CN103743357A - 一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置 - Google Patents

一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置 Download PDF

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李毅
柴敬
袁强
王帅
陈若跃
张桂花
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Abstract

本发明公开了一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置。在巷道或隧道岩石顶板上方打一个穿过多个层位的钻孔，钻孔内安装不同深度的锚头，锚头一端由细钢丝引导至孔外，另一端从顶板离层仪的底座穿入，穿过等强度梁后，从底座的另一端穿出，再穿入导管内置的弹簧以及弹簧端部连接的导向装置和绳卡锁紧装置，然后从导管穿出。离层仪底座与导管通过外螺纹连接，底座内腔安装等强度梁，并在其上粘贴有一个光纤光栅传感器，光纤上串联温度传感器，尾纤与传输光缆连接，通过传输光缆与解调仪和电子计算机连接，体积小、灵敏度高、频带宽、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、远距离传输，顶板离层全天候在线监测。广泛用于隧道、开拓巷道和回采巷道当中监测。

Description

一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置
技术领域
本发明涉及煤矿巷道顶板离层监测领域，具体涉及一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置。
背景技术
巷道冒顶是煤矿中最常见的事故，给煤矿的正常生产和工人生命安全带来严重的威胁。随着回采工作面防治顶板事故的技术和装备逐步提高，工作面顶板事故率逐步下降。但由于巷道锚杆支护技术装备的投入以及理论研究相对较弱，特别是随着矿井开采深度的增加，地应力的加大，巷道顶板事故发生率存在一直居高不下的问题。
实践证明，巷道顶板事故的发生基本上是有规律的，只要能用正确的理论和手段对顶板进行监测，掌握其活动规律，把顶板管理建立在科学的基础上，顶板事故是可以预防的。因此，监测巷道顶板离层以及采取必要的应对手段和措施对预防事故的发生和保证安全生产具有重大的意义。
而传统机械式顶板离层监测仪器，虽然结构较简单，但存在测量精度往往较低、量程有限、易锈蚀失灵、无法实现顶板离层的实时动态监测等缺陷。因此，发明了一种新型的岩石顶板离层监测仪器。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、灵敏度高、频带宽、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、可远距离传输，在煤矿井下易燃、易爆环境下可以安全工作，实现顶板离层的全天24小时在线监测的一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置。
为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的：一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置，该离层装置由锚头、钢丝绳、顶板离层仪、传输光缆、解调仪、网络服务器和计算机组成，本发明的特殊之处在于在巷道或隧道岩石顶板上方打一个穿过多个层位的钻孔，在钻孔内安装至少三个不同深度的第一锚头、第二锚头和第三锚头，所述第一锚头、第二锚头和第三锚头一端分别用不同长度的细钢丝一端连接并引导至孔外，所述细钢丝另一端与钻孔外的记录装置连接，每个记录装置的内部分别安装有一个结构相同的光纤光栅测量机构，所述光纤光栅顶板离层仪由三套并行的测量机构组成，每一个测量机构由同一个底座与其相应的一个导管一端连接，钢丝与任意一个锚头连接，并穿过测量机构的底座与导管，所述底座内腔连接一个等强度梁，所述等强度梁上粘贴有光纤光栅位移传感器，所述位移传感器上的尾纤与传输光缆一端连接，所述传输光缆另一端与FBG解调仪连接，所述FBG解调仪与计算机连接，并可通过网络上传至网络服务器。
所述导管数量根据实际要求进行增加或减少。
所述离层装置的量程超过20cm后，可以通过拆卸绳卡重新校零。
本发明与现有技术相比，具有体积小、灵敏度高、频带宽、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、可远距离传输，在煤矿井下易燃、易爆环境下可以安全工作，实现顶板离层的全天24小时在线监测的特点，经过解调仪处理的数据传输到计算机，通过计算机就可以直观的了解顶板离层量的信息。同时，还可以将解调仪接受的数据通过网络上传到网络服务器，实现信息的共享。可广泛用于隧道、矿山开拓巷道和回采巷道的围岩内部离层变化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的顶板离层仪主视结构示意图；
图3为图2的俯视结构示意图；
图4为图1的力学传递关系简图；
图5为图1的离层仪标定实验曲线图。
具体实施方式
附图为本发明的实施例。
下面结合附图对发明内容作进一步说明：
参照图1～图3所示，一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置，该离层装置由锚头、钢丝绳、顶板离层仪、传输光缆、解调仪、网络服务器和计算机组成，在巷道或隧道岩石顶板上方打一个穿过多个层位的钻孔，在钻孔内安装至少三个不同深度的第一锚头A、第二锚头B和第三锚头C，所述第一锚头A、第二锚头B和第三锚头C一端分别用不同长度的细钢丝一端连接并引导至孔外，所述细钢丝另一端与钻孔外的记录装置连接，每个记录装置的内部分别安装有一个结构相同的光纤光栅测量机构，所述光纤光栅顶板离层仪由三套并行的测量机构组成，每一个测量机构由同一个底座与其相应的一个导管一端连接，钢丝与任意一个锚头连接，并穿过测量机构的底座与导管，所述底座内腔连接一个等强度梁，所述等强度梁上粘贴有光纤光栅位移传感器，所述位移传感器上的尾纤与传输光缆一端连接，所述传输光缆另一端与FBG解调仪连接，所述FBG解调仪与计算机连接，并可通过网络上传至网络服务器。
所述导管数量根据实际要求进行增加或减少。
所述离层装置的量程超过20cm后，可以通过拆卸绳卡重新校零，位移传感器测量长度的范围为0-20cm，精度可达0.1cm。当测量长度大于传感器的测量范围20cm时，可以拆除钢丝绳的绳卡，重新安装并改变零点位置。重新设定零点后，这样就可以实现多次分段测量，达到增大量程的目的。在测量现场如果要改变测量位置时，可以将钢丝绳切断，方便快捷的回收该仪器，并且能够最大限度的节约成本。
实施例1
本装置原理及结构是通过巷道顶板打一个穿过多个层位的钻孔，在这个钻孔的孔内安装三个不同深度的锚头A、B和C，分别用不同长度的细钢丝引导至孔外，在钻孔外有三个相同的记录装置，每个装置的内部分别安装有一个性能相同的光纤光栅位移传感器。整个顶板离层仪高为32-38cm，底座直径为φ15cm-φ18cm，钢丝采用仪器专用钢丝绳，钢丝绳断面直径为0.8mm，每根钢丝绳由49条细钢丝编织而成，满足使用的强度要求。
图4所示，该装置的结构紧凑布局合理，受力变形呈线性变化，准确记录了由于岩层发生离层，引起该层位锚头连接的钢丝绳长度发生的变化。钢丝绳将位移传递给与之相连的弹簧上，使弹簧发生压缩并将力传递到等强度梁上，造成等强度梁上粘贴的光纤光栅的中心波长发生变化。
本发明除实现顶板离层的在线监测以外，还可以在井下通过人工读数的方法进行顶板离层量的监测，当顶板发生离层后，位于离层上方的锚头所连接的钢丝被拉长，致使导管内的弹簧被压缩变形，工人可以通过观察导管内弹簧端部所处的位置，进行读数，与上一次读数进行对比，就可以随时了解顶板的离层情况。
另外为了克服温度的影响，专门在圆盘底座里面粘贴一个不受力的光纤光栅，如果光纤光栅的中心波长仍旧有变化，就应该是温度的变化造成的。在测量的过程中可以通过温度补偿的方式，排除温度对光纤光栅测量的影响。
图5所示，本发明完成后，对其样机三个并行测量机构进行了标定实验，结果如图5所示。通过实验结果我们可以看出，光纤光栅波长漂移量与顶板离层量呈现良好的线性关系，达到了设计要求，完全满足设计初衷。说明本装置可以对岩石顶板离层量进行有效监测。
综上所述，整个光纤光栅顶板离层装置监测系统如图1所示。顶板离层监测系统主要由三部分构成：FBG顶板离层仪监测顶板离层——矿用光缆传输信号——FBG解调仪进行光信号的处理。经过解调仪处理的数据传输到计算机，通过计算机就可以直观的了解顶板离层量的信息。同时，还可以将解调仪接受的数据通过网络上传到网络服务器，实现信息的共享。

Claims (3)

1.一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置，该离层装置由锚头、钢丝绳、光纤光栅测量机构、传输光缆、解调仪、网络服务器和计算机组成，其特征在于在巷道或隧道岩石顶板上方打一个穿过多个层位的钻孔，在钻孔内安装至少三个不同深度的第一锚头（A）、第二锚头（B）和第三锚头（C），所述第一锚头（A）、第二锚头（B）和第三锚头（C）一端分别用不同长度的细钢丝一端连接并引导至孔外，所述细钢丝另一端与钻孔外的记录装置连接，每个记录装置的内部分别安装有一个结构相同的光纤光栅测量机构，所述光纤光栅顶板离层仪由三套并行的测量机构组成，每一个测量机构由同一个底座与其相应的一个导管一端连接，钢丝与任意一个锚头连接，并穿过测量机构的底座与导管，所述底座内腔连接一个等强度梁，所述等强度梁上粘贴有光纤光栅位移传感器，所述位移传感器上的尾纤与传输光缆一端连接，所述传输光缆另一端与FBG解调仪连接，所述FBG解调仪与计算机连接，并可通过网络上传至网络服务器。
2.根据权利要求1所述一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层监测装置，其特征在于所述导管数量根据实际要求进行增加或减少。
3.根据权利要求1所述一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层监测装置，其特征在于所述离层装置的量程超过20cm后，可以通过拆卸绳卡重新校零。
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