CN103528732A - 基于光纤光栅传感的煤矿采空区顶板应变监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅传感的煤矿采空区顶板应变监测系统及方法，属于煤矿顶板应变监测系统及方法。该系统包括光纤光栅解调仪、监控计算机、矿用传输光缆、通讯光纤和光纤尾纤；在采空区顶板设若干监测测点，每个监测测点设置1个光纤光栅应变传感器，每个监测测点内的传感器通过光纤尾纤并联在一起，光纤尾纤通过光纤接入矿用传输光缆，矿用传输光缆连接至地面上的光纤光栅解调仪的输入端，光纤光栅解调仪的输出端与监控计算机相连接，监控计算机通过煤矿局域网形成煤矿采空区顶板全光纤通讯的光纤光栅应变监测系统。优点：采用全光测量和光纤传输，避免了电磁干扰的影响；设备无需供电，保证了工作面生产的本质安全；实现采空区顶板应变的实时监测与分析。

Description

基于光纤光栅传感的煤矿采空区顶板应变监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿顶板应变监测系统及方法，具体是一种基于光纤光栅传感的煤矿采空区顶板应变监测装置及方法。

背景技术

在采矿行业顶板事故中，采场顶板大面积垮落造成的事故占很大比例。煤矿开采过程中，有些矿区采空区顶板比较坚硬且往往不易垮塌，因此，这些矿区的工作面推过后，会在采空区呈现大面积的悬顶现象，有些采空区的悬顶面积少则几千平方米多则几万甚至几十万平方米。

由于大面积的顶板悬露，造成了采空区顶板的应力集中，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”。大面积的顶板在较短时间内垮落，由于重力作用会产生严重的冲击破坏，把采空区的空气压缩并瞬间排出，形成冲击，这种顺势的暴风能量极大，破坏力极强。气浪形成的冲击波不但能够对采场中的人员造成伤害，甚至能将数十吨重的采矿设备掀起几十米，严重破坏采矿机械设备。采空区岩层断裂、垮塌现象的发生，给矿山造成巨大的人员伤亡、财产损失。

但是，现有的采空区岩体监测技术发展非常滞后，传统的采场岩体变形监测技术也主要依赖人工间断观测和数据，完全不能适应采空区的岩体变形监测。无法对监测进行远程监控，不能实现实时在线监测和长期监测。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种精度高、误差小、环境适应能力强、能进行远程实时在线监测和长期监测，能够提高煤矿生产的安全性，保障煤矿的安全高效生产的基于光纤光栅传感的巷道围岩应变监测装置及方法。

技术方案：本发明的目的通过如下技术方案实现：基于光纤光栅传感的煤矿采空区顶板应变监测系统，包括光纤光栅解调仪、监控计算机、矿用传输光缆、通讯光纤和光纤尾纤；在采空区顶板设若干监测测点，每个监测测点设置1个光纤光栅应变传感器，每个监测测点内的传感器通过光纤尾纤并联在一起，光纤尾纤通过光纤接入矿用传输光缆，矿用传输光缆连接至地面上的光纤光栅解调仪的输入端，光纤光栅解调仪的输出端与监控计算机相连接，监控计算机通过煤矿局域网进行数据共享，形成煤矿采空区顶板全光纤通讯的光纤光栅应变监测系统。

所述的监测测点间排距为10m×10m。

所述的监控计算机内嵌分析处理软件，能够进行输入、接收、存储、历史查询、实时画面显示、列表显示、报警预警。

一种巷道围岩应变监测的方法：

a、在采空区内布先设一组监测测点，每组监测测点内布置的光纤光栅应变传感器间距为10m，通过光纤尾纤将监测测点内的光纤光栅应变传感器全部并联、并熔接在一起，随着采煤工作面的向前推进，间隔距离为15～20米时布设下一组监测测点，直至完成设定的监测测点数目；

b、所有的光纤光栅应变传感器安装好，即可进入工作状态，实时监测采空区顶板应变变化；

c、将光纤光栅应变传感器反馈的光信号通过光纤及光缆传输至光纤光栅解调仪，通过该解调仪将光信号解调为数字信号，然后输入监控计算机，通过安装在监控计算机内的分析处理软件进行数据处理，实时显示采空区顶板的应变及其变化趋势，当监测到的应变超过设定的采空区顶板应变阈值时，监测系统自动预警及报警；

d、通过煤矿局域网，将监测的采空区顶板应变数据进行全矿共享，实现对采煤工作面采空区顶板状态的全天候实时远程监测。

有益效果，由于采用了上述方案，在采空区布置若干监测测点，测点内设光纤光栅应变传感器，井下利用光纤连接设备，系统监测精度高、方法简便，光纤光栅应变传感器本质安全、可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响、无安全隐患存在；通过光纤进行温度信号的传输，信号传输距离远、安全可靠及稳定；实现采煤工作面采空区顶板的大面积、远距离、长期的应变实时监测，响应时间短，可及时并准确的提供采空区顶板应变监测结果，并对冒顶及“风暴”进行提前预警，大大减少采空区顶板事故的发生，促进了煤矿的安全高效开采的实现，满足煤矿井下安全生产的需要。采用一种光纤光栅应变传感器，完成采空区顶板岩层应变的实时监测，成本低，结构可靠，安装维护容易，适宜建立大面积高密度的岩层应变的实时监测点，从而能够对煤矿冒顶的进行合理的分析和预报。解决了目前采场岩体变形监测依赖人工观测，无法对监测进行远程监控，不能实现实时在线监测和长期监测的问题。

优点：整个过程采用全光测量和光纤传输，有效的避免了电磁干扰的影响；设备无需供电，保证了工作面生产的本质安全；能够实现采空区顶板应变的实时监测与分析，利于指导生产及科研工作。

附图说明

图1为本发明的装置安装使用示意图。

图2为本发明的应变监测系统结构示意图。

图中，1为锚固剂；2为采空区顶板；3为光纤光栅应变传感器；4为水泥砂浆；5为光纤尾纤；6为矿用传输光缆；7为光纤光栅静态解调仪；8为监控计算机；9为监测测点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

实施例1：一种基于光纤光栅传感的采空区顶板应变监测系统，在采空区内布设若干个监测测点9，测点间排距为10m×10m，每个监测测点9内设1个光纤光栅应变传感器3，通过光纤尾纤5将监测测点9内的光纤光栅应变传感器3利用光纤光栅尾纤并联在一起，将光纤光栅应变传感器3的引出端光纤尾纤5与矿用传输光缆6连接，矿用传输光缆6与光纤光栅解调仪7的输入端连接，光纤光栅解调仪7的输出端与监控计算机8相连接，监控计算机8通过煤矿局域网进行数据共享，形成煤矿采煤工作面采空区全光纤通讯的光纤光栅应变监测系统。

监控计算机内嵌分析处理软件，能够进行输入、接收、存储、历史查询、实时画面显示、列表显示、报警预警等功能。

一种煤矿采煤工作面采空区光纤光栅感温监测的方法：

a、在采空区内布先设一组监测测点，每组测点内布置的光纤光栅应变传感器间距为10m，通过光纤尾纤将测点内的光纤光栅应变传感器并联在一起，随着采煤工作面的向前推进，间隔距离为15～20米时布设下一组测点，直至完成设定的测点数目；

b、所有的光纤光栅应变传感器安装好，即可进入工作状态，实时监测采空区顶板应变变化；

c、将光纤光栅应变传感器反馈的光信号通过光纤及光缆传输至光纤光栅解调仪，通过该解调仪将光信号解调为数字信号，然后输入监控计算机，通过安装在监控计算机内的分析处理软件进行数据处理，实时显示采空区顶板的应变及其变化趋势，当监测到的应变超过设定的采空区顶板应变阈值时，监测系统自动预警及报警；

d、通过煤矿局域网，将监测的采空区顶板应变数据进行全矿共享，实现对采煤工作面采空区顶板状态的全天候实时远程监测。

通过以上的具体实施，本发明提供了一种基于光纤光栅传感的采空区顶板应变监测系统，在采空区布置若干监测测点，测点内设光纤光栅应变传感器，井下利用光纤连接设备，系统监测精度高、方法简便，光纤光栅应变传感器本质安全、可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响、无安全隐患存在；通过光纤进行温度信号的传输，信号传输距离远、安全可靠及稳定；实现采煤工作面采空区顶板的大面积、远距离、长期的应变实时监测，响应时间短，可及时并准确的提供采空区顶板应变监测结果，并对冒顶及“风暴”进行提前预警，大大减少采空区顶板事故的发生，促进了煤矿的安全高效开采的实现，满足煤矿井下安全生产的需要。

Claims (3)

1.一种基于光纤光栅传感的煤矿采空区顶板应变监测系统，其特征在于：应变监测系统包括光纤光栅解调仪、监控计算机、矿用传输光缆、通讯光纤和光纤尾纤；在采空区顶板设若干监测测点，每个监测测点设置1个光纤光栅应变传感器，每个监测测点内的传感器通过光纤尾纤并联在一起，光纤尾纤通过光纤接入矿用传输光缆，矿用传输光缆连接至地面上的光纤光栅解调仪的输入端，光纤光栅解调仪的输出端与监控计算机相连接，监控计算机通过煤矿局域网进行数据共享，形成煤矿采空区顶板全光纤通讯的光纤光栅应变监测系统。

2.根据权利要求书1所述的一种基于光纤光栅传感的煤矿采空区顶板应变监测系统，其特征在于：所述的监测测点间排距为10m×10m。

3.利用权利要求书1所述的一种基于光纤光栅传感的煤矿采空区顶板应变监测系统的方法，其特征在于：一种巷道围岩应变监测的方法：

a、在采空区内布先设一组监测测点，每组监测测点内布置的光纤光栅应变传感器间距为10m，通过光纤尾纤将监测测点内的光纤光栅应变传感器全部并联、并熔接在一起，随着采煤工作面的向前推进，间隔距离为15～20米时布设下一组监测测点，直至完成设定的监测测点数目；

b、所有的光纤光栅应变传感器安装好，即可进入工作状态，实时监测采空区顶板应变变化；

c、将光纤光栅应变传感器反馈的光信号通过光纤及光缆传输至光纤光栅解调仪，通过该解调仪将光信号解调为数字信号，然后输入监控计算机，通过安装在监控计算机内的分析处理软件进行数据处理，实时显示采空区顶板的应变及其变化趋势，当监测到的应变超过设定的采空区顶板应变阈值时，监测系统自动预警及报警；

d、通过煤矿局域网，将监测的采空区顶板应变数据进行全矿共享，实现对采煤工作面采空区顶板状态的全天候实时远程监测。

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