基于分布式光纤传感技术的采动覆岩变形监测
基于分布式光纤传感的堤坝形变监测系统设计
基于分布式光纤传感的堤坝形变监测系统设计朱萍玉;冷元宝;王少力;蒋桂林【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2009(36)1【摘要】Aim at solving online hidden deformation monitoring problems for the embankment dams with long distance and large area,a monitoring system using distributed stimulated Briilouin scattering optical fiber sensing is proposed.Data acquisition principle of the distributed optical fiber sensing instrument is briefly introduced and Data Flow Diagrams (DFDs) is analyzed.Take the Yellow River embankment dam as an example of being monitored.The monitoring system based on DiTeSt-STA202,which is a distributed optical fiber sensing instrument made by Omniscns,is constructed.The database of monitoring system consists offourparts,original data from sensors,database,user output,and user operations,which can process and manage these data including real-time monitoring and previous posted data.It also provides important information and guide for the expert decision-making system of embankment dam safety monitoring and maintenance.%针对大型堤坝长距离,大范围和形变隐患实时监测的难题,本文提出采用分布式受激布里渊散射光纤传感技术的监测系统,介绍了分布式光纤传感实验仪的数据采集原理,分析了数据结构流程,以黄河堤坝的监测为例,构建了基于Omnisens的DiTeSt分布式光纤传感仪的监测系统;监测系统的数据库由原始传感数据源、数据库、用户输出和用户操作四部分组成,能对实时监测和历史数据进行处理和管理,为堤坝安全监控专家系统提供重要资料和决策依据.【总页数】6页(P57-62)【作者】朱萍玉;冷元宝;王少力;蒋桂林【作者单位】湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室,湖南湘潭,411201;水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心,郑州450003;湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室,湖南湘潭,411201;湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室,湖南湘潭,411201【正文语种】中文【中图分类】TP212.14.TN247【相关文献】1.分布式光纤传感器监测堤坝隐患试验研究 [J], 肖德斌;石玢2.分布式光纤堤坝形变监测试验研究 [J], 张清明;周杨;冷元宝3.基于SAR的洞庭湖堤坝形变监测方法研究 [J], 袁会林;谭三清;李建辉;曾荣亮;杨振兴4.基于分布式光纤传感的堤坝安全监测技术及展望 [J], 冷元宝;朱萍玉;周杨;王送来5.基于分布式光纤传感技术的堤坝渗流模拟系统设计(英文) [J], 朱萍玉;LucThévenaz;冷元宝;周杨因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比
㊀第46卷第1期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.46㊀No.1㊀㊀2021年1月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan.㊀2021㊀采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比柴㊀敬1,2,杨玉玉1,欧阳一博1,张丁丁1,2,杜文刚1,李淑军3(1.西安科技大学能源学院,陕西西安㊀710054;2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西西安㊀710054;3.陕西郭家河煤业有限责任公司,陕西宝鸡㊀721505)摘㊀要:物理相似模型试验是煤矿采场上覆岩层变形破坏规律研究的主要手段,将BOTDA ,FBG 与DIC 光测方法相结合,建立 点-线-面 的试验测试系统以提高测试精度十分必要㊂基于光测原理,分析了BOTDA ,FBG 和DIC 技术的应变测量,探究了应变局部化带对DIC 检测应变的影响,BOTDA 和FBG 测试本质上是一种 线应变 ,而DIC 是 面应变 ㊂统计已有的试验研究,得出了不同工况下物理模型试验BOTDA ,FBG 光纤应变监测数据范围㊂搭建3m 平面应力相似模型,模拟煤矿工作面开挖77次,推进240cm ㊂通过埋设在模型内部的1根BOTDA 传感光纤以及3个FBG 传感器对模型关键层内部变形状态进行监测,同时以DIC 实时观测模型表面变形,研究这3种不同的光测技术所获得的关键层应变测试结果,进行对比分析覆岩变形破坏规律,得出3种不同的光测技术测试应变的量化关系,并分析他们对应变测试存在差异的原因㊂试验结果表明,BOT-DA 和FBG 的测试应变量级相同,在均匀连续变形区域DIC 与BOTDA 监测的应变比值为15．52~16．70,在非均匀变形区域DIC 与BOTDA 监测的应变比值为27~133;在应变曲线峰前阶段,DIC 与FBG 测试应变一致性好,峰后阶段DIC 更好地反映了上覆岩层的变形;尽管在测试结果上有量级的差异,但随着岩层变形破断以及离层裂隙的张开㊁闭合,3种光测方法均可以反映岩层内外部同步性的变形,其发展趋势基本一致,BOTDA ,FBG 和DIC 应变曲线峰值位置偏差较小;对离层出现位置,FBG 的偏差为1．13%,FBG 测试结果更好;对关键层破断范围,DIC 测试的破断范围偏差为1．62%,测试结果更好㊂关键词:覆岩变形破坏;布里渊分布式光纤传感技术;光纤布拉格光栅;数字图像相关技术;物理模型试验中图分类号:TD325㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2021)01-0154-10移动阅读收稿日期:2020-02-05㊀㊀修回日期:2020-05-10㊀㊀责任编辑:黄小雨㊀㊀DOI :10.13225/ki.jccs.2020.0141㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(41027002,51804244)㊀㊀作者简介:柴㊀敬(1964 ),男,宁夏平罗人,教授,博士生导师㊂Tel:029-********,E -mail:chaij@xust．edu．cn㊀㊀引用格式:柴敬,杨玉玉,欧阳一博,等.采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比[J].煤炭学报,2021,46(1):154-163.CHAI Jing,YANG Yuyu,OUYANG Yibo,et parison of optical measurement methods for deformation and failure simulation test of overburden in working face[J].Journal of China Coal Society,2021,46(1):154-163.Comparison of optical measurement methods for deformation and failuresimulation test of overburden in working faceCHAI Jing 1,2,YANG Yuyu 1,OUYANG Yibo 1,ZHANG Dingding 1,2,DU Wengang 1,LI Shujun 3(1.School of Energy Science and Engineering ,Xi an University of Science and Technology ,Xi an ㊀710054,China ;2.Key Laboratory of Western Mine Exploi-tation and Hazard Prevention ,Ministry of Education ,Xi an University of Science and Technology ,Xi an ㊀710054,China ;3.Shaanxi Guojiahe Coal IndustryCo.,Ltd.,Baoji ㊀721505,China )Abstract :The physical similarity model test,combining Brillouin Optical Time-Domain Analysis (BOTDA),Fiber第1期柴㊀敬等:采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比Bragg Grating(FBG)and Digital Image Correlation(DIC)optical measurement methods to improve the test accuracy, is the main method to study the deformation and failure law of overlying strata in a coal mine.It is necessary to estab-lish a point-line-surface test system.Based on the principle of optical measurement,it is known that BOTDA and FBG test is essentially a line strain ,while DIC test is a face strain ,through ana-lyzing the strain measurement of BOTDA,FBG and DIC technologies,and exploring the influence of strain lo-calization band on the detection strain of DIC.After studying some previous experiments,the monitoring data range of fiber strain of BOTDA and FBG physical model tests under different working conditions was obtained.A3m plane stress similarity model was built,the extrac-tion of the coal working face was simulated77times,and the coal working face was advanced240cm.Through one BOTDA sensing fiber and three FBG sensors embedded in the model,the internal deformation state of the key layer of the model was monitored.At the same time,the surface deformation of the model was observed in real-time by DIC.By studying the strain test results of the key layer obtained by these three different optical measurement technologies,com-paring and analyzing the deformation and failure law of the overburden,the quantitative relationship of the test strain of three different optical measurement technologies was obtained.Then the reason of the difference between them was an-alyzed.It is shown in the test that the magnitude of test strain of BOTDA and FBG is the same,the difference of test strain between BOTDA and DIC in uniform continuous deformation area is15．52-16．70times in theory,and27-133 times in non-uniform deformation area.At the pre-peak stage of the strain curve,the consistency of test strain between DIC and FBG is good,while at the post-peak stage,DIC reflects the deformation of overlying strata better.Although there is some difference in the test results,with the formation and deformation of the stratum,breaking and the opening and closing of the separation fractures,all of the three optical measurement methods can reflect the internal and exter-nal synchronous deformation with the basically same development trend.The deviation of the peak position of the strain curves of BOTDA,FBG and DIC is small.For the position of the separation,the FBG test result is better with a devia-tion of1.13%.For the fracture range of the key layer,the fracture of DIC test is better with the range deviation of 1．62%.Key words:deformation and failure of overlying strata;Brillouin Optical Time-Domain Analysis(BOTDA);Fiber Bragg Grating(FBG);Digital Image Correlation(DIC);physical model test㊀㊀煤层开采引起上覆岩层产生移动,由此发生了一系列力学现象,研究开采引起的覆岩运移规律是发展开采技术的基础[1]㊂然而,由于现场研究费用高㊁难度大及监测设备受限等因素,物理模型试验是研究覆岩变形破断规律㊁顶板来压特征的主要手段[2]㊂目前,物理模型试验中位移测试多采用近景摄影㊁全站仪㊁百分表等,应力应变监测多采用应变片㊁压力传感器等手段,由于测试精度低㊁操作多为点式测量等原因,这些测试手段难以连续㊁实时进行整场测量㊂光纤传感技术由于其可以实现长距离㊁高精度㊁分布式测量等诸多优点,被广泛应用于各种工况下的结构健康检测㊂其中布里渊光时域分布式光纤传感技术(BOTDA)优点突出,精度高,实现分布式测试,可测量绝对温度和应变[3]㊂光纤布拉格光栅(FBG)是应用最为广泛的光纤传感技术之一,现已被广泛应用于电力㊁矿业和建筑等多个领域[4]㊂BOTDA/FBG 联合应用于实验室㊁现场的研究已逐步成熟㊂柴敬等综合利用光纤光栅和分布式光纤传感技术对采动覆岩变形进行联合监测,形成了顶板来压规律㊁覆岩垮落形态㊁物理相似模型温/湿度场的检测等一系列的研究成果[5-8]㊂施斌和张丹对煤层采动过程中覆岩变形与破坏的发育规律进行了监测和分析,揭示覆岩变形与破坏的发育特征[9]㊂张丁丁等研究松散层沉降光纤光栅监测的应变传递规律并在工程中应用[10]㊂吴冰,朱鸿鹄等利用光纤光栅对冻土含冰量进行监测,得出部分规律[11]㊂数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术是一种基于非接触式图像的光学方法,利用数字图像获取结构体全场位移和应变响应,相关学者已将其应用于岩石力学试验中[12-13]㊂朱鸿鹄在砂土质地基模型试验中,基于FBG,BOTDA和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)结合技术获得了土体的应变,其中PIV与DIC原理相同㊂2种方法在具体数值有较大的差异,在小变形条件下,FBG读数的稳定性明显好于PIV[14-15]㊂对于光纤传感技术与DIC测量精度的研究,鲜有相关文献报道㊂笔者将BOTDA,FBG和DIC技术应用于物理相似模拟试验中,用BOTDA以及FBG传感器进行结构551煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷内部应变测试,用DIC 进行表面应变实时监测,研究不同原理测试方法在获得数据上的关系,建立对应换算比例㊂分析不同光测方法对同一对象观测的应变值差异较大的原因㊂1㊀光测方法原理1．1㊀BOTDA 应变BOTDA 为利用光纤作为传感元件,当被测光纤受到外力或温度变化时,光纤中受激布里渊散射光的频率将发生变化,通过转换就能获得光纤沿线的应变信息㊂布里渊频移变化量与温度和应变变化[16]为Δε=[ΔV B -C 1ΔT ]/C 2(1)其中,Δε为应变变化量;ΔV B 为布里渊频移量,MHz;C 1为温度灵敏度系数,MHz /ħ;ΔT 为温度变化量,ħ;C 2为应变灵敏度系数,103GHz㊂该方法基于光的散射原理,测量布里渊散射光的频率变化㊂1．2㊀FBG 应变利用光纤材料特性,在纤芯形成空间相位光栅,即FBG,应变与温度的变化都能够引起的反射光波长变化[17]为Δε=ΔλB i λB i -K T ΔT æèöø/K ε(2)其中,ΔλB i为光纤光栅中心波长的变化量,nm;λB i (i =1,2)为光栅初始中心波长,nm;K T 为温度灵敏度系数,对于室温下,一般取值0．794;Δε,ΔT 为光栅应变㊁温度变化量;K ε为应变灵敏度系数,对于典型石英光纤,取值0．78㊂依据公式可以方便求出外界应变Δε的值㊂该方法基于光纤耦合模式理论,测量反射光的波长变化㊂上述2种方法在温度变化较小的情况下(如5ħ),可忽略温度的影响㊂1．3㊀DIC 应变测量原理DIC 技术是使用工业相机获取物体表面的散斑图像,基于算法进行图像分析以定量提取被测结构体表面的三维坐标㊁位移场及应变场等变形信息㊂DIC 通过求取变形图像前后子区中心点的位移差来获取测量点P i (i =1,2,3)的位移,如图1所示㊂DIC 应变计算本质上是对位移的求导,子区测量点在空间中的变化可用梯度矩阵F [18]表示:F =xᶄi yᶄi éëùû=u i v i éëùû+F 11F 12F 21F 22éëùûˑx i y i éëùû(3)其中,共有6个未知数,u i ,v i 为测量点P i 的横向和竖向位移分量,F 11,F 12,F 21,F 22为梯度矩阵F 的各元素分量㊂因此,至少需要3个测量点的变形信息,采用最小二乘法计算变形张量,拉伸张量U 表示为U =F TF =εx +1εxy εyx εy +1éëùû(4)图1㊀数字图像相关应变计算原理Fig．1㊀Calculation principle of digital image correlation strain㊀㊀由式(4)中可以得出被测物体x 和y 方向的应变㊂BOTDA,FBG 测试方法是以光为载体㊁光纤为媒介对外界信号进行感知和传输,本质上是一种 线应变 ㊂DIC 应变测量通过至少3个测量点的位移数据求出应变,本质上是 面应变 ㊂2㊀测试数据差异性2．1㊀应变范围对于掺锗石英光纤,BOTDA 应变灵敏度系数C 2通过标定实验得出,其值为48GHz;FBG 应变灵敏度系数K ε=0．78㊂本次试验,BOTDA 与FBG 所测应变表示为BOTDA:Δεx =ΔV B /0．048(5)FBG:Δεy =106ΔλB i /0．78λB i (6)㊀㊀对于直径为2mm 的单模紧套光纤进行分布式光纤应变监测时,ΔV B 在0~480MHz;对于典型的聚烯乙酯封装的FBG 传感器,ΔλB i 范围在0~8nm㊂由此可得,FBG 传感器(1550nm)最大监测应变为6．617ˑ10-3;BOTDA 最大测试应变为10-2㊂图2为不同地质条件下模拟煤矿上覆岩层变形破断时,由BOTDA 和FBG 监测出的最大应变值,横坐标为物理模型模拟开挖工作面的推进距离,数据点来自文献的研究成果[6,8,19-21]㊂引入高采比k (k =h /m )表述上覆岩层的位置,h 为光纤的埋设位置,m 代表煤层的采高,即从0~30倍的高采比进行统计㊂由图2可知,当覆岩产生破断时,BOTDA /FBG 测得应变离散程度高,但是总体上,随着高采比k 的增大,测得的应变相对要小些,这符合覆岩变形的基本规律;BOTDA 测得的应变大致为0~7ˑ10-3,平均应变3．656ˑ10-3;FBG 监测结果分布在0~5ˑ10-3,平均应变2．352ˑ10-3㊂试验测试结果在651第1期柴㊀敬等:采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比量级上与理论值基本一致㊂DIC 为基于连续变形假设的光测方法,其监测应变的测试范围为5ˑ10-5~20,获取应变场的大范围数据,因此,从理论上讲,BOTDA,FBG 和DIC 测试结果在量级上可能存在1~2．86ˑ103倍的差异㊂图2㊀模型覆岩破断时的光纤测试数据Fig．2㊀Optical data of model overburden breaking2．2㊀监测应变差异性根据1．3节,DIC 的应变测试本质是基于连续变形对位移的求导,测点位于均匀变形区域时,应变测试数据接近实际应值;测点位于裂隙及其附近非均匀变形区域时,应变测试数据有差异㊂图3为DIC 测量裂隙周围变形示意,测点1位于裂隙上,其所在的正方形子区涵盖了裂隙区域以及应变局部化带内的非均匀变形区域,DIC 无法有效计算裂隙上的位移数据,测点1的位移值必定与实际位移值相差较大[22]㊂测点2布置在应变局部化带边界上,其所在子区涵盖了应变局部化带内的非均匀变形区域和应变局部化带外的均匀变形区域,DIC 不可能同时准确获取非均匀变形区域和均匀变形区域的位移值,因此测点2的位移值必然与实际位移值相差较大,这与前人的研究成果一致[23]㊂测点3位于应变局部化带之外,子区包含应变局部化带外的均匀变形区域,测点3的位移值与实际位移值相吻合㊂图3㊀DIC 测量裂隙周围变形示意Fig．3㊀Diagram of deformation around fracture measuredby DICDIC 的应变测量可以等效于在模型表面一定大小的应变片,在此称作虚拟应变片,虚拟应变片的边长L VSG 为L VSG =[(L w -1)L st +L su ]/α(7)其中,L w 为正六边形半径上除应变测点之外的测点数;L st 为子区间距;L su 为子区大小;α为测试系统放大倍率㊂为了保证DIC 的测量精度,最终确定L w 为3;L st 为5pixel;L su 为34pixel;α为1．8pixel /mm,由式(7)求得L VSG 为24．44mm㊂此外,本次试验中DIC 测量系统位移分辨率为0．01pixel,DIC 测量系统的精度为0．006mm㊂对于GOM -ARAMIS 软件,其虚拟应变片为正六边形,虚拟应变片面积为1552．15mm 2;BOTDA 解调仪空间分辨率设置为50mm,对于直径为2mm 光纤,其与岩层的接触面积为100mm 2,也就是说光纤在某点的应变实际为光纤与岩层接触面积上所有应变的平均值㊂由此得出,当DIC 测点位于均匀变形区域时,DIC 与BOTDA 的应变测试结果比值为15．52㊂3㊀相似物理模型试验3．1㊀模型概况试验以某矿为研究背景,选用河砂㊁粉煤灰㊁石膏㊁大白粉作为相似材料㊂选取几何相似比为1ʒ150,制作相似模型,模拟开挖的煤层编号为1-2煤,煤层厚度m =1．3cm,关键层位于煤层上方h =19cm 处㊂模型两侧边界煤柱30cm,开切眼10cm,模拟工作面开挖步距为3cm,从保护煤柱向右侧推进,累计开挖77次,共推进240cm㊂采用光纤监测关键层变形破坏,由光纤埋设位置得k =15．8㊂3．2㊀监测系统布置模型共布置有3种光测传感监测系统,BOTDA,FBG 和DIC 技术的监测系统如图4所示,各测量系统均在每次开挖结束后采集数据㊂埋设3支FBG 应变传感器,编号为FBG01(λB1=1535．58nm),FBG02(λB2=1555．73nm),此751煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷外还有1支温度补偿传感器FBG03,采用竖直埋设的方法,监测结果中数据为正表明岩层处于受拉状态,数据为负表明岩层处于受压状态㊂一根直径2mm 的单模紧套光纤,埋设于关键层最中间位置,埋设光纤直径小于2mm 时岩层位移变化误差小于5%,对岩层变形影响小[24]㊂DIC 监测系统由两个CCD 数字摄像机组成,分辨率为600万像素㊂3．3㊀试验覆岩变形破坏过程工作面自保护煤柱推进至25cm 时,直接顶垮落,垮落高度1．1cm,垮落长度22cm;推进至37cm,工作面初次来压,垮落高度4．5cm,垮落长度34cm;推进至58cm,顶板上部10．5cm 处出现离层,张开度0．8cm,长度达到21cm,工作面第1次周期来压;推进至76cm,顶板上部9．6cm 处出现新的离层,张开度为0．3cm,长度达到25．5cm;工作面推进至115cm,采空区中部离层裂隙被压闭合,上覆岩层20~39．6cm 处新的离层裂隙进一步发育,如图5(a)所示;推进至121cm,覆岩变形至上表面,地表出现明显下沉,裂隙带被压实,此时裂隙带高度在33．5cm;推进至178cm 时,顶板垮落高度5．6cm,长度172cm;推进至220cm,工作面上部岩层14．5cm 处产生离层,张开度0．5cm,长度27cm;推进至240cm,垮落带高度达到8cm,裂隙带高度为36．5cm,覆岩变形如图5(b)所示,回采结束,模型顶部下沉量为0．9cm,岩层左侧垮落角54ʎ,右侧垮落角为56ʎ㊂图4㊀物理模型光测监测系统布置Fig．4㊀Layout of optical monitoring system for physical model图5㊀物理模型试验覆岩变形及对应DIC 应变云图Fig．5㊀Deformation of overburden in physical model test and corresponding DIC strain nephogram4㊀试验结果与分析4．1㊀均匀变形区域的应变对比工作面推进至22cm 时,由BOTDA 与DIC 获得的关键层应变监测结果如图6所示,此时工作面覆岩区域为均匀连续变形,DIC 测试的平均应变(3．704ˑ10-4)与BOTDA 测试的平均应变(2．22ˑ10-5)比值为16．70,与理论计算值15．52,较为接近㊂为了能够准确评价DIC 测量的精度,利用工作面推进至220cm 时全站仪测点的观测值,与DIC 的测试结果进行对比如图7所示,DIC 与全站仪所测结果整体变化趋势一致,误差为8．3%㊂说明试验选取的DIC 子区大小㊁以及子区间距的参数可行,保证了DIC 测量精度对试验观测的需要㊂4．2㊀FBG 监测应变在工作面推进过程中,FBG 传感器测试的应变变化如图8所示,横坐标为模型长度㊂FBG01距离模型边界130cm,应变变化曲线如图8(a)所示,当工作面推进至76cm 时,受到覆岩运移影响,岩层弯曲下沉,FBG01应变值开始变化;推进至100cm 时,工作851第1期柴㊀敬等:采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比面基本位于FBG01传感器下方,FBG01的应变为-1．63ˑ10-4;当推进至133cm时,传感器位置的岩层形成悬臂梁结构,应变迅速达到最大2．573ˑ10-3;此后随着工作面推进,岩层破断㊁垮落和逐渐被压实,应变又变为负值并趋于稳定㊂FBG02距离模型边界190cm,应变变化曲线如图8(b),工作面推进至157cm时,应变值为-1．29ˑ10-4;当推进至175cm 时,应变迅速达到最大2．768ˑ10-3,此后随着工作面推进,FBG02应变值减小至负值最后逐渐稳定㊂4．3㊀DIC监测应变图9为工作面推进过程中,FBG01,FBG02所在位置的DIC测试应变曲线㊂图9(a)中,当工作面推进106cm之前,DIC所测得应变基本为0,在此期间,FBG01所在位置并未发生离层裂隙㊂此后应变开始阶段性增大,当工作面推进至112cm时,应变为2．242ˑ10-2;推进至124cm时,应变为3．248ˑ10-2;推进至136cm时应变达到最大值6．076ˑ10-2㊂上覆岩层中出现离层,并逐渐变小直至稳定㊂图6㊀BOTDA与DIC应变对比Fig．6㊀Comparison of strain between BOTDA andDIC图7㊀全站仪和DIC测量结果对比Fig．7㊀Comparison of total station and DICresults图8㊀物理模型FBG监测应变Fig．8㊀FBG monitoring strain of physicalmodel图9㊀物理模型FBG位置处DIC监测应变Fig．9㊀DIC monitoring strain at FBG location of physical model951煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷㊀㊀图9(b)中,工作面推进至157cm 之前,DIC 测点应变基本为0,此后随工作面推进,应变逐步增加,推进至175cm 时,应变增加至8．531ˑ10-3,然后开始急剧增大,推进至184cm 时,应变达到最大7．808ˑ10-2,从199cm 开始,应变开始阶段性下降,最终稳定在10-2左右㊂引入离层位置偏差量ηF ,ηD 来衡量FBG 与DIC对离层位置判定的准确程度,计算公式为ηF =L F-L 0L 0ˑ100%ηD =L D -L 0L 0ˑ100%ìîí(8)式中,L F 为FBG 应变最大值所确定的离层距离左侧煤柱的距离,cm;L 0为模型实测离层位置,cm;L D 为DIC 应变最大值所确定的离层距离左侧煤柱的距离,cm㊂对于FBG01应变最大值出现时,真实离层位置距离左侧煤柱131cm,此时偏差ηF01为1．52%,ηD01为3．82%㊂同理,对于FBG02真实离层位置距离左侧煤柱177cm,计算得ηF02为1．13%,偏差ηD02为3．95%㊂FBG01测得最大应变2．573ˑ10-3,DIC 测得应变为6．076ˑ10-2,DIC 测试值与FBG 测试值比值为23．6㊂FBG02测试应变,DIC 测试值与FBG 测试值比值为28．2㊂DIC 与FBG 获得的 测点应变 有较大的差异,但是,FBG 和DIC 监测的应变曲线可以较好地显示测点附近离层裂隙的发育情况,应变最大值出现位置基本相同,FBG 测得结果更好㊂在应变曲线峰前,DIC 与FBG 测试应变均快速增长至最大,说明岩层变形的突发性㊂在应变曲线峰后阶段,DIC 更好地反映了上覆岩层的变形,有一个逐步稳定的发展过程,而不是出现负值㊂其原因主要是光纤和岩层之间的不完全接触造成的;还有其他一些因素可能导致这种差异㊂4．4㊀BOTDA 监测 线应变工作面推进过程中,布置在关键层中的BOTDA 监测的沿线应变曲线如图10所示㊂图10(a)中,当工作面推进至70cm 时,关键层岩层发生弯曲,围岩应力重新分布,岩层内部光纤受到拉应力的作用,产生正应变,出现微小凸峰,应变值达到1．58ˑ10-4,出现1号凸峰㊂当工作面推进至85cm 时,关键层内光纤受到的拉应力进一步增大,应变值达到3．01ˑ10-4㊂图10(b)中,推进至121cm 时,工作面第5次周期来压,关键层破断,顶板结构失稳,发生回转,岩层破坏特征为拉破坏,在靠近左侧煤柱和工作面后方形成破断线,在破断线附近的光纤拉应力增大,呈现双凸峰(2号,3号)趋势㊂工作面从121~175cm 推进过程中,2号凸峰应变达到10-3,基本不变;3号凸峰的应变值最大达到1．083ˑ10-3,随工作面推进至175cm 时降低为8．13ˑ10-4,其原因是关键层位置裂隙闭合,岩层内部弹性能释放㊂在此后推进过程中,3号凸峰位置几乎不变,其峰值逐渐趋于稳定㊂图10(c)中,工作面推进至190cm 时第10次周期来压,曲线在双凸峰状的基础上出现新的凸峰(4号),位置在190cm 处,应变值7．68ˑ10-4㊂随着工作面继续向前推进,4号凸峰位置逐步向右移动,峰值1．7ˑ10-3;图10(d)中,推进至223cm 时,4号凸峰应变增大至1．745ˑ10-3;推进至240cm 时,应变值降为1．323ˑ10-3㊂BOTDA 测试的应变曲线中2号凸峰出现位置基本保持不变,峰值稳定在9ˑ10-4左右,表明此处岩层变形小,围岩应力趋于稳定㊂3号凸峰峰值稳定在7ˑ10-4左右,位置也基本不变,说明随着工作面推进,应力也趋于稳定㊂4号凸峰峰值随工作面推进距离的增加先增大,之后又逐渐降低,表明了岩层内弹性能的变化由积聚到逐渐释放的动态变化过程㊂4．5㊀DIC 监测 线应变图11为工作面推进过程中,沿光纤埋设位置的DIC 测线应变测试结果㊂图11(a)中,工作面推进至55cm 时,伴随着工作面顶板的下沉而发生微小变形,推进至70cm 时,应变增大到1．461ˑ10-2㊂图11(b)中,工作面从121~175cm 推进过程中,曲线呈现双凸峰状,3号凸峰位置右移及峰值增大,最大峰值为0．121;之后图11(c ),(d )中,工作面从190cm 推进至240cm 时,曲线在双凸峰状的基础上同样出现新的凸峰(4号),最大峰值为6．8ˑ10-2㊂对比图10和图11,凸峰出现位置,以及整体趋势,BOTDA 和DIC 应变曲线基本一致,BOTDA 和DIC 的应变曲线随着工作面推进,曲线由单凸峰到双凸峰的 马鞍形 ,再到3个凸峰㊂在整个覆岩变形破断过程中,2号凸峰位置变化不大,3号凸峰位置先逐渐向右移动,之后稳定在150cm 左右,4号凸峰也呈现先向右移动,再逐渐稳定状态㊂BOTDA 应变曲线和DIC 应变曲线都呈规律性地先上升后下降,最后趋于稳定㊂总之,BOTDA 应变峰值位置与DIC 应变曲线中应变峰值位置相近,他们均较好的反映出来破坏现象,以及发生破坏的位置,也说明了岩层内外部变形的同步性㊂㊀61第1期柴㊀敬等:采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比图10㊀物理模型BOTDA 监测应变Fig．10㊀BOTDA monitoring strain of physicalmodel图11㊀物理模型DIC 监测应变Fig．11㊀DIC monitoring strain of physical model161煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷㊀㊀同理,引入破断范围偏差来衡量BOTDA与DIC 对破断线范围判定的准确程度,如工作面推进175cm时,真实破断范围为183cm,BOTDA偏差为3．25%,DIC所测偏差为1．62%㊂比较工作面过程中破断范围偏差,DIC测得破断范围更精确㊂2号凸峰在工作面推进过程中相对稳定,DIC监测的2号凸峰从22cm移动到19cm,平均应变为6．7ˑ10-2;BOTDA监测的2号凸峰从16cm移动到27cm,平均应变9．09ˑ10-4,DIC与BOTDA监测的平均应变比值为74;3号凸峰应变先增大后减小,DIC 与BOTDA监测的平均应变比值最小为69,最大为133;4号凸峰DIC与BOTDA监测的平均应变比值最小为27,最大为41㊂综上,在工作面推进过程中,DIC 与BOTDA监测的平均应变比值在27~133,平均应变差异较大㊂4．6㊀应变差异原因BOTDA与DIC结果有差异的原因有以下几点:从试验角度分析,试验物理模型为平面应力状态,模型面没有得到有效约束控制;不完善的检测条件影响了照片的质量,图像处理过程造成了误差,图像失真无法完全消除,计算误差会累积㊂从光纤传感技术角度,岩层垮落导致光纤和岩层之间的不完全接触,出现滑移㊁脱落现象;砂土脆性材料,对传感器的接触面积以及应变的有效传递产生影响;光纤应变测量高度依赖于BOTDA的空间分辨率,本次试验BOTDA空间分辨率为50mm;光纤以及外护套具有一定的直径,使模型岩层变形产生一定误差㊂从数字图像相关技术测试角度分析,岩层的真实变形场可能异常复杂,从而导致变形后的子区形状难以描述,无法有效估计形函数误差;缺乏完备的散斑质量评价标准与优化的理论模型;不同变形条件下,缺乏优化计算参数的选择的标准方法;子区大小㊁间距这些参数的选择与设置也会影响应变检测㊂所有这些因素都可能给测量带来不确定性,不同光测方法虽然在具体数值有一定的差异,但总体趋势一致㊂需要在进一步的研究中分析影响因素,并逐步消除㊂BOTDA测试方法本质上是一种 线应变 ,DIC 是 面应变 ,研究两种不同的光测方法的融合机制,用BOTDA以及FBG传感器进行结构内部应变测试, DIC进行表面应变监测,进行大试样或者大范围的岩石力学试验观测㊂5㊀结㊀㊀论(1)BOTDA测试方法本质上是一种 线应变 , DIC本质上是 面应变 ㊂BOTDA和FBG的测试应变量级相同;对于本次试验中DIC测试参数的设置,一方面满足相似模型监测精度要求,另一方面,在均匀连续变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为15．52~16．70,在非均匀变形区域监测的应变比值为27~133㊂(2)相对实际离层出现位置而言,FBG和DIC测得结果有存在一定偏差,最大偏差为3．95%㊂对比2个测点,FBG测试结果更准确㊂(3)BOTDA和DIC均可以判断关键层破断范围,在此次试验中DIC测试的破断范围偏差值更小,测试结果更好㊂(4)BOTDA,FBG和DIC监测应变在数值上存在差异性,且测试精度各有优劣,但总体的应变曲线基本趋势一致,反映了岩层内外部变形的同步性㊂3种光测传感技术联合可以用于监测分析覆岩关键层运移规律,揭示不同开挖状态的破坏形态㊂进一步的研究将建立他们之间的量化关系㊂参考文献(References):[1]㊀钱鸣高,许家林.煤炭开采与岩层运动[J].煤炭学报,2019,44(4):973-984.QIAN Minggao,XU Jialin.Behaviors of strata movement incoal mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(4):973-984.[2]㊀娄金福,高富强,李建忠,等.采场模型试验应力(压力)测量系统研制及应用[J].煤炭学报,2019,44(S1):31-40.LOU Jinfu,GAO Fuqiang,LI Jianzhong,et al.Research and applica-tion of stress(pressure)measurement system for physical modeling [J].Journal of China Coal Society,2019,44(S1):31-40. [3]㊀吴海颖,朱鸿鹄,朱宝,等.基于分布式光纤传感的地下管线监测研究综述[J].浙江大学学报(工学版),2019,53(6):44-57.WU Haiying,ZHU Honghu,ZHU Bao,et al.Review of underground pipeline monitoring research based on distributed fiber optic sensing [J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2019, 53(6):44-57.[4]㊀娄建华,刘军,王洁,等.DSP光纤光栅解调系统研究[J].西安科技大学学报,2012,32(1):91-94,120.LOU Jianhua,LIU Jun,WANG Jie,et al.Research on DSP fiber Bragg grating demodulation system[J].Journal of Xi an University of Science and Technology,2012,32(1):91-94,120. [5]㊀柴敬,袁强,李毅,等.采场覆岩变形的分布式光纤检测试验研究[J].岩石力学与工程学报,2016,35(S2):3589-3596.CHAI Jing,YUAN Qiang,LI Yi,et al.Experimental study on overly-ing strata deformation based on distributed optical fiber sensing[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35 (S2):3589-3596.[6]㊀柴敬,孙亚运,钱云云,等.基于FBG-BOTDA联合感测的岩层运动试验研究[J].西安科技大学学报,2016,36(1):1-7.CHAI Jing,SUN Yayun,QIAN Yunyun,et al.Strata movement tes-ting based on FBG-BOTDA combined sensing technology in simi-261。
分布式光纤传感技术在高速公路边坡安全监测中的应用
分布式光纤传感技术在高速公路边坡安全监测中的应用摘要：边坡变形监测是边坡稳定性评价的重要手段，已经在滑坡预测预报中得到大量应用。
但是，边坡变形监测地普及远远跟不上国家经济建设发展，尤其是随着我国近些年来对铁路、公路投资的大幅度提升，开挖大量的工程边坡，给交通和人民的生命安全带来很大威胁。
因此，为适应边坡工程监测的需求，选择近年来发展起来的光纤传感监测技术，依托大量的工程实践，开展分布式光纤传感技术在边坡监测中的应用研究。
结合分布式光纤传感技术和边坡变形监测的特点，开展了监测方案制定问题的研究。
关键词：分布式光纤传感技术；高速公路边坡；安全监测；应用引言：随着我国高速公路里程不断增长，人们对高速公路的要求也越来越高，不仅仅要求道路的通畅，也要求高速公路的绿化和美化。
高速公路边坡的生态防护作为高速公路绿化的一个重要组成部分，对于防止水土流失、减轻污染、稳固路基、保障行车安全等有着重要意义。
1、高速公路的边坡特点1.1呈现条带状分布，地域性明显一条高速公路一般数十公里，乃至几百公里，公路沿线自然环境差异极大。
气温差别大，气候可分为中亚热带、北亚热带、南温带和中温带等。
沿线有农田、丘陵和林地等多种自然景观。
因此，在边坡植被变化较多，在进行边坡植物种植时，必须充分考虑地域特点，做到适地适树。
1.2原有生态系统受到破坏高速公路的边坡，特别是挖方边坡，开挖后使地表植被遭到破坏，原有表土与植被之间的平衡关系失调，表土抗蚀能力减弱，在雨滴和风蚀作用下水土极易流失。
而且边坡的坡度大，土壤渗透性差等原因，边坡土壤对降水截留较小，这一方面容易造成水土流失和光、水的再分配，另一方面由于水土流失导致坡面土壤贫瘠，立地条件差，不利于植物生长，原有的生态系统受到破坏。
而高速公路修建后，对地表进行破坏，生态系统受到破坏后，短时间内很难进行恢复。
1.3交通污染影响植被的正常生长汽车污染主要分为噪声污染和大气污染，而高速公路恰恰是汽车污染最为集中的地方。
基于分布式光纤传感的形变探测管试验研究
图 2 分布式光纤形变探测管的探测原理
2 光纤应变与探测管沉降量的关系
2. 1 光纤应变与探测管沉降量的理论关系 图 3 为土体沉降时光纤的受力情况 。传感光纤
的初始长度为 L0 , 当土体发生沉降 ( 垂直位移) D 时 ,探测管向下摆动至与水平线形成倾角θ。此时 , 左端质量块在重力作用下滑向探测管左端 , 下部光 纤被拉伸至长度 L , 发生的形变量 ΔL = L - L0 , 相 应的应变ε=ΔL / L 0 , 则有 L = ( 1 +ε) L 0 。此时 , 左 端质量块对光纤的拉伸力 F = m gsinθ, 其中 g 为重
力加速 度 , m 为 质 量 块 的 质 量 。根 据 弹 性 定 律 ,
ΔL = F/ k = m gsinθ/ k , 其中 k 为光纤的弹性系数 。
由此有 sinθ=ΔL k/ ( m g) = L0εk/ ( m g) , 土体的沉降
量
D
=
L sinθ=
L L 0εk/
( m g)
=
(1
+ε)εk
光纤与电缆及其应用技术 Optical Fiber & Elect ric Cable
2010 年第 1 期 No . 1 2010
应用技术
基于分布式光纤传感的形变探测管试验研究
王少力 , 朱萍玉 , 陆 洁 , 张子才
(湖南科技大学 机械设备健康维护湖南省重点实验室 , 湖南 湘潭 411201)
于质量块的质量
m = 0. 28
kg ,则
K
=
k
L
2 0
/
( m g)
=
608. 747 2 ×2. 242 / (0. 28 ×9. 8) = 1 113. 14 。
大量程分布式光纤传感技术研究及工程应用
大量程分布式光纤传感技术研究及工程应用面板堆石坝的面板表面变形和滑坡体地下深部变形位移监测是其稳定性评价的重要手段,已经在大坝、岩体稳定性预测预报中得到大量应用。
但是精度高、稳定性好的形监测技术远远跟不上国家经济建设发展,尤其是随着我国近些年来对水利工程投资的大幅度上升,实时、准确地监测坝体、边坡变形等稳定问题显得十分重要。
为适应大坝工程监测的需求,选择近年来发展起来的光纤传感监测技术,结合面板堆石坝和边坡监测工程实践,针对目前监测技术的不足,开展基于缠绕的分布式光纤传感技术研究。
首先分析了分布式光纤传感变形监测方法的特点,其次建立了缠绕式光纤应变传感器的物理模型,基于光纤传感器监测机理,分析该分布式光纤位移—光损关系,再次提出了一种基于缠绕的分布式光纤应变传感测量装置,开展了该分布式光纤传感器性能试验研究,最后将分布式光纤传感器监测系统应用于工程实际。
通过对以上内容的研究,主要取得了以下的成果：1)建立了缠绕式光纤应变传感器的物理模型,研究了基于螺旋的分布式光纤传感器监测机理,探索了岩层间距变化、不同岩层倾角对位移—光损耗的关系的影响规律。
结果表明：宜采用波长1550nm和1310nm的组合光源监测系统,既能使系统有较小的初始感知位移,又能使系统有较大的测量范围；分布式光纤光损耗的主要影响因素除滑动位移量外,还与岩层间距(夹层厚度)、岩层滑移角度、入射光波长以及光纤类型有关。
采用空心橡胶棒,可增长测试路径,扩大位移量程,进一步提高事件点的定位精度。
2)提出了一种基于缠绕的分布式光纤应变传感测量装置,分析了橡胶管直径、螺旋间距对传感器灵敏度的影响规律。
结果表明：在光纤光损耗和变形位移曲线的有效区域内,光纤的变形位移与光损耗基本呈线性关系,在变形位移一定的条件下,直径越大的橡胶管,光纤感知位移变化的灵敏度就越低；螺旋间距越大的光纤,感知位移变化的灵敏度也越低,采用直径为40mmm、螺旋间距为15mm的橡胶管的光纤传感器既能保证有较高灵敏度又能保证有较大的动态测量范围。
基于融合型分布式光纤传感的输电线覆冰舞动监测
基于融合型分布式光纤传感的输电线覆冰舞动监测电网对于国家发展至关重要,然而输电过程中由于沿途环境复杂,易遭受自然灾害发生损毁,其中以水汽或水滴凝结在输电线上形成的覆冰现象以及不均匀覆冰的输电线在风激励下形成的舞动现象最为常见,且危害最大。
但是传统的电学覆冰舞动检测技术具有成本高、无法完全覆盖电网、高压环境下工作不稳定、供电困难等不足。
而全分布式光纤传感技术把整条光纤作为传感单元,凭借其良好的抗干扰性、全分布式、无源性等特点可以克服以上不足。
目前在电网中分布式光纤传感技术的应用仍存在三个问题:一是频谱拟合数-据量大耗时多,从而不能实现实时测量。
二是缺少输电线实际环境中的温度应变分离系数。
如果直接使用实验室中的分离系数,会造成分离后精度严重下降。
三是因为覆冰舞动是由温度、湿度、地理环境等因素共同造成的,若只采用单一参量对覆冰舞动事件进行监测,只能反应一种因素,所以常常伴随有高漏报率。
不仅难以实现对潜在事故的预警,而且给工程应用推广带来困难。
针对上述问题,采用融合型分布式光纤传感系统进行多参量监测。
在频谱拟合过程中本文设计了一种快速寻峰算法。
选取峰值附近的点进行基于最小二乘拟合的多项式拟合,得到方程后,根据系数求得频移和峰值功率。
该算法在相同精度下,速度提高一倍,从而保证监测的实时性。
提出了一种现场标定布里渊温度应变系数的方法实现温度和应变的精准分离。
该方法通过选取光纤接续区域,实现现场环境下的快速标定。
设计多参量的监测和预测方案,基于融合型分布式光纤传感技术实时监测电缆沿线温度、应力和振动变化。
通过对三个参量的综合分析,可以有效反映光缆沿线小气候变化。
采用积温、局部剧烈天气变化和输电线温度昼夜温差三种方式,进行覆冰舞动预测。
在外场进行了的挂网监测,实验数据显示,一个月内电缆沿线的温度变化数据良好地反映了局部的小气候变化。
采用温度数据计算积温对覆冰进行预测,并结合昼夜温差预测出覆冰发生概率较大的区域。
采动覆岩变形的分布式光纤检测与表征模拟试验研究
采动覆岩变形的分布式光纤检测与表征模拟试验研究煤炭开采引起的上覆岩层变形监控是煤矿安全与绿色开采的重要组成,建立矿山岩体区域检测网络成为煤矿岩层控制的新方向。
采场大空间、覆岩大变形、岩移大范围是目前采场覆岩变形的新特点,成为制约煤炭安全高效开发的瓶颈。
分布式光纤传感技术具有分布式、多尺度、高精度等优势,有助于实现大范围和多尺度的岩层变形测试。
开展覆岩变形及其结构演化的分布式光纤检测研究,是推动采场覆岩变形信息化和构建智能矿山的有效途径之一。
本文针对采动覆岩变形的分布式光纤检测,基于物理模型试验,结合理论分析和数值模拟,对岩层变形的分布式光纤检测理论、分布式光纤检测试验技术方法、采动覆岩变形的分布式光纤表征模型和特殊结构覆岩变形特征的分布式光纤检测等问题开展研究。
对岩层变形引起的光纤受力特征进行了理论分析,建立了岩层变形的分布式光纤应力分布理论模型,揭示了岩层破断垮落、裂隙离层发育、弯曲下沉等引起的光纤应力分布形态。
表明处于不同变形积度岩层内的光纤受力具有阶段特性。
提出了基于光纤频移的覆岩变形表征方法,表明岩层与光纤之间的接触系数是分布式光纤检测的重要影响参数,可通过建立分布式光纤表征模型来描述覆岩变形状态。
利用ANSYS数值模拟分析了模型试验中光纤对岩层变形的影响机制。
表明光纤埋设对岩层应力分布造成附加影响,影响程度随光纤直径和弹性模量增大而增大。
光纤对岩层变形的影响范围呈菱形分布,半径约10 cm。
岩层位移变化特征揭示了光纤参数对岩层变形的影响规律,1～2 mm直径光纤造成的岩层位移变化影响小于5%;光纤弹性模量在岩层弹性模量2个数量级以上时,光纤对岩层位移变化影响大于25%。
用岩层位移变化率表征了光纤对岩层变形的影响关系,揭示了光纤直径和弹性模量对岩层变形的影响分别为二次函数和一次函数关系,为模型试验的光纤造型提供了依据。
开展了采动覆岩变形光纤检测模型试验,提出了岩层变形光纤检测试验技术方法,得出了覆岩变形的分布式光纤频移变化基本规律,建立了覆岩变形的分布式光纤表征模型。
基于分布式光纤传感技术的铁路路基岩溶土洞塌陷监测
基于分布式光纤传感技术的铁路路基岩溶土洞塌陷监测何建平;徐骏【摘要】Karst cavern collapse is the most serious failure mode of railway subgrade with strong insidious and wide spatial distribution. Common monitoring and inspection methods cannot meet the requirement of distributed monitoring,so distributed Brillouin Optical Fiber sensing technology was put forward for the collapse location and identification. Collapse monitoring sensor was packaged by the fiber reinforced polymer,and absolute temperature compensation was developed to eliminate the effect of environmental temperature on collapse strain measurement. Experimental results show that absolute temperature can effectively eliminate the strain error induced by the temperature influence,the collapse strain was agreed with the real condition of cavern collapse based on the distributed collapse strain from cavern collapse identification and location.%岩溶土洞塌陷是铁路路基最为严重的破坏形式，具有隐伏性强、空间分布广的特点。
基于分布式光纤光栅传感技术盾构隧道纵向沉降和水平位移监测研究
基于分布式光纤光栅传感技术盾构隧道纵向沉降和水平位移监测研究随着我国城市人口和建筑密集度不断提高,城市地下轨道交通进入了一个前所未有的发展阶段,盾构隧道以安全、可靠、劳动强度低和环境影响小等特点成为城市地铁隧道建设中首选结构形式。
上海地铁运营的监测数据表明,由于隧道临近范围内各种长短期荷载共同作用,软土盾构隧道出现不同程度的纵向结构变形(包括纵向沉降和水平位移),并随着服役年限增长而增加,严重威胁着隧道的安全营运和周围环境。
当前传统监测方法由于缺乏分布特点已不能满足隧道纵向结构变形监测全面性、高精度和长期稳定性要求,因此本文通过引入高精度的分布式光纤传感技术力图实现盾构隧道纵向沉降和水平位移的监测。
基于盾构隧道结构和变形特点,本文从分布式光纤传感器长短期性能、应变分布到变形分布算法两方面研究入手,考察传感器在盾构隧道监测中的适用性,并把基于应变分布的单向变形算法扩展至双向变形算法,建立了盾构隧道纵向沉降和水平位移同时监测方法,并通过盾构隧道试验模型给予验证。
本文的研究内容和创新点如下：1)本文从精确度和长期稳定性两方面考量长标距分布式光纤光栅传感器技术在盾构隧道纵向结构变形监测中的适用性,通过恒温下往复拉伸试验和环境试验来验证该传感器的短期和长期性能。
试验结果分析表明,长标距光纤光栅传感器在加工质量较好情况下精度能够达到5με,在各种环境浸渍下其线性度、应变灵敏度和重复测量都保持稳定。
2)本文在基于应变分布单向变形算法基础上,推导了基于双向曲率分离竖向沉降和水平位移同时监测的算法,并用有限元模拟来初步验证上述方法的正确性和可行性,同时对其进行误差分析比较。
3)为了验证2)中提出监测算法实际应用可行性,采用钢管模拟盾构隧道并布设长标距光纤光栅传感器检验算法变形监测精度。
设定的变形方式有竖向变形和水平变形两种单向变形,以及竖向变形和水平变形同时存在的复合变形。
试验结果分析表明,在单向变形下,竖向沉降监测误差在5%以内,对于水平位移监测误差控制在15%以内；复合变形下监测最大误差基本控制在15%以内。
光纤传感技术在岩溶塌陷监测中的应用研究
光纤传感技术在岩溶塌陷监测中的应用研究发布时间：2021-12-24T06:05:25.845Z 来源：《防护工程》2021年24期作者：胡婷[导读] 作为主要的岩溶区地质灾害之一，岩溶塌陷存在明显的突发性与隐蔽性，以至于相应的监测预报十分困难。
自20世纪末到至今为止，人们根据岩溶塌陷的整体特征，通过先进的现代化设备，大量提出监测方法，其中以光纤传感专业技术较成熟，并且获得十分广泛的应用。
基于此，本文主要研究了在监测岩溶塌陷中有效应用光纤传感专业技术的必要性及具体过程，仅供参考。
胡婷重庆建筑科技职业学院重庆 401331摘要：作为主要的岩溶区地质灾害之一，岩溶塌陷存在明显的突发性与隐蔽性，以至于相应的监测预报十分困难。
自20世纪末到至今为止，人们根据岩溶塌陷的整体特征，通过先进的现代化设备，大量提出监测方法，其中以光纤传感专业技术较成熟，并且获得十分广泛的应用。
基于此，本文主要研究了在监测岩溶塌陷中有效应用光纤传感专业技术的必要性及具体过程，仅供参考。
关键词：监测应用；光纤传感；岩溶塌陷在我国地区有广阔分布着岩溶，伴随人类活动的不断增多，岩溶灾害也变得更加突出[1]。
尤其是岩溶塌陷一度发展成为有关工程建设的关键性地质灾害。
怎样防止岩溶塌陷引起潜在的威胁，现已逐步变成地质研究领域的焦点内容。
面临地质灾害，一般要求以预防为主，并且辅以治理，因此光纤传感专业技术便以其独特的优势引起了岩溶塌陷专业监测预警行业的广泛关注。
一、在监测岩溶塌陷中有效应用光纤传感专业技术的必要性因为岩溶塌陷存在很多明显的特征，如隐蔽、突发、不确定等，所以业界监测、预报预警一直一来都难以得到解决[2]。
伴随经济的增长，很多高速铁路、公路均有穿过岩溶发育区，所以需要路基增强强度、缩小变形，所以监测岩溶塌陷及其预报预警便十分有必要。
现阶段，一般通过间接监测法来进行监测预报。
也就是利用自动监测体系，来实时监测岩溶管道内部的裂隙水（气)压力这种触发岩溶塌陷的因素。
基于分布式光纤的结构变形理论研究
基于分布式光纤的结构变形监测的理论研究摘要：传统的结构变形监测与应变监测采用不同的系统。
论文主要研究受弯结构的变形——应变关系，推导相关的理论公式。
通过检测结构应变的同时得出结构的变形，完成变形与应变的同时检测，具有较好的经济效益。
关键字：分布式光纤，变形监测，应变监测结构的变形监测在结构的施工和运营期都起着重要的作用。
工程结构的变形量不能超过其所能承受的范围，否则会带来严重的灾难。
如基坑支护结构，要监测支护结构顶水平位移与深层水平位移；大型建筑结构全寿命期的监测；桥梁结构中梁的挠度监测，塔的水平位移监测等等。
目前变形监测是用测量仪器或专用仪器测定结构在荷载作用下随时间变形的工作。
常规的地面测量技术采用水准仪、全站仪等测定点的变形量，但外业工作量大,布点受地形条件影响,不易实现自动化监测。
GPS全球定位系统从20世纪80年代开始用于变形监测，该系统在滑坡变形、大坝变形、矿区地面沉陷和地壳形变监测等方面,做了大量的研究工作。
此技术明显优于传统大地测量监测技术，但价格昂贵，且有一些关键技术，如精度需进一步提高，系统自身的误差对测量结果的影响等需要解决。
结构在寿命期内除了要进行变形监测外，还需进行应力应变、裂缝等的监测，而测量技术无法完成，需另成立监测系统，造成监测系统增多，费用增大。
分布式传感光纤的出现为解决这一问题带来了曙光。
1、分布式光纤进行变形监测的原理连续分布式光纤传感技术利用光纤中的光散射效应来实现被测信息的传感，目前有三种技术：1）基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。
瑞利散射对温度和应变不敏感，用于光纤链路损耗测量和裂缝检测。
2）基于拉曼散射的分布式光纤传感技术。
拉曼散射只对温度敏感,且受拉曼散射信号强度的制约。
3）基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。
该技术利用应力和温度可以改变布里渊散射光相对于入射光的频移这个特性，实现应变和温度的传感检测。
相对于入射光，布里渊散射光有一定的频移，称为布里渊频移。
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（ ６ ） ㊀刘少林等：基于分布式光纤传感技术的采动覆岩变形监测 ２ ４
１ １ １ ９
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０ ㊀引㊀言
㊀㊀与浅部煤层开采不同， 随着开采强度及深度的 增加， 深部煤岩体处在高地应力、 高地温、 高岩溶水 压的环境中， 工作面回采破坏了原岩应力的平衡状 态， 引起了应力的重新分布。工作面前方出现了随 工作面回 采 向 前 移 动 的 卸 压 区 域、 应力集中区域 ０ １ ２ ） 。 （ 宋广东等，２ 煤层采动覆岩变形研究对煤层安全、 高效开采 有着直接的影响， 一直以来都是井下安全生产十分 关注的焦点问题， 准确判定顶板采动破坏高度及其 发育特征对矿井采场合理布置、 瓦斯抽采及矿井水 防治等具有重要的指导意义（ 张平松等，２ ０ ０ ９ ） 。在 煤层开采过程中， 准确认识覆岩应力场和变形场的 分布及变化情况， 可以得到覆岩的变形特征、 破断规 律， 为合理确定开采上界、 制定防治措施提供科学依 据， 从而实现对煤炭资源的安全、 高效开采；同时， 采动覆岩的变形研究对于推动相关理论的发展， 解 决深部开采中所面临的诸多难题等都具有重要的意 义（ 程久龙等，２ ０ ０ ０ ） 。 分布式光纤感测技术由于其探测感知端不含电 子元器件， 传感光缆具有本征安全的特点， 具有防水 防潮、 耐高温、 抗腐蚀、 抗电磁干扰等优点；光纤既 是传感器又是传输介质， 易实现长距离、 分布式测 量， 避免了点式传感的漏检问题；光纤体积小、 安装 相对容易， 易于网络化。 近年来， 分布式光纤传感技术在桥梁隧道、 边坡 工程、 地下工程等重大基础工程的应变监测和健康 诊断中已得到广泛应用（ 施斌等，２ ０ ０ ４ ，２ ０ ０ ５ ；丁勇 等，２ ０ ０ ５ ；刘杰等，２ ０ ０ ６ ；隋海波等，２ ０ ０ ８ ；Ｈ ｉ ｒ ｏ ｓ ｈ ｉ ｅ ｔ ａ ｌ ． ， ２ ０ ０ ７ ；Ａ ｓ ｓ ａ ｆｅ ｔａ ｌ ． ， ２ ０ ０ ９ ；Ｂ ａ ｏｅ ｔａ ｌ ． ， ２ ０ １ ２ ； Ｈ ｉ ｓ ｈ ａ ｍｅ ｔ ａ ｌ ． ， ２ ０ １ ２ ；Ｚ ｈ ａ ｎ ｇｅ ｔ ａ ｌ ． ， ２ ０ １ ５ ） 。对于矿山 工程， 分布式光纤传感技术的应用大多数限于井下 温度探测或者巷道变形、 支护方面的研究， 关于煤层 采动过程中覆岩变形及破坏规律的研究尚处在探索 阶段。作者所在课题组针对这一现状， 率先将分布
（ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｒ ｔ ｈＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ㊀２ １ ０ ０ ４ ６ ） ①Ｓ （ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｒ ｔ ｈａ ｎ ｄＥ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ａ ｎ ｈ ｕ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｈ ｕ ａ ｉ ｎ ａ ｎ ㊀２ ３ ２ ０ ０ １ ） ②Ｓ
基于分布式光纤传感技术的采动覆岩变形监测
刘少林 ① ㊀张㊀丹 ① ㊀张平松 ② ㊀王嘉诚 ① ㊀施㊀斌 ①
（ １ ０ ０ ４ ６ ） ①南京大学地球科学与工程学院㊀南京㊀２ （ ３ ２ ０ ０ １ ） ②安徽理工大学地球与环境学院㊀淮南㊀２ 摘㊀要㊀采用基于布里渊背向散射的分布式光纤传感技术（ Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ ） ， 监测煤层采动过程中覆岩的变形情况。以淮南矿区某 工作面为例， 在煤层开采之前， 通过钻孔安装工艺将分布式传感光缆植入到覆岩中， 然后进行封孔注浆， 使传感光缆与围岩变 形协调。随着工作面的逐步推进， 通过获取和分析传感光缆的应变分布特征及其动态变化过程， 得到了煤层采动过程中覆岩 的变形及破坏状态。最大拉应变位于孔深 ５ ｍ处， 应变量是 ８ ３ ５ ０ ；最大压应变位于孔深 ３ ７ ｍ ， 应变量约为 － 。 光缆应变 ５ ５ ０ μ ε μ ε 与地层具有很好的对应关系， 在岩性相对较软的地层（ 如泥岩） 中， 拉应变值相对较大， 而在岩性相对较硬的地层（ 如砂岩） 中， ４ ｍ ｍ ， 巷道围岩松动圈范围约为 应变量较小且多为压应变。根据光缆的应变分布得到的沿钻孔方向地层的最大变形量为 ３ ６ ｍ 。研究结果表明， Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ分布式光纤传感技术能够准确地获取覆岩的变形分布及其变化情况， 该技术的应用可以为深部 煤层的安全高效开采提供可靠的依据。 关键词㊀Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ｒ ㊀覆岩㊀分布式监测㊀光纤传感㊀变形 中图分类号： Ｔ Ｄ ８ ２ ㊀㊀文献标识码： Ａ