CN102182510A - 一种用于煤矿顶板应力监测的单元结构 - Google Patents

一种用于煤矿顶板应力监测的单元结构 Download PDF

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冯晓星
王新安
葛彬杰
王金泊
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Abstract

本发明公开了一种用于煤矿顶板岩层应力监测的单元结构，包括至少一个共聚物压电岩层应力传感单元，一个处理单元。传感单元获得煤矿顶板岩层应力信号强度的变化，经过无源电缆(比如，超强韧性高密度聚乙烯、可在直埋时防水、低电容、可达100m或更长)连接到处理单元，一个处理单元可以连接多个传感单元。传感单元实时获得地顶板岩层应力信号，处理单元进行信号采集、预处理，并将预处理的数据通过无线或有线方式传输出去。本发明具有采样周期、采样精度、传输数据时间间隔可配置、可编程的灵活性，安装操作简便并具有良好的煤矿巷道恶劣条件适应性，能够支撑大区域的密集安装。

Description

一种用于煤矿顶板应力监测的单元结构
【技术领域】
本发明涉及岩层信号监测仪器仪表和传感器及电路设计领域，具体涉及一种低成本、可以密集布局监测点的煤矿冒顶前兆实时监测方法。
【背景技术】
煤矿开采时，矿区煤层顶板往往比较坚硬且不易垮塌，因此，矿区采空区往往呈现大面积的悬顶现象，有些采空区的悬顶面积甚至有几个足球场那么大。
由于采空了坚硬的顶板下的煤层，而造成了矿区煤层顶板压力集中现象，当集中应力的强度超过岩石强度时，会发生顶板岩层断裂、垮塌现象，通常被称作“冒顶”。这种冒顶落下的岩石，填充了采空区，压缩采空区的空气，形成暴风。这种顺势的暴风能量和威力极大，暴风形成的冲击波能将数吨重的井下设备掀起几十米，甚至将井下矿车压缩成一团废铁。顶板岩层断裂、垮塌现象的发生，给矿山造成灾难性的人员伤亡、财产损失。
岩层顶板发生断裂、垮塌的前提是岩层的强度已经不能够支撑岩层的负重，这是一个力量导致物体形变的过程，监测岩层的形变是预测冒顶最直接的手段。整个岩层的形态不易获得，因为整体岩层的深埋于地下，没有很好的手段对其综合测量形变。但是，对于局部岩层的形变，我们可以通过应力监测手段获得。如果在采空区巷道内密集安装能够临测顶板应力变化的传感器，也就可以获得我们关心的岩层的形变情况，对冒顶作出预测和分析。
【发明内容】
本发明的主要目的就是解决现有技术中没有解决的问题，提供一种实时监测煤矿顶板岩层应力的单元结构，具有低成本、易安装维护的特性，适合大区域密集分布。
为实现上述目的，本发明公开一种实时监测煤矿顶板岩层应力变化的监测单元结构，其特征在于：包括至少一个共聚物压电岩层应力传感单元，一个处理单元。所述共聚物压电岩层应力传感单元与处理单元互联，共聚物压电岩层应力传感单元实时获得岩层应力的信号，通过无源电缆(比如，超强韧性高密度聚乙烯、可在直埋时防水、低电容、可达100m或更长)连 接到处理单元，处理单元完成信号采样数字化等预处理并将处理后的数据再通过无线或有线广域通信网发送出去。
本发明公开的监测单元结构能够根据需要安装在锚杆受力部分，当锚杆和顶板岩层充分接触且固定后，监测单元能够实时连续临测所处位置的岩层应力信号的变化。监测单元能够固定在锚杆表面，通过监测锚杆的应力变化判断顶板岩层的应力变化。
监测单元结构可以实时连续监测的时间精度和间隔(从毫秒到秒到分)和采样精度(16位到货24位)等均可由用户设置。
监测单元结构具有较低成本，能够大区域、高密集布局，易于安装维护的优势和特点。
共聚物压电岩层应力传感单元的感知或检测原理是：
压电材料是一种经特殊加工后能将动能转化成电能的材料。一些聚合体材料，例如共聚物P(VDF-TrFE)使这一特性有了很大提高。压电材料在受机械冲击或振动时产生电荷。在原子层，偶极子(氢-氟偶对)的排列顺序被打乱，并试图使其恢复原来的状态。这个偶极子被打乱的结果就是有一个电子流形成。就像海绵中的水，当你挤压一块湿海绵时，水会从海绵中流出来，当你松开时，水又被吸回去，这同压电应力变化传感单元十分相似。当行应力施加到传感单元上时，就产生了电荷(电压)，而当去掉负载时，就会产生一个相反极性的信号。它产生的电压可以相当高，但传感单元产生的电流却比较小。
共聚物压电岩层应力传感单元的检测原理就是如此，顶板岩层处于正常状态，即岩层强度高于岩层承载力时，几乎没有岩层应力信号产生；顶板岩层处于危险状态，即岩层强度接近于岩层承载力时，岩层有明显可监测到的应力信号产生；顶板岩层处于冒顶前，就会产生大量高强度的可检测到岩层应力信号，一次作为冒顶预报和分析。
本发明的有益效果是：
本发明采用一种共聚物压电岩层应力传感单元和处理单元，完成煤矿顶板岩层应力信号变化的实时监测，成本低，结构可靠，安装维护容易，适宜大区域高密集度的建立岩层应力的实时监测点，从而能够有助于煤矿冒顶的分析和预报。
同时，本发明的实时监测岩层应力的监测单元，能够通过有线通信网，将检测数据发送出去，这样可以在任何地方建立监测中心，接收任意大区域的监测单元发送的数据，形成一个大区域的岩层应力变化图像，进行煤 矿冒顶分析和预报。
【具体实施方式和附图说明】
本申请的特征及优点将通过实施例进行补充说明。
图1是一个层状监测单元结构示意图，包括一个多层结构的压电薄膜传感器，从上到下分别为保护层、电极片、共聚物压电薄膜、电极片、保护层。保护层采用硬质厚金属制成，能够防止岩石突发应力对压电薄膜片的不可恢复性损伤。
图2是一个层状应力监测单元安装示意图，层状的传感器固定在锚杆顶端，随着锚杆完成安装，锚杆顶部的传感器和锚杆一起作为承载机构支撑顶板。当顶板岩层强度小于顶板承重时，顶板即有向下的趋势，层状应力临测单元和锚杆承受应力陡增，该应力信号通过无源电缆送入信号处理单元，完成信号处理、发送或报警。
图3是一个用于锚杆侧壁安装的应力监测传感器，该传感器从上到下分别是：保护层、电极片、共聚物压电薄膜、电极片、弹性结构层。弹性结构层采用具有一定刚性，同时具有一定柔性的弹性金属材料制成。该结构有助于将未受顶板应力影响的共聚物压电薄膜维持在一个稳定的水平，从而对受应力影响引起的突变保持敏感。
图4是一个层状监测单元结构在锚杆上的安装示意图，锚杆锚入岩层顶板并同定完成，带有弹性片的层状监测单元沿锚杆壁安装，无源电缆连接传感器和处理单元。这种安装方式灵活、简易、环境适应性好。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种实时监测煤矿顶板岩层应力变化的监测单元结构，其特征在于：包括至少一个共聚物压电岩层应力传感单元，一个处理单元。所述共聚物压电岩层应力传感单元与处理单元互联，共聚物压电岩层应力传感单元实时获得岩层应力的信号，通过无源电缆(比如，超强韧性高密度聚乙烯、可在直埋时防水、低电容、可达100m或更长)连接到处理单元，处理单元完成信号采样数字化等预处理并将处理后的数据再通过无线或有线广域通信网发送出去。
2.如权利要求1所述的共聚物压电岩层应力传感单元结构，其特征在于：能够根据需要安装在锚杆受力部分，当锚杆和顶板岩层充分接触且固定后，监测单元能够实时连续监测所处位置的岩层应力信号的变化。
3.如权利要求1所述的共聚物压电岩层应力传感单元结构，其特征在于：能够固定在锚杆表面，通过监测锚杆的应力变化判断顶板岩层的应力变化。
4.如权利要求2所述的共聚物压电岩层应力传感单元结构，其特征在于：实时连续监测的时间精度和间隔(从毫秒到秒到分)和采样精度(16位到货24位)等均可由用户设置。
5.如权利要求1所述的实时监测地应力变化的监测单元结构，其特征在于：具有较低成本，能够大区域、高密集布局，易于安装维护。
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