地质测量煤矿安全论文提纲

论文题目：分布式光纤传感器在煤矿顶板中的应变监测研究

摘要：在当今世界,煤炭需求在所有能源需求中仍然处于前列,煤矿的安全开采是关乎到国计民生的重大课题。在煤矿安全事故中占比例较大的是顶板事故,其原因多为设备监测不完善,顶板支护方法不合理等,因此对顶板的监测刻不容缓。目前应用于煤矿顶板监测的手段多采用大地测量技术,位移传感器等,随着开采任务不断加重,开采难度不断提高,矿场大空间、大变形、时间跨度广、岩移范围大成为顶板监测中的难点,因此本文将一种分布式光纤传感技术应用于模拟煤矿顶板的监测中。本文的创新点是将分布式布里渊散射光时域反射技术（BOTDR）应用于煤矿顶板模型的监测中,提出频移相对变化度和沉降量平均变化度的数学模型,通过公式推导建立光纤应变与顶板形变的数学关系模型。本文主要研究内容有:（1）利用BOTDR技术对煤矿顶板进行变形监测研究。为模拟煤矿采掘过程制作1500mm×1000mm×1000mm（长×宽×高）类煤矿顶板的模型,将BOTDR监测系统应用于煤矿顶板三维立体模型试验中,并通过模拟煤矿开采过程进行频移监测和沉降量监测试验。制作光纤定点监测装置确定试验中采样点位置,制作多点沉降量测量仪,进行传统煤矿顶板监测系统与分布式光纤监测系统对比试验,试验结果显示分布式光纤监测技术是一种更可靠、准确和实时的监测方法。（2）根据光纤频移和应变关系,利用分布式光纤监测原理用光纤应变变化表征模拟顶板形变变化,并建立数学关系模型。提出频移相对变化度概念并建立数学模型,通过对整个光纤所在面两次频移变化差值进行均一化处理得到整个光纤所在面的频移变化,并以此表征煤矿顶板内岩体结构的变形和运动剧烈程度。并根据应变公式推导建立频移相对变化度和形变的数学关系模型。提出沉降量平均变化度概念并建立数学表达式,用于表征整个测量点所在面的平均沉降量。通过分析试验结果,对比沉降量和形变量数据得出两者变化整体上呈现一致性,但频移监测结果延时短、精准高。因此验证了分布式光纤传感技术用于监测顶板变形的可行性与可靠性,更适合工程应用的特点,非常符合地质和工程安全监测的应用需求。（3）通过试验数据分析,光纤频移能够表征煤矿顶板变形情况。模拟开采试验显示,采掘面不断靠近铺设光纤时频移值不断增加,远离监测光纤时布里渊频移值不断减小整体呈正相关。纵向频移变化规律自下而上呈现先增大后阶梯状不断减小趋势,即顶板的形变随高度的增加呈现台阶状变化。

关键词：分布式光纤传感;BOTDR;三维模型试验;顶板变形监测;频移

学科专业：计算机科学与技术

摘要

abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 煤矿生产现状

1.1.2 研究目的

1.1.3 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤矿地质构造

1.2.2 顶板变形监测技术进展

1.2.3 分布式光纤传感技术研究现状

1.3 研究内容及方法

1.3.1 研究内容及开展工作

1.3.2 研究方法及技术路线

1.4 本文组织结构

2 分布式光纤监测技术

2.1 分布式光纤传感技术

2.1.1 分布式光纤传感技术概述

2.1.2 光纤传感技术分类

2.1.3 分布式光纤传感技术原理

2.1.4 BOTDR技术

2.2 顶板光纤频移相对变化度表征

2.2.1 光纤频移变化特征

2.2.2 光纤频移相对变化度

2.2.3 光纤频移变化度影响因素

2.2.4 光纤频移相对变化度和形变数学关系模型

2.3 沉降量平均变化度

2.4 本章小结

3 三维相似材料模型试验

3.1 试验基础

3.1.1 地质条件

3.1.2 顶板结构分层及物理学参数

3.2 模型概况

3.3 分布式光纤监测系统

3.3.1 光纤安装方式

3.3.2 分布式光纤频移监测系统搭建

3.3.3 光纤时域定标装置

3.4 沉降量监测系统

3.4.1 沉降量测量系统安装

3.4.2 沉降量多点测量仪

3.5 模拟试验开采

3.6 本章小结

4 试验结果和数据分析

4.1 光纤布里渊频移变化

4.1.1 光纤V1频移监测曲线

4.1.2 光纤V2频移监测曲线

4.1.3 光纤V3频移监测曲线

4.2 沉降量监测结果分析

4.2.1 沉降监测a管结果分析

4.2.2 沉降监测b管结果分析

4.2.3 沉降监测c管结果分析

4.3 布里渊频移相对变化度

4.4 沉降量平均变化度

4.5 形变量和沉降量平均变化度对比分析

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢