光纖傳感井筒裝備監測研究

張琨

（兗州煤業鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司，內蒙古 鄂爾多斯017300）

1 儀器和設備

根據試驗目的及要求，采用輕質鋼軌模擬井筒中罐道，鋼軌每根長度6m，頭寬38.1mm，高度69.85mm，底板69.85mm，腰厚7.54mm，單重12.2kg/m，采用連接板和螺栓將兩根鋼軌首尾連接，共連接4 根，合計24m，在鋼軌上安裝光纖振動傳感器、光纖光柵應變計和光纖光柵測縫計，使用外力引起鋼軌產生振動及變形，通過快速解調儀和自主開發軟件進行監測分析，主要實驗設備如表1 所示。

表1 實驗儀器及設備

將4 根鋼軌首尾相接并加以固定，共布置3 支光纖振動傳感器、1 支光纖光柵裂縫計和1 支光纖光柵應變計，在鋼軌側面選擇合適位置布置，傳感器位置如圖1 所示。

圖1 鋼軌監測模擬試驗布置方案

2 鋼軌接縫處振動信號探測試驗

2.1 鋼軌接縫處連接狀態較好（兩支傳感器監測）

手持圓柱型鐵棍在第三根和第四根鋼軌上由左到右勻速滑動，如圖2 所示。鋼軌連接處左側偏低右側偏高；手持圓柱型鐵棍在第三根和第四根鋼軌上由右到左勻速滑動，如圖3 所示。通過兩次監測對比可知，由于鋼軌連接處不平滑，均產生了明顯的振動信號，信號寬度較小。由低到高運行時阻力相對較大，振動傳感器信號更為明顯、強烈，由高到低運行時阻力相對較小，振動信號相對較弱。

圖2 鋼軌接縫

圖3 鋼軌接縫振動模擬

2.2 鋼軌接縫處連接狀態較差（兩支傳感器監測）

人為將鋼軌錯開一些縫隙模擬現場井筒罐道產生嚴重錯位，使用相同的力度做模擬試驗，得到由低到高和由高到低的振動波形圖，很明顯不管從哪個方向運行，波形圖信號寬度明顯增大，振幅較大，與鋼軌接縫處連接狀態較好時有明顯差異，應及時進行檢修和維護。

2.3 不同傳輸距離信號監測（三支傳感器監測）

圖4 鋼軌連接縫隙較大狀態

圖5 鋼軌變形監測

圖6 模擬實驗裝置設計圖

以右側為原點，在0m、12m 和24m 處位置用同等力度敲擊鋼軌，監測的振動信號顯示，傳感器與震源越近，振動信號越強烈。傳感器解調過程中，強烈的信號解調效果較好，加速度約（1.2-1.9）×10-4m/s2，頻率約為150Hz；傳感器離震源最近時，解調信號加速度約5.5×10-4m/s2，頻率約為185Hz。由此看來，多組傳感器可以確定振動信號加速度和振動固有頻率，在現場運行過程中，可通過試運行確定和合理的閾值進行預警報警。

3 實驗結論

在鋼軌接縫處位移監測試驗中，鋼軌連接狀態較好時，將裂縫計橫跨固定在裂縫量測，并保留5mm 余量；監測軟件設定預警值為8mm，軟件顯示出相應示數變化并保持綠色正常運行狀態。通過以上試驗及監測結果可知，驗證了光纖振動傳感器、光纖光柵裂縫計和光纖光柵應變計監測井筒裝備狀態的可行性，為下一步現場安裝及監測奠定應用基礎。