CN104142187A - 沿空留巷膏体填充体在线检测方法 - Google Patents

Abstract

一种沿空留巷膏体填充体在线检测方法，即在每段监测的空间准备充填之前，支撑杆通过地锚固定到充填空间底板，上端支撑充填空间顶板，测量光纤布置于各支撑杆之间，每组支撑杆最后一根尾部引出光纤连接头并通过光纤接入矿用光缆，从而将光纤监测信号传递至分布式光纤解调仪，解调后的信号送至计算机系统，在空间被充填后对膏体充填体进行实时在线监控及分析处理。优点：设备安装简单，适合普遍推广；井下不需供电，现场安全；采用全光测量和光纤传输，有效避免电磁干扰的影响；能及时提供监测结果，有利于指导现场充填开采生产工作。

Description

沿空留巷膏体填充体在线检测方法

技术领域

本发明涉及矿山沿空留巷填充技术领域，更具体地说，特别涉及一种沿空留巷膏体填充体在线检测方法。

背景技术

充填开采技术作为解决建筑物下、铁路下、水体下和承压水上压煤开采技术，是采煤技术的一大革新。

其中，膏体充填式煤矿绿色开采技术的重要组成部分，把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工制作成不需要脱水处理的牙膏状浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道输送到井下，适时充填采空区或离层区，形成以膏体充填体为主的上覆岩层支撑体系，有效控制地表沉陷在建筑物允许值范围内，实现村庄不搬迁，安全开采建筑物下压煤，保护矿区生态环境和地下水资源。

但是，由于充填体在煤矿井下可能处于密闭环境内，无法对其受力及变形进行人工测量，只能通过设备进行测量；而目前的传统监测设备体积庞大，且无法适应井下高温、潮湿等恶劣条件，更无法完成充填体长期实时在线的监测任务。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种沿空留巷膏体填充体在线检测方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种沿空留巷膏体填充体在线检测方法，用于对沿空留巷内的膏体填充体进行在线检测，

在膏体填充体的填充过程中，于膏体填充空间内设置具有支撑作用的支撑架系统以及具有保护功能的保护管；

设置检测光纤和温补光纤，将所述检测光纤设置为两根，并采用间隔设置的方式分布设置于所述支撑架系统上，将所述温补光纤设置于所述保护管内，所述检测光纤与沿空留巷内的膏体填充体相接触；

将所述检测光纤与所述温补光纤与计算机系统连接采用如下公式对膏体填充体发生温度或应力变化的位置进行计算；

其公式为：

当距离检测光纤上的入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到分布式光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移与温度和应变的关系为：

                                                  

式中，、为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数；为光信号的布里渊频移基础值；为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，为发生应变后的应变值；为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量；

温度补偿：在底板附近布置一根松弛传感光纤使它不受力，那么这根传感光纤所测得的布里渊散射光频移，就是由温度变化引起的等效应变值，可作为温度补偿；温度补偿原理用下式表示：

                           

式中 为修正后的光纤应变；为某一温度下的光纤应变；为温度变化引起的附加应变；

当计算机系统得到测量光纤任意形变点对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：

                     

式中，为发生应变位置处的应力，为膏体的弹性模量，所述弹性模量为实验测试值，为光纤发生应变位置处的实时应变值，为光纤发生应变位置处的初始应变值，和均为考虑了温度补偿的光纤应变。

优选地，在沿空留巷形成铺设有矿用光缆，在进行膏体填充体时保留矿用光缆；

所述检测光纤与所述温补光纤利用矿用光缆与所述计算机系统连接。

优选地，所述支撑架系统即在顶板和底板之间设置了支撑杆，支撑杆直接支撑充填膏体所在巷道的顶底板；沿支撑杆的长度方向，分别位于其1/2以及1/4的位置上开设有固定槽，将所述检测光纤设置在所述固定槽内。

本发明要解决的技术问题为：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种监测精度高、可靠性好、抗干扰能力强的基于分布式光纤传感的沿空留巷膏体充填在线监测方法，以期在线监测膏体充填的应力、位移等矿压状况。

为此，本发明的具体实现方案为：

设置一个检测系统，该检测系统的具体实施方式如下，在膏体填充体的填充过程中，于膏体填充体内设置具有支撑作用的支撑架系统以及具有保护功能的保护管；设置检测光纤和温补光纤，将检测光纤设置为两根，并采用间隔设置的方式分布设置于支撑架系统上，将温补光纤设置于保护管内，检测光纤与沿空留巷内的膏体填充体相接触。

当距离入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到分布式光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移与温度和应变的关系为：

   

式中，、为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数；为光信号的布里渊频移基础值；为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，为发生应变后的应变值；为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量；

温度补偿：在底板附近布置一根松弛传感光纤使它不受力，那么这根传感光纤所测得的布里渊散射光频移，就是由温度变化引起的等效应变值，可作为温度补偿；温度补偿原理用下式表示：

                           

     式中 为修正后的光纤应变；

          为某一温度下的光纤应变；

          为温度变化引起的附加应变。

经过光纤信号解调仪的信号处理即可得到发生应变的位置与应变的大小；

当分布式光纤解调仪得到测量光纤任意形变点对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：

                     

为发生应变位置处的应力，为膏体的弹性模量，所述弹性模量为实验测试值，为光纤发生应变位置处的实时应变值，为光纤发生应变位置处的初始应变值。和均为考虑了温度补偿的光纤应变。

有益效果：由于采用了上述方案，提出一种新型的、合理的、成熟的技术方案对膏体充填进行长期在线监测，采用分布式监测方式，以测量煤矿膏体充填体下沉位移量，从而得到膏体充填体的受力、充实率及运动规律，为充填体材料的强度、变形让压参数及支护参数的确定提供依据。当充填体的围岩矿压显现时，矿山压力施加到充填体上，测量光纤受力作用时该处的光信号的布里渊散射光谱会发生频移，利用地面的分布式光纤解调仪将光信号解调为数字信号，然后利用计算机系统对数字信号做进一步分析处理，得到膏体充填体的受力、充实率及运动规律，实现充填体状态的实时在线监测，指导现场安全生产。本设计降低了监测成本和监测难度，解决了目前膏体充填监测过程中监测条件受限制、单点监测范围有限、信号传输线敷设繁琐及系统复杂的问题。

    优点为：设备安装简单，适合普遍推广；井下不需供电，现场安全；采用全光测量和光纤传输，有效避免电磁干扰的影响；能及时提供监测结果，有利于指导现场充填开采生产工作。

 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明井下示意图；

图3为本发明的沿空留巷巷旁充填支撑点布置断面图；

图4为本发明的巷旁充填支撑点布置方式图；

图1至图4中部件名称与附图标记的对应关系为：

1、计算机系统；2、分布式光纤解调仪；3、矿用光缆；4、通信光纤；5、金属管；6、底板；7、温度补偿光纤；8、光纤连接头；9、支撑杆；10、测量光纤；11、地锚；12、顶板。

 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1至图4，其中，图1为本发明的系统结构示意图；图2为本发明井下示意图；图3为本发明的沿空留巷巷旁充填支撑点布置断面图；图4为本发明的巷旁充填支撑点布置方式图。

本发明提供的沿空留巷膏体填充体在线检测方法由两部分组成，其中一部分是硬件系统，另一部分是软件计算方法，其中，

硬件系统包括：计算机1、分布式光纤解调仪2、矿用光缆3、通信光纤4、金属管5、温度补偿光纤7、光纤连接头8、支撑杆9、测量光纤10、地锚11；在每组支撑杆支撑空间被充填之前，支撑杆9通过地锚11固定到充填空间底板6，支撑杆上端支撑充填空间顶板12，两根测量光纤10分别布置在支撑杆9中部1/2处和下部1/4处，每组支撑杆最后一根的尾部引出光纤连接头8并通过通信光纤4接入矿用光缆3，在充填空间底板位置布置温度补偿光纤7，温度补偿光纤7布置在金属管5中，使其不受外力作用，并接入矿用光缆3，矿用光缆3与分布式光纤解调仪2连接，从而将测量光纤10监测信号传递至分布式光纤解调仪2，分布式光纤解调仪2与计算机系统1连接，解调后的信号送至计算机系统1，在空间被充填后对膏体充填体13进行实时在线监控及分析处理。

软件计算方法为：

当距离入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到分布式光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移与温度和应变的关系为：

   

式中，、为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数；为光信号的布里渊频移基础值；为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，为发生应变后的应变值；为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量；

温度补偿：在底板附近布置一根松弛传感光纤使它不受力，那么这根传感光纤所测得的布里渊散射光频移，就是由温度变化引起的等效应变值，可作为温度补偿；温度补偿原理用下式表示：

                           

     式中 为修正后的光纤应变；

          为某一温度下的光纤应变；

          为温度变化引起的附加应变。

经过光纤信号解调仪的信号处理即可得到发生应变的位置与应变的大小；

当分布式光纤解调仪得到测量光纤任意形变点对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：

                     

    为发生应变位置处的应力，为膏体的弹性模量，弹性模量为实验测试值，为光纤发生应变位置处的实时应变值，为光纤发生应变位置处的初始应变值，和均为考虑了温度补偿的光纤应变。

本发明利用分布式光线对膏体填充体进行监测，以测量煤矿膏体充填体应力及下沉位移量来反映充填体受力及运动规律，为充填体材料的强度、变形让压参数、充实率及支护参数等得确定提供依据。

通过以上的具体实施，在进行膏体充填之前，支撑杆通过地锚固定到充填空间底板，支撑杆上端支撑充填空间所在巷道的顶板，支撑杆中部1/2处和下部1/4处各有一个凹槽用于固定光纤，每间隔10m布置一根支撑杆，60~80m为一组，每一组连接两根测量光纤，每两根支撑杆间光纤松弛连接，每组支撑杆最后一根尾部引出光纤连接头并通过光纤接入矿用光缆，矿用光缆与分布式光纤解调仪连接，从而将测量光纤监测信号传递至分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与计算机系统连接，解调后的信号传送至计算机系统，在空间被充填后对膏体充填体进行实时的在线监控及分析处理。本发明分布式监测，以测量煤矿膏体充填体应力及下沉位移量来反映充填体受力及运动规律，为充填体材料的强度、变形让压参数、充实率及支护参数等得确定提供依据。优点：设备安装简单，适合普遍推广；井下不需供电，现场安全；采用全光测量和光纤传输，有效避免电磁干扰的影响；能及时提供监测结果，有利于指导现场充填开采生产工作。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种沿空留巷膏体填充体在线检测方法，用于对沿空留巷内的膏体填充体进行在线检测，其特征在于，

在膏体填充体的填充过程中，于膏体填充空间内设置具有支撑作用的支撑架系统以及具有保护功能的保护管；

设置检测光纤和温补光纤，将所述检测光纤设置为两根，并采用间隔设置的方式分布设置于所述支撑架系统上，将所述温补光纤设置于所述保护管内，所述检测光纤与沿空留巷内的膏体填充体相接触；

将所述检测光纤与所述温补光纤与计算机系统连接采用如下公式对膏体填充体发生温度或应力变化的位置进行计算；

其公式为：

当距离检测光纤上的入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到分布式光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移与温度和应变的关系为：

                                                  

式中，、为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数；为光信号的布里渊频移基础值；为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，为发生应变后的应变值；为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量；

温度补偿：在底板附近布置一根松弛传感光纤使它不受力，那么这根传感光纤所测得的布里渊散射光频移，就是由温度变化引起的等效应变值，可作为温度补偿；温度补偿原理用下式表示：

                           

式中 为修正后的光纤应变；为某一温度下的光纤应变；为温度变化引起的附加应变；

当计算机系统得到测量光纤任意形变点对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：

                    

式中，为发生应变位置处的应力，为膏体的弹性模量，所述弹性模量为实验测试值，为光纤发生应变位置处的实时应变值，为光纤发生应变位置处的初始应变值，和均为考虑了温度补偿的光纤应变。

2.根据权利要求1所述的沿空留巷膏体填充体在线检测方法，其特征在于，

在沿空留巷形成铺设有矿用光缆，在进行膏体填充时保留矿用光缆；所述检测光纤与所述温补光纤通过矿用光缆与所述计算机系统连接。

3.根据权利要求1所述的沿空留巷膏体填充体在线检测方法，其特征在于，

所述支撑架系统即在顶板和底板之间设置了支撑杆，支撑杆直接支撑充填膏体所在巷道的顶底板；沿支撑杆的长度方向，分别位于其1/2以及1/4的位置上开设有固定槽，将所述检测光纤设置在所述固定槽内。