智能岩石力学小论文

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1、论述矿山安全高效开采中密切关联的智能监测理论与技术及其发展趋势1声发射检测技术自从美国于20世纪40年代研究出第一台微振仪以后，于上世纪60年代后期发展成用于监测地下微震活动的声发射仪器设备及技术办法，并广泛用于地下工程微震活动的监测和岩爆范围的确定。井下冲击地压、大面积冒顶等动力灾害的发生都有一个从量变到质变的准备过程，即岩石从微小破裂到破坏的过程，在此过程中岩石由于应变能释放会伴随着应力波的释放，即产生声发射(AE)现象。AE声发射技术是用声发射传感器和专用设备等检测、分析声发射信号和利用信号推断声发射源处岩石等材料破坏特征及发展趋势的一种动态无损检测技术。岩体声发射技术结合声波检测分析方

2、法，对结构体稳定性监测、冒顶与地压安全隐患预测，以及地质灾害的预报十分有效。随着微机的迅速发展和普及，特别是近年來岩石力学的进展及学科交叉和渗透，声发射技术的应用取得了很大突破，解决了其它方法不能解决的一些难题。声发射技术今后需要进一步研究和完善，特别是完美地与计算机软件结合。2. 光纤传感技术光纤Bragg光栅(FBG)是20世纪90年代以來国际上新兴的一种有着广泛应用前景、性能优良的反射滤波无源敏感元件。光纤光栅作为传感器的一个重要的用途就是埋入复合材料或者结构中來实现材料、结构内部应变分布的实时监测，形成了光纤机敏材料与结构，与传统的电类传感器相比，它满足了矿山井下设备监测的远距离、分布

3、式和长期性的技术要求。光纤光栅传感器己用于岩石变形、相似模拟实验检测。其工作原理是，一束光注入光纤，满足光纤布拉格条件就会产生有效的反射,反射光的峰值波长称为布拉格波长，该反射光的中心波长与光栅所受的轴向应变和温度呈线性关系，即：AAr=KP+KtAT入B式中：入B为光栅初始中心波长;入B为光纤光栅中心波长的漂移量pm；8和AT分别为光栅所受的应变、温度变化量；K,Kt分别为光纤光栅的应变、温度标定系数。光纤光栅与基体材料之间的粘结材料和封装方式影响到光纤光栅传感器的应变传递：S=ma(k，L)式中：m为基体材料应变肖g光纤光栅传感器轴向应变;a(k,L)为光纤传感器粘贴长度应变传递的系数。光

4、纤传感器与传统的电类传感器相比，其以体积小、重量轻、耐腐蚀、测量精度高、抗电磁干扰、可实现远距离传输及分布式测量等独特优势在传感领域获得了很大的发展。作为一种新型的无源传感器件，光纤布拉格光栅(FBG)在釆矿等工程领域的监测中将会得到更多应用。3. 红外传感探伤技术红外探测波段在0.76lOOOum之间。红外线有以下特性:任何物体，只要其温度高于绝对零度，就会向外辐射红外线。物体温度越高，辐射的红外线越多，辐射能量越大；分子振动和晶格振动也会向外辐射红外电磁波，并形成红外辐射场；不同气体对红外光的吸收光谱有所差异，气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相关。正是因为具有这些特点，红外传感技术被应

5、用在热成像仪、红外探测器、红外气体分析仪、红外探伤仪。煤矿渗水往往会导致矿井的塌方，将红外探伤技术应用于煤矿中对积水区域的探测，可以有效预防渗水。众所周知，岩层或煤层不断向外辐射红外电磁波和辐射场。而红外探测仪则可以根据辐射场的变化，确定隐伏目标的性质。对一条掘进巷道而言，如果掘进前方或巷道外围存在采空区老空水或隐伏含水构造，局部地段的介质成分和密度发生变化会产生一个异常场，并迭加于正常场之上，使正常场发生畸变。由于红外辐射场所占的空间总是大于实体，故可通过场的变换提前发现含水区或含水构造。红外技术具有精度和灵敏度高、响应速度快、稳定性和可靠性好、准确度不受被测气体气流速度的影响等优点。4.

6、地质雷达地质雷达(GroundPenetratingRadar简称GPR),是通过发射天线向地下发射高频电磁波，通过接收天线接收反射回地面的电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。雷达波的穿透能力大小是衡量雷达在矿井中应用效果好坏的重要指标，它取决于介质的电磁波衰减系数，衰减系数越小，雷达波的穿透能力越大。衰减系数随着介质电导率的增大而增大。煤矿井下介质主要为低电导率的煤层、砂岩、页岩、灰岩，它们的衰减系数较小，雷达波在这些介质中穿透能力较大。所以地质雳达在煤矿井下应用是可行

7、的，尤其在探测断层、岩层界面及溶洞位置等方面效果较好。地质雷达具有轻巧便携、操作方便、分辨率高、效果好且属于无损伤探测,因此，在煤矿井下具有很好的应用前景。5.微震监测技术岩石在应力作用下发生破坏，并产生微震和声波。在采动区顶板和底板内布置多组检波器并实时釆集微震数据，经过数据处理后，采用震动定位原理，可确定破裂发生的位置，并显示在三维空间上。微震监测技术应用于煤矿灾害监测的最终目标是从数据采集到监测预报实现自动化。这还需进一步研究，特别是与工程理论相结合的研究。与传统技术相比，微震定位监测具有远距离、动态、三维、实时监测的特点，还可以根据震源情况进一步分析破裂尺度和性质。这种技术是在近儿年來

8、计算机和数据采集技术快速发展的基础上产生的。它为研究覆岩空间破裂形态和釆动应力场分布提供了新的手段。目前，数据处理主要依靠专家完成。以微震监测技术为核心，配以矿山压力、地质力学、水文地质、瓦斯地质等工程理论，可进行矿井突水、瓦斯突出、岩层垮落等灾害的监测预报。从微震监测技术和各工程理论本身来看，都是比较成熟的。但在两者的结合点上的“桥梁”性知识(如微震分布的密度和强度与突水的关系、与顶板垮落的关系等)还缺乏系统的研究，这是今后研究工作的重点。1在岩石应变变形检测中的应用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240nm左右的紫外线)使外界入射

9、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。这种光栅的中心波长入b与光纤纤芯有效折射率心疔以及光纤光栅周期人相关，它们的关系可以表示为：图1.光栅结构及原理图入射光反姑比光纤纤芯有效折射率氐疔和光纤光栅周期任何一个量的改变都会引起中心波长入B发生偏移，应变与温度的变化都能够引起入B产生偏移。当有应变作用于光纤Bragg光栅(FBG)时，光栅的拉伸会导致其周期的变化，同时光弹效应也会导致%疔的变化，由应变引起的波长偏移可表示为：AAb=AB(l-Pe)c式中：是轴向应变;Pe是有效弹光系数。当有温度作用于光纤Bragg光栅(F

10、BG)时，也会导致应变发生变化，纤芯折射率口出会由于热光效应的存在随着温度发生变化，此时入b的偏移可以表示为：AA1一=+afAT+(1-Pe)cAB式中：af为光纤的热膨胀系数为热光系数;AT为温度改变量。以上述光纤光栅的传感原理为基础，借助光栅测试岩石单轴压缩过程中的应变变化，采用表面粘贴光栅的方法。加载过程中试件的变形导致光栅轴向的应变变化，使光栅的反射波长发生漂移，通过测试仪器对反射波长的接收，根据上述公式即可计算出应变值。2.在锚杆拉拔实验中的应用锚杆埋入岩石中的长度以及锚杆与岩石间锚固剂的饱和程度是锚杆能否发挥其最大效用的关键。锚杆支护是隐蔽性工程，它的危险前兆往往不容易察觉,这是

11、造成煤矿事故的一个重要原因，采用锚杆支护的巷道都需要对巷道矿压进行观测。端头测力计視150FBG1也阻应变片2锚杆电阻应变片3FBG2FBG3550r图2.光纤传感器锚杆拉拔实验的测试系统在矿山围岩支护和边坡加固工程，使用表面黏贴式光纤布拉格光栅传感器对锚杆、预应力锚索进行监测，将光纤光栅黏贴于金属锚杆表面进行受力监测。光纤光栅轴向应变与基体材料沿轴向的应变之间的基本表达为：g=ma3式中：m为锚杆应变；g光纤光栅传感器轴向应变；a(k,L)为光纤传感器黏贴长度应变传递的系数。/、sinh回(kL)a(k,L)=1kLcosh(kL)式中：L为传感器的黏贴长度；k为与光纤和黏结材料特性有关的参

12、数，由上式给出。71k2=p(l+vc)gr|lni)式中：vc,Ec,Eg,rg和耳分别表示黏结材料的泊松比、弹性模量、光纤的弹性模量、光纤的外径和黏结材料的外径。图3光纤光栅端头式测力计的结构光纤光栅端头式测力计结构如上图所示，筒体为高强度的合金圆筒，外径47mm,内径24mm,高度80mm,内置3个高精度的光纤光栅，其中1个为温度传感器提供温度补偿光纤光栅可以测量作用在测力计上的总荷载，还可以测量出不均匀荷载或偏心荷载。由一根铠装光缆输出信号，最远传输距离可达30kmo标定实验得出锚杆测力计的轴力F计算式为：AAt+AA,F=74.09(冷-AA6)式中：入4,AA5为2个内置光纤光栅波

13、长漂移量；AA为温度补偿光纤光栅波长漂移量。光纤光栅传感器与电阻应变片测量的实验数据拟合方程均呈明显线性关系,其线性拟合度均达到0.99%以上；每个微应变下光纤光栅波长漂移量即光纤光栅的应变灵敏度为1.186pm/|Jo由于黏贴于锚杆杆身的光纤光栅传感器与锚杆杆体存在着黏结层，光纤光栅传感器与锚杆杆体之间存在传递系数釆用电阻应变片、杆身光纤光栅及端头式测力计的数据曲线与锚杆轴力理论曲线相一致，光纤光栅的监测方法可以获得锚杆轴力分布情况以及随荷载的应变分布状况。光纤光栅端头式测力计的光栅实验后完好，测力计可以重复使用。3.小结光纤传感器与传统的电类传感器相比，其以体积小、重量轻、耐腐蚀、测量精度高、抗电磁干扰、可实现远距离传输及分布式测量等独特优势在传感领域获得了很大的发展。作为一种新型的无源传感器件，光纤布拉格光栅(FBG)在釆矿等工程领域的监测中将会得到更多应用。