煤岩冲击地压光纤光栅传感监测基础研究

Coal or rock burst is one of the most destructive form in coalmine at present. Obtaining the change law of dynamic singal in time by advanced test method and forming the monitor system is one of effective means to reduce such accidents. In this project, the basic research on the monitor of coal and rock burst process by the fiber Bragg grating(FBG) sensing is carried out. It is the theory and pratice base of forming fiber sensing system of dynamic disaster. Based on the fiber sensing law, considersing the appearance and spread of dynamic singal, and the mechanical relationship between it and the sensing fiber, the FBG mointoring mechanism of coal and rock burst is studied. Combined with dynamic failure characteristics, considering effective structures of fiber sensors, the test method of dynamic singal using FBG is studied. The dynamic loading experiment and the similar simulation are carried out with FBG test, and the character and change law of dynamic singal are gotten by analyzing the rock and main roof’s dynamic failure. This research has great significance for people to explore a new mine safety monitoring method with intrinsically safety and reduce the dynamic disater caused by coal and rock’s dynamic damage.

煤岩冲击地压是目前煤矿最具破坏力的灾害形式之一。通过先进的监测方法及手段，及时掌握动力信号变化规律，形成有效的监测系统是减少此类事故发生的有效手段之一。本项目借助光纤光栅传感技术，进行煤岩冲击地压光纤光栅传感监测基础研究，为形成动力灾害光纤监测系统奠定理论及实践基础。以光纤光栅传感原理为基础，考虑煤岩冲击地压动力信号产生、传播以及与传感光栅的力学作用关系，进行冲击地压光纤光栅传感监测的机理研究；结合动力破坏特征，考虑有效的光纤测试结构，研究动力信号光纤光栅测试方法；进行光栅监测的动力加载实验、相似模拟实验研究，分别通过对煤岩样、老顶岩层动力失稳过程的监测分析，得出光纤信号的响应特征及变化规律。本项研究对于人们探索一种新的本安型矿山安全监测方法，减少煤岩动力破坏所导致的动力灾害等具有重要意义。

冲击地压是煤矿中一种常见的地质灾害，而随着我国煤炭资源逐步进入深部开采，冲击地压的发生频率、强度也在逐渐增加，目前，冲击地压己成为威胁我国深部煤炭资源开采的主要动力灾害之一。虽然国内外众多学者提出了针对冲击地压发生机理的理论和防治措施，但一直不能从根本上消除此类灾害的发生，人们也一直在寻找更为有效的煤岩冲击地压的预测预报方法。光纤光栅是一种以波长调制为传感机理的高精度监测器件，借助光纤光栅传感器可以进行动力信号的监测，鉴于此，本项目进行了煤岩冲击地压光纤光栅传感监测的基础研究，以探索光纤传感技术对冲击地压动力信号的监测机理及测试方法。.借助理论分析研究了冲击地压震动波与光纤光栅的耦合机理，包括震动波对光纤光栅的力学作用、与传感器的谐振作用与振荡耦合，得出了震动波作用下光纤光栅波长变化量的表达式；为验证OS7100型光纤光栅加速度传感器对冲击地压震动波的适用性，开展了室内模块的标定实验，得出了不同材料强度、不同传播距离下震动波的传播特性及波长变化特征；通过理论分析、室内实验等方法，研究了岩石的岩性特征、传播距离、震动波频率及传感器布置角度等因素对光纤光栅监测过程的影响，得出了各因素对震动波传播光纤光栅传感监测的影响机理及变化规律；通过对煤样的单轴压缩实验，研究了界面特性、宽高比及加载速率等因素对煤样冲击性破坏的影响，得出了煤样在不同加载条件下的变形规律及特征；开展了岩层垮落、冲击性破断光纤光栅传感监测的相似模拟实验研究，得出了冲击地压发生过程光纤光栅波长及频谱变化特征。.本项目的研究提供了一种煤岩动力破坏新的监测方法，这对于实现本质安全型矿山建设，形成一种更为先进的矿山灾害预警机制等具有重要意义。