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光纤光栅测试岩石变形的试件模拟实验研究.pdf

第28卷第3期 西安科技大 学 学报 V01.28 No.3 2008年9月 OFXI’ANUNIvERSnYOFSCIENCE JOUI州AL ANDTECHNOU)CⅣ Sep.2008 文章编号:1672—9315(2008)03—0401—06 光纤光栅测试岩石变形的试件模拟实验研究 柴 敬1’3,朱 磊1,李 毅”,魏世明1,张广文2,杨建华2 (1.西安科技大学能源学院,陕西西安710054;2.兖州煤业股份有限公司济三煤矿,山东济宁272000; 3.西部矿井开采与灾害防治教育部重点实验室,陕西西安710054) 摘要:为了预报松散含水岩层失水引起的沉降变形,采用预设钻孔埋入光纤Bragg光栅方法,对 岩石变形进行监测,制作水泥砂浆试件4个,在实验室模拟预埋入光纤光栅砂浆试件的拉伸和压 缩受力过程,测定光纤光栅波长偏移量,实验得出不同受力状态下光纤光栅的波长变化特征,采 用光纤光栅传感技术是一种有效观测岩石变形的方法。 关键词:水泥砂浆试件;光纤Bragg光栅传感器;单轴实验;岩石变形 315+.3 中图分类号:TD 文献标识码:A 0引言 岩石是岩土工程中最常见的工程材料,岩石的变形断裂是岩石的重要力学特性,岩石是含有孔洞、裂 隙和微结构面等初始缺陷的各向异性介质,在外载荷作用下,岩石初始缺陷闭合、微裂纹萌生扩展贯通决 定了岩石的变形特征…。在我国的华东地区,广泛分布着新生界松散含水地层,由于受到采动影响或者 地质构造影响,新生界松散层下含水通过基岩风化带裂隙通道不断流失,导致水位大幅度下降,引起松散 岩体有效应力增加,含水层岩石产生压缩变形。分布在该区域内的淮北、淮南、徐州、兖州等矿区的40多 个井筒发生了变形破坏,严重影响了各矿井的安全生产。目前,对岩石变形的观测方法主要有白光DSCM 方法旧1(数字散斑相关测量方法)、热红外观测法口J、混沌预测法【4o等方法。这些方法有着各自的特点,但 是,在对大型工程岩体的变形观测过程中无法实现观测的连续性和实时性。光纤光栅是近几年发展最为 迅速的光纤无源器件之一,其在光纤通讯和光纤传感领域有着广阔的应用前景,光纤光栅传感技术日趋 成熟,并且在许多工程中已有应用,如航空航天、混凝土结构及复合材料等[5]。光纤光栅用于岩石变形监 测,具有不怕恶劣环境、耐磨蚀、使用安全可靠、集传感与传输于一体、构造简单等优点。采用光纤Bragg 光栅传感技术实现了煤矿锚杆支护质量监测和岩梁变形监测,具有较高的精确度,并且能够实现远程监 测和全过程监测∞’川。为了研究采用光纤光栅对岩石变形的检测,本文对预埋人光纤光栅水泥砂浆试件 进行了实验研究。 ‘ 1光纤Bragg光栅传感原理 光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性制作而成,一般是通过特殊制作工艺方法(通常是向Ge磁芯光纤 照射240 ulm左右的紫外线)使外界入射的光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用,导致纤芯折射率沿纤轴方 向周期性或非周期性的永久性变化,在纤芯内形成空间相位光栅㈦91。这种光栅的中心波长A占与光纤纤 芯有效折射率neff以及光纤光栅周期A相关,它们的关系可以表示为 ·收稿日期:2007—11—20责任编辑:杨忠民 基金项目:国家自然科学基金50774060) 作者简介:柴敬(1964一),男,宁夏平罗人,教授,工学博士,博士生导师,主要从事采矿工程、实验岩石力学及光纤安全监测技术的 教学和科研工作. 万方数据 402 西安科技大学 学报 2008.生

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