基于光纤光栅钻孔应力计的巷道围岩采动应力监测系统开发与应用

作     者：邢晓鹏 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方新秋

授予年度：2017年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0835[工学-软件工程] 081002[工学-信号与信息处理] 

主      题：光纤光栅 钻孔应力计 监测系统 现场应用 数值模拟 

摘      要：在煤矿安全开采中,岩体应力状态研究对揭示巷道围岩应力场的分布特征及演化规律和研究煤岩动力灾害和巷道支护设计至关重要。本文以先研制传感器和开发传感系统后进行现场应用和效果评价为主线,依次进行了光纤光栅钻孔应力计的设计与研制和光纤光栅采动应力监测系统的开发、应用和应用效果验证。通过理论分析建立了钻孔围岩力学模型,对围岩—钻孔应力计相互作用进行力学分析,结果表明增加应力计初始应力和伸缩性能可以改善监测精度。结合光纤光栅传感原理和其传感特性,对管状结构和囊状结构光纤光栅钻孔应力计进行了结构设计和性能测试,证明其初始应力不足和伸缩性能不够等缺陷的同时提出一种更优的分级组合体结构钻孔应力计。为了进一步改善传感效果,设计了一种“膜片结构+连接杆式光纤光栅压力计,通过性能测试和仿真分析证明其具有良好的线性度和工作重复性。基于光纤光栅钻孔应力计开发了一种光纤光栅采动应力监测系统,在开放化、集成化和智能化的设计理念下,完成了多平台分工协作设计和模型设计,将其分为了硬件系统和软件系统并进行了结构设计,使系统具有实时数据显示和历史信息查询等特点。将系统用于现场巷道围岩支承压力监测中,并用数值模拟得出巷道围岩支承压力分布曲线,将二者结果进行比较得出:现场实测和模拟的巷道围岩支承压力分布趋势相近,规律相似,以此证明了系统设计合理,性能稳定可靠,达到了现场监测的预期效果并实现了成功运行。