CN107356957A - 一种基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统及安装和监测方法 - Google Patents
一种基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统及安装和监测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统及安装和监测方法，适用于矿井安全监测领域。包括数据管理与存储子系统、数据采集与传输子系统和传感子系统三部分；其中数据管理与存储子系统包括客户端计算机、监测服务器和数据接收计算机，设置在地面中央调度室内；数据采集与传输子系统包括矿用电缆、光纤光栅动态解调仪和矿用多芯传输光缆；传感子系统包括光纤光栅加速度传感器、光纤尾纤和光纤接线盒；矿用多芯传输光缆上串联多个光纤接线盒，光纤光栅加速度传感器通过光纤尾纤与光纤接线盒连接。其抗电磁干扰能力强，受环境影响小，灵敏性好，测量精度高，能够感知微震信号，可绘制信号波形图，确定震源位置、大小和发生时刻。
Description
技术领域
本发明涉及一种微震监测系统及安装和监测方法，尤其适用于一种矿井安全监测使用的基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统及安装和监测方法。
背景技术
在我国，煤炭一直是居主要支配地位的能源矿产，但是，煤炭资源开采带来的矿山灾害、工程及环境损伤也是无法回避的现实问题。随着我国矿井开采规模和深度的逐年增加，以冲击矿压、矿震、突水、顶板大面积垮落、热害为代表的深部开采诱发的灾害事故更具突发性和破坏性。其中，冲击矿压作为采矿活动诱发的破坏性矿震，以其突然、急剧、猛烈的破坏特征严重威胁着矿山的安全生产，并给我国煤矿造成了巨大的经济损失和人员伤亡。更危险的是，矿震的发生还可能诱发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、顶板事故等其它重大井下恶性事故。甚至，较强烈的矿震还会引起地表强烈震感或地面建筑物的严重破坏。
为了避免或者减小矿山灾害，有必要准确监测矿山压力、微震等活动规律，并依据这些规律预测可能存在的安全隐患或者采取科学的预先处理措施。目前，国外主要采矿国家波兰、南非、加拿大等，均已普遍建立国家矿山微震监测台网，如波兰的SOS微震监测系统和基于地音声发射的ARESIE微震监测系统，南非基于声发射的ISS微震监测系统，加拿大基于声发射的ESG微震监测系统等等；国内近几年来也开始陆续通过引进、自主研发适合于不同研究目的和监测尺度的微震监测系统用于冲击矿压、矿震、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的监测和预警。如北京安科兴业科技有限公司基于声发射的KJ551微震监测系统和北京欣林公司基于矿震的KZ-1监测系统。
这些微震监测系统虽然得到实际应用并取得一定成果，但是它们接收震动信号的传感器处理的全部是电信号，在矿井下强电、磁等复杂环境中，难免参杂其它干扰，为后期的数据处理增加难度。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种本质安全、抗电磁干扰能力强、受环境影响小、灵敏性好、测量精度高、能够感知微震信号、可绘制信号波形图，确定震源位置、大小和发生时刻的基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统及安装和监测方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统，包括顺序相连的数据管理与存储子系统、数据采集与传输子系统和传感子系统，数据管理与存储子系统与数据采集与传输子系统之间通过矿用电缆相连接，数据采集与传输子系统与传感子系统之间通过矿用多芯传输光缆相连接；
所述数据管理与存储子系统包括监测服务器，监测服务器的输入端分别与多台客户端计算机的输出端相连接，监测服务器的输出端与数据接收计算机的输入端相连接；监测服务器用于存储监测数据，客户端计算机用于调用存储的监测数据；
所述数据采集与传输子系统为光纤光栅动态解调仪；
所述传感子系统包括多个传感器网络装置，所述传感器网络装置包括光纤光栅加速度传感器，光纤光栅加速度传感器通过光纤尾纤连接有光纤接线盒。
所述的光纤光栅加速度传感器的安装位置为废弃的井筒岩层、地面钻孔、水平大巷顶板煤岩层、上山顶板煤岩层、本工作面前方或后方采区平巷顶板煤岩层、相邻工作面采区平巷顶板煤岩层等，形成三维空间微震监测台网，对全矿井或重点区域实行24h实时在线监测。
所述安装方法包括不回收光纤光栅加速度传感器长期监测安装方法和回收光纤光栅加速度传感器移动监测安装方法；
所述不回收光纤光栅加速度传感器长期监测安装方法为：
a1.用直径32～38mm的钻头在巷道顶板钻出一小孔，小孔的钻孔深度3～5m，倾角大于60°；
a2.在巷道中巷道顶板中间位置安设光纤接线盒，光纤光栅加速度传感器通过光纤尾纤与光纤接线盒连接；
a3.使用安装杆推动光纤光栅加速度传感器至小孔的端头，并喷混凝土使光纤光栅加速度传感器与岩体密切耦合。
所述回收光纤光栅加速度传感器移动监测安装方法为：
b1.在巷道中巷道顶板中间位置安设光纤接线盒，将光纤光栅加速度传感器通过光纤尾纤与光纤接线盒连接；
b2.将光纤光栅加速度传感器固定在锚杆端部，通过锚杆树脂将光纤光栅加速度传感器的接收信号端与煤壁或岩壁黏合，其中每三只光纤光栅加速度传感器分别在巷道顶板的左、中、右对称布置，构成一个测站，多个测站形成监测区间，搜集区间内震动信号，纤光栅加速度传感器上设有硬塑料套筒，防止顶板淋水浸湿或覆盖灰尘。
一种基于光纤光栅加速度传感器的微震监测方法，其步骤如下：
c1.首先打开光纤光栅动态解调仪，预热三分钟，使光纤光栅动态解调仪进入准备工作状态；
c2.当发生震动时，光纤光栅加速度传感器感知震动信号，引起光纤光栅中心波长的漂移，携带震动信息的光信号经光纤尾纤、光纤接线盒和矿用多芯传输光缆进入光纤光栅动态解调仪，光纤光栅动态解调仪能够解调出光纤光栅中心波长漂移量，将光信号转变成电信号；
c3.电信号经矿用电缆传送给数据接收计算机，处理成数字信号，传给监测服务器存储起来；
c4.客户端计算机调用存储在监测服务器的监测数据，绘制出微震信号的波形图，对波形图进行快速傅立叶变换频谱分析操作，获得准确的加速度信号、信号频率成分及主频成分；
再通过读取事先安装的传感器捕捉到的微震信号的到时残差，结合其空间坐标，编写算法程序，计算震源位置以及发生时刻；
c5.煤矿技术人员根据分析得到的图形和数据预测预报煤矿冲击矿压，及时采用有效措施，指导煤矿安全高产高效生产。
有益效果：本发明与已有技术相比，具有如下优点：
1、采用的光纤光栅具有灵敏度高，即使能量很小的震动也能被感知，传递到地面显示出来，不会遗漏任何信息；
2、光纤光栅本质安全，无源工作，方便灵活，抗电磁干扰能力强；同时，利用光纤进行信号传输，传输距离远，可靠性高，测量范围大；
3、光纤光栅加速度传感器感知的光信号由于不受井下电磁场的干扰，所以获得的信号夹杂的干扰的信号少，后期数据处理方便，获得信息更准确；
4、光纤光栅加速度传感器体积小、安装方便，不影响正常生产活动，对于采用不回收长期监测的安装方式传感器来说，拆卸方便，不耽误正常监测。
附图说明
图1为本发明的微震监测系统的整体布置结构示意图；
图2为本发明的三维空间微震监测台网测点布置示意图；
图3为本发明的不回收长期监测光纤光栅加速度传感器安装方式示意图；
图4为本发明的回收移动监测光纤光栅加速度传感器安装方式示意图；
图中：1-数据管理与存储子系统；2-数据采集与传输子系统；3-传感子系统；4-客户端计算机；5-监测服务器；6-数据接收计算机；7-矿用电缆；8-光纤光栅动态解调仪；9-矿用多芯传输光缆；10-光纤接线盒；11-光纤尾纤；12-光纤光栅加速度传感器；13-巷道；14-巷道顶板；15-小孔；16-混凝土；17-锚杆；18-硬塑料套筒；19-三维空间微震监测台网。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统，包括顺序相连的数据管理与存储子系统1、数据采集与传输子系统2和传感子系统3，数据管理与存储子系统1与数据采集与传输子系统2之间通过矿用电缆7相连接，数据采集与传输子系统2与传感子系统3之间通过矿用多芯传输光缆9相连接；所述数据采集与传输子系统2为光纤光栅动态解调仪8；所述传感子系统3包括多个传感器网络装置，所述传感器网络装置包括光纤光栅加速度传感器12，光纤光栅加速度传感器12通过光纤尾纤11连接有光纤接线盒10；
所述数据管理与存储子系统1包括监测服务器5，监测服务器5的输入端分别与多台客户端计算机4的输出端相连接，监测服务器5的输出端与数据接收计算机6的输入端相连接；监测服务器5用于存储监测数据，客户端计算机4用于调用存储的监测数据，绘制出微震信号的波形图，对波形图进行快速傅立叶变换频谱分析，从而获得准确的加速度信号、信号频率成分及主频成分；此外，再通过读取事先安装的传感器捕捉到的微震信号的到时残差，结合其空间坐标，编写算法程序，计算震源位置以及发生时刻。
如图2所示，所述的光纤光栅加速度传感器12的安装位置为废弃的井筒岩层、地面钻孔、水平大巷顶板煤岩层、上山顶板煤岩层、本工作面前方或后方采区平巷顶板煤岩层、相邻工作面采区平巷顶板煤岩层，形成三维空间微震监测台网19，对全矿井或重点区域实行24h实时在线监测。
一种基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统的安装方法，根据需要将光纤光栅加速度传感器12安装在巷道中；所述安装方法包括不回收光纤光栅加速度传感器12长期监测安装方法和回收光纤光栅加速度传感器12移动监测安装方法；
如图3所示，所述不回收光纤光栅加速度传感器12长期监测安装方法为：
a1.用直径32～38mm的钻头在从巷道13向巷道顶板14钻出一小孔15，小孔15的钻孔深度3～5m，倾角大于60°；
a2.在巷道13中巷道顶板14中间位置安设光纤接线盒10，光纤光栅加速度传感器12通过光纤尾纤11与光纤接线盒10连接；
a3.使用安装杆推动光纤光栅加速度传感器12至小孔15的端头，并喷混凝土16使光纤光栅加速度传感器12与岩体密切耦合。
如图4所示，所述回收光纤光栅加速度传感器12移动监测安装方法为：
b1.在巷道13中巷道顶板14中间位置安设光纤接线盒10，将光纤光栅加速度传感器12通过光纤尾纤11与光纤接线盒10连接；
b2.将光纤光栅加速度传感器12固定在锚杆17端部，通过锚杆树脂将光纤光栅加速度传感器12的接收信号端与煤壁或岩壁黏合，其中每三只光纤光栅加速度传感器12分别在巷道顶板14的左、中、右对称布置，构成一个测站，多个测站形成监测区间，搜集区间内震动信号，纤光栅加速度传感器12上设有硬塑料套筒18，防止顶板淋水浸湿或覆盖灰尘。
一种基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统的监测方法，步骤如下：
c1.首先打开光纤光栅动态解调仪8，预热三分钟，使光纤光栅动态解调仪8进入准备工作状态；
c2.当发生震动时，光纤光栅加速度传感器12感知震动信号，引起光纤光栅中心波长的漂移，携带震动信息的光信号经光纤尾纤11、光纤接线盒10和矿用多芯传输光缆9进入光纤光栅动态解调仪8，光纤光栅动态解调仪8能够解调出光纤光栅中心波长漂移量，将光信号转变成电信号；
c3.电信号经矿用电缆7传送给数据接收计算机6，处理成数字信号，传给监测服务器5存储起来；
c4.客户端计算机4调用存储在监测服务器5的监测数据，绘制出微震信号的波形图，对波形图进行快速傅立叶变换频谱分析操作，获得准确的加速度信号、信号频率成分及主频成分；
再通过读取事先安装的传感器捕捉到的微震信号的到时残差，结合其空间坐标，编写算法程序，计算震源位置以及发生时刻；
c5.煤矿技术人员根据分析得到的图形和数据预测预报煤矿冲击矿压，及时采用有效措施，指导煤矿安全高产高效生产。
光纤光栅加速度传感器的微震监测系统的安装位置为废弃的井筒岩层、地面钻孔、水平大巷顶板煤岩层、上山顶板煤岩层，这些地方因服务年限长而需要定期维护，支护质量高，能采用不回收长期监测的安装方式，根据需要将光纤光栅加速度传感器12固定到深部围岩中，或将光纤光栅加速度传感器12安装在本工作面前方或后方采区平巷顶板煤岩层、相邻工作面采区平巷巷道顶板煤岩层中，因为采煤工作面是移动的，随着工作面向前推进，采空区也将冒落，光纤光栅加速度传感器12能采用回收移动监测的安装方式，待传感器接近或远离本工作面50m时，重新安装光纤光栅加速度传感器12，并将之前的传感器回收再利用；形成三维空间微震监测台网19，对全矿井或重点区域实行24h实时在线监测。
Claims (6)
1.一种基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统，其特征在于：它包括顺序相连的数据管理与存储子系统(1)、数据采集与传输子系统(2)和传感子系统(3)，数据管理与存储子系统(1)与数据采集与传输子系统(2)之间通过矿用电缆(7)相连接，数据采集与传输子系统(2)与传感子系统(3)之间通过矿用多芯传输光缆(9)相连接；
所述数据管理与存储子系统(1)包括监测服务器(5)，监测服务器(5)的输入端分别与多台客户端计算机(4)的输出端相连接，监测服务器(5)的输出端与数据接收计算机(6)的输入端相连接；监测服务器(5)用于存储监测数据，客户端计算机(4)用于调用存储的监测数据；
所述数据采集与传输子系统(2)为光纤光栅动态解调仪(8)；
所述传感子系统(3)包括多个传感器网络装置，所述传感器网络装置包括光纤光栅加速度传感器(12)，光纤光栅加速度传感器(12)通过光纤尾纤(11)连接有光纤接线盒(10)。
2.根据权利要求书1所述的基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅加速度传感器(12)的安装位置为废弃的井筒岩层、地面钻孔、水平大巷顶板煤岩层、上山顶板煤岩层、本工作面前方或后方采区平巷顶板煤岩层、相邻工作面采区平巷顶板煤岩层，形成三维空间微震监测台网(19)，对全矿井或重点区域实行24h实时在线监测。
3.一种使用基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统的安装方法，其特征在于：所述安装方法包括不回收光纤光栅加速度传感器(12)长期监测安装方法和回收光纤光栅加速度传感器(12)移动监测安装方法。
4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统安装方法，其特征在于所述不回收光纤光栅加速度传感器(12)长期监测安装方法为：
a1.用直径32～38mm的钻头在巷道顶板(14)钻出一小孔(15)，小孔(15)的钻孔深度3～5m，倾角大于60°；
a2.在巷道(13)中巷道顶板(14)中间位置安设光纤接线盒(10)，光纤光栅加速度传感器(12)通过光纤尾纤(11)与光纤接线盒(10)连接；
a3.使用安装杆推动光纤光栅加速度传感器(12)至小孔(15)的端头，并喷混凝土(16)使光纤光栅加速度传感器(12)与岩体密切耦合。
5.根据权利要求3所述的基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统安装方法，其特征在于所述回收光纤光栅加速度传感器(12)移动监测安装方法为：
b1.在巷道(13)中巷道顶板(14)中间位置安设光纤接线盒(10)，将光纤光栅加速度传感器(12)通过光纤尾纤(11)与光纤接线盒(10)连接；
b2.将光纤光栅加速度传感器(12)固定在锚杆(17)端部，通过锚杆树脂将光纤光栅加速度传感器(12)的接收信号端与煤壁或岩壁黏合，其中每三只光纤光栅加速度传感器(12)分别在巷道顶板(14)的左、中、右对称布置，构成一个测站，多个测站形成监测区间，搜集区间内震动信号，纤光栅加速度传感器(12)上设有硬塑料套筒(18)，防止顶板淋水浸湿或覆盖灰尘。
6.一种使用权利要求1所述基于光纤光栅加速度传感器的微震监测系统的监测方法，其特征在于包括如下步骤：
c1.首先打开光纤光栅动态解调仪(8)，预热三分钟，使光纤光栅动态解调仪(8)进入准备工作状态；
c2.当发生震动时，光纤光栅加速度传感器(12)感知震动信号，引起光纤光栅中心波长的漂移，携带震动信息的光信号经光纤尾纤(11)、光纤接线盒(10)和矿用多芯传输光缆(9)进入光纤光栅动态解调仪(8)，光纤光栅动态解调仪(8)能够解调出光纤光栅中心波长漂移量，将光信号转变成电信号；
c3.电信号经矿用电缆(7)传送给数据接收计算机(6)，处理成数字信号，传给监测服务器(5)存储起来；
c4.客户端计算机(4)调用存储在监测服务器(5)的监测数据，绘制出微震信号的波形图，对波形图进行快速傅立叶变换频谱分析操作，获得准确的加速度信号、信号频率成分及主频成分；
再通过读取事先安装的传感器捕捉到的微震信号的到时残差，结合其空间坐标，编写算法程序，计算震源位置以及发生时刻；
c5.煤矿技术人员根据分析得到的图形和数据预测预报煤矿冲击矿压，及时采用有效措施，指导煤矿安全高产高效生产。
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