CN114322819A - 光纤光栅传感器、深部巷道围岩的应变监测方法及系统 - Google Patents

光纤光栅传感器、深部巷道围岩的应变监测方法及系统 Download PDF

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CN114322819A CN202210249220.2A CN202210249220A CN114322819A CN 114322819 A CN114322819 A CN 114322819A CN 202210249220 A CN202210249220 A CN 202210249220A CN 114322819 A CN114322819 A CN 114322819A
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Abstract

本申请提供了一种光纤光栅传感器、深部巷道围岩的应变监测方法及系统，用于为深部巷道围岩的变形监测，配置了一种弱光纤光栅阵列大量程应变传感器，可精确地对深部巷道围岩的应变进行监测。光纤光栅传感器包括光纤，光纤包括光纤纤芯以及多个刻录在光纤纤芯上的光纤光栅，光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个光纤光栅对整条的光纤进行单元离散化以实现准分布式传感；在工作过程中，当入射光进入光纤由光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能。

Description

光纤光栅传感器、深部巷道围岩的应变监测方法及系统
技术领域
本申请涉及煤矿开采领域，具体涉及一种光纤光栅传感器、深部巷道围岩的应变监测方法及系统。
背景技术
当前及未来很长一段时间，煤炭仍然是我国的主体能源。井工开采是深部煤炭资源开采主要方式，需要在井下开掘大量的巷道，而巷道开挖后产生围岩应力调整，若集中应力超过围岩强度，巷道近表围岩将首先破坏，并逐渐向深部扩展，直至在一定深度达到三向应力平衡为止，此时围岩已转变为破碎状态。
深部巷道围岩体长期在三高一扰动的影响下，其变形过程相较于浅部更为复杂，表现出显著非线性软岩力学特征，呈现出非连续性、非协调性大变形、大范围失稳破坏等一系列工程问题。因此，采取相应的支护措施，保证围岩的稳定是深部煤矿巷道施工安全和生产的必要前提。
而实现围岩稳定性控制的重要前提则是对围岩变形程度的准确判断，通过对围岩变形的准确判断，可以为锚杆、锚索、注浆等不同支护手段的最佳施工时机提供重要依据，在巷道围岩破裂区发展到不同程度时采取对应的支护手段，才能达到最佳的支护效果。
而在现有的相关技术的研究过程中，发明人发现，目前所使用的对煤矿深部巷道围岩的变形监测方法，因监测方法自身操作繁琐、监测设备成本高以及应用范围等原因，不能较好地对围岩变形过程进行监测，也就是说，对煤矿深部巷道围岩的变形的监测精度存在不高的问题。
发明内容
本申请提供了一种光纤光栅传感器、深部巷道围岩的应变监测方法及系统，用于为深部巷道围岩的变形监测，配置了一种弱光纤光栅阵列大量程应变传感器，可精确地对深部巷道围岩的应变进行监测，从而可以为后续围岩稳定性控制提供强有力的数据依据。
第一方面，本申请提供了一种光纤光栅传感器，光纤光栅传感器包括光纤，光纤包括光纤纤芯以及多个刻录在光纤纤芯上的光纤光栅，光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个光纤光栅对整条的光纤进行单元离散化以实现准分布式传感；
在工作过程中，当入射光进入光纤由光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能。
结合本申请第一方面，在本申请第一方面第一种可能的实现方式中，光纤光栅传 感器埋入深部巷道围岩中后，在工作过程中，根据下式测得深部巷道围岩的应变值：
Figure 382244DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 299385DEST_PATH_IMAGE002
为中心波长
Figure 203756DEST_PATH_IMAGE003
的增量值，中心波长
Figure 536648DEST_PATH_IMAGE003
因纤芯折射率
Figure 351020DEST_PATH_IMAGE004
受深部巷 道围岩的应变的改变而改变，
Figure 298117DEST_PATH_IMAGE005
为光纤光栅传感器预先测得的应变灵敏度系数，
Figure 775538DEST_PATH_IMAGE006
为光纤 应变值；
光纤光栅传感器埋入深部巷道围岩中后，在工作过程中，根据下式测得深部巷道 围岩的温度变化值：
Figure 912121DEST_PATH_IMAGE007
，其中，
Figure 767951DEST_PATH_IMAGE002
为中心波长
Figure 698998DEST_PATH_IMAGE003
的增量值，中心波长
Figure 640278DEST_PATH_IMAGE003
因纤芯 折射率
Figure 314973DEST_PATH_IMAGE004
受深部巷道围岩的温度的改变而改变，
Figure 25309DEST_PATH_IMAGE008
为光纤光栅传感器预先测得的温度 灵敏度系数，
Figure 392836DEST_PATH_IMAGE009
为光纤温度变化值。
结合本申请第一方面第一种可能的实现方式，在本申请第一方面第二种可能的实现方式中，光纤光栅传感器还包括光纤外层的涂覆层，涂覆层由高分子材料为主的高分子材料制成，以提升光纤拉伸强度以及降低散射光干扰，高分子材料包括环氧树脂。
第二方面，本申请提供了一种深部巷道围岩的应变监测方法，方法包括：
监测系统获取埋入深部巷道围岩中的第一类光纤光栅传感器所获取到的第一类传感数据，其中，第一类光纤光栅传感器包括光纤，光纤包括光纤纤芯以及多个刻录在光纤纤芯上的光纤光栅，光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个光纤光栅对整条的光纤进行单元离散化以实现准分布式传感；在工作过程中，当入射光进入光纤由光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能；
监测系统结合第一类光纤光栅传感器所采集第一类传感数据与深部巷道围岩应变值之间的转换关系，确定传感数据对应的深部巷道围岩的应变值；
监测系统基于确定的不同时间段的应变值，生成深部巷道围岩的应变监测结果。
结合本申请第二方面，在本申请第二方面第一种可能的实现方式中，监测系统结合第一类光纤光栅传感器所采集第一类传感数据与深部巷道围岩应变值之间的转换关系，确定第一类传感数据对应的深部巷道围岩的应变值的过程中，包括：
监测系统根据下式测得深部巷道围岩的应变值：
Figure 634461DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，
Figure 96536DEST_PATH_IMAGE002
为中心波长
Figure 677690DEST_PATH_IMAGE003
的增量值，中心波长
Figure 12856DEST_PATH_IMAGE003
因纤芯折射率
Figure 928728DEST_PATH_IMAGE004
受深部巷道围 岩的应变的改变而改变，
Figure 945226DEST_PATH_IMAGE005
为光纤光栅传感器预先测得的应变灵敏度系数，
Figure 630154DEST_PATH_IMAGE006
为光纤应变 值。
结合本申请第二方面，在本申请第二方面第二种可能的实现方式中，监测系统基于确定的不同时间段的应变值，生成深部巷道围岩的应变监测结果之后，方法还包括：
监测系统根据预设的应变值与巷道围岩变形范围之间的匹配关系，确定应变值对应的目标巷道围岩变形范围，巷道围岩变形范围包括弹性区、损伤扩容区以及破裂碎胀区共三种范围。
结合本申请第二方面第二种可能的实现方式，在本申请第二方面第三种可能的实现方式中，监测系统根据预设的应变值与巷道围岩变形范围之间的匹配关系，确定应变值对应的目标巷道围岩变形范围之后，方法还包括：
当目标巷道围岩变形范围为碎裂碎胀区时，监测系统以破裂碎胀区的发育情况确定二次支护介入的加固方案，其中，加固方案包括以下内容：
破裂碎胀区范围<1m，对应稳定围岩，保持原有支护结构，不做二次支护；
破裂碎胀区范围1m-2m，对应较稳定围岩，施加预应力锚杆支护；
破裂碎胀区范围2m-3m，对应一般稳定围岩，施加预应力锚杆支护以及浅孔注浆；
破裂碎胀区范围3m-4m，对应一般不稳定围岩，施加预应力锚杆、锚索支护以及深孔注浆；
破裂碎胀区范围≥4m，对应不稳定围岩，施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护。
结合本申请第二方面第三种可能的实现方式，在本申请第二方面第四种可能的实现方式中，若破裂碎胀区范围≥4m，则在施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护之前，所述方法还包括：
获取埋入深部巷道围岩中的第二类光纤光栅传感器所获取到的第二类传感数据，其中，所述第二类光纤光栅传感器包括光纤，所述光纤包括光纤纤芯以及多个刻录在所述光纤纤芯上的光纤光栅，所述光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个所述光纤光栅对整条的所述光纤进行单元离散化以实现准分布式传感；在工作过程中，当入射光进入所述光纤由所述光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着所述光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过所述光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能；
所述监测系统依据所述第二类传感数据对变形范围为碎裂碎胀区的目标巷道围岩进行二次校验；
若二次校验后的破裂碎胀区校验范围≥4m，则施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护；
若二次检验后的破裂碎胀区校验范围3m-4m，则依据所述破裂碎胀区范围和所述破裂碎胀区校验范围获得破裂碎胀区标准范围，所述破裂碎胀区标准范围由所述破裂碎胀区范围与所述破裂碎胀区校验范围之和求取平均值获得；当破裂碎胀区标准范围3m-4m，则施加预应力锚杆、锚索支护以及深孔注浆；当破裂碎胀区标准范围≥4m，则施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护。
结合本申请第二方面第四种可能的实现方式，在本申请第二方面第五种可能的实现方式中，在破裂碎胀区范围<1m时，将对应的稳定围岩的稳定系数V1标记为1.0；在破裂碎胀区范围1m-2m时，将对应较稳定围岩的稳定系数V2标记为2.0；在破裂碎胀区范围2m-3m时，将对应一般稳定围岩的稳定系数V3标记为3.0；在破裂碎胀区范围3m-4m时，将对应一般不稳定围岩的稳定系数V4标记为4.0；在破裂碎胀区范围≥4m时，将对应不稳定围岩的稳定系数V5标记为5.0；
所述方法还包括：
获取上一时刻和当前时刻的目标巷道围岩的稳定系数的差值V；
其中，所述V=V当－V上，所述V上和/或V当是所述V1、V2、V3、V4、V5中的任意数值；
若所述V小于或等于0，则判定为安全区，保持原有支护结构，不做二次支护；
若所述V等于1，则判定为正常演变区，按照当前破裂碎胀区的范围执行加固方案；
若所述V大于等于2，则判定为非正常演变区，按照破裂碎胀区的范围≥4m执行加固方案。
第三方面，本申请提供了一种深部巷道围岩的应变监测系统，深部巷道围岩的应变监测系统包括光纤光栅传感器，深部巷道围岩的应变监测系统用于执行本申请第二方面或者本申请第二方面任一种可能的实现方式提供的方法。
第四方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有多条指令，指令适于处理器进行加载，以执行本申请第二方面或者本申请第二方面任一种可能的实现方式提供的方法。
从以上内容可得出，本申请具有以下的有益效果：
针对于深部巷道围岩的变形监测，本申请配置了一种弱光纤光栅阵列大量程应变传感器，该传感器包括光纤，而光纤又包括光纤纤芯以及多个刻录在光纤纤芯上的光纤光栅，光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个光纤光栅对整条的光纤进行单元离散化以实现准分布式传感，在工作过程中，由于光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅的结构设置，且弱光纤光栅的光栅长度与一般的光纤光栅相比较短，因此当入射光进入光纤由光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能，从而可精确地对深部巷道围岩的应变进行监测，从而可以为后续围岩稳定性控制提供强有力的数据依据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请光纤纤芯的一种结构示意图；
图2为本申请光纤光栅传感器的一种结构示意图；
图3为本申请应变监测系统的一种整体结构示意图；
图4为本申请应变监测系统的一种硬件结构设计示意图；
图5为本申请深部巷道围岩的应变监测方法的一种流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本申请中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。
本申请中所出现的模块的划分，是一种逻辑上的划分，实际应用中实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合成或集成在另一个系统中，或一些特征可以忽略，或不执行，另外，所显示的或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块之间的间接耦合或通信连接可以是电性或其他类似的形式，本申请中均不作限定。并且，作为分离部件说明的模块或子模块可以是也可以不是物理上的分离，可以是也可以不是物理模块，或者可以分布到多个电路模块中，可以根据实际的需要选择其中的部分或全部模块来实现本申请方案的目的。
在深部巷道围岩的形变监测需求下，现有监测技术存在不能较好地对围岩变形过程进行监测的情况，从而导致监测精度较差以及实用性不高的问题。本申请则配置光栅反射率较低的弱反射布拉格光纤光栅传感技术的传感器来实施深部巷道围岩的变形监测。
具体而言，本申请采用以光栅作为基本传感单元的理念，通过若干个光栅的组合，完成对整条光纤的单元离散化，实现准分布式传感。因此传感器的核心结构则为内部刻录光栅的光纤纤心，如图1示出的本申请光纤纤芯的一种结构示意图所示。而相较于波分复用、空分复用以及频分复用传感技术，为在获得更大的传感范围，本申请光纤内部刻录的弱反射光栅还可以时分复用传感技术串联，通过光谱的低反射以及反射光谱的时间间隔，极大地增加传感网络的传感容量。
针对于深部巷道围岩的变形监测，本申请配置了一种弱光纤光栅阵列大量程应变传感器，该传感器包括光纤，而光纤又包括光纤纤芯以及多个刻录在光纤纤芯上的光纤光栅，光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个光纤光栅对整条的光纤进行单元离散化以实现准分布式传感，在工作过程中，由于光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅的结构设置，且弱光纤光栅的光栅长度与一般的光纤光栅相比较短，因此当入射光进入光纤由光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能，从而可精确地对深部巷道围岩的应变进行监测，从而可以为后续围岩稳定性控制提供强有力的数据依据。
而在完成光纤纤芯的刻录后，需要在纤芯的外部增加包层。当入射光波进入光纤且满足一定的条件时，光波在纤芯和包层之间发生全反射现象，使入射光沿着光纤向前继续传输。
同时为保证光波在光纤内传输的稳定性，还可在包层外部增加以环氧树脂等高分子材料为主的涂覆层，可以有效提升光纤的拉伸强度，还可以降低散射光的干扰。
具体的，还可参考图2示出的本申请光纤光栅传感器的一种结构示意图进行理解。
为了保护传感器在实践工程中的应用，不被外界环境破坏，还可设置多级保护层实现物理防护。最外保护层为PE护套，保护内部结构不被环境因素破坏；中层为铠装材料，可有效提升传感器的机械性能，大大增加了光纤的抗拉强度，并通过铠装层内多个固定点间的变形，在光栅两端产生应变；内层为松套管主要为裸光纤增加一层保护，并传递外部应变。
进一步的，可以理解，对于本申请所提供的光纤光栅传感器，其传感原理具体是根据传感器所埋入的深部巷道围岩的变形情况来改变所输出传感数据的变化的，从而达到作为一种应变传感器可以感应应变的效果，而由于其弱反射的设置，可更为精确、大量程地感应出对应的应变情况。
而在具体的感应过程中，作为一种具体的实现方案，由光纤耦合理论知，在相位匹配条件达到满足时，光纤光栅Bragg波长方程为：
Figure 339484DEST_PATH_IMAGE010
（1）
其中，
Figure 477073DEST_PATH_IMAGE003
为中心波长，
Figure 297262DEST_PATH_IMAGE004
是纤芯折射率，
Figure 774379DEST_PATH_IMAGE011
为光栅周期。
其增量形式为：
Figure 716928DEST_PATH_IMAGE012
（2）
其中，
Figure 341813DEST_PATH_IMAGE002
为中心波长变化量，
Figure 700113DEST_PATH_IMAGE013
为光栅周期变化量，
Figure 297316DEST_PATH_IMAGE014
为纤芯折射率变化 量。
由公式（2）可知，改变光栅周期以及纤芯折射率使光栅中心波长发生位移，而纤芯折射率和光栅周期受温度、应变等参数变化的影响会发生改变，这就是光纤光栅实现传感功能的原理。
由公式（1）、（2）可知光栅发生衍射现象的条件需求，当Bragg光栅受到影响时，其光栅周期和折射率都会发生改变，从而引起反射光波中心波长位移，即
Figure 597717DEST_PATH_IMAGE015
（3）
在外界其他条件如温度等不变，光纤光栅在受应力产生的应变影响的情况下，光纤整体的机械性拉伸会使光纤内部光栅周期发生变化，另一方面在垂直于光波入射的方向施加应力，产生光弹性效应使纤芯折射率，因此由于光纤整体轴向拉伸引起改变可表示为：
Figure 460630DEST_PATH_IMAGE016
（4）
而光弹性效应发生改变可表示为：
Figure 871889DEST_PATH_IMAGE018
（5）
其中，ε为光纤应变值，
Figure 933386DEST_PATH_IMAGE020
（6）
式中，
Figure 155420DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 754897DEST_PATH_IMAGE022
为光纤的弹光系数，即光栅纵向和横向折射率的变化系数，
Figure 720579DEST_PATH_IMAGE024
为光 纤的有效光弹性系数，μ为泊松比。
因此公式（3）可改写为：
Figure 89113DEST_PATH_IMAGE025
（7）
公式（7）即为光纤光栅波长变化量与应变的关系式。当光纤纤芯的材料一定时，理论上光纤光栅的应变传感系数为一常数，可以通过应变传感标定实验计算出来具体的数值。
Figure 278786DEST_PATH_IMAGE026
（8）
式中，
Figure 116292DEST_PATH_IMAGE005
为光纤布拉格光栅传感器的应变灵敏度系数。
则有：
Figure 869353DEST_PATH_IMAGE001
（9）
公式（9）即为中心波长变化量与应变较为直观的关系式。
此外，可以理解，基于上式（9），可以通过相关光纤材料的系数即可计算围岩具体 的应变值（
Figure 171021DEST_PATH_IMAGE006
），而由于光纤光栅的材质不同、光栅刻录的技术差异以及光纤传感器封装时 环境因素的影响，不同的光纤光栅的应变灵敏度系数会有相应的差别，因此在光纤光栅传 感器内部封装完成后，进行室内传感器试验，对光纤布拉格光栅传感器进行标定，即可确定 传感器的应变灵敏度系数。
此外，对于本申请所提供的光纤光栅传感器，除了可以感应应变，还可感应温度。
作为又一种具体的实现方案，在外界其他条件不变的情况下，光纤光栅在受温度影响，会因热胀冷缩改变光栅周期，同时因热光效应导致纤芯折射率改变。
而热胀冷缩导致光栅周期的改变可表示为：
Figure 469278DEST_PATH_IMAGE027
（10）
其中，α为热膨胀系数，
Figure 856397DEST_PATH_IMAGE009
为光纤温度变化值。
而热光效应使得纤芯折射率发生改变可表示为：
Figure 413150DEST_PATH_IMAGE028
（11）
其中，ξ为光纤材料的热光系数，表示光纤折射率随温度变化的关系。
则公式（3）可改写为：
Figure 241428DEST_PATH_IMAGE029
（12）
公式（12）则为光纤布拉格光栅温度变化与波长变化的关系式。当光纤纤芯的材料一定时，热膨胀系数与热光系数为常数，温度与波长变化为线性关系。通过解调中心波长位移量，即可以确定温度变化。
令：
Figure 225434DEST_PATH_IMAGE030
（13）
其中，
Figure 834270DEST_PATH_IMAGE031
为光纤布拉格光栅的温度传感系数。
则有：
Figure 945445DEST_PATH_IMAGE007
（14）
公式（14）即为波长变化量与温度较为直观的关系式。
可以理解，基于上式（14），通过相关光纤材料的系数即可计算围岩具体的温度变 化值（
Figure 143077DEST_PATH_IMAGE009
），而由于光纤光栅的材质不同、光栅刻录的技术差异，以及光纤传感器封装时环 境因素的影响，不同的光纤光栅的温度灵敏度系数会有相应的差别。因此在光纤光栅传感 器内部封装完成后，进行室内传感器试验，对光纤布拉格光栅传感器进行标定，即可确定传 感器的温度灵敏度系数。
而在本申请所提供的光纤光栅传感器的研发过程中，还可涉及到对其进行的标定、测试处理，示例性的，其具体内容可以如下：
在光纤传感器的研发过程中，针对传感器的性能测试是重要部分，主要分为灵敏度标定实验与稳定性实验。灵敏度标定实验主要为得到传感器波长，与环境物理量如应变、温度等的关系参数，而稳定性实验主要目的是通过实验去考察传感器的传感性能是否达到预期的要求。
下面则通过传感器应变灵敏度、温度灵敏度的标定实验，计算传感器的灵敏度系数、基本误差、线性度等指标，对光纤传感器进行性能评估。
在实验完成后将所计算的参数指标进行汇总，并与国家线位移传感器规范《JJG860-2011》中规定的参数指标范围和允许误差进行比对，完成光纤传感器的工作性能鉴定，规范中相关具体的准确度等级和允许误差如下表1所示。
Figure 111033DEST_PATH_IMAGE033
（1） 满量程输出值
满量程输出值指的是光纤光栅传感器在规定的条件下，测量范围的最大输出值与最小输出值的代数差，该指标表现了光纤光栅传感器在正常工作状态下输出范围，也是其它参数指标计算的基础，满量程输出值YFS的具体计算方法如下公式（15）所示：
Figure 144848DEST_PATH_IMAGE035
（15）
其中，n为循环次数，
Figure 43403DEST_PATH_IMAGE036
为第i次循环最大波长值，
Figure 846274DEST_PATH_IMAGE037
为第i次循环最小波长 值。
（2）基本误差
基本误差δ是评价被标定仪器工作性能的重要指标之一，其是指在无任何环境因素影响的条件下，即完全拉伸条件下传感器本身存在的误差，是光纤传感器的传感精确度的指标，基本误差的数据必须在各种外界环境条件保持不变的情况下进行实验记录，以排除偶然误差的影响，其具体计算公式如下公式（16）所示：
Figure 985131DEST_PATH_IMAGE039
（16）
其中，
Figure 755510DEST_PATH_IMAGE040
是第i点拟合曲线波长值，
Figure 942909DEST_PATH_IMAGE041
指第j次行程中第i点波长值。
（3）线性度
线性度l又称为线性误差，指的是光纤光栅传感器在标定实验的过程中实验曲线点上的波长数值与其拟合曲线上对应点的偏离程度，其反映了光栅在实验量程范围内标定特性曲线的线性程度，其具体的计算公式如下公式（17）所示：
Figure 115133DEST_PATH_IMAGE043
（17）
其中，
Figure 424892DEST_PATH_IMAGE044
是光纤传感器在第i个校准点三个循环正、反行程输出量的平均值。
(4) 回程误差
回程误差h是指在相同的实验环境下，光纤传感器在拉伸实验的正程和反程过程中标定特性的相互差别，也称滞后误差。代表了光纤光栅位于同一校准点处的输出波长示值之差。当光纤传感器一个循环的正程和反程路径达到校准点时所反馈的波长值出现明显的差异，即表明传感器内部的部件间的适应性出现问题，达不到研发阶段的设计标准。
回程误差具体计算方式如下公式（18）所示：
Figure 433299DEST_PATH_IMAGE046
（18）
其中，
Figure 673656DEST_PATH_IMAGE047
为传感器在第i个校准点三个循环正行程输出波长的平均值，
Figure 513436DEST_PATH_IMAGE048
为传感 器在第i个校准点三个循环反行程输出波长的平均值。
（5）重复性
重复性指的是光纤传感器在整个标定实验过程中多次正反程测量所得到的输出值不一致的程度，在多次循环实验的过程中，每一个校准点上都会记录并读取有多次波长示值数据。
具体的计算公式如下公式（19）所示：
Figure 931779DEST_PATH_IMAGE050
（19）
其中，Δ为同向行程中相互间的最大差值。
（6）灵敏度
灵敏度属于传感特性指标。它反映的是光纤光栅在环境物理量的作用下的波长变化程度。其以正反两个行程为一个测量循环，根据三个循环的测量结果，采用最小二乘法计算参比直线公式，计算公式如下公式（20）所示：
Figure 411171DEST_PATH_IMAGE052
（20）
其中，K为传感器的灵敏度系数，
Figure 205952DEST_PATH_IMAGE053
为位移值与传感器基本长度的比值。
应变灵敏度系数标定与测试
（1）应变灵敏度标定实验
标定光纤光栅的应变灵敏度系数方法是将光纤光栅两端进行固定，一端固定于桌面，另一端固定于位移拉伸平台上，使光纤光栅受到轴向的均匀应变，通过整段光纤的应变代表光栅的应变。
位移拉伸平台的精度为0.01mm。两个光纤夹具的固定端之间的距离为1m，1m长度光纤拉伸1mm对应光纤发生1000με。
将位移平台从初始位置每间隔移动0.1mm，分别读取并记录了光纤解调仪上光纤布拉格光栅的中心波长，实验设计拉伸范围从0到10mm，并进行三组循环拉伸，具体的实验数据如下表2所示：
Figure 900238DEST_PATH_IMAGE055
对表2所示的实验数据进行数据分析和处理，得到的应变标定实验波长-应变曲线。
其拟合的曲线方程为：
y=1230.1x+1555.9692
根据上述的方程，应变灵敏度系数为1.23pm/με。
（2）应变测量范围测试
弱光纤光栅因其光栅的反射率较低，同一般的光纤光栅相比可以接受更多的光栅反射光谱，因此可以获得较大的应变测量范围。
弱反射光纤光栅传感器的应变范围测试同样使用位移拉伸平台进行大范围应变的拉伸测试，同时为了实现对大范围应变拉伸产生的波长数据进行解调，数据采集设备则采用大容量超弱光栅分析仪。
该设备可接受反射光谱的中心波长范围为1528nm~1568nm，光栅阵列的空间分辨率位1m，系统稳定，较符合该试验需求。将位移平台从初始位置间隔移动0.2mm，分别读取并记录了光纤解调仪上光纤布拉格光栅的中心波长。
当拉伸产生的中心波长位移超出设备接受的边界时，其峰值图波动较大，中心波峰不可见。光栅中心波长数据仍可采集，但应变与波长变化量任呈非线性关系。
当拉伸产生光纤光栅中心波长位移在设备波长接受的范围内时，其峰值图波动较小，数据较为平稳，中心波峰清晰可见。光栅中心波长数据采集正常，应变与波长变化量呈线性关系。
当拉伸产生光纤布拉格光栅中心波长位移接近设备接受的边界时，波动较大，但中心波峰清晰可见。光栅中心波长数据采集正常，应变与波长变化量任呈线性关系。
由于测试设备接受的波长范围有限，在其正常范围内的拉伸实验所得中心波长变化数据与应变呈线性关系，当拉伸产生的中心波长位移到设备接受范围外时，所采集的数据波动较大且无规律，无法进行正常的实验。
而应变范围拉伸实验具体的实验数据如下表3所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
对表3所示的实验数据进行数据分析和处理，得到曲线。
传感器拟合的一元线性回归方程为：
y=1224.4x+1530.2496
线性回归方程式的相关系数的平方为0.999。
根据该实验数据所示，弱反射光纤布拉格光栅所测的数据在大容量光纤光栅解调仪的波长范围测试时较为可靠，且根据相关系数检验法算的线性回归方程式的相关系数的平方都为0.999，表明弱反射光纤布拉格光栅在正常的测试范围内变化呈线性，同时根据实验结果显示在有限的测试范围内弱反射光纤布拉格光栅最大的应变测量值可达3%。
基于上述的参数指标计算公式，对表2、3及相关曲线图的数据进行计算。可以得到传感器的各项标定指标如下表4所示，并根据表1确定传感器的传感性能符合规范要求。
Figure DEST_PATH_IMAGE059
通过对传感器标定参数的计算并与线位移传感器规范中的参数要求相对比，可以认定弱反射光纤光栅传感器的工作性能较好，可以完成科研和实际工程中在应变测试任务中对传感器的要求。
（3）温度灵敏度系数标定
测量光纤光栅传感器的温度灵敏度系数的具体方法则是将一段除去外部保护层的光纤光栅放入温度调节箱中，通过控制系统以固定时间间隔调节温箱内的温度，在温度稳定过后记录一段室内的波长值并取其平均值，重复多次操作直至完成实验。实验完成后通过对实验数据的分析计算得出灵敏度参数。
在实验开始前，需要将光栅和温度计固定于一有孔的纸盒，再将该纸盒固定于温箱的铁架上，通过光纤光栅的固定来防止光纤因温箱中风力吹动出现滑动现象，导致出现应变波长干扰。在实验对象固定后将光纤布拉格光栅的一端从温箱穿出并传接入大容量弱光纤光栅解调仪，并开展温度实验。
在本次标定实验中高低温设置9个温度点，从10℃开始实验并以10℃间隔调节恒温箱的温度，每个温度节点稳定60分钟左右后记录相应时间内的波长值，并取其平均值，实验所测的波长数据如下表5所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE061
根据以上的温度实验数据对光纤光栅的波长与温度变化光纤进行分析，通过相关软件绘制曲线图，得出波长与温度的拟合曲线。
温度-波长拟合曲线的方程为：
y=10.78x+1530.3112
基于上述的拟合曲线方程可以得出，所测的弱光纤光栅的温度灵敏度系数为10.78pm/℃，并根据相关系数检验法算的线性回归方程式的相关系数的平方都为0.999，这也表明传感器中心波长的变化与环境温度的变化有较好的线性关系，可以通过对环境温度变化的具体数值，排除其对传感器现场应变测试的波长信号干扰。
而在上述本申请提供的光纤光栅传感器的基础上，本申请还构建了一深部巷道围岩的应变监测系统，基于该光纤光栅传感器，对现场的深部巷道围岩的变形展开精确的监测。
在实际应用中，该应变监测系统，除了可以包括本申请所提出的光纤光栅传感器，还可包括由不同设备搭建的数据传输线路以及进行数据汇总、数据分析的设备。
示例性的，在实际应用中，应变监测系统（围岩变形监测系统）存在以下设计原则：
1.安全性原则
煤矿巷道的工程中，安全是其最基本的原则。监测系统中硬件部分需安装于巷道以及巷道围岩中，因此煤炭矿井下的现场情况需考虑在内，尤其是与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害情况。而与传统的传感器相比，光纤光栅传感器的突出特点为抗电磁干扰能力较强，具有电绝缘的特性。因而采用光纤光栅传感技术的围岩变形检测系统可以安全的应用于高瓦斯的恶劣工程环境。同时在应变光缆安装的过程中，正确、安全的施工才能确保监测系统正常运作。
2.稳定性原则
在对监测系统的要求中，硬件部分的光纤解调仪以及应变光缆需要长时间布置于巷道及围岩中，而在煤炭巷道恶劣的环境中，当发生掘进、爆破等工程扰动情况时，监测系统中的硬件系统和软件系统需保证正常运行，尤其是应变光缆和解调仪的工作稳定性以及传输光缆和软件系统的传输、读取与分析正常运转。
3.经济性原则
在保证监测系统可以长时间正常运转的情况下，对光纤光栅传感器的安装过程进行简化，通过对监测系统安装地点的充分考察，合理规划传输光缆的布置。而选择光纤光栅解调仪器以及传输光缆之间连接配件时，应保证成本合理，性能过关。在保证准确获取围岩变形应变数据的同时，追求监测系统较高的性价比，使整个监测系统满足经济性原则。
4.实用性原则
监测系统在煤炭井下安装的过程中，应根据井下围岩的复杂多变的现场条件选择安装方案，同时需要充分考虑应变光缆的可实施性，尤其是硬件部分的安装情况，在保证监测系统正常实现监测功能的情况下，应强化软件系统、监测仪器维护的便利性，降低监测系统操作的复杂性，减少冗杂无用的步骤。同时软件系统设计应保证使用方便、显示直观等特点，通过软件端口设置围岩变形的预警值，在发出警报时可以迅速作出方法决策并提供支护手段，真正确保系监测系统具有较高的实用性。
5.先进性原则
监测系统在硬件设备与软件系统的选择、设计和开发的过程中应时刻保持先进性，具体表现为在保证了监测系统可以安全可靠的使用前提下，硬件部分的开发选择可以使用例如光纤布拉格光栅、光纤长周期光栅等较为新颖安全的工业产品，光栅波长解调设备也可采够国外先进的解调仪器或者部件进行二次加工。软件部分需兼顾实际工程中网络管理，保持软件版本与功能可以实时更新，避免因程序或功能等软件问题导致监测系统无法在实际工程中使用。
示例性的，在实际应用中，应变监测系统（围岩变形监测系统）存在以下的整体结构组成：
监测系统在内容上可分为软件系统和硬件系统两部分，其中硬件系统主要包括应变光缆、通讯传输光缆和锚固件等设备以及多通道超弱光纤光栅解调仪等。
软件系统则为安装在地面监控端口上的围岩松动圈监测软件，其可读取光纤解调仪中关于各应变光缆测量所得的波长数值并录入数据库中，并可以通过设定的灵敏度计算各测点的应变值。
监测系统可根据煤炭矿井上下的不同位置进行结构设计。井下传感设备部分主要包括光纤解调仪、光纤法兰、光缆式光纤光栅传感器等。井上监测部分主要包括客户端监测电脑、区域网服务器等，整体结构设计如图3示出的本申请应变监测系统的一种整体结构示意图所示。
监测系统在应用过程采用全光纤传输，将井下采集的数据与井上监测室连接起来。以弱光纤光栅传感器为基础的传感单元，采用集成化的思路将多个光纤传感器安装在巷道不同断面围岩中，当巷道围岩发生变形时，弱光纤光栅传感器中光栅其珊距以及反射率因外界干扰发生波长变化。
在传感器与大容量弱光纤光栅解调仪连接后，波长变化的信息会输入解调仪并转换成为可识别的电信号和数字信号。通过煤矿内部的局域网络，转换后的信号会被输送至井上监测室的数据处理软件，信号经过处理会以数据和图像显示出来。
示例性的，在实际应用中，应变监测系统（围岩变形监测系统）存在以下硬件结构设计：
监测系统的硬件部分以弱光纤传感技术为理论基础，充分利用弱光纤光栅其波长变化与应变扰动呈线性关系的特点，将多个弱光纤光栅以时分复用技术串联并通过光缆的形式组合成为准分布式传感网络。
监测系统硬件部分主要包括弱光纤光栅传感器、光纤解调仪、直流稳压器、网络继电器、以太网交换机以及光纤法兰、传输光纤等结构部件。
（1）弱反射光纤布拉格光栅传感器
深部围岩监测系统所用的光纤传感器为上文研发的弱反射光纤布拉格光栅传感器，其相关的参数如下表6所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
（2） 弱光纤光栅解调仪
弱光纤光栅解调仪主要由光纤光栅解调模块组成，其是围岩变形监测系统的核心设备，通过切换模块内部的光开光可以拓展光纤光栅传感器的通道数，根据已有的通道数，可以实现对8个通道8条应变光缆的同时解调。
弱光纤光栅解调仪可解调中心波长范围为1528nm～1568nm。解调仪的光栅反射率为0.001%～0.1%。根据光纤传感器中光栅的设计间距，解调仪的空间分辨率为1m，即两个可解调的光栅距离最小为1m，当间距过小时，就会产生数据丢失的现象。
（3）网络继电器
监测系统中的网络继电器为连接光纤光栅解调仪与电源之间的调节设备。其上部接口端面从左到右分别为输入电源接口、网线接口以及复位键，而下部接口都为输出引线。网络继电器的按键与指示灯的具体信息如下表7所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE065
（4）直流稳压器
监测系统中的直流稳压器采用DC 9~36V 供电，其输出稳定电压为12V，最大功率可达120W，为网络继电器、8通道弱光栅解调仪及散热片的风扇提供稳压电源。
根据上述的各种监测系统硬件设备，在实际的工程应用中首先在选定的巷道围岩中钻取多个传感器安置孔，然后将光纤光栅传感器推入孔底并注入水泥砂浆，使传感器与巷道围岩耦合成为一个整体。将传感器的接口接入弱光纤光栅解调仪，并通过传输光纤以及局域网最终连接到井上监测平台，完成硬件系统的现场构建，其结构设计示意图如图4示出的本申请应变监测系统的一种硬件结构设计示意图所示。
示例性的，在实际应用中，应变监测系统（围岩变形监测系统）存在以下软件设计：
监测系统软件架构
基于超弱反射率光纤光栅传感技术的煤矿围岩巷道变形监测软件使用c#高级程序设计语言编写，采用开源的C# Winform控件库、工具类库、扩展类库、多页面开发框架SunnyUI来完成主要功能实现。开发工具为Visua1 studio 2019，运行库支持为Microsoft.NET Framework 4.8。
煤矿围岩巷道变形监测软件主要分服务器和客户端两部分：
（1）服务器部分主要承担数据与指令传输功能，通过局域网与传输光纤等方式连接到井下监测端，获得弱光纤光栅所测的波长监测数据并通过以太网交换机向服务器输送，并存储于软件数据库中。
（2）客户端部分安装在井上监测室，在通过简单的程序安装配置后即可使用。监测软件客户端通过解调设备获取光纤光栅传感器信息，经过软件的解调分析，解析出煤矿巷道的变形情况，并用可视化的界面进行展示。
其基于数据库强大的信息管理能力，使用数据库管理数据信息，监测软件和数据库安装于同一台服务上或监测用计算机上，进行煤矿巷道变形的实时监测和数据管理。
围岩变形监测软件功能
围岩变形监测软件基于弱反射率光纤光栅传感技术，其设计涉及多种模块的集成，主要包括井下信息输入、读取、管理、分析和结果输出等功能。围岩变形监测系统使用数据库管理数据信息，通过以太网或区域网远程访问弱反射率光纤光栅解调设备，实时获取传感器信息。
监测软件具有煤矿巷道变形信息可视化展示的功能，软件获取传感器信息实时的解析煤矿巷道每一个段面的变形情况，通过可视化界面进行实时展示。监测软件具有历史数据的存储和查询功能，可查找历史的原始数据和煤矿巷道段面的应变信息等，可导入和导出历史数据，方便数据处理和保存。
数据输入部分主要为围岩监测软件提供基础的数据支持，其主要来源于监测初期相关人员输入的巷道围岩参数以及钻孔参数等现场环境数据；现场安装的弱光纤光栅传感器经局域网传输的围岩应变测试数据以及根据相关科研资料成果设置的预警阈值。同时还需要输入弱光纤光栅传感器在标定试验中所测得应变灵敏度，为后续的数据处理通过参数支持。
当井下实时监测数据通过传输光纤、服务器及局域网等方法传输至井上监测平台后，通过数据管理模块进行初步整合。该模块的监测数据库会按时间顺序储存输入的监测波长数据，为后期监测软件数据处理、监测预警等功能提供数据支持。而模块内的测试页面则会直接显示弱光纤光栅解调仪在井下监测所得原始数据。
通过对其波长阵列图，可清晰直观的观测到井下监测平台是否正常运行，并且当传感器发生故障时，根据相应的光栅位置可以判定问题传感器的具体编号，方便排除产生的问题监测数据。
数据库在完成对监测数据的储存后，监测软件的数据处理模块可通过命令调用其中数据，将相关的波长数据根据已输入的传感器灵敏度系数进行计算，得到巷道围岩的应变数据。
软件内置的处理模块可将所得的应变数据与其光栅的位置对应，生成巷道围岩深度与应变以及位移的曲线图。而井下监测设备根据设定的采集时间间隔，持续向井上监测室输送数据，因此数据处理模块所得的应变以及位移曲线可随数据实时更新。
监测软件在完成对井下监测数据的处理后，可将变形监测数据与预设的警报阈值进行比较，当一定区域的监测数据大于阈值一定时间后触发预警信息，并根据预设的支护方案提供技术支援。
通俗来讲，本申请监测系统存在以下优点
（1）围岩变形监测系统将弱光纤光栅传感器及光纤光栅解调仪等硬件部分和围岩变形监测软件结合起来，实现井下巷道围岩监测区域的应变与位移数值的实时显示和动态更新，并通过数据结果曲线直观清晰的显示巷道围岩实时动态，展现了围岩变形监测系统的实时性。
（2）通过光栅的位置坐标定位的方式在实时监测曲线图上显示监测区域每一光栅的编号、波长和当前距离巷道围岩表面的距离等数值，便于监测人员快速掌握巷道围岩变形情况。
（3）监测系统软件部分的数据库可以储存井下光纤传感器所得监测波长数据，并根据数据采集的日期、光栅的编号、数据变化的大小等标签对数据进行分类和筛选。现场的监测人员可以根据具体的需要调取相应的数据，并根据软件自有的分析功能对所选数据进行处理，得到需要的监测曲线，实现对重点区域的变形监测。
（4）监测系统的预警功能是通过计算所得应变数据与阈值的比较判定是否发生需要对巷道围岩进行预警，并对变形较大范围情况和问题光珊点进行判定，便于监测系统的检验以及对深部巷道围岩进行维护。
（5）监测系统硬件中的光栅解调仪模块可以实现的光纤监测数据的收集汇总，并及时的传入服务器程序中。由于解调模块内部装有电池，可以有效保证围岩变形监测系统井下的设备在日常生产检修过程中发生断电时或者其它异常情况的时候正常运行，极大的提高了监测系统的可靠性。
为进一步理解上述本申请所提供的深部巷道围岩的应变监测系统的工作，还可继续结合本申请以该系统为基础所提出的深部巷道围岩的应变监测方法，参阅图5示出的本申请深部巷道围岩的应变监测方法的一种流程示意图，本申请所提供的深部巷道围岩的应变监测方法，具体可以包括以下步骤S501至步骤S503：
步骤S501，监测系统获取埋入深部巷道围岩中的第一类光纤光栅传感器所获取到的第一类传感数据，其中，第一类光纤光栅传感器包括光纤，光纤包括光纤纤芯以及多个刻录在光纤纤芯上的光纤光栅，光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个光纤光栅对整条的光纤进行单元离散化以实现准分布式传感；在工作过程中，当入射光进入光纤由光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能；
步骤S502，监测系统结合第一类光纤光栅传感器所采集第一类传感数据与深部巷道围岩应变值之间的转换关系，确定第一类传感数据对应的深部巷道围岩的应变值；
步骤S503，监测系统基于确定的不同时间段的应变值，生成深部巷道围岩的应变监测结果。
可以理解，由于本申请在上述内容中所配置的光纤光栅传感器可精确地对深部巷道围岩的应变进行监测，从而本申请所提供的深部巷道围岩的应变监测系统及其方法，可以得到高精度的深部巷道围岩的应变监测结果，为后续围岩稳定性控制提供强有力的数据依据。
其中，监测系统结合第一类光纤光栅传感器所采集第一类传感数据与深部巷道围岩应变值之间的转换关系，确定第一类传感数据对应的深部巷道围岩的应变值的过程中，可以包括：
监测系统根据下式测得深部巷道围岩的应变值：
Figure 988018DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 971017DEST_PATH_IMAGE002
为中心波长
Figure 366226DEST_PATH_IMAGE003
的增量值，中心波长
Figure 101970DEST_PATH_IMAGE003
因纤芯折射率
Figure 127695DEST_PATH_IMAGE004
受深部巷道围 岩的应变的改变而改变，
Figure 581679DEST_PATH_IMAGE005
为光纤光栅传感器预先测得的应变灵敏度系数，
Figure 718262DEST_PATH_IMAGE006
为光纤应变 值，
Figure 121562DEST_PATH_IMAGE006
作为深部巷道围岩的应变值。
可以理解，本申请所提供的深部巷道围岩的应变监测方法在实际应用中的具体设置（包括围岩的温度监测），还可参考前面对光纤光栅传感器以及深部巷道围岩的应变监测系统的内容，具体在此不再赘述。
此外，对于本申请所提供的深部巷道围岩的应变监测系统及其方法，其在实际应用中，在基于光纤光栅传感器采集到的围岩应变情况和/或处理得到的应变监测情况的基础上，还可展开更为精准的分析甚至介入处理。
具体的，在一种具体的实现方案中，可以分析深部巷道围岩所处的具体变形范围，
即，在监测系统基于确定的不同时间段的应变值，生成深部巷道围岩的应变监测结果之后，还可包括：
监测系统根据预设的应变值与巷道围岩变形范围之间的匹配关系，确定应变值对应的目标巷道围岩变形范围，巷道围岩变形范围包括弹性区、损伤扩容区以及破裂碎胀区共三种范围。
如此，在基础的应变监测效果的基础上，还可更为精确地反映深部巷道围岩在变形过程中具体所处的变形范围。
此外，在确定的变形范围的基础上，本申请还可进一步地确定深部巷道围岩的介入处理，该介入处理可以理解为二次加固处理，用于提高深部巷道围岩的稳定性。
具体的，在实际应用中，当目标巷道围岩变形范围为碎裂碎胀区时，监测系统以破裂碎胀区的发育情况确定二次支护介入的加固方案，其中，加固方案包括以下内容：
破裂碎胀区范围<1m，对应稳定围岩，保持原有支护结构，不做二次支护；
破裂碎胀区范围1m-2m，对应较稳定围岩，施加预应力锚杆支护；
破裂碎胀区范围2m-3m，对应一般稳定围岩，施加预应力锚杆支护以及浅孔注浆；
破裂碎胀区范围3m-4m，对应一般不稳定围岩，施加预应力锚杆、锚索支护以及深孔注浆；
破裂碎胀区范围≥4m，对应不稳定围岩，施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护。
需要补充说明的是，若破裂碎胀区范围≥4m，由于其不稳定性极高，此时为了达到精准监测、避免因测量误差而到来非必要维护的目的，本申请在施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护之前，还包括而该范围数据进行二次校验的过程，也即：
获取埋入深部巷道围岩中的第二类光纤光栅传感器所获取到的第二类传感数据，其中，所述第二类光纤光栅传感器包括光纤，所述光纤包括光纤纤芯以及多个刻录在所述光纤纤芯上的光纤光栅，所述光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个所述光纤光栅对整条的所述光纤进行单元离散化以实现准分布式传感；在工作过程中，当入射光进入所述光纤由所述光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着所述光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过所述光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能；
所述监测系统依据所述第二类传感数据对变形范围为碎裂碎胀区的目标巷道围岩进行二次校验；
若二次校验后的破裂碎胀区校验范围≥4m，则施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护；
若二次检验后的破裂碎胀区校验范围3m-4m，则依据所述破裂碎胀区范围和所述破裂碎胀区校验范围获得破裂碎胀区标准范围，所述破裂碎胀区标准范围由所述破裂碎胀区范围与所述破裂碎胀区校验范围之和求取平均值获得；当破裂碎胀区标准范围3m-4m，则施加预应力锚杆、锚索支护以及深孔注浆；当破裂碎胀区标准范围≥4m，则施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护。
本领域技术人员可以理解，本申请中的第一类光纤光栅传感器和第二类光纤光栅传感器是同一种结构的光纤光栅传感器，而第二类光纤光栅传感器作为检验传感器在需要对传感数据进行二次检验时可启用监测。在该过程中第一类光纤光栅传感器所检测的数据为第一类传感数据，第二类光纤光栅传感器所检测的数据是第二类传感数据。
进一步的，由于围岩演变的不确定性，为了避免因围岩演变速度过快而导致当前仅依据破裂碎胀区范围所确定的支护方案无法满足当前实际演变维护需求，基于此本申请引入围岩的稳定系数，并依据上一时刻和当前时刻的目标巷道围岩的稳定系数的差值来对围岩的支护方案进行补充防护。具体包括：
在破裂碎胀区范围<1m时，将对应的稳定围岩的稳定系数V1标记为1.0；在破裂碎胀区范围1m-2m时，将对应较稳定围岩的稳定系数V2标记为2.0；在破裂碎胀区范围2m-3m时，将对应一般稳定围岩的稳定系数V3标记为3.0；在破裂碎胀区范围3m-4m时，将对应一般不稳定围岩的稳定系数V4标记为4.0；在破裂碎胀区范围≥4m时，将对应不稳定围岩的稳定系数V5标记为5.0；
获取上一时刻和当前时刻的目标巷道围岩的稳定系数的差值V；
所述V=V当－V上，所述V上和/或V当是所述V1、V2、V3、V4、V5中的任意数值；
若V小于或等于0，则判定为安全区，保持原有支护结构，不做二次支护；
若所述V等于1或等于2，则判定为正常演变区，按照当前破裂碎胀区的范围执行加固方案；
若所述V大于等于3，则判定为非正常演变区，按照破裂碎胀区的范围≥4m执行加固方案。
也就是说，当上一时刻和当前时刻的目标巷道围岩的稳定系数的差值小于或等于0时，则可以理解为目标巷道围岩的演变过程几乎没有发生改变，此时为了不增加额外的支护成本投入，可选择保持原有支护结构，不做二次支护；而上一时刻和当前时刻的目标巷道围岩的稳定系数的差值V大于等于3，则说明目标围岩的演变速度非常快，可判定为非正常演变区，例如在上一时刻围岩的破裂碎胀区范围<1m，而当前时刻围岩的破裂碎胀区范围2m-3m，如果还是按照当前时刻围岩的破裂碎胀区范围2m-3m的支护方案执行支护动作，则很有可能在下一时刻围岩的演变速度所带来的不稳定性大于当前时刻所选择的支护方案的支护效果，因此为了避免该情况的方式，此时对于非正常演变区的目标巷道围岩直接按照破裂碎胀区的范围≥4m执行加固方案。
可以看到，在上面设置下，本申请以破裂碎胀区的发育情况作为支护介入的时间依据，实现深部巷道围岩的支护精准介入，从而在实际操作中，可以实现对深部围岩实现精确有效的稳定性控制。
具体的，还可结合以下内容进行更为深入地理解上述内容。
1.深部巷道围岩变形区域划分
为了获取一个较为贴近实际的结果，此处汇总的实验数据均来自淮南矿区所采集的岩石样本进行的压缩实验，以不同岩性的岩样进行的压缩实验数据为基础，对压缩过程中的应力-应变曲线进行研究，统计不同岩性的岩样在压缩过程中弹性阶段、塑性阶段以及破裂阶段的应变数值。
1）岩石单轴压缩实验结果汇总与分析
（1）细砂岩
岩样在单轴压缩过程中达到4‰~4.5‰（一个范围阈值，结合传感器的量程范围可算得具体的应变数值阈值，以下内容也是如此）的应变数值时由弹性变形转为塑性变形，在达到5‰左右时产生破裂。
因此在以细砂岩为主的巷道中，以4‰的应变值作为围岩变形中弹性区与损伤扩容区的划分依据，以5‰的应变值作为损伤扩容区与破裂碎胀区的划分依据。
（2）砂质泥岩
岩样在单轴压缩过程中达到4‰左右的应变数值时由弹性变形转为塑性变形，在达到5‰~6‰的应变数值时产生破裂。因此在以砂质泥岩为主的巷道中，以4‰的应变值作为围岩变形中弹性区与损伤扩容区的划分依据，以5‰的应变值作为围岩变形中损伤扩容区与破裂碎胀区的划分依据。
（3）泥岩
岩样在单轴压缩过程中达到2.5‰~3‰的应变数值时由弹性变形转为塑性变形，在达到3‰~3.5‰的应变数值时产生破裂。因此在以泥岩为主的巷道中，以2.5‰的应变值作为围岩变形中弹性区与损伤扩容区的划分依据，以3‰的应变值作为围岩变形中损伤扩容区与破裂碎胀区的划分依据。
（4）灰岩
岩样在单轴压缩过程中达到4‰左右的应变数值时由弹性变形转为塑性变形，在达到5‰左右的应变数值时产生破裂。
因此在以灰岩为主的巷道中，以4‰的应变值作为围岩变形中弹性区与损伤扩容区的划分依据，以5‰的应变值作为围岩变形中损伤扩容区与破裂碎胀区的划分依据。
（5）粉砂岩
岩样在单轴压缩过程中达到3.5‰~4‰左右的应变数值时由弹性变形转为塑性变形，在达到4.5‰左右的应变数值时产生破裂。
因此在以粉砂岩为主的巷道中，以3.5‰的应变值作为围岩变形中弹性区与损伤扩容区的划分依据，以4.5‰的应变值作为围岩变形中损伤扩容区与破裂碎胀区的划分依据。
2）围岩变形区域划分
根据已汇总的实验数据以及相应的分析得出的应变数值，对不同岩性的巷道围岩进行区域划分，具体的数值如下表8所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE067
2.深部巷道围岩稳定性控制
1）深部巷道围岩稳定控制理论
深部巷道围岩的强度、力学性质以及应力状态决定了围岩岩体的稳定性。而围压的抗压强度、变形模量、泊松比等参数会受其应力状态的影响而改变。因此要实现对深部巷道的稳定性控制，需要考虑巷道围岩的强度和应力状态。
深部巷道在开挖前，围岩岩体由于长期受高地应力作用，其抗压强度远高于最大偏应力。而岩石在二向应力的状态下的强度低于三向应力状态的强度。当岩石的围压不断增大时，其三向应力状态下的最大强度也会不断增加。
因此，巷道围岩表面的应力状态在深部巷道开挖后会发生改变，应力向巷道的周向进行转移，出现应力集中现象，导致巷道围岩在开挖后裂隙向内部迅速发育，在一定范围内迅速劣化并发生破坏。
因此，要实现对深部巷道围岩的稳定性控制，首先必须改变围岩应力状态。只采用U型钢等被动支护方式支护时，其对围岩表面施加的应力小于深部巷道的原岩应力，无法实现巷道的稳定性控制。因此在采用传动支护方式的同时还需要配合锚杆、锚索等主动支护方式，改变围岩的粘结力和内摩擦角，通过增强围岩自身强度的方法，控制围岩稳定。
同时深部巷道开挖扰动引起的高渗透压降，会增大巷道表面围岩的有效应力，加快围岩裂隙由外及内的发育，对围岩的稳定性控制产生较大的阻碍。因此为控制裂隙的发育需要通过注浆对裂隙进行封堵。巷道长期的温度变化而在围岩表面产生的温度应力，使围岩受到持续的损伤。因此实施围岩控制手段时，还需要采用高强高韧度的注浆加固材料，来修复围岩裂隙发育而出现的损伤。
通过对上述的围岩变形的分析，本申请在此引入深部巷道围岩控制理论及分布联合支护理念：
深部巷道在开挖后，需采取相应的支护措施将处以二向应力状态下巷道表面围岩恢复至三向应力状态。从改善围岩应变状态的角度出发，限制巷道围岩法向变形，实现围岩的稳定性控制。
采用如预应力锚杆、锚索等高强度的支护措施控制围岩的稳定性，改变巷道围岩的内摩擦角等固有属性，提高其自身抗剪强度，使处于高地应力作用下的巷道围岩减少沿裂隙滑移面产生的变形，以提高围岩自身强度的方法实现围岩的稳定性控制。
对处于破裂区的围岩的采用注浆的支护措施进行控制，通过注入水泥浆液封堵缝隙，实现损伤扩容区的围岩修复与破裂碎胀区的围岩加固，恢复巷道围岩的整体强度。同时也使围岩破裂损伤的区域与围岩深部较为稳定的岩体耦合为一体，扩大深部巷道围岩承载圈的范围。
根据分布联合支护的理念，多种支护措施可以相互组合使用。在实际巷道的支护应用中，既要考虑到围岩稳定性的有效控制，又要保证深部巷道开挖与支护的施工效率。同时，在具体的支护中需要根据巷道围岩的类型采用相应的支护措施进行组合使用：
（1）对稳定围岩，由于其整体性较好，几乎无掉落小块，一般不采取支护措施。
（2）对于较稳定围岩，要控制其稳定性需要采取相应的支护手段恢复围岩的应力状态并增加围岩的自身强度。
（3）对于一般稳定围岩，在恢复应力状态的同时还应采取其它支护手段固结围岩破裂区域。
（4） 对于一般不稳定围岩，则需要在恢复应力状态、增加围岩强度、注浆修复等措施的基础上优化巷道断面形态，实现稳定性控制。
（5） 对于不稳定围岩，需要在一般不稳定围岩控制措施的基础上施加预应力增加应力状态的改善程度。
2） 深部围岩支护措施
（1）围岩应力状态恢复措施
目前在巷道开挖后，主要是通过向围岩施加锚杆与锚索等支护结构，并结合注浆手段，对巷道围岩表施加表面应力，从而改变围岩的应力状态，实现围岩的应力状态恢复。
（2）围岩增强与固结修复措施
深部巷道开挖后，围岩自身的强度与外部高应力相差较大，因此需要采取相应的支护措施来提高围岩强度。目前主要实现围岩增强的支护措施是以预应力锚杆和锚索为主，结合高强高韧的水泥砂浆共同使用。
采用锚杆、锚索等支护主要在于通过其结构的轴向抗力，以限制围岩发生剪切破坏。并改变内摩擦角和粘结力，提高围岩抗剪强度。采用注浆进行围岩的修复，实现围岩固结与修复，提高围岩的自身强度。
上述的支护措施在实际的工程应用中，应根据围岩的类型进行相应的组合使用。对于较稳定围岩，一般支护措施以锚杆支护为主，注浆则由于深部裂隙尚未扩展，只能对表面的破裂围岩进行修复，起补强加固的作用。对于一般稳定围岩以及不稳定围岩，通常采用深孔注浆的支护手段，以实现对于破裂区围岩的固结，提高围岩的整体强度。
（3）应力转移的控制措施
在深部巷道开挖后，对破裂区较大围岩通常需要相应的支护手段实现应力转移以控制围岩的稳定性。一般的处理措施则通过高预应力的锚杆、锚索辅以高强高韧材料注浆的支护措施组合使用。通过锚杆和锚索可以有效限制巷道围岩的剪切变形，控制损伤扩容区的扩展范围以及破裂碎胀区的破坏程度。
而通过注入高强高韧的浆液，可以有效控制扩容区的扩展范围以及破裂碎胀区的程度，通过浆液的扩散修复固结围岩。同时转移围岩应力的峰值至巷道围岩的深部，扩大围岩承载地应力的范围，限制巷道的变形，实现巷道的稳定性控制。
3.深部巷道围岩精准支护介入
综合上述的围岩变形区域划分方法，根据破裂碎胀区发展的范围对围岩的类型进行评价，将其分为不同级别的围岩。并结合上述的几个方面的技术措施对不同级别的围岩组合使用。并组合巷道围岩变形监测系统，完成对深部巷道围岩的变形监测以及二次支护，其支护方式如下表9所示：
Figure 505139DEST_PATH_IMAGE068
根据上述的内容，通俗来讲，本申请所提出的深部巷道围岩精准支护介入的方案内容，具体如下：
（1）对于稳定围岩，由于其整体性较好，不需要采用二次支护，仅依靠初期支护结构便可以保持围岩的稳定性。
（2）对于较稳定围岩，采用锚杆支护结构进行围岩变形控制，通过改变围岩的固有属性，限制围岩的剪切破坏并恢复其应力状态。
（3）对于一般稳定围岩，采用锚杆支护与注浆组合使用，在恢复应力状态的同时，增强围岩自身强度并修复围岩裂隙。
（4）对于一般不稳定围岩，采用锚杆、锚索共同支护，以恢复围岩的应力状态，并采用深孔注浆的方法对围岩的破裂碎胀区进行修复与固结。同时上深孔注浆配合预应力锚索耦合将锚固区与深部围岩，实现应力峰值转移，控制巷道围岩的稳定性。
（5）对于不稳定围岩，还需要在一般不稳定的围岩的支护措施上架棚支护，实施主动支护与被动支护相结合。通过U型钢等支护结构对巷道表面围岩施加被动应力，并与锚杆锚索组合形成联合支护体系，进一步改善表面围岩的应力状态，实现围岩稳定和施工安全的有效控制。
进一步的，还可结合以下的一组实例来理解以上方案内容。
1.监测系统现场应用概述
顾桥矿南翼胶带机大巷是南区至中央区的出煤通道，是南区出煤系统的咽喉要道。该巷道穿越地质异常体，断层带发育，围岩破碎，施工条件极为复杂。自南翼胶带机大巷（二）贯通并投入使用后，一直未进行过巷修，目前已出现不同程度的变形。为确保系统的安全可靠性及对复杂地质条件下的巷道支护的后评价，需进行必要的研究和考察。
南翼胶带机大巷（二）为避开地质异常体、断层破碎带的影响，施工过程中未能直线贯通，采用“V”字形绕道连接，致使南区主要出煤系统多皮带搭接，环节多、系统复杂、运输路线长，出煤系统不确定因素增加。若南翼胶带机大巷直线贯通，不仅可以缩短出煤线路，简化出煤环节，而且能够为南翼轨道大巷直线贯通创造条件，为南区二水平延伸做好充分准备。
基于上述原因，本文以顾桥南翼轨道大巷为现场工业性试验地点，将弱光纤光栅传感器、光纤光栅解调模块、网络继电器等监测系统硬件设备安装于南翼轨道大巷中，对巷道围岩的应变数据进行采集，组合井上监测软件形成围岩变形监测系统，实现对深部巷道围岩变形实时监测。
根据围岩的实时监测情况与现场实际情况相对比，考察围岩变形监测系统在实际工程中应用情况。同时根据围岩变形监测数据划分围岩变形区域，在破裂碎胀区发育到预警阈值范围时，实施相应支护方式的精准介入，实现深部巷道围岩的稳定性控制。
2.地质概况
（1）顾桥矿地质概况
顾桥煤矿隶属淮南矿业集团，矿区位于安徽省凤台县西北，地理座标为东经116°26′15″～116°37′00″，北纬32°43′47″～32°52′30″，东西宽7～15km，南北长8～17km，面积约140km2。井田总体构造形态为走向南北，向东倾斜的单斜构造，地层倾斜平缓，倾角5～150°，并发育不均匀的次级宽缓褶曲和断层。
（2）工作面生产地质条件
顾桥南翼轨道大巷位于顾桥南翼采区与中央采区之间，巷道施工方位178°，揭煤区段按仰角3‰上山施工，设计巷道全长4200m，底板设计标高为-779.3m～-796.0m。
南翼轨道大巷掘进段地质构造非常复杂，过FD108-1、FD108-b、FD108、FD108-a等几条主要断层及其次生断层构成的密集断层区破碎带，受断层影响，小构造裂隙发育，岩体异常破碎软弱。其中，FD77正断层走向245°，倾向155°，倾角80°；FD76正断层走向265°，倾向175°，倾角80°。
3.监测系统现场安装
（1）监测系统测试地点选取
由于深部煤矿巷道的地质条件较为复杂，而在现实情况中的巷道围岩变形监测系统又无法实现对整条巷道进行全程分布式监测。因此，合理选择具有代表性的测站可以有效提高围岩监测结果的准确性，并以监测结果真实反映深部巷道围岩的应变。因此为了保证围岩监测结果的准确可靠，现场测试地点的选取具有代表性，能够反映测试区域围岩的变形情况。
同时测试地点的选择还需要考虑到围岩变形监测系统的连接方便，统筹兼顾光纤光栅传感器、传输光缆等线缆布置方便以及光纤解调仪的安置合理，尽量减少光纤法兰等的使用，避免能量损失。测试地点附近需水电齐全，测点选择的断面面积足够大，保证钻机的钻孔工作有足够的实施空间。
根据上述测试地点选择的要求，本申请选择了两个实施巷道围岩变形监测的地点。
（2） 监测系统硬件布置
1) 光纤光栅传感器的布置
在测试地点位置的选取完成后，对光纤光栅传感器的安装位置进行设计。在对巷道现场施工可行性与便利性的要求下，为尽可能了解断面围岩的变形情况，设计在巷道的顶部、肩部与帮部进行钻孔施工并方便安装光纤光栅传感器。两个巷道断面共安装6个光纤光栅传感器。
2) 井下监测基站的设置
在此次的围岩变形监测方案设计中，需要对两个巷道断面进行长时间的应变监测，并通过井下的以太网交换机以及网络信息传输光纤接入矿内局域网络，实现井上实时监测。因此在两个断面之间较为干燥的位置安置光纤光栅解调仪器，以此作为一个井下监测基站，进行井下的围岩变形数据的汇总与传输。
3) 光缆线路设计
根据既定的监测方案、测点断面的选择、监测基站的布置位置、监测仪器的数量设计光纤传输光缆的长度及芯数。在其中需测点断面考虑到监测基站的距离、监测基站到以太网交换机的距离、传感器施工的方便程度和光缆重量以及传输光缆的传输损耗、法兰接口连接损耗等因素，对光缆的连接进行分段设计。
从井下监测基站解调设备到南翼胶带机巷（二）测点连接的第一段为3根1芯的光缆，通过排线铺共设400m，而南翼大巷的测点距监测基站直线距离1200m，铺设第二段光缆，第二段光缆为1根3芯，通过光纤接线盒将两端光缆按照标号相同的纤芯进行连接。
（3）监测系统安装与工艺
1) 监测系统安装前的检查：在进行巷道围岩变形系统安装之前，应对监测所用的仪器与装置进行外观及工作状态检查。检查主要包括光纤光栅传感器信号输出是否正常、光纤光栅传感器密封性是否完好、光纤光栅传感器安装定位装置所需的杆件数量是否足够及连接是否牢固、光纤光栅解调仪显示与读数是否正常等。
2) 围岩钻孔：钻孔选用地质型钻机，采用风动煤钻钻进，钻头规格选择φ93mm。待钻至设计深度后，清洗孔内残渣，并保证孔内基本无积水。
3) 光纤传感器安装：首先将光纤光栅传感器与配套安装的固定组件相连接放入孔内；然后利用已确定数量的推送组件依次将光纤光栅传感器推送至设计孔深，并记录下光纤光栅传感器的实际入孔深度；最后依次穿过注浆所用的封孔装装置。每个孔口的跳线端留出孔口，并通过传输光纤连接至弱光纤光栅解调仪处。
4) 钻孔注浆回填：注浆材料选择具有膨胀性的速凝水泥浆液；待传感器安装到位后，必须立即注浆利用注浆泵封孔注浆使得钻孔充填密实；注浆浆液配比需严格按照设计要求进行，压力控制为1MPa；注浆过程使用囊袋进行封孔，在反浆管流出浆液后结束注浆。
5) 应变监测：光纤光栅应变传感器成功安装在巷道围岩中后，通过传输光缆连接到井下光纤解调仪，并记录相应的时间。后期通过相应的数据传输手段，接入井上监测终端，实现巷道围岩应变的实时监测。
另外，在监测系统安装过程中需注意测量前应进行钻孔检查，检出缩径、超径及孔壁崩落孔段，测定终孔深度；钻孔完成后，需要向测试孔中注水以冲出孔内残渣，方便传感器的安装；注浆所用的原材料必须符合质量标准，且搅拌时间不宜少于5min；
4.监测结果及分析
在顾桥南翼胶带机以及轨道大巷成功光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪等设备并成功调试后，开始对深部巷道围岩的变形情况进行监测，通过下井直接连接设备以及井下软件控制的方法，定期导出光纤光栅传感器在围岩中传感的波长数据，并进行整理分析，总结出了南翼大巷两个测站在三个月内各个测点的围岩变形监测结果及结论。
南翼胶带机大巷测站
在监测过程中，距离孔口3m内的应变数值相对较大，且在孔口处到达应变峰值。而在1~ 8m孔深范围内的应变值随孔深的变化而减小，且在1~4m内变化较为剧烈；
孔口以及1、2、5m的测点应变值随时间的变化持续增大，5m孔深测点的应变增长速率在40d时减缓并在之后趋向稳定。
在监测过程中，距离孔口2m内的应变数值相对较大，且在孔口处到达应变峰值。而在1~ 7m孔深范围内的应变值随孔深的变化而减小，且在1~3m内变化较为剧烈。孔深7m外的测点应变数值较小且较为稳定；
孔口以及1、2、5m的测点应变值随时间的变化持续增大，其应变增长速率在80d后逐渐减缓。距离孔口10、15m的测点应变值基本无变化。
在监测过程中，在监测过程中，距离孔口2m内的应变数值相对较大，且在孔口处到达应变峰值。而在1~5m孔深范围内的应变值随孔深的变化而减小，且在1~2m内变化较为剧烈。孔深5m外的测点应变数值较小且较为稳定。
孔口以及1、2、5m的测点应变值随时间的变化持续增大。距离孔口10、15m的测点应变值基本无变化。
南翼轨道大巷测站
在监测过程中，在监测过程中，距离孔口3m内的应变数值相对较大，在1m处到达应变峰值。在1~5m孔深范围内的应变值随孔深的变化而减小，在1~4m内变化较为剧烈。孔深5m外的测点应变数值较小且较为稳定。
孔口以及1、2m的测点应变值随时间的变化持续增大，孔口测点应变值在40d后趋于稳定，1m处测点应变增长速率也随时间变化而逐渐降低。距离孔口10、15m的测点应变值基本无变化。
在监测过程中，在监测过程中，距离孔口3m内的应变数值相对较大，且在1m处到达应变峰值。而在1~3m孔深范围内的应变值随孔深的变化而减小，且在1~2m内变化较为剧烈。孔深3m外的测点应变数值较小且较为稳定。
孔口以及1、2m的测点应变值随时间的变化持续增大。距离孔口10、15m的测点应变值基本无变化。
在监测过程中，距离孔口7m内的应变数值相对较大，且在孔口处到达应变峰值。而在1~8m孔深范围内的应变值随孔深的变化而减小，且在1~2m内变化较为剧烈。孔深10m外的测点应变数值较小且较为稳定。
孔口以及1、2m的测点应变值随时间的变化持续增大。距离孔口10、15m的测点应变值基本无变化。
5.巷道围岩支护介入
根据上述南翼胶带机大巷以及轨道大巷测站的监测数据，可以得到两个测站的围岩变形情况。在南翼胶带机大巷测站中，围岩帮、顶以及肩部的测点最大的应变分别为87.89με、440.18με和401.51με。由于该巷道围岩主要以砂质泥岩为主，通过与表9相对比，该测站的围岩监测数据没有达到巷道围岩变形区域中破裂碎胀区应变范围要求，因此对于南翼胶带机大巷测站的围岩，保持原有支护结构，不作二次支护。
在南翼轨道大巷测站中，围岩帮、肩部的测点最大的应变分别为1701.24με与110.214με，通过与表9相对比，该部分的围岩监测数据没有达到巷道围岩变形区域中破裂碎胀区应变范围要求。而围岩顶部测点的最大应变值为5231.55με，达到了破裂碎胀区5‰的应变标准，但破裂碎胀区域的发育范围小于1m，因此该测站围岩为稳定围岩。
因此对于南翼轨道大巷测站的围岩，保持原有支护结构，不作二次支护。同时对围岩顶部进行重点监测，当围岩破裂碎胀区域的发育范围达到1m时，立即实施预应力锚杆支护，并根据支护后的围岩变形监测数据决定相应的围岩稳定性控制措施。
本领域普通技术人员可以理解，在上述实施例所提出的方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。
为此，本申请提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本申请如图5对应实施例中深部巷道围岩的应变监测方法的步骤，具体操作可参考本申请深部巷道围岩的应变监测系统的说明，在此不再赘述。
其中，该计算机可读存储介质可以包括：只读存储器（Read Only Memory，ROM）、随机存取记忆体（Random Access Memory，RAM）、磁盘或光盘等。
由于该计算机可读存储介质中所存储的指令，可以执行本申请如图5对应实施例中深部巷道围岩的应变监测方法的步骤，因此，可以实现本申请深部巷道围岩的应变监测系统所能实现的有益效果，详见前面的说明，在此不再赘述。
以上对本申请提供的光纤光栅传感器深部巷道围岩的应变监测系统、方法以及计算机可读存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器包括光纤，所述光纤包括光纤纤芯以及多个刻录在所述光纤纤芯上的光纤光栅，所述光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个所述光纤光栅对整条的所述光纤进行单元离散化以实现准分布式传感；
在工作过程中，当入射光进入所述光纤由所述光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着所述光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过所述光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器埋入深部巷道围岩中后，在工作过程中，根据下式测得所述深部巷道围岩的应变值：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
为中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
的增量值，所述中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
因纤芯折射率
Figure DEST_PATH_IMAGE008
受所述深部巷道围岩的应变的改变而改变，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为所述光纤光栅传感器预先测得的应变灵敏度系数，ε为光纤应变值；
所述光纤光栅传感器埋入深部巷道围岩中后，在工作过程中，根据下式测得所述深部巷道围岩的温度变化值：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
为中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
的增量值，所述中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAA
因纤芯折射率
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
受所述深部巷道围岩的温度的改变而改变，
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
为所述光纤光栅传感器预先测得的温度灵敏度系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为光纤温度变化值。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅传感器还包括所述光纤外层的涂覆层，所述涂覆层由高分子材料制成，所述高分子材料包括环氧树脂。
4.一种深部巷道围岩的应变监测方法，其特征在于，所述方法包括：
监测系统获取埋入深部巷道围岩中的第一类光纤光栅传感器所获取到的第一类传感数据，其中，所述第一类光纤光栅传感器包括光纤，所述光纤包括光纤纤芯以及多个刻录在所述光纤纤芯上的光纤光栅，所述光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个所述光纤光栅对整条的所述光纤进行单元离散化以实现准分布式传感；在工作过程中，当入射光进入所述光纤由所述光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着所述光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过所述光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能；
所述监测系统结合所述第一类光纤光栅传感器所采集第一类传感数据与深部巷道围岩应变值之间的转换关系，确定所述第一类传感数据对应的深部巷道围岩的应变值；
所述监测系统基于确定的不同时间段的所述应变值，生成所述深部巷道围岩的应变监测结果。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述监测系统结合所述第一类光纤光栅传感器所采集第一类传感数据与深部巷道围岩应变值之间的转换关系，确定所述第一类传感数据对应的深部巷道围岩的应变值的过程中，包括：
所述监测系统根据下式测得所述深部巷道围岩的应变值：
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
，
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004AAA
为中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE006_5A
的增量值，所述中心波长
Figure DEST_PATH_IMAGE006_6A
因纤芯折射率
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
受所述深部巷道围岩的应变的改变而改变，
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
为所述光纤光栅传感器预先测得的应变灵敏度系数，ε为光纤应变值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述监测系统基于确定的不同时间段的所述应变值，生成所述深部巷道围岩的应变监测结果之后，所述方法还包括：
所述监测系统根据预设的应变值与巷道围岩变形范围之间的匹配关系，确定所述应变值对应的目标巷道围岩变形范围，所述巷道围岩变形范围包括弹性区、损伤扩容区以及破裂碎胀区共三种范围。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述监测系统根据预设的应变值与巷道围岩变形范围之间的匹配关系，确定所述应变值对应的目标巷道围岩变形范围之后，所述方法还包括：
当所述目标巷道围岩变形范围为碎裂碎胀区时，所述监测系统以破裂碎胀区的发育情况确定二次支护介入的加固方案，其中，所述加固方案包括以下内容：
破裂碎胀区范围<1m，对应稳定围岩，保持原有支护结构，不做二次支护；
破裂碎胀区范围1m-2m，对应较稳定围岩，施加预应力锚杆支护；
破裂碎胀区范围2m-3m，对应一般稳定围岩，施加预应力锚杆支护以及浅孔注浆；
破裂碎胀区范围3m-4m，对应一般不稳定围岩，施加预应力锚杆、锚索支护以及深孔注浆；
破裂碎胀区范围≥4m，对应不稳定围岩，施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，若破裂碎胀区范围≥4m，则在施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护之前，所述方法还包括：
获取埋入深部巷道围岩中的第二类光纤光栅传感器所获取到的第二类传感数据，其中，所述第二类光纤光栅传感器包括光纤，所述光纤包括光纤纤芯以及多个刻录在所述光纤纤芯上的光纤光栅，所述光纤光栅为峰值反射率低于1%的弱光纤光栅，多个所述光纤光栅对整条的所述光纤进行单元离散化以实现准分布式传感；在工作过程中，当入射光进入所述光纤由所述光纤光栅组成的传感网络且发生反射现象后，满足布拉格Bragg光栅条件波长的光波的一部分会反射回去，剩余的光波会沿着所述光纤纤芯继续传输至下一个光栅，通过所述光纤内部多次的反射以及对反射光的解调，实现光纤传感网络的传感功能；
所述监测系统依据所述第二类传感数据对变形范围为碎裂碎胀区的目标巷道围岩进行二次校验；
若二次校验后的破裂碎胀区校验范围≥4m，则施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护；
若二次检验后的破裂碎胀区校验范围3m-4m，则依据所述破裂碎胀区范围和所述破裂碎胀区校验范围获得破裂碎胀区标准范围，所述破裂碎胀区标准范围由所述破裂碎胀区范围与所述破裂碎胀区校验范围之和求取平均值获得；当破裂碎胀区标准范围3m-4m，则施加预应力锚杆、锚索支护以及深孔注浆；当破裂碎胀区标准范围≥4m，则施加预应力锚杆、锚索支护、深孔注浆以及棚式支护。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
在破裂碎胀区范围<1m时，将对应的稳定围岩的稳定系数V1标记为1.0；在破裂碎胀区范围1m-2m时，将对应较稳定围岩的稳定系数V2标记为2.0；在破裂碎胀区范围2m-3m时，将对应一般稳定围岩的稳定系数V3标记为3.0；在破裂碎胀区范围3m-4m时，将对应一般不稳定围岩的稳定系数V4标记为4.0；在破裂碎胀区范围≥4m时，将对应不稳定围岩的稳定系数V5标记为5.0；
所述方法还包括：
获取上一时刻和当前时刻的目标巷道围岩的稳定系数的差值V；
其中，V=V当－V上，所述V上和/或V当是所述V1、V2、V3、V4、V5中的任意数值；
若所述V小于或等于0，则判定为安全区，保持原有支护结构，不做二次支护；
若所述V等于1，则判定为正常演变区，按照当前破裂碎胀区的范围执行加固方案；
若所述V大于等于2，则判定为非正常演变区，按照破裂碎胀区的范围≥4m执行加固方案。
10.一种深部巷道围岩的应变监测系统，其特征在于，所述深部巷道围岩的应变监测系统包括光纤光栅传感器，所述深部巷道围岩的应变监测系统用于执行权利要求4至9任一项所述的方法。
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