆的侧向剪切力相关。对杆体-岩体界面动力损伤和产生滑移变形的全过程进行模拟和测试，通过监测杆体的应变，判断岩体对锚杆的握裹能力，达到检测锚杆锚固质量的目的。锚杆杆体上的轴力利用高斯函数拟合，实验证明了高斯拟合参数与锚杆、药卷、岩体特性以及岩体对杆体的握裹程度相关。. 用5000×1425×400mm模型模拟巷道掘进过程，试验采用直接埋入方式，安装11个光纤光栅监测巷道掘进过程中靠近巷道顶底板和两帮的应变，得出巷道围岩的塑性破坏区。. 采用锚杆模拟实验装置进行锚杆模拟实验，选用砂：胶：水比例为1:1:0.5作为模型实验中的围岩材料配比，模型是高度1100mm、直径300mm的一个圆柱筒。锚杆长度1100mm直径18mm，在其上布置光纤光栅监测点，研究拉拔过程中锚杆的应力分布情况。. 制作尺寸2000×1100×800mm（长×宽×高）的模型，模拟煤矿砂岩中锚杆的受力，锚杆规格Ф18×1000mm。开展6次试验，采用FBG和PPP-BOTDA分布式技术对锚杆安装过程和拉拔试验进行监测，首次监测到了锚杆的凝固过程，实现了锚杆拉拔过程中的分布式测量，得到了锚杆轴力和杆体所受的剪应力。.项目的研究成果包括，建立了锚杆杆体表面粘贴式的光纤传感应变传递过程，基于光纤光栅和PPP-BOTDA分布式光纤锚杆应力监测系统，获批国家专利2项，在国内外一流刊物发表论文12篇，EI收录论文4篇，提交学术会议论文7篇，培养博士2名，培养硕士7名。获得陕西省科技进步二等奖1项。累计22人次先后参加学术交流。