CN103510986B - 基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统及预警方法，属于矿井安全监测领域。包括地面数据处理及控制子系统、井下数据传输通讯子系统、井下传感数据采集子系统三部分：地面数据处理及子系统安放在地面控制中心室内，由地面上位主监控计算机、光纤光栅解调装置和供电电源组成；井下传输通讯子系统由矿用传输光纤和光纤接线盒组成；井下传感数据采集子系统包括至少一个光纤光栅顶板离层监测装置。实现了顶板离层的实时在线动态连续测量，获得巷道围岩的变形情况，检验锚杆支护参数的合理性，一旦超出离层的预警阈值，可准确的发出预警信号，以便及时采取措施，防止顶板坍塌，对锚固区内外顶板离层大小及巷道稳定性具有重要意义。

Description

基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统及预警方法

技术领域

本发明涉及一种巷道顶板离层监测系统及预警方法，具体是一种基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统及预警方法。

背景技术

在煤矿生产中，巷道围岩由于受到外力的拉张和剪切破坏会发生离层，特别是锚杆支护巷道更加容易发生顶板离层。顶板离层是巷道围岩变形和破坏的主要形式之一，当顶板离层超过一定范围，即表明顶板处于非稳定状态，如果不及时采取支护措施，便会发生冒顶等恶性顶板事故，直接关系到煤矿工人的人身安全和煤矿生产的顺利进行。因此，对于锚杆支护巷道来说，顶板离层需要随时进行监测，以便了解锚杆的支护参数设定的合理性、顶板的稳定性和巷道顶板上覆岩层裂隙位置的发育等情况，从而有效的防止顶板坍塌事故的发生，确保煤矿安全生产。

目前，我国煤矿井下常用的顶板离层监测装置多为机械式巷道顶板离层指示仪和借助电器元件以声光方式报警的巷道顶板离层指示仪，现有的顶板离层监测系统有基于Zigbee和CAN总线技术的煤矿顶板动态监测系统和基于M-BUS总线的顶板离层监测系统，虽然这些手段对预防顶板冒落起到积极作用，但是上述监测手段仍具有以下缺点：监测装置均采用人工定时观察测量顶板离层状况，在井下读数不便，同时受井下巷道条件、灯光强度的限制，读数人为误差较大；监测系统采用单片机作为控制器，测量精度不高，况且抗电磁干扰能力不强，受环境影响较大，测量范围小，可靠性较低，对巷道顶板离层动态连续监测的实施效果不佳，同时不能对顶板离层的发生进行预警，对巷道和采掘工程的安全性和可靠性带来很大的影响。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中的不足，本发明的目的是为了适应现在煤矿安全高效生产，满足煤矿井下安全需要，提供的一种本质安全，抗电磁干扰能力强，受环境影响小，可靠性高，测量精度高，能够对顶板离层数据进行及时预警和报警，可自动监测及实时在线动态连续监测的一种基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统及预警方法。

技术方案：为能达到本发明的目的，通过如下技术方案实现：一种基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统，包括地面数据处理及控制子系统、井下数据传输通讯子系统、井下传感数据采集子系统三部分；所述的地面数据处理及子系统安放在地面控制中心室内，地面数据处理及子系统由地面上位主监控计算机、光纤光栅解调装置和供电电源组成，供电电源为地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置提供额定的电源；所述的井下传输通讯子系统由矿用传输光纤和光纤接线盒组成，其中矿用传输光纤上串联一系列光纤接线盒；所述的井下传感数据采集子系统包括至少一个光纤光栅顶板离层监测装置，光纤光栅顶板离层监测装置通过光纤尾纤与光纤接线盒连接；所述的井下传感数据采集子系统的各个光纤光栅顶板离层监测装置通过光纤尾纤和光纤接线盒与矿用传输光纤连接，矿用传输光纤与地面控制中心室的光纤光栅解调装置连接，光纤光栅解调装置与地面上位主监控计算机连接；形成监测系统地面和井下相互通讯的远程巷道顶板离层动态监测系统。

所述的监测系统地面和井下相互通讯的方式为，井下传感数据采集子系统的各个光纤光栅顶板离层监测装置通过光纤尾纤和光纤接线盒将采集监测的顶板离层的波长信息数据传至矿用传输光纤，然后以矿用传输光纤的有线通讯方式传送至地面控制中心室的光纤光栅解调装置，光纤光栅解调装置将波长信息数据进行解调为数字信号数据，然后通过网线通讯方式将数字信号传至地面上位主监控计算机，地面上位主监控计算机对数据进行后期处理，并及时的将数据反馈至井下，实现地面与井下的相互通讯。

所述的地面上位主监控计算机内嵌顶板离层数据分析处理软件。

所述的光纤光栅顶板离层监测装置可通过如下步骤进行安装并监测：

A、在巷道两帮的其中一帮安设有光纤接线盒，在顶板支护锚杆的附近用直径为35-40mm的钻头在巷道的顶板上钻一深度为6-8m的钻孔；

B、在钻孔内部布置一个浅部测点和一个深部测点，其中浅部测点设置在与顶板支护锚杆上端处于同一高度的位置处，深部测点设置在钻孔上端的稳定岩层内；

C、用端部带槽的安装杆将深部锚固器推至深部测点处，将浅部锚固器推至浅部测点处，轻拉钢丝绳，确保锚固器与岩层锚固在一起；

D、待安装好以后，裸露在巷道内的光纤尾纤连接至光纤接线盒，光纤光栅顶板离层监测装置即可感知顶板离层的位移变化。

一种基于光纤光栅的顶板离层动态监测系统的预警方法，包括以下内容：

A、首先利用供电电源对地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置进行供电，对光纤光栅解调装置进行预热三分钟，使光纤光栅解调装置进入准备工作状态；

B、其次，设置IP地址，使地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置在同一地址域工作，以便地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置之间能够相互准确的传送数据；

C、再者，对系统进行初始设置，设置顶板离层位移数据的预警常数阈值，同时记录顶板离层位移的原始数据；

D、随后，光纤光栅顶板离层监测装置实时动态采集顶板离层的位移数据，通过自动比较实时的位移数据和设置的预警常数阈值之间的大小，判断是否达到预警范围；

E、最后，如果不发生预警，则表示离层位移的大小在顶板稳定的可控范围内；如果发生预警，则记录保存预警的时间、离层位移的数值大小和顶板离层的位置，同时采取有效的防护措施，防止顶板失稳坍塌，确保煤矿的安全生产。

有益效果，由于采用了上述方案，当巷道开挖后，围岩产生变形，导致浅部岩层与深部岩层出现离层，顶板出现下沉。在顶板钻孔中布置两个测点：即浅部测点和深部测点，浅部测点设置在与顶板支护锚杆端部相同高度的位置，深部测点设置在比较稳定的深部围岩中，在测点处安设锚固器，使锚固器与顶板岩层锚固在一起。本发明采用间接的方法测量锚杆支护巷道的顶板离层，当顶板出现离层时，光纤光栅顶板离层监测装置的锚固器与顶板岩层同步移动，使得光纤光栅顶板离层监测装置内的光纤光栅发生应变，使得光纤光栅的中心波长产生漂移，利用光纤解调装置将波长信号解调为数字信号，传至地面上位主监控计算机，可实时动态显示顶板离层的数据变化，当离层位移数据超过设置的预警阈值时，会发生预警，及时有效的采取相应措施，对阻止顶板失稳坍塌，这一技术的应用对测量锚杆支护巷道锚固区内外顶板离层大小、评价锚杆支护效果、巷道安全程度和避免突发性破坏的发生具有重要意义。

本发明与已有技术相比，有如下优点：

1、光纤光栅具有极其灵敏的传感特性，能够测量出离层发生很小变化的位移量。

2、光纤光栅顶板离层监测装置利用了光纤光栅的核心技术，光纤光栅本质安全，无源工作，可实现井下现场直接采集数据，方便灵活，抗电磁干扰能力强；同时，利用光纤进行信号传输，传输距离远，可靠性高，测量范围大。

3、实现了顶板离层的自动监测及实时在线动态连续测量，通过测得光纤光栅波长变化就可以计算出顶板离层位移数值的大小。

4、可及时获得巷道围岩的变形情况，检验锚杆支护参数是否合理，一旦发现围岩变形超出预警阈值，能够准确方便的发出预警信号，以便及时采取相应的工程措施，并修正原支护参数，保证煤矿安全生产和指导巷道支护设计与施工。

5、系统能够自动保存离层监测数据，对相同围岩条件下监测的离层位移数据进行分析研究，可以探寻顶板围岩的变形规律，为围岩条件复杂多变的巷道安全施工和设计提供依据。

附图说明

图1为本发明的监测系统的整体布置结构图。

图2为本发明的单个光纤光栅顶板离层监测装置的安装图。

图3为本发明的整条巷道光纤光栅顶板离层监测装置的布置点图。

图中：1、地面数据处理及控制子系统；2、井下数据传输通讯子系统；3、井下传感数据采集子系统；4、地面上位主监控计算机；5、光纤光栅解调装置；6、供电电源；7、矿用传输光纤；8、光纤接线盒；9、光纤尾纤；10、光纤光栅顶板离层监测装置；11、地面控制中心室；12、巷道；13、顶板支护锚杆；14、钻孔；15、浅部测点；16、深部测点；17、浅部锚固器；18、深部锚固器；19、钢丝绳；20、工作面；21、采空区；22、回风巷道；23、进风巷道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

实施例1：图1为一种基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统，系统包括地面数据处理及控制子系统1、井下数据传输通讯子系统2、井下传感数据采集子系统3三部分；其中，地面数据处理及子系统1安放在地面控制中心室11内，地面数据处理及子系统1由地面上位主监控计算机4、光纤光栅解调装置5和供电电源6组成，供电电源6为地面上位主监控计算机4和光纤光栅解调装置5提供额定的电源；井下传输通讯子系统2由矿用传输光纤7和光纤接线盒8组成，其中矿用传输光纤7上串联一系列光纤接线盒8；井下传感数据采集子系统3包括至少一个光纤光栅顶板离层监测装置10，光纤光栅顶板离层监测装置10通过光纤尾纤9与光纤接线盒8连接。

所述的监测系统地面和井下相互通讯的方式为：井下传感数据采集子系统3的各个光纤光栅顶板离层监测装置10通过光纤尾纤9和光纤接线盒8与矿用传输光纤7连接，将采集监测的顶板离层的波长信息数据传至矿用传输光纤7，矿用传输光纤7与地面控制中心室11的光纤光栅解调装置5连接，矿用传输光纤7的有线通讯方式传送至地面控制中心室11的光纤光栅解调装置5，光纤光栅解调装置5与地面上位主监控计算机4连接，光纤光栅解调装置5将波长信息数据进行解调为数字信号数据，然后通过网线通讯方式将数字信号传至地面上位主监控计算机4，地面上位主监控计算机4对数据进行后期处理，并及时的将数据反馈至井下，实现地面与井下的相互通讯，形成地面和井下相互通讯的远程巷道顶板离层动态监测系统。

图2为光纤光栅顶板离层监测装置的安装布置图，可通过如下步骤进行安装并监测：

A、在巷道12两帮的其中一帮安设有光纤接线盒8，在顶板支护锚杆13的附近用直径为35-40mm的钻头在巷道12的顶板上钻一钻孔14至预定的深度；

B、在钻孔14内部布置一个浅部测点15和一个深部测点16，其中浅部测点15设置在与顶板支护锚杆13上端处于同一高度的位置处，深部测点16设置在钻孔14上端的稳定岩层内；

C、用端部带槽的安装杆将深部锚固器18推至深部测点16处，将浅部锚固器17推至浅部测点15处，轻拉钢丝绳19，确保锚固器与岩层锚固在一起；

D、待安装好以后，裸露在巷道12内的光纤尾纤9连接至光纤接线盒8，光纤光栅顶板离层监测装置即可感知顶板离层的位移变化。

图3为整条巷道内光纤光栅顶板离层监测装置的布置点示意图，在距离工作面20上下两个端头120m位置的回风巷道22和进风巷道23内，按照50m的间距在两条巷道内布置测点，将光纤光栅顶板离层监测装置布置在测点内，通过光纤接线盒和矿用传输光纤依次连接各光纤光栅顶板离层监测装置，组成监测网络，实时动态监测记录巷道中距工作面煤壁不同位置处的顶板离层位移量，用以分析支承压力的变化，保证锚杆支护巷道的安全及稳定。

数据处理过程及预警方法，包括以下内容：

A、首先利用供电电源对地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置进行供电，对光纤光栅解调装置进行预热三分钟，使光纤光栅解调装置进入准备工作状态；

B、其次，设置IP地址，使地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置在同一地址域工作，以便地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置之间能够相互准确的传送数据；

C、再者，对系统进行初始设置，设置顶板离层位移数据的预警常数阈值，同时记录顶板离层位移的原始数据；

D、随后，光纤光栅顶板离层监测装置实时动态采集顶板离层的位移数据，通过自动比较实时的位移数据和设置的预警常数阈值之间的大小，判断是否达到预警范围；

E、最后，如果不发生预警，则表示离层位移的大小在顶板稳定的可控范围内；如果发生预警，则记录保存预警的时间、离层位移的数值大小和顶板离层的位置，同时采取有效的防护措施，防止顶板失稳坍塌，确保煤矿的安全生产。

通过以上的具体实施，本发明提供了一种基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统及预警方法，系统实现了顶板离层的自动监测及实时在线动态连续测量，采用的光纤光栅具有极其灵敏的传感特性，同时本质安全，井下现场直接采集数据，抗电磁干扰能力强；利用光纤进行信号传输，传输距离远，可靠性高，测量范围大；可及时获得巷道围岩的变形情况，检验锚杆支护参数是否合理，一旦发现围岩变形超出预警阈值，能够准确方便的发出预警信号，以便及时采取相应的工程措施，并修正原支护参数，预警方法准确方便；自动保存离层监测数据，对相同围岩条件下监测的离层位移数据进行分析研究，可以探寻顶板围岩的变形规律，为围岩条件复杂多变的巷道安全施工和设计提供依据，对锚杆支护巷道的安全施工及稳定性具有重要意义。

Claims (2)

1.一种基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统，其特征是：包括地面数据处理及控制子系统、井下数据传输通讯子系统、井下传感数据采集子系统三部分；所述的地面数据处理及控制子系统安放在地面控制中心室内，地面数据处理及控制子系统由地面上位主监控计算机、光纤光栅解调装置和供电电源组成，供电电源为地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置提供额定的电源；所述的井下数据传输通讯子系统由矿用传输光纤和光纤接线盒组成，其中矿用传输光纤上串联一系列光纤接线盒；所述的井下传感数据采集子系统包括至少一个光纤光栅顶板离层监测装置，光纤光栅顶板离层监测装置通过光纤尾纤与光纤接线盒连接，所述的井下传感数据采集子系统的各个光纤光栅顶板离层监测装置通过光纤尾纤和光纤接线盒与矿用传输光纤连接，矿用传输光纤与地面控制中心室的光纤光栅解调装置连接，光纤光栅解调装置与地面上位主监控计算机连接；形成监测系统地面和井下相互通讯的远程巷道顶板离层动态监测系统；

所述的地面上位主监控计算机内嵌顶板离层数据分析处理软件。

2.一种权利要求1所述的基于光纤光栅的顶板离层动态监测系统的预警方法，其特征是：包括有预警、安装和监测方法，所述的预警方法有以下内容：

A、首先利用供电电源对地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置进行供电，对光纤光栅解调装置进行预热三分钟，使光纤光栅解调装置进入准备工作状态；

B、其次，设置IP地址，使地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置在同一地址域工作，以便地面上位主监控计算机和光纤光栅解调装置之间能够相互准确的传送数据；

C、再者，对系统进行初始设置，设置顶板离层位移数据的预警常数阈值，同时记录顶板离层位移的原始数据；

D、随后，光纤光栅顶板离层监测装置实时动态采集顶板离层的位移数据，通过自动比较实时的位移数据和设置的预警常数阈值之间的大小，判断是否达到预警范围；

E、最后，如果不发生预警，则表示离层位移的大小在顶板稳定的可控范围内；如果发生预警，则记录保存预警的时间、离层位移的数值大小和顶板离层的位置，同时采取有效的防护措施，防止顶板失稳坍塌，确保煤矿的安全生产；

所述的安装和监测方法，光纤光栅顶板离层监测装置通过如下步骤进行安装并监测：

A、在巷道两帮的其中一帮安设有光纤接线盒，在顶板支护锚杆的附近用直径为35-40mm的钻头在巷道的顶板上钻一钻孔至预定的深度；

B、在钻孔内部布置一个浅部测点和一个深部测点，其中浅部测点设置在与顶板支护锚杆上端处于同一高度的位置处，深部测点设置在钻孔上端的稳定岩层内；

C、用端部带槽的安装杆将深部锚固器推至深部测点处，将浅部锚固器推至浅部测点处，轻拉钢丝绳，确保锚固器与岩层锚固在一起；

D、待安装好以后，裸露在巷道内的光纤尾纤连接至光纤接线盒，光纤光栅顶板离层监测装置即可感知顶板离层的位移变化。