郭继坤， 贾皓翔， 曹 权

(1.黑龙江科技大学 电子与信息工程学院， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 电气与控制工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

随着社会的进步与发展，能源的消耗量越来越多，其中煤炭的消耗量约占能源消耗量的三分之二,然而煤矿的安全开采对煤炭的生产至关重要，其中煤矿塌方不仅会威胁到人员安全，而且对井下救援造成一定的困难。救援困难原因主要是井下在一种断电环境下不容易获取到被搜救人员的信息。因此，能准确预测矿井塌方是否发生及其位置并进行预警对保证煤矿的安全显得尤为重要。由于煤矿井下存在严重的电磁干扰、具有大量易燃易爆气体等复杂环境，可以通过声发射检测技术对其监测，因为光纤声发射传感器具有体积比较小、频率带宽高、灵敏度高、损伤阈值高，以及与被测物体无接触，同时是无源传感器，能够用于复杂恶劣的环境[1-4]。王欣欣等[5]通过收集某煤矿产生冲击地压前后的声发射信号，对其进行小波频谱分析，指出当测量的声发射信号的主频率大幅降低、振幅急剧增加等可作为发生冲击地压的特征，对冲击地压进行预测。李云鹏等[6]以钻孔卸压原理及分布式光纤传感技术为基础，将钻孔卸压过程分为裂隙发育阶段、极限平衡阶段、塌孔阶段、破碎煤体压实阶段等四个阶段。基于以上研究，笔者通过研究光纤声发射传感器的优点，结合煤矿井下的特殊环境，提出一种新的煤矿井塌方预测的方法，设计一种适合于煤矿井下的光纤声发射传感器结构。

1 煤矿井塌方预测的原理

1.1 声发射信号能量计数

目前分析AE信号的方式有很多，其中最常用的一种方式是对一些特征参数进行处理，这些特征参数的本质上是声发射信号的特性，其用多个简化的波形特征参数来表示。AE信号简化波形参数如图1所示。

图1 AE信号简化波形参数Fig. 1 Simplified waveform parameter of acoustic emission signal

由图1可以看出，在信号检测波包络线之间存在一部分面积，这一部分称为能量计数。它可以用计数率以及累计计数进行表示[7-8]。同时，它是AE信号的相对能量和相对强度的一种表达方式，对阀值电平以及声发射波传播性状的灵敏程度比较低。

1.2 声发射信号与应力关系

煤岩体破裂的过程大致分为四个阶段：第一阶段，裂隙产生初期，此阶段应力不断加载，但声发射活动发生极少；第二阶段，煤岩体发生弹性形变，其内部微裂纹不扩展，在此阶段产生少量的AE信号，其能量较低，持续时间较长；第三阶段，煤岩体发生非弹性形变，煤岩体产生微裂纹并慢慢开始扩展，新的裂纹也不断产生，当载荷逐渐增加到峰值的过程中，煤岩体微裂纹开始整合成宏观裂纹，裂纹不断增大，最终导致煤岩体破裂，AE信号在此阶段大量产生，AE信号非常密集，且能量逐渐增大，当载荷达到峰值时，其AE信号能量亦达到峰值；第四阶段，应力达到峰值后的破坏阶段，此时，煤岩体已开始断裂破坏，其所受应力开始衰减，声发射活动仍然活跃，但其能量开始衰减。

1.3 预测煤矿井塌方原理

当检测到的声发射活动进入第三阶段，即煤岩体开始发生非弹性形变时，可判定煤岩体会发生断裂，可造成煤矿井顶板塌方，此时，可以进行预警并通知工作人员撤离危险预发生区域。煤岩体破裂过程的不同阶段其产生的声发射信号的能量计数会有所不同，当煤岩体当可以确定每个阶段的声发射信号的能量计数范围时，就可以提前预测煤矿井塌方。不同材质的煤岩体的力学参数是不同的，其力学参数是决定声发射信号能量范围的关键。

通过实地采样煤岩样，利用单轴压缩实验测量其单轴抗压强度以及最大破坏载荷等力学参数，同时根据传感器记录声发射信号波形，记录其随实验的推进过程中产生信号的幅值、频率、能量、累积能量，确定煤岩体断裂不同阶段的AE信号的能量来计数范围。

2 传感器的设计原理

光纤AE传感器由于具有无源、频率带宽高、灵敏度高等优点，适于煤矿井下。将光纤AE传感器检测技术运用到煤矿井下时，需考虑煤矿井下的电磁干扰，瓦斯、氢气等可能爆炸的气体以及声发射源空间定位等问题。针对这些问题，普通光纤AE传感器结构难以满足使用需求，因此，设计了一种新的光纤AE传感器应变花作为测量的应变元件应用于煤矿井下。

2.1 Sagnac光纤声发射传感器

Sagnac光纤声发射传感器的原理如图2所示。

图2 Sagnac光纤AE传感器的结构 Fig. 2 Principle of Sagnac optical fiber acoustic emission sensor

由图2可以看出，Sagnac光纤AE传感器共由六部分组成，分别是相当于光源的激光器，由它发射出来光束1；3 dB耦合器，其能够把光束1变成两束，即光束2和3，方向是完全相反的，其中，2是顺时针方向，光束2和3会途经偏振控制器、传感探头和光纤延时环，最后到达光电探测器[9]。在理想状态下，如果传感探头没有接收到信号，则光束不会被干扰；若有信号对传感探头作用时，光波的相位就会被调制。

当传感探头接收到AE信号时，两束光束的相位被调制，这将导致非互易的相移，此时可根据两光束的变化判断声发射信号的大致方向。则光电探测器 PD被传达的顺时针光束的场强E1和逆时针光束的场强E2表示为

E1=Aej[ωt- φs(t-τ1)+φ1]，

E2=Aej[ωt- φs(t-τ2)+φ2]，

式中:A——与 3 dB 耦合器的损耗和入射光的振幅是成正比的常数；

ω——光波的角频率；

φs——光波的相位；

τ1、τ2——光通过传感臂(结构中的光路)抵达检测器所用的时间；

φ1、φ2——两光束的初相位，是由传导光纤长度所决定的。

因此，光电探测器检测的光强为

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

Δφs=φs(t-τ1)-φs(t-τ2)，

Δφ=φ1-φ2，

式中，ID——光电探测器检测的光强。

2.2 应变片的结构及原理

应变片是由四部分构成，从左到右分别引出线、覆盖层、基底和敏感栅[10]如图3所示。

图3 应变片的结构Fig. 3 Structure of strain gauge

敏感栅本质是电阻应变量改变成电阻变化量的比较敏感的部位，而基底以及覆盖层是能够对电阻丝进行定位以及保护的，其还可以和被测体进行阻断，起到绝缘的作用，具有连接测量导线的作用的是引线[9]。常用的应变片分为两种：电学应变片和光学应变片。光学应变片具有受电磁干扰小，能够适用于可能发生爆炸的场景里，同时在高震动载荷的情形下不发生故障等特性。

2.3 应变花的结构

由Sagnac光纤声发射传感器的结构及原理可知，它有三大优点：第一，Sagnac光纤声发射传感器调制的两光束通过同一传感光纤，使Sagnac光纤传感器可以避免外界环境的干扰；第二，Sagnac光纤声发射传感器的光程差为零，不存在由传感臂和参考臂不等长引起的噪音，因此对光源相干性要求比较低，可使用高功率的宽带光源，更适合长距离分布式的检测；第三，Sagnac光纤声发射传感器具有方向性。因此，文中选择Sagnac光纤声发射传感器进行煤矿井塌方预测的研究。

在应变片中，一般将存在多个不同轴向敏感栅的应变片称为应变花。为了实现在煤矿井下进行空间定位，因此，仿照全桥应变片，可以使用Sagnac光纤声发射传感器组建成一个Sagnac光纤声发射传感器应变花，如图4所示。

图4 Sagnac光纤AE传感器应变花系统Fig. 4 System of Sagnac optical fiber acoustic emission sensor strain rosette

四个光纤AE传感器能够进行刻写，这一步是在单模光纤中进行的，利用波分复用的技术进行复用。该光纤声发射传感器应变花不但可以检测声发射信号，且能检测煤岩体所受应力、应变等力学参数，还可以对声发射源进行空间层面的定位，从而能够查询到声发射源的位置。

3 实验结果分析

3.1 煤岩试样力学参数

在《华晋焦煤有限责任公司王家岭煤矿煤岩冲击倾向性测定实验报告》[11]中指出了有关王家岭煤矿的煤层、煤层顶板及底板的冲击倾向。报告称2#层是顶板具有弱冲击倾向，属于Ⅱ类岩层。虽然发生冲击地压的概率是比较小，但是也会有产生的可能性。煤岩样采用王家岭煤矿二叠系下统山西组2#煤层顶板岩样，此煤岩样的岩体性质为砂质泥岩。将煤岩样制作成直径为50 mm，高度为100 mm的圆柱体5个进行力学实验。

单轴抗压强度计算公式为

σc=Pmax/S,

(1)

式中:σc——煤岩样单轴抗压强度；

Pmax——煤岩样最大破坏载荷；

S——煤岩样受压面积。

泊松比、弹性模量计算公式分别为：

μ=ε2(50)/ε1(50),

(2)

E=σc(50)/ε1(50),

(3)

式中:μ——泊松比；

E——弹性模量；

σc(50)——煤岩样50%的单轴抗压强度；

ε2——横向应变；

ε1——纵向应变。

通过测量及计算得到其力学参数[12]如表1所示。

表1 煤岩试样单轴压缩实验结果

Table 1 Results of uniaxial compression test of coalrock samples

编号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个煤岩样的平均单轴抗压强度为23.319 Mpa，平均泊松比为0.375 8，平均弹性模量为4.521 6 Gpa。

3.2 结果分析

由于实验条件有限，使用以上实验结果进行仿真模拟测试。采用FLAC3D仿真软件模拟进行单轴压缩实验，建立一个煤岩样模型进行仿真，模型如图5所示。

图5 煤岩样模型Fig. 5 Coal rock sample model

沿其轴向进行单轴压缩实验，同时记录单轴压缩实验过程中产生的声发射信号的瞬时声发射数、累计声发射数等信息，通过Matlab仿真计算得出应力-时间-声发射能量计数曲线如图6所示。

根据图6可知，1号煤岩样在应力达到21.53 MPa时，其能量计数W为2.304×106V，累积能量计数Ws为4.711×107V时，煤岩样的断裂过程开始进入第三阶段；2号煤岩样在应力达到19.76 MPa时，其能量计数为2.12×106V，累积能量计数为4.567×107V时，煤岩样的断裂过程开始进入第三阶段；3号煤岩样在应力达到23.58 MPa时，其能量计数为2.523×106V，累积能量计数为4.881×107V时，煤岩样的断裂过程开始进入第三阶段；4号煤岩样在应力达到22.27 MPa时，其能量计数为2.383×106V，累积能量计数为4.772×107V时，煤岩样的断裂过程开始进入第三阶段；5号煤岩样在应力达到19.9 MPa时，其能量计数为2.129×106V，累积能量计数为4.575×107V时，煤岩样的断裂过程开始进入第三阶段；故煤岩样进入断裂过程开始进入第三阶段的平均应力为21.408 MPa，平均能量计数为2.292×106V，平均累积能量为4.701 2×107V。根据图6可知，进入第三阶段的时间约为180 s，进入第四阶段约为210 s。煤岩体断裂过程中，进入第三阶段时其产生的声发射信号能量计数可作为判别发生塌方事故的阈值，此时会有一定时间进行避险。

图6 应力-时间-声发射信号能量计数Fig. 6 Stress-time-acoustic emission signal energy count

因此，当测得的声发射信号的能量计数大于2.3×106V时，可判定煤岩体会发生断裂，造成煤矿井顶板塌方，此时为了保证矿工的生命安全，应立即发出预警信号，当预警启动后矿工有约30 s的时间进行避险。

4 结束语

预测煤矿井塌方一直以来没有明确的判别标准，文中提出了一种预测煤矿井塌方的方法，采用对煤岩样进行单轴压缩实验，同时检测此实验过程中产生的声发射信号，通过声发射信号的能量计数进行判别。设计了一种新的Sagnac光纤AE传感器应变花系统，使用一个应变花即可同时测量煤岩体的应变情况及其产生声发射信号，克服了煤矿井下电磁干扰大、难以铺设大量光纤等问题。由于实验结果为较理想化分析，因此使用此方法预测煤矿井塌方的准确性需进一步验证。