CN105784221B - 基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，制备注浆管和连接套筒，装配光纤光栅压力传感器；钻孔并清洗钻孔；注浆管、连接套筒和光纤光栅压力传感器放入钻孔施工，通过光纤连接相邻的光纤光栅压力传感器，将光纤的两末端延伸至钻孔外以与后续的解调仪连接；对注浆管密封处理并敲打最后一根注浆管的末端使树脂药卷破裂，在最后一根注浆管的末端依次装配连接止浆塞、托盘和螺母；注浆作业；解调仪记录光纤光栅压力传感器的数据。本发明的有益效果为：现场施工操作简单，工程量小，测试精度高，抗外界干扰；可以实现对超前支承压力精确、长期、有效、在线、安全监测，对矿山压力的研究意义重大。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿灾害预警与防治技术领域，特别是涉及一种基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法。
背景技术
支承压力在地下工程中普遍存在，只要在岩层(或煤层)中进行了采掘活动,就会在巷道周围的煤岩体上,或者在采场围岩的煤体上出现应力重新分布,从而形成支承压力。超前支承压力是煤矿长壁工作面开采导致原岩应力重新分布的结果，且随着工作面推进有规律的向前移动，因此也称为移动支承压力。超前支承压力是矿山压力的重要组成部分，掌握超前支承压力分布规律，包括分布范围、高峰位置、低应力区范围等重要特征参数，是研究矿山压力产生机理并最终实现矿山压力控制的重要依据。深入研究工作面超前支承压力分布规律，对煤矿采场的合理支护、巷道开挖与支护方式的选择以及与超前支承压力相关的动力灾害事故的防治，均具有非常重要的理论意义和工程应用价值。现有技术中，常用的支承压力监测方法有钻孔应力计法、钻孔钢弦测力计法及超前巷道位移法等，其中应用最广的是钻孔应力计法。一般的钻孔应力计的安装步骤是首先在顺槽外侧打多个钻孔，然后通过安装杆将钻孔应力计送到设计位置(如2m、4m、6m、……)，每个钻孔安装一个钻孔应力计。这种方法的缺点一是打钻孔工作量极大，要打多个钻孔，一般要超过5个钻孔；二是钻孔的承压面很难接触孔壁，这就造成支承压力有变化时钻孔应力计不能及时测出，只有当钻孔破裂接触到钻孔压力计时，钻孔压力计才有压力值显现，而这种压力值一般不是真实的支承压力值的显现。总的来说，这些方法均存在安装过程繁琐、工程量大、测试精度低、抗外界干扰差等不足，并且难以实现对超前支承压力的长期、有效、在线、安全监测，对矿山压力的研究意义有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法以实现简化现场施工，精确、长期、有效、在线、安全监测超前支承压力。
本发明提供一种基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，包括以下步骤：
步骤一，制备若干根注浆管和连接套筒，注浆管上开设有射浆孔，将光纤光栅压力传感器固定连接于连接套筒外表面的中间位置，光纤光栅压力传感器设置有第一光纤连接口和第二光纤连接口；
步骤二，顺槽内于工作面前方一定距离位置处向煤体内钻探钻孔并清洗钻孔；
步骤三，在钻孔中放入树脂药卷；
步骤四，按照次序将注浆管放入钻孔，在第一根注浆管上装配连接居正器，相邻之间的注浆管经连接套筒装配连接，保持光纤光栅压力传感器位于连接套筒的正上方，光纤依次串接各相邻光纤光栅压力传感器的第一光纤连接口和第二光纤连接口，光纤的两末端延伸至钻孔外；
步骤五，最后一根注浆管上装配连接居正器，最后一根注浆管的外表面距注浆管的末端一定距离处环绕包裹防漏软体，敲打最后一根注浆管的末端使树脂药卷破裂，在最后一根注浆管的末端依次装配连接止浆塞、托盘和螺母；
步骤六，注浆器连接最后一根注浆管的末端，一次性向注浆管内注射充填浆料；
步骤七，待充填浆料凝结为充填固结体，将光纤的两末端分别与设置于顺槽中的解调仪连接，解调仪记录各连接套筒上的光纤光栅压力传感器的数据。
进一步的，步骤一中，注浆管的两端设置有外螺纹，连接套筒的两端设置有内螺纹，注浆管与连接套筒螺纹连接。
进一步的，步骤一中，光纤光栅压力传感器胶粘金属片上，金属片焊接连接套筒的外侧面。
进一步的，步骤一中的操作在地面完成。
进一步的，居正器包括由条带弯曲成的圆环、与圆环固定连接的多根支撑柱和与支撑柱的末端铰接的滚轮。
进一步的，条带的两端经螺栓连接，多根支撑柱等间距布置，支撑柱的两侧分别铰接滚轮。
进一步的，步骤五中，防漏软体为棉布或棉纱。
进一步的，步骤五中，在最后一根注浆管的末端可拆卸连接堵头。
进一步的，充填浆料由工作面的块煤磨碎筛分制成的煤粉、水泥、速凝剂和早强剂混合而成，其中，煤粉、水泥的质量比为3:1，速凝剂和早强剂按占水泥质量的百分数，均为3-4％。
进一步的，步骤七中，解调仪信号连接存储器或地面上的控制器。
与现有技术相比，本发明的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法具有以下特点和优点：
1、本发明的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，现场施工操作简单，工程量小，测试精度高，抗外界干扰；
2、本发明的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，可以实现对超前支承压力精确、长期、有效、在线、安全监测，对矿山压力的研究意义重大。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的特点和优点将变得更加清楚。
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为本发明实施例中基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测系统布置示意图；
图2为本发明实施例中连接套筒和光纤光栅压力传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例中光纤光栅压力传感器所在位置剖面结构示意图；
图4为本发明实施例中居正器结构示意图；
图5为本发明实施例中钻孔施工位置示意图。
其中，
11、注浆管，111、射浆孔，12、连接套筒，21、光纤光栅压力传感器，22、金属片，31、止浆塞，32、平托盘，33、螺母，34、堵头，41、第一光纤连接口，42、第二光纤连接口，5、居正器，51、圆环，52、支撑柱，53、滚轮，54、螺栓，61、分线器，62、解调仪，71、树脂药卷，72、充填固结体，81、顺槽，82、工作面，83、钻孔位置，9、光纤。
具体实施方式
如图1至图5所示，本实施例提供一种基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，具体步骤如下。
步骤一，在地面上用钢管制备若干根注浆管11和连接套筒12，注浆管11的直径为Ф22mm，长度为2m，注浆管11的两端设置有外螺纹，连接套筒12的长度为20cm，连接套筒12的两端设置有内螺纹，注浆管11与连接套筒12螺纹连接，注浆管11上开设有直径为5mm的射浆孔111。如此，相邻的两个连接套筒12的间距为2m，注浆管11和连接套筒12的配套使用，起到了定位、注浆和固定监测位置的作用。将光纤光栅压力传感器21胶粘于金属片22上，金属片22焊接连接套筒12外表面的中间位置，光纤光栅压力传感器21上设置有第一光纤连接口41和第二光纤连接口42。选用的光纤光栅压力传感器21，具有抗电磁、抗水、精度高等优点，能够实现长期、稳定、在线监测，将光纤光栅压力传感器21内置测压光栅和温补光栅，解决测压过程中温度变化带来的误差影响。
步骤二，顺槽81内于工作面82前方50m的距离位置确定钻孔位置83，于钻孔位置83处向煤体内钻探钻孔，钻孔的直径为50mm，长度为20-30m，用高压风或清水清洗钻孔。
步骤三，在钻孔中放入长度为30cm的树脂药卷71。
步骤四，按照次序将注浆管11放入钻孔，在第一根注浆管11上装配连接居正器5，相邻之间的注浆管11经连接套筒12装配连接，保持光纤光栅压力传感器21位于连接套筒12的正上方，当支承压力在煤体上有变化时，可以准确、及时的传递到光纤光栅压力传感器21上。光纤9依次串接各相邻光纤光栅压力传感器21的第一光纤连接口41和第二光纤连接口42，光纤9的两末端延伸至钻孔外以与后续的解调仪62连接，这样就形成一个回路。需要说明的是，本实施例利用波分复用技术，通过一根光纤9将多个光纤光栅压力传感器21串接，在一根光纤9上可实现温度、应变、应力等多参数实时测量，解决以往需要打多个钻孔来进行不同位置的压力值测量，使现场施工操作简单，减少工程量。
步骤五，最后一根注浆管11上装配连接居正器5，最后一根注浆管11的外表面距注浆管11的末端一定距离处环绕包裹防漏软体，防漏软体可以为棉布或棉纱，敲打最后一根注浆管11的末端使树脂药卷71破裂，破裂的树脂药卷71锚固注浆管11在煤体中，在最后一根注浆管11的末端依次装配连接止浆塞31、平托盘32和螺母33，在最后一根注浆管11的末端可拆卸连接堵头34。
步骤六，去掉堵头34，注浆器连接最后一根注浆管11的末端，一次性向注浆管11内注射充填浆料，若中途停滞，可能会堵塞注浆管11。充填浆料由工作面82的块煤磨碎筛分制成的煤粉、水泥、速凝剂和早强剂混合而成，其中，煤粉、水泥的质量比为3:1，速凝剂和早强剂按占水泥质量的百分数，均为3-4％。如此配比的充填浆料凝结为充填固结体72，更加接近工作面52前方与外部煤体的理化性质，如单轴抗压强度等力学参数基本相同，使得煤体、充填固结体72和光纤光栅压力传感器21连接为一体，当超前支承压力有变化时，能及时、精确地被光纤光栅压力传感器21监测到。
步骤七，待充填浆料凝结为充填固结体72，充填固结体72充满注浆管11、连接套筒12并填充至注浆管11、连接套筒12外的钻孔的空间，将光纤9的两末端分别与设置于顺槽81中的解调仪62连接，解调仪62记录各连接套筒12上的光纤光栅压力传感器21的数据，解调仪62信号连接存储器或地面上的控制器。把存储器带回到地面上或者通过信号电缆在线传输到地面的控制器进行数据的处理、研究。
本实施例中的居正器5包括由条带弯曲成的圆环51、与圆环51固定连接的多根支撑柱52和与支撑柱52的末端两侧分别铰接的滚轮53，滚轮53保证注浆管11和连接套筒12顺利送到设计位置，条带的两端经螺栓54连接，以通过螺栓54将居正器5固定在注浆管11上。三根支撑柱52在圆环51的圆周上间隔120°布置，第一根和最后一根的注浆管11上装配连接的居正器5，居正器5的外缘略小于钻孔的直径，两个居正器5保证注浆管11、连接套筒12位于钻孔的中央位置，保证后期的充填浆料均匀的位于注浆管11、连接套筒12和孔壁之间的空间中，从而使连接套筒12上的光纤光栅压力传感器21监测到的压力数据更加精确。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，制备若干根注浆管和连接套筒，注浆管上开设有射浆孔，将光纤光栅压力传感器固定连接于连接套筒外表面的中间位置，光纤光栅压力传感器设置有第一光纤连接口和第二光纤连接口；
步骤二，顺槽内于工作面前方一定距离位置处向煤体内钻探钻孔并清洗钻孔；
步骤三，在钻孔中放入树脂药卷；
步骤四，按照次序将注浆管放入钻孔，在第一根注浆管上装配连接居正器，相邻之间的注浆管经连接套筒装配连接，保持光纤光栅压力传感器位于连接套筒的正上方，光纤依次串接各相邻光纤光栅压力传感器的第一光纤连接口和第二光纤连接口，光纤的两末端延伸至钻孔外；
步骤五，最后一根注浆管上装配连接居正器，最后一根注浆管的外表面距注浆管的末端一定距离处环绕包裹防漏软体，敲打最后一根注浆管的末端使树脂药卷破裂，在最后一根注浆管的末端依次装配连接止浆塞、托盘和螺母；
步骤六，注浆器连接最后一根注浆管的末端，一次性向注浆管内注射充填浆料；
步骤七，待充填浆料凝结为充填固结体，将光纤的两末端分别与设置于顺槽中的解调仪连接，解调仪记录各连接套筒上的光纤光栅压力传感器的数据。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于：步骤一中，注浆管的两端设置有外螺纹，连接套筒的两端设置有内螺纹，注浆管与连接套筒螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于：步骤一中，光纤光栅压力传感器胶粘金属片上，金属片焊接连接套筒的外侧面。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于：步骤一中的操作在地面完成。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于：居正器包括由条带弯曲成的圆环、与圆环固定连接的多根支撑柱和与支撑柱的末端铰接的滚轮。
6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于：条带的两端经螺栓连接，多根支撑柱等间距布置，支撑柱的两侧分别铰接滚轮。
7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于：步骤五中，防漏软体为棉布或棉纱。
8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于：步骤五中，在最后一根注浆管的末端可拆卸连接堵头。
9.根据权利要求1所述的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于：充填浆料由工作面的块煤磨碎筛分制成的煤粉、水泥、速凝剂和早强剂混合而成，其中，煤粉、水泥的质量比为3:1，速凝剂和早强剂按占水泥质量的百分数，均为3-4％。
10.根据权利要求1所述的基于光纤光栅压力传感器的超前支承压力监测方法，其特征在于：步骤七中，解调仪信号连接存储器或地面上的控制器。
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