光纤bragg光栅测力锚杆的实验研究与应用应用型论文-学位论文.doc
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1、江苏省高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)(SZBF2011-6-B35)江苏省“六大人才高峰”项目资助(05150012)中国矿业大学重大项目培育专项基金资助应用型硕士学位论文光纤Bragg光栅测力锚杆的实验研究与应用Experimental Research andApplication of Fiber Bragg Grating Force-measuring Anchor作 者:颜邦华 导 师:方新秋 教授王凌鹤 高工中国矿业大学二一五年五月学位论文使用授权声明本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定,同意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理:作为申请
2、学位的条件之一,学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分使用权,即:学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版,可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文;为教学和科研目的,学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外,根据有关法规,同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)。作者签名: 导师签名:年 月 日 年 月 日中图分类号 TD326 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学应用型硕士学位论文光纤Bragg光栅测力锚杆的实验研究与应用Ex
3、perimental Research andApplication of Fiber Bragg Grating Force-measuring Anchor作 者 颜邦华 导 师 方新秋教授 申请学位 工程硕士专业学位 培养单位 矿业工程学院 学科专业 矿业工程 研究方向 矿山压力与岩层控制 答辩委员会主席 谢耀社教授 评 阅 人 曹胜根教授、贺宏华高工 二一五年五月论文审阅认定书研究生 颜邦华 在规定的学习年限内,按照研究生培养方案的要求,完成了研究生课程的学习,成绩合格;在我的指导下完成本学位论文,经审阅,论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同,论文撰写格式符合学校的相关规定,同意将
4、本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字: 年 月 日致 谢在为期两年的研究生学习过程中,让我获益匪浅,无论是在知识与理论水平上,还是在为人处事与科学素养方面,都有了很大的提高。时光匆匆,两年短暂而美好的时光转瞬即逝,回忆两年来的点点滴滴,既有喜又有忧,既有欢乐也有失落,然而,总而言之,两年的生活让我从精神风貌到生活细节都有了很大的进步。方老师严谨踏实的科学作风、敢于创新的钻研精神、踏实细心的为人处事方式让我汲取了精神上的营养。两年来,他在工作与科研上一直严格要求我们,每天高效率的工作让我们畅游在知识的海洋中,牢记“有的放矢,今日事,今日毕”、“事情永远做在前面,机会只给予有准备的人”的教
5、诲;而在生活上无微不至地细心关怀我们,使我们树立起劳逸结合、积极参加锻炼、“不怕苦、能吃苦”的优良作风,他的勤劳朴素的生活作风和温情化与制度化并举的管理方式让我们终身受用。“一日为师,终身为父”。值此论文完成之际,谨向我的导师致以衷心的感谢。在论文撰写过程中,得到了实验室师兄弟们的诸多支持和帮助,在此一并表示感谢,他们是薛广哲博士、李虎威博士、梁敏富博士、吴刚、袁保宁等。良好积极的学习氛围和其乐融融的师兄弟关系的形成都有他们的辛勤培养和浇灌,使大家能在工作时间踏实努力工作,在休息时间尽情欢乐,使我们渐渐形成认真踏实、积极进取、乐观向上的性格,为步入及融入社会打下了坚实的基础。感谢我的校外导师王
6、凌鹤对我的语重心长的教诲,让我在专业知识水平和实践能力方面获得了较大的提高,并感谢华晋焦煤有限责任公司沙曲矿的领导们和工程技术人员对现场项目的实施给予了大力的支持和密切的配合,论文也包含他们努力的成果和智慧的结晶,在此一并表示感谢。同时表示感谢的,还有教育和培养我的母校中国矿业大学,感谢所有教育培养我的老师们,正是有了学校这个平台和老师们辛勤的教育,我才能茁壮成长!感谢所有参考文献的作者们,通过阅读他们的文章和论文,使我获益良多,在此不再一一表示感谢。最后,感谢各位专家、教授在百忙之中评审本文,由于时间仓促和作者水平有限,错误和疏漏之处在所难免,恳请批评和指正。摘 要巷道支护是矿山地下开采的一
7、项关键技术,合理的巷道支护技术应该既能确保地下工程的安全,又具有明显的技术经济效益。现在锚杆支护技术广泛应用于矿井巷道支护。随着锚杆支护技术的广泛应用,锚杆工况状态对工程及生产的安全影响引起工程技术人员的极大关注。在不断的探索过程中,对锚杆工况检测方法的研究也取得了一定进展,积累了宝贵的经验,探索出了常用的检测手段。同时,随着科技的进步,各种新技术、新方法不断地被应用到锚杆工况的检测中来,这些技术和方法必将进一步促进锚杆支护技术的应用。现有锚杆工况检测方法无法进行远程监控、不能实现全过程监测,本文提出了采用光纤Bragg光栅传感技术进行锚杆工况检测的新方法。光纤Bragg光栅传感器是一种新型的
8、全光纤无源器件,是用光纤Bragg光栅(FBG)作敏感元件的功能型光纤传感器。本文在参考传统电阻应变式测力锚杆的基础上,对测力锚杆结构及工作原理进行改进和优化,自主研制了光纤Bragg光栅测力锚杆。本文首先阐述了光纤Bragg光栅传感基本原理、轴向应变特性和温度传感特性、应变温度交叉敏感问题及锚杆工况的光纤光栅监测原理,并理论探索凹槽力学传递规律(以半圆形为例)及不同锚固方式(全长锚固、加长锚固、端部锚固)下的锚杆应力分布特征,为进一步的实验研究做好准备。其次针对光纤Bragg光栅测力锚杆,初步实验研究了测力锚杆的应变传递影响因素及探索了光纤Bragg光栅监测锚杆由开始变形到最终失效的受力全过
9、程的可行性及适应性。通过理论分析和实验研究,为光纤Bragg光栅测力锚杆的开发与研制研发打下了坚固的基础,从而进一步提出了光纤Bragg光栅锚杆监测系统。光纤Bragg光栅测力锚杆及其监测系统在山西省吕梁市(华晋焦煤有限公司)沙曲矿14301轨道巷进行了调试和应用。该测力锚杆及其监测系统能够对锚杆工况进行实时、动态监测,可以实现对锚杆失效的提前预警,对巷道的进一步优化积累了原始数据,该测力锚杆及其监测系统具有良好的实用价值和广泛的推广应用前景。该论文有图59幅,表17个,参考文献120篇。关键词:光纤Bragg光栅;测力锚杆;应变传递;应力分布;监测系统XIAbstractRoadway su
10、pporting is a key technology in underground mining, reasonable roadway supporting technology should not only can ensure the safety of underground engineering, but also has obvious technical and economic benefit. Now the technology of anchor support is widely used in roadways of coal mine. With the w
11、ide application of anchor technology, effect of anchor condition on engineering and safe production caused great concern in the engineers. In the process of continuous exploration, research on detection methods for anchor condition have made great progress, and accumulated valuable experience, explo
12、re the commonly used means of detection. At the same time, with the progress of science and technology, new technology and new methods are constantly applied to detect anchor condition, these technologies and methods will further promote the application of anchor supporting technology.The existing a
13、nchor condition detection methods can not achieve remote monitoring and whole process monitoring, this paper presents a new method of anchor working condition detection using fiber Bragg grating sensing technology. Fiber Bragg grating sensor is a new type of all fiber passive device, is the use of f
14、iber Bragg grating (FBG) as functional fiber sensor sensitive element. This paper refers to and is based on the traditional resistance strain type of force-measuring anchor to improve and optimize the structure and working principle of force-measuring anchor, independently developing a fiber Bragg g
15、rating force-measuring anchor. At first, this paper describes basic sensing principle of fiber Bragg grating, the properties of under axial strain and temperature sensing, cross sensitivity problem of strain-temperature and the principle of using fiber grating to monitor anchor condition, also explo
16、res the theory on mechanical transfer rules of groove(with semicircular for example) and stress distribution features in different ways of anchoring types(full-size grouted anchorage, lengthening anchorage and end anchorage), making preparation for further experimental research. Secondly, aiming at
17、the fiber Bragg grating force-measuring anchor, launching a preliminary experimental study on strain transferring factors of force-measuring anchor and exploring the feasibility and adaptability of using fiber Bragg grating monitoring the whole loading process of anchor from the beginning of deforma
18、tion to final failure. Through theoretical analysis and experimental research, has laid a solid foundation for developing and studying fiber Bragg grating force-measuring anchor, and further puts forward system of using fiber Bragg grating monitoring anchor. Fiber Bragg grating force-measuring ancho
19、r and its monitoring system was debugged and applied in No.14301 Rail Roadway of Shaqu mine, Lvliang city, Shanxi province. This force-measuring anchor and its monitoring system can real-time、dynamic monitoring anchor condition, early warning anchor failure, accumulating original data for further op
20、timization of the roadway, the force-measuring anchor and its monitoring system has a good practical value and wide application prospect.There are 59 figures, 17 tables and 120 references in this paper.Keywords: fiber Bragg grating; force-measuring anchor; strain transfer; stress distribution; monit
21、oring system目 录摘 要I目 录IV图清单VIII表清单XII1 绪论11.1 问题的提出及研究意义11.2 国内外研究现状21.3 主要研究内容、方法和技术路线162 光纤Bragg光栅传感及锚杆工况监测原理192.1 光纤Bragg光栅传感的基本原理192.2 光纤Bragg光栅的传感特性研究202.3 光纤Bragg光栅测力锚杆监测原理252.4 本章小结263 凹槽力学传递规律及不同锚固方式下的锚杆应力分布理论分析283.1 凹槽力学模型分析283.2 不同锚固方式下的锚杆应力分布403.3 本章小结494 光纤Bragg光栅测力锚杆的应变传递影响因素实验研究524.1 研
22、究思路及意义524.2 实验材料534.3 实验内容及过程534.4 实验数据处理及分析684.5 本章小结705 光纤Bragg光栅测力锚杆的现场应用735.1 矿井概况735.2 工作面概况735.3 现场试验地点情况745.4 14301轨道巷矿压在线监测系统组成及位置布置775.5 实测结果及分析805.6 本章小结836 主要结论及展望846.1 主要结论846.2 展望85参考文献87作者简历95学位论文原创声明96学位论文数据集97ContentsAbstractIIContentsVIList of FiguresVIIIList of TablesXII1 Introduct
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