巷道锚固岩体的光纤光栅智能感知机制及应用研究

发布时间：2020-05-27 15:39

【摘要】：由于锚杆支护工程岩体的结构复杂性和锚固岩体感知技术的滞后性,现今仍对锚固岩体承载机制、锚杆-围岩耦合关系、锚杆体载荷传递和锚固失效机制等问题缺乏系统性的可靠认识。本文综合采用理论分析、实验室试验、仿真模拟研究、工业性试验等多种方法探讨了基于光纤光栅的巷道锚固岩体感知方法,主要研究工作如下:(1)在总结、深入研究锚固岩体失效机制的基础上,构建了锚固界面失效进程中弹性、滑移剪胀、塑性软化和脱黏状态下锚固区锚杆轴向载荷分布的理论解,根据界面脱黏过程中锚固区锚杆轴向力分布的演化特征,建立了基于锚固区锚杆轴力监测实现锚固岩体界面力学状态感知的机制,并提出了锚固界面、围岩裂隙发育、锚杆变形和巷道围岩表面收敛等锚固岩体感知的关键特征参数,为实现锚固岩体的光纤光栅智能感知提供了理论基础。(2)从光纤光栅基本感知理论出发,提出了光纤光栅中心波长和3dB带宽相结合的传感原理,采用理论分析和仿真方法,分别研究了均匀应变场、等递增非均匀应变场及二次函数分布应变场对均匀光纤光栅的调制特征,通过研究非均匀应变场对光纤光栅中心波长、3dB带宽的调制特征,确定了等递增应变场带宽展宽与应变梯度的线性关系,为结合采用FBG波长和3dB带宽方法实现非均匀应变场的识别和应变梯度测量提供了可能。(3)针对表面粘贴式FBG的测量精度和载荷传递问题,提出了分离式的表贴FBG应变传递耦合模型,将FBG应变耦合机理问题转变为保护涂覆层内的轴对称问题、粘结层内的平面应力问题和被测表面半平面体问题,得到了更为精确的FBG轴向应变分布解析解。采用仿真和实验室试验验证了理论解的准确性,并探讨了粘贴结构的力学和几何特征对理论解精度的影响。(4)采用弧线切割等厚悬臂梁的方法,得到了近似拟合的一次函数、二次函数和三次函数分布应变场,试验研究了均匀FBG光谱对不同类型非均匀应变场调制特征,探索了中心波长漂移量与3dB带宽对应变分布特征参量的敏感特性,验证和确定了基于两者相结合实现非均匀应变场识别与测量方法的合理性和适用范围。(5)为解决FBG对高次函数应变场识别、测量的局限性,研究了非均匀应变场调制下的FBG应变分布重构问题。引入模拟退火算法,建立了针对目标光谱的应变分布重构模型,确定了最优判定准则函数,分析了重构过程中的误差来源与误差传递规律,实现了多特征参量高次应变分布函数的重构,提高了重构精度和置信度。(6)基于以上理论研究成果,针对锚固岩体收敛变形与锚固界面感知问题,提出了基于离散曲率阵列和挠度的FBG格栅形态重构方法,设计了具有锚固岩体界面力学状态感知和变形重构功能的自感知锚杆,并开发配套了具有自修复功能的系统组网模型。本系统成功地应用于煤矿巷道锚固岩体的感知实践,可为锚杆支护机理研究和现场锚固岩体感知与评价提供有益的借鉴。
【图文】：

原煤,煤炭,绪论,百万吨油当量

1 绪论1 绪论1 Introduction1.1 研究背景（Study Background）近年来，虽然国家大力发展以核能、风能、太阳能等为代表的新型能源，但煤炭作为我国的主体能源，将在相当长的时期内保持能源占比第一的地位。如图1-1 所示，根据英国石油公司《世界能源统计年鉴 2018》（Statistical Review ofWorld Energy 2018）[1]，中国在 2017 年共消费了 1747.2 mtoe（百万吨油当量）的煤炭，约占全世界煤炭消耗总量的 46.4%。国家统计局国民经济和社会发展统计公报显示，2018 年中国原煤产量为 36.8 亿吨，较 2017 年增长了 4.5%[2]。因此，在此背景下，保证煤炭的安全高效化生产对我国能源安全乃至国民经济和社会发展具有十分重要的意义。

斜面型,破断,锚杆

博士学位论文（2）锚杆弯曲与破断锚杆作为锚固岩体的最主要主动支护构件，起着提供支护阻力和限制滑，承力表现为纵向载荷和横向剪力的合力，其变形及受力状态可清晰地固岩体的内部稳定耦合机制。当锚固岩体内裂隙发生层间的位移错动时发挥岩体销钉的作用约束围岩，同时围岩对锚杆施加剪应力。锚杆对滑的响应一般有两种屈服形式，，一种是锚杆在岩体施加的剪应力作用下呈，在剪切位移和剪切力足够大的情况下，锚杆发生典型的如图 2-3 所示破断，另一种是锚杆的刚度大于裂隙岩体刚度，滑移裂隙两端足够破碎呈现出弯曲拉伸屈服状态，锚杆产生径向变形，如图 2-4 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD353.6

【相似文献】