光纖聲發(fā)射檢測技術(shù)的煤礦井塌方預(yù)測方法

郭繼坤， 賈皓翔， 曹 權(quán)

(1.黑龍江科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，能源的消耗量越來越多，其中煤炭的消耗量約占能源消耗量的三分之二,然而煤礦的安全開采對煤炭的生產(chǎn)至關(guān)重要，其中煤礦塌方不僅會威脅到人員安全，而且對井下救援造成一定的困難。救援困難原因主要是井下在一種斷電環(huán)境下不容易獲取到被搜救人員的信息。因此，能準(zhǔn)確預(yù)測礦井塌方是否發(fā)生及其位置并進(jìn)行預(yù)警對保證煤礦的安全顯得尤為重要。由于煤礦井下存在嚴(yán)重的電磁干擾、具有大量易燃易爆氣體等復(fù)雜環(huán)境，可以通過聲發(fā)射檢測技術(shù)對其監(jiān)測，因為光纖聲發(fā)射傳感器具有體積比較小、頻率帶寬高、靈敏度高、損傷閾值高，以及與被測物體無接觸，同時是無源傳感器，能夠用于復(fù)雜惡劣的環(huán)境[1-4]。王欣欣等[5]通過收集某煤礦產(chǎn)生沖擊地壓前后的聲發(fā)射信號，對其進(jìn)行小波頻譜分析，指出當(dāng)測量的聲發(fā)射信號的主頻率大幅降低、振幅急劇增加等可作為發(fā)生沖擊地壓的特征，對沖擊地壓進(jìn)行預(yù)測。李云鵬等[6]以鉆孔卸壓原理及分布式光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，將鉆孔卸壓過程分為裂隙發(fā)育階段、極限平衡階段、塌孔階段、破碎煤體壓實階段等四個階段?；谝陨涎芯?，筆者通過研究光纖聲發(fā)射傳感器的優(yōu)點，結(jié)合煤礦井下的特殊環(huán)境，提出一種新的煤礦井塌方預(yù)測的方法，設(shè)計一種適合于煤礦井下的光纖聲發(fā)射傳感器結(jié)構(gòu)。

1 煤礦井塌方預(yù)測的原理

1.1 聲發(fā)射信號能量計數(shù)

目前分析AE信號的方式有很多，其中最常用的一種方式是對一些特征參數(shù)進(jìn)行處理，這些特征參數(shù)的本質(zhì)上是聲發(fā)射信號的特性，其用多個簡化的波形特征參數(shù)來表示。AE信號簡化波形參數(shù)如圖1所示。

圖1 AE信號簡化波形參數(shù)Fig. 1 Simplified waveform parameter of acoustic emission signal

由圖1可以看出，在信號檢測波包絡(luò)線之間存在一部分面積，這一部分稱為能量計數(shù)。它可以用計數(shù)率以及累計計數(shù)進(jìn)行表示[7-8]。同時，它是AE信號的相對能量和相對強(qiáng)度的一種表達(dá)方式，對閥值電平以及聲發(fā)射波傳播性狀的靈敏程度比較低。

1.2 聲發(fā)射信號與應(yīng)力關(guān)系

煤巖體破裂的過程大致分為四個階段：第一階段，裂隙產(chǎn)生初期，此階段應(yīng)力不斷加載，但聲發(fā)射活動發(fā)生極少；第二階段，煤巖體發(fā)生彈性形變，其內(nèi)部微裂紋不擴(kuò)展，在此階段產(chǎn)生少量的AE信號，其能量較低，持續(xù)時間較長；第三階段，煤巖體發(fā)生非彈性形變，煤巖體產(chǎn)生微裂紋并慢慢開始擴(kuò)展，新的裂紋也不斷產(chǎn)生，當(dāng)載荷逐漸增加到峰值的過程中，煤巖體微裂紋開始整合成宏觀裂紋，裂紋不斷增大，最終導(dǎo)致煤巖體破裂，AE信號在此階段大量產(chǎn)生，AE信號非常密集，且能量逐漸增大，當(dāng)載荷達(dá)到峰值時，其AE信號能量亦達(dá)到峰值；第四階段，應(yīng)力達(dá)到峰值后的破壞階段，此時，煤巖體已開始斷裂破壞，其所受應(yīng)力開始衰減，聲發(fā)射活動仍然活躍，但其能量開始衰減。

1.3 預(yù)測煤礦井塌方原理

當(dāng)檢測到的聲發(fā)射活動進(jìn)入第三階段，即煤巖體開始發(fā)生非彈性形變時，可判定煤巖體會發(fā)生斷裂，可造成煤礦井頂板塌方，此時，可以進(jìn)行預(yù)警并通知工作人員撤離危險預(yù)發(fā)生區(qū)域。煤巖體破裂過程的不同階段其產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的能量計數(shù)會有所不同，當(dāng)煤巖體當(dāng)可以確定每個階段的聲發(fā)射信號的能量計數(shù)范圍時，就可以提前預(yù)測煤礦井塌方。不同材質(zhì)的煤巖體的力學(xué)參數(shù)是不同的，其力學(xué)參數(shù)是決定聲發(fā)射信號能量范圍的關(guān)鍵。

通過實地采樣煤巖樣，利用單軸壓縮實驗測量其單軸抗壓強(qiáng)度以及最大破壞載荷等力學(xué)參數(shù)，同時根據(jù)傳感器記錄聲發(fā)射信號波形，記錄其隨實驗的推進(jìn)過程中產(chǎn)生信號的幅值、頻率、能量、累積能量，確定煤巖體斷裂不同階段的AE信號的能量來計數(shù)范圍。

2 傳感器的設(shè)計原理

光纖AE傳感器由于具有無源、頻率帶寬高、靈敏度高等優(yōu)點，適于煤礦井下。將光纖AE傳感器檢測技術(shù)運用到煤礦井下時，需考慮煤礦井下的電磁干擾，瓦斯、氫氣等可能爆炸的氣體以及聲發(fā)射源空間定位等問題。針對這些問題，普通光纖AE傳感器結(jié)構(gòu)難以滿足使用需求，因此，設(shè)計了一種新的光纖AE傳感器應(yīng)變花作為測量的應(yīng)變元件應(yīng)用于煤礦井下。

2.1 Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器

Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器的原理如圖2所示。

圖2 Sagnac光纖AE傳感器的結(jié)構(gòu) Fig. 2 Principle of Sagnac optical fiber acoustic emission sensor

由圖2可以看出，Sagnac光纖AE傳感器共由六部分組成，分別是相當(dāng)于光源的激光器，由它發(fā)射出來光束1；3 dB耦合器，其能夠把光束1變成兩束，即光束2和3，方向是完全相反的，其中，2是順時針方向，光束2和3會途經(jīng)偏振控制器、傳感探頭和光纖延時環(huán)，最后到達(dá)光電探測器[9]。在理想狀態(tài)下，如果傳感探頭沒有接收到信號，則光束不會被干擾；若有信號對傳感探頭作用時，光波的相位就會被調(diào)制。

當(dāng)傳感探頭接收到AE信號時，兩束光束的相位被調(diào)制，這將導(dǎo)致非互易的相移，此時可根據(jù)兩光束的變化判斷聲發(fā)射信號的大致方向。則光電探測器 PD被傳達(dá)的順時針光束的場強(qiáng)E1和逆時針光束的場強(qiáng)E2表示為

E1=Aej[ωt- φs(t-τ1)+φ1]，

E2=Aej[ωt- φs(t-τ2)+φ2]，

式中:A——與 3 dB 耦合器的損耗和入射光的振幅是成正比的常數(shù)；

ω——光波的角頻率；

φs——光波的相位；

τ1、τ2——光通過傳感臂(結(jié)構(gòu)中的光路)抵達(dá)檢測器所用的時間；

φ1、φ2——兩光束的初相位，是由傳導(dǎo)光纖長度所決定的。

因此，光電探測器檢測的光強(qiáng)為

ID=(E1+E2)×(E1+E2)*=2A2[1+cos(Δφs+Δφ)]，

Δφs=φs(t-τ1)-φs(t-τ2)，

Δφ=φ1-φ2，

式中，ID——光電探測器檢測的光強(qiáng)。

2.2 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及原理

應(yīng)變片是由四部分構(gòu)成，從左到右分別引出線、覆蓋層、基底和敏感柵[10]如圖3所示。

圖3 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of strain gauge

敏感柵本質(zhì)是電阻應(yīng)變量改變成電阻變化量的比較敏感的部位，而基底以及覆蓋層是能夠?qū)﹄娮杞z進(jìn)行定位以及保護(hù)的，其還可以和被測體進(jìn)行阻斷，起到絕緣的作用，具有連接測量導(dǎo)線的作用的是引線[9]。常用的應(yīng)變片分為兩種：電學(xué)應(yīng)變片和光學(xué)應(yīng)變片。光學(xué)應(yīng)變片具有受電磁干擾小，能夠適用于可能發(fā)生爆炸的場景里，同時在高震動載荷的情形下不發(fā)生故障等特性。

2.3 應(yīng)變花的結(jié)構(gòu)

由Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器的結(jié)構(gòu)及原理可知，它有三大優(yōu)點：第一，Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器調(diào)制的兩光束通過同一傳感光纖，使Sagnac光纖傳感器可以避免外界環(huán)境的干擾；第二，Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器的光程差為零，不存在由傳感臂和參考臂不等長引起的噪音，因此對光源相干性要求比較低，可使用高功率的寬帶光源，更適合長距離分布式的檢測；第三，Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器具有方向性。因此，文中選擇Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器進(jìn)行煤礦井塌方預(yù)測的研究。

在應(yīng)變片中，一般將存在多個不同軸向敏感柵的應(yīng)變片稱為應(yīng)變花。為了實現(xiàn)在煤礦井下進(jìn)行空間定位，因此，仿照全橋應(yīng)變片，可以使用Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器組建成一個Sagnac光纖聲發(fā)射傳感器應(yīng)變花，如圖4所示。

圖4 Sagnac光纖AE傳感器應(yīng)變花系統(tǒng)Fig. 4 System of Sagnac optical fiber acoustic emission sensor strain rosette

四個光纖AE傳感器能夠進(jìn)行刻寫，這一步是在單模光纖中進(jìn)行的，利用波分復(fù)用的技術(shù)進(jìn)行復(fù)用。該光纖聲發(fā)射傳感器應(yīng)變花不但可以檢測聲發(fā)射信號，且能檢測煤巖體所受應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)，還可以對聲發(fā)射源進(jìn)行空間層面的定位，從而能夠查詢到聲發(fā)射源的位置。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 煤巖試樣力學(xué)參數(shù)

在《華晉焦煤有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦煤巖沖擊傾向性測定實驗報告》[11]中指出了有關(guān)王家?guī)X煤礦的煤層、煤層頂板及底板的沖擊傾向。報告稱2#層是頂板具有弱沖擊傾向，屬于Ⅱ類巖層。雖然發(fā)生沖擊地壓的概率是比較小，但是也會有產(chǎn)生的可能性。煤巖樣采用王家?guī)X煤礦二疊系下統(tǒng)山西組2#煤層頂板巖樣，此煤巖樣的巖體性質(zhì)為砂質(zhì)泥巖。將煤巖樣制作成直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱體5個進(jìn)行力學(xué)實驗。

單軸抗壓強(qiáng)度計算公式為

σc=Pmax/S,

(1)

式中:σc——煤巖樣單軸抗壓強(qiáng)度；

Pmax——煤巖樣最大破壞載荷；

S——煤巖樣受壓面積。

泊松比、彈性模量計算公式分別為：

μ=ε2(50)/ε1(50),

(2)

E=σc(50)/ε1(50),

(3)

式中:μ——泊松比；

E——彈性模量；

σc(50)——煤巖樣50%的單軸抗壓強(qiáng)度；

ε2——橫向應(yīng)變；

ε1——縱向應(yīng)變。

通過測量及計算得到其力學(xué)參數(shù)[12]如表1所示。

表1 煤巖試樣單軸壓縮實驗結(jié)果

Table 1 Results of uniaxial compression test of coalrock samples

編號he/mmde/mmσc/MPaσe/MPaμμeE/GPaEe/GPa198.5549.2823.4550.3675.208 2299.5549.3221.5250.3834.937 8399.3749.2925.68523.3190.3740.375 84.565 54.521 6496.3649.3424.2550.4103.996 85100.0349.2521.6750.3453.899 6

由表1可知，5個煤巖樣的平均單軸抗壓強(qiáng)度為23.319 Mpa，平均泊松比為0.375 8，平均彈性模量為4.521 6 Gpa。

3.2 結(jié)果分析

由于實驗條件有限，使用以上實驗結(jié)果進(jìn)行仿真模擬測試。采用FLAC3D仿真軟件模擬進(jìn)行單軸壓縮實驗，建立一個煤巖樣模型進(jìn)行仿真，模型如圖5所示。

圖5 煤巖樣模型Fig. 5 Coal rock sample model

沿其軸向進(jìn)行單軸壓縮實驗，同時記錄單軸壓縮實驗過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的瞬時聲發(fā)射數(shù)、累計聲發(fā)射數(shù)等信息，通過Matlab仿真計算得出應(yīng)力-時間-聲發(fā)射能量計數(shù)曲線如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，1號煤巖樣在應(yīng)力達(dá)到21.53 MPa時，其能量計數(shù)W為2.304×106V，累積能量計數(shù)Ws為4.711×107V時，煤巖樣的斷裂過程開始進(jìn)入第三階段；2號煤巖樣在應(yīng)力達(dá)到19.76 MPa時，其能量計數(shù)為2.12×106V，累積能量計數(shù)為4.567×107V時，煤巖樣的斷裂過程開始進(jìn)入第三階段；3號煤巖樣在應(yīng)力達(dá)到23.58 MPa時，其能量計數(shù)為2.523×106V，累積能量計數(shù)為4.881×107V時，煤巖樣的斷裂過程開始進(jìn)入第三階段；4號煤巖樣在應(yīng)力達(dá)到22.27 MPa時，其能量計數(shù)為2.383×106V，累積能量計數(shù)為4.772×107V時，煤巖樣的斷裂過程開始進(jìn)入第三階段；5號煤巖樣在應(yīng)力達(dá)到19.9 MPa時，其能量計數(shù)為2.129×106V，累積能量計數(shù)為4.575×107V時，煤巖樣的斷裂過程開始進(jìn)入第三階段；故煤巖樣進(jìn)入斷裂過程開始進(jìn)入第三階段的平均應(yīng)力為21.408 MPa，平均能量計數(shù)為2.292×106V，平均累積能量為4.701 2×107V。根據(jù)圖6可知，進(jìn)入第三階段的時間約為180 s，進(jìn)入第四階段約為210 s。煤巖體斷裂過程中，進(jìn)入第三階段時其產(chǎn)生的聲發(fā)射信號能量計數(shù)可作為判別發(fā)生塌方事故的閾值，此時會有一定時間進(jìn)行避險。

圖6 應(yīng)力-時間-聲發(fā)射信號能量計數(shù)Fig. 6 Stress-time-acoustic emission signal energy count

因此，當(dāng)測得的聲發(fā)射信號的能量計數(shù)大于2.3×106V時，可判定煤巖體會發(fā)生斷裂，造成煤礦井頂板塌方，此時為了保證礦工的生命安全，應(yīng)立即發(fā)出預(yù)警信號，當(dāng)預(yù)警啟動后礦工有約30 s的時間進(jìn)行避險。

4 結(jié)束語

預(yù)測煤礦井塌方一直以來沒有明確的判別標(biāo)準(zhǔn)，文中提出了一種預(yù)測煤礦井塌方的方法，采用對煤巖樣進(jìn)行單軸壓縮實驗，同時檢測此實驗過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，通過聲發(fā)射信號的能量計數(shù)進(jìn)行判別。設(shè)計了一種新的Sagnac光纖AE傳感器應(yīng)變花系統(tǒng)，使用一個應(yīng)變花即可同時測量煤巖體的應(yīng)變情況及其產(chǎn)生聲發(fā)射信號，克服了煤礦井下電磁干擾大、難以鋪設(shè)大量光纖等問題。由于實驗結(jié)果為較理想化分析，因此使用此方法預(yù)測煤礦井塌方的準(zhǔn)確性需進(jìn)一步驗證。