CN103899327B - 一种深长煤矿斜井的盾构施工系统及其数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深长煤矿斜井的盾构施工系统及其数据采集方法，深长煤矿斜井的盾构施工系统包括：多个传感器、设置在地面的数据服务器，以及与所述数据服务器通讯的远程数据采集终端，且沿斜井方向每隔预设长度设置监测断面，每个监测断面的管片衬砌上均匀布置多个测点，每个测点位置安装多个所述传感器，所述传感器通过光缆与数据服务器连接，所述传感器包括振弦式传感器与光纤光栅式传感器，各监测断面间隔安装振弦式传感器与光纤光栅式传感器。本发明采用振弦式与光纤光栅式传感器的混合测试技术，混合测试可以最大程度实现振弦式与光纤光栅式传感器的优势互补，构建整体稳定性好、精度高、寿命长、价格合理的深长煤矿斜井的盾构施工系统。

Description

一种深长煤矿斜井的盾构施工系统及其数据采集方法

技术领域

本发明涉及深长煤矿斜井的盾构施工相关技术领域，特别是一种深长煤矿斜井的盾构施工系统及其数据采集方法。

背景技术

当前，我国煤炭消耗量持续增加，以中国东部矿区为主的主要煤矿经过多年的持续高强度开发，可采煤炭资源日益枯竭。已探明埋深在1000m以下的占煤炭资源总量的53%，开采深度以每年8-12m的速度递增，国内多数大型煤矿已相继进入了的深部开采阶段，深长斜井将在煤矿开采中大量涌现。过去，煤矿巷道（斜井）的建设通常采用钻爆法，施工进度较慢（70～100米/月），目前，国内某些矿井的超长斜井拟采用全断面隧道掘进机（盾构）开挖，以提高长距离斜井的施工安全和效率。

然而，现有的盾构施工系统，并未能监测盾构机以及盾构隧道管片衬砌的施工期和运营期的力学状态，并未能对盾构施工和结构状态的有效监测。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术未能监测盾构机以及盾构隧道管片衬砌的施工期和运营期的力学状态，并未能对盾构施工和结构状态的有效监测的技术问题，提供一种深长煤矿斜井的盾构施工系统及其数据采集方法。

一种深长煤矿斜井的盾构施工系统，包括：多个传感器、设置在地面的数据服务器，以及与所述数据服务器通讯的远程数据采集终端，且沿斜井方向每隔预设长度设置监测断面，每个监测断面的管片衬砌上均匀布置多个测点，每个测点位置安装多个所述传感器，所述传感器通过光缆与数据服务器连接，所述传感器包括振弦式传感器与光纤光栅式传感器，各监测断面间隔安装振弦式传感器与光纤光栅式传感器。

进一步的，还包括安装在所述管片的数据采集器和光缆接线盒，所述振弦式传感器通过数据采集器并入光缆，光纤光栅式传感器通过光缆接线盒并入光缆。

更进一步的，所述数据采集器和所述光缆接线盒安放在所述管片的水平位置的预留空间中。

进一步的，所述传感器包括：水土压力传感器、混凝土应变传感器、钢筋应变传感器或温度传感器，所述水土压力传感器包括水压力传感器和土压力传感器，所述水压力传感器用垫片绑扎在所述管片的受力筋上；所述土压力传感器的感应面与所述管片的迎土面相平，并用钢筋固定所述土压力传感器的位置；所述管片的主筋截断相应长度后将所述钢筋应变传感器和所述主筋的双面帮条焊接为一体；所述混凝土应变传感器的应变感应方向和环向受力主筋方向平行固定，每个测点内外侧各布置一个混凝土应变传感器，且固定在与所述管片的环向主筋处于同一高度处；温度传感器采用嵌入式安装于所述管片的混凝土内部。

进一步的，所述数据服务器设有对所述光纤光栅式传感器的信号进行收集处理的光纤光栅信号解调仪，以及对所述振弦式传感器的信号进行收集处理的振弦式信号协议转换器。

进一步的，还包括安装在盾构机上的网络摄像机和无线发射器，以及安装在每个监测断面的管片衬砌上的无线网桥，所述无线网桥通过导线与所述光缆连接，所述网络摄像机与所述无线发射器连接，且所述无线发射器与所述无线网桥无线连接。

更进一步的，所述无线发射器为防爆式无线发射器，所述无线网桥为防爆式无线网桥。

更进一步的，所述数据服务器设有对所述无线网桥的无线信号进行收集处理的无线信号采集仪。

一种深长煤矿斜井的盾构施工系统的数据采集方法，所述深长煤矿斜井的盾构施工系统包括多个传感器、设置在地面的数据服务器，以及与所述数据服务器通讯的远程数据采集终端，且沿斜井方向每隔预设长度设置监测断面，每个监测断面的管片衬砌上均匀布置多个测点，每个测点位置安装多个所述传感器，所述传感器通过光缆与数据服务器连接，所述传感器包括振弦式传感器与光纤光栅式传感器，各监测断面间隔安装振弦式传感器与光纤光栅式传感器，所述数据采集方法包括：

所述传感器将监测断面的监测断面数据传输至数据服务器；

所述数据服务器读取所述监测断面数据；

所述数据服务器将所述监测断面数据发送到所述远程数据采集终端。

进一步的，深长煤矿斜井的盾构施工系统还包括安装在盾构机上的网络摄像机和无线发射器，以及安装在每个监测断面的管片衬砌上的无线网桥，所述无线网桥通过导线与所述光缆连接，所述网络摄像机与所述无线发射器连接，且所述无线发射器与所述无线网桥无线连接，所述数据采集方法还包括：

网络摄像机对所述盾构机的盾构机姿态和所处位置进行可视化监测，得到可视化数据；

所述无线发射器获取所述可视化数据以及所述盾构机的施工状态参数，并通过无线方式发送到所述无线网桥；

所述无线网桥将所述可视化数据和所述盾构机的施工状态参数通过导线导入所述光缆，并传输到所述数据服务器；

所述数据服务器读取所述可视化数据和所述盾构机的施工状态参数；

所述数据服务器将所述可视化数据和所述盾构机的施工状态参数发送到所述远程数据采集终端。

本发明采用振弦式与光纤光栅式传感器的混合测试技术，混合测试可以最大程度实现振弦式与光纤光栅式传感器的优势互补，构建整体稳定性好、精度高、寿命长、价格合理的深长煤矿斜井的盾构施工系统。

附图说明

图1为本发明一种深长煤矿斜井的盾构施工系统的结构模块图；

图2为本发明一种深长煤矿斜井的盾构施工系统其中一个包括水土压力传感器与混凝土应变传感器例子的管片衬砌测点布置图；

图3为本发明一种深长煤矿斜井的盾构施工系统其中一个包括钢筋应变传感器与温度传感器例子的管片衬砌测点布置图；

图4为本发明一种深长煤矿斜井的盾构施工系统的数据采集方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明一种深长煤矿斜井的盾构施工系统的结构模块图，包括：多个传感器、设置在地面的数据服务器11，以及与所述数据服务器11通讯的远程数据采集终端12，且沿斜井方向每隔预设长度设置监测断面13，每个监测断面13的管片衬砌上均匀布置多个测点，每个测点位置安装多个所述传感器，所述传感器通过光缆14与数据服务器11连接，所述传感器包括振弦式传感器与光纤光栅式传感器，各监测断面13间隔安装振弦式传感器与光纤光栅式传感器。

其中，安装振弦式传感器的监测断面则为振弦式传感器安装断面131，安装光纤光栅式传感器的监测断面则为光纤光栅式传感器安装断面132。光纤光栅式传感器优选为分布式光纤光栅式传感器。

传感器将监测断面的监测断面数据通过1-2芯光缆将监测断面数据传输至地面并在数据服务器11中进行读取；经数据服务器11处理的信号由交换机18、网络发射器19传送至远程数据采集终端12，最终数据汇总到监测中心17进行实时监测。

优选地，所述预设长度为200米，且根据监测断面的大小在每个监测断面的管片衬砌上均匀布置8-12个测点。

现有的对结构进行监测的传感器有光纤光栅式、振弦式及电阻应变式。其中，振弦式与电阻应变式优点：稳定性强、存活率高、价格较低；缺点：精度相对较低、使用寿命较短；光纤光栅式与振弦式及电阻应变式相比优点：精度相对较高、可实现分布或准分布监测、耐腐蚀、抗干扰；缺点：存活率低、价格较高。本发明采用振弦式与光纤光栅式传感器的混合测试技术，混合测试可以最大程度实现振弦式与光纤光栅式传感器的优势互补，构建整体稳定性好、精度高、寿命长、价格合理的盾构施工深长煤矿斜井动态监测系统。

在其中一个实施例中，还包括安装在所述管片的数据采集器151和光缆接线盒152，所述振弦式传感器通过数据采集器151并入光缆14，光纤光栅式传感器通过光缆接线盒153并入光缆14。

其中，布置振弦式传感器的振弦式传感器安装断面131上安装振弦式的数据采集器151；布置光纤光栅式传感器的光纤光栅式传感器安装断面132上不需要额外安装数据采集器151，光纤光栅式传感器的导线直接通过光缆接线盒152接入用于数据传输的光缆14。

在其中一个实施例中，所述数据采集器和所述光缆接线盒安放在所述管片的水平位置的预留空间中。

在其中一个实施例中，所述传感器包括：水土压力传感器、混凝土应变传感器、钢筋应变传感器或温度传感器，所述水土压力传感器包括水压力传感器和土压力传感器，所述水压力传感器用垫片绑扎在所述管片的受力筋上；所述土压力传感器的感应面与所述管片的迎土面相平，并用钢筋固定所述土压力传感器的位置；所述管片的主筋截断相应长度后将所述钢筋应变传感器和所述主筋的双面帮条焊接为一体；所述混凝土应变传感器的应变感应方向和环向受力主筋方向平行固定，每个测点内外侧各布置一个混凝土应变传感器，且固定在与所述管片的环向主筋处于同一高度处；温度传感器采用嵌入式安装于所述管片的混凝土内部。

如图2和图3所示为本发明一种深长煤矿斜井的盾构施工系统其中一个例子的管片衬砌测点布置图。

管片衬砌20上均匀布置水土压力传感器21、混凝土应变传感器22、钢筋应变传感器23与温度传感器24，其中，水压力传感器用垫片绑扎在管片受力筋上；土压力传感器采用嵌入式安装，将感应面与管片迎土面28（即管片衬砌与围岩接触的面）相平，保证感应面暴露并能感受外部压力，并用钢筋固定土压力传感器的测试元件位置；钢筋应变传感器23安装是将主筋截断相应长度后将钢筋应变传感器23和主筋双面帮条焊接为一体；混凝土应变传感器22的应变感应方向和环向受力主筋方向平行固定，每个测点内外侧各布置一个混凝土应变传感器22，用铁丝将其捆绑固定在与环向主筋处于同一高度处；温度传感器24采用嵌入式安装于管片混凝土内部。数据采集器151、所述光缆接线盒152和光缆14安放在所述管片的水平位置的预留空间25中。

在其中一个实施例中，所述数据服务器11设有对所述光纤光栅式传感器的信号进行收集处理的光纤光栅信号解调仪111，以及对所述振弦式传感器的信号进行收集处理的振弦式信号协议转换器112。

在其中一个实施例中，还包括安装在盾构机上的网络摄像机和无线发射器，以及安装在每个监测断面的管片衬砌上的无线网桥161，所述无线网桥161通过导线与所述光缆14连接，所述网络摄像机与所述无线发射器162连接，且所述无线发射器162与所述无线网桥161无线连接。

盾构机的施工状态参数和盾构机姿态、所处位置等移动信号数据传输采用无线方式传输，其中盾构机姿态、所处位置的实时数据采用安装在盾构机上的网络摄像机实现可视化数据的采集，最终盾构机的施工状态参数与可视化数据通过盾构机上的无线发射器发射到安装在管片衬砌上的无线网桥161，无线网桥161将接收到的信号通过导线导入敷设在管片衬砌水平位置的光缆14，最终将数据传送至地面上的数据服务器。

本实施例采用了有线传输与无线传输的混合组网技术，其中：

无线传输：由于要在施工过程中实现对盾构施工状态参数和盾构机姿态、所处位置等远程监测，监测信号源必须随着盾构机发生移动，采用无线传输可以避免有线传输线路敷设复杂性，保障传输数据的安全和畅通；减少接线工作对盾构机施工干扰，保证监测的连续性。

有线传输：由于固定监测断面传感器数量多，传输信息量大，对所采集数据采用有线光缆传输可以实现大信息量实时传递且抗干扰能力强、可靠性较高。

如图2和图3所示，本发明一种深长煤矿斜井的盾构施工系统其中一个例子中，无线网桥161安装在管片衬砌20上的网桥挂点27，并通过导线26与光缆14连接。

在其中一个实施例中，所述无线发射器为防爆式无线发射器，所述无线网桥为防爆式无线网桥。本实施例对无线信号发射与接收装置均进行防爆处理。

在其中一个实施例中，所述数据服务器11设有对所述无线网桥的无线信号进行收集处理的无线信号采集仪113。

如图4所示为本发明一种深长煤矿斜井的盾构施工系统的数据采集方法的工作流程图，所述深长煤矿斜井的盾构施工系统包括多个传感器、设置在地面的数据服务器，以及与所述数据服务器通讯的远程数据采集终端，且沿斜井方向每隔预设长度设置监测断面，每个监测断面的管片衬砌上均匀布置多个测点，每个测点位置安装多个所述传感器，所述传感器通过光缆与数据服务器连接，所述传感器包括振弦式传感器与光纤光栅式传感器，各监测断面间隔安装振弦式传感器与光纤光栅式传感器，所述数据采集方法包括：

步骤S401，所述传感器将监测断面的监测断面数据传输至数据服务器；

步骤S402，所述数据服务器读取所述监测断面数据；

步骤S403，所述数据服务器将所述监测断面数据发送到所述远程数据采集终端。

在其中一个实施例中，深长煤矿斜井的盾构施工系统还包括安装在盾构机上的网络摄像机和无线发射器，以及安装在每个监测断面的管片衬砌上的无线网桥，所述无线网桥通过导线与所述光缆连接，所述网络摄像机与所述无线发射器连接，且所述无线发射器与所述无线网桥无线连接，所述数据采集方法还包括：

网络摄像机对所述盾构机的盾构机姿态和所处位置进行可视化监测，得到可视化数据；

所述无线发射器获取所述可视化数据以及所述盾构机的施工状态参数，并通过无线方式发送到所述无线网桥；

所述无线网桥将所述可视化数据和所述盾构机的施工状态参数通过导线导入所述光缆，并传输到所述数据服务器；

所述数据服务器读取所述可视化数据和所述盾构机的施工状态参数；

所述数据服务器将所述可视化数据和所述盾构机的施工状态参数发送到所述远程数据采集终端。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种深长煤矿斜井的盾构施工系统，其特征在于，包括：多个传感器、设置在地面的数据服务器，以及与所述数据服务器通讯的远程数据采集终端，且沿斜井方向每隔预设长度设置监测断面，每个监测断面的管片衬砌上均匀布置多个测点，每个测点位置安装多个所述传感器，所述传感器通过光缆与数据服务器连接，所述传感器包括振弦式传感器与光纤光栅式传感器，各监测断面间隔安装振弦式传感器与光纤光栅式传感器。

2.根据权利要求1所述的深长煤矿斜井的盾构施工系统，其特征在于，还包括安装在所述管片的数据采集器和光缆接线盒，所述振弦式传感器通过数据采集器并入光缆，光纤光栅式传感器通过光缆接线盒并入光缆。

3.根据权利要求2所述的深长煤矿斜井的盾构施工系统，其特征在于，所述数据采集器和所述光缆接线盒安放在所述管片的水平位置的预留空间中。

4.根据权利要求1所述的深长煤矿斜井的盾构施工系统，其特征在于，所述传感器包括：水土压力传感器、混凝土应变传感器、钢筋应变传感器或温度传感器，所述水土压力传感器包括水压力传感器和土压力传感器，所述水压力传感器用垫片绑扎在所述管片的受力筋上；所述土压力传感器的感应面与所述管片的迎土面相平，并用钢筋固定所述土压力传感器的位置；所述管片的主筋截断相应长度后将所述钢筋应变传感器和所述主筋的双面帮条焊接为一体；所述混凝土应变传感器的应变感应方向和环向主筋方向平行，每个测点内外侧各布置一个混凝土应变传感器，且固定在与所述管片的所述环向主筋处于同一高度处；温度传感器采用嵌入式安装于所述管片的混凝土内部。

5.根据权利要求1所述的深长煤矿斜井的盾构施工系统，其特征在于，所述数据服务器设有对所述光纤光栅式传感器的信号进行收集处理的光纤光栅信号解调仪，以及对所述振弦式传感器的信号进行收集处理的振弦式信号协议转换器。

6.根据权利要求1所述的深长煤矿斜井的盾构施工系统，其特征在于，还包括安装在盾构机上的网络摄像机和无线发射器，以及安装在每个监测断面的管片衬砌上的无线网桥，所述无线网桥通过导线与所述光缆连接，所述网络摄像机与所述无线发射器连接，且所述无线发射器与所述无线网桥无线连接。

7.根据权利要求6所述的深长煤矿斜井的盾构施工系统，其特征在于，所述无线发射器为防爆式无线发射器，所述无线网桥为防爆式无线网桥。

8.根据权利要求6所述的深长煤矿斜井的盾构施工系统，其特征在于，所述数据服务器设有对所述无线网桥的无线信号进行收集处理的无线信号采集仪。

9.一种深长煤矿斜井的盾构施工系统的数据采集方法，其特征在于，所述深长煤矿斜井的盾构施工系统包括多个传感器、设置在地面的数据服务器，以及与所述数据服务器通讯的远程数据采集终端，且沿斜井方向每隔预设长度设置监测断面，每个监测断面的管片衬砌上均匀布置多个测点，每个测点位置安装多个所述传感器，所述传感器通过光缆与数据服务器连接，所述传感器包括振弦式传感器与光纤光栅式传感器，各监测断面间隔安装振弦式传感器与光纤光栅式传感器，所述数据采集方法包括：

所述传感器将监测断面的监测断面数据传输至数据服务器；

所述数据服务器读取所述监测断面数据；

所述数据服务器将所述监测断面数据发送到所述远程数据采集终端。

10.根据权利要求9所述的深长煤矿斜井的盾构施工系统的数据采集方法，其特征在于，深长煤矿斜井的盾构施工系统还包括安装在盾构机上的网络摄像机和无线发射器，以及安装在每个监测断面的管片衬砌上的无线网桥，所述无线网桥通过导线与所述光缆连接，所述网络摄像机与所述无线发射器连接，且所述无线发射器与所述无线网桥无线连接，所述数据采集方法还包括：

网络摄像机对所述盾构机的盾构机姿态和所处位置进行可视化监测，得到可视化数据；

所述无线发射器获取所述可视化数据以及所述盾构机的施工状态参数，并通过无线方式发送到所述无线网桥；

所述无线网桥将所述可视化数据和所述盾构机的施工状态参数通过导线导入所述光缆，并传输到所述数据服务器；

所述数据服务器读取所述可视化数据和所述盾构机的施工状态参数；

所述数据服务器将所述可视化数据和所述盾构机的施工状态参数发送到所述远程数据采集终端。