CN107421588B - 以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统 - Google Patents

以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，包括外锚杆和内锚杆，内锚杆可转动安装在外锚杆内，且内锚杆的直径略小于外锚杆的直径，内锚杆上沿圆周方向设有若干传感器安装槽，每个传感器安装槽内均通过电动伸缩杆安装有一光纤光栅传感器，电动伸缩杆外套接有弹簧，弹簧一端与传感器安装槽的内底面相抵，另一端与光纤光栅传感器的底面相抵，外锚杆上沿竖直方向开设有若干与光纤光栅传感器相配合的检测孔；外锚杆上端安装有一底座，底座上端内嵌安装有一电机，电机的转轴端与内锚杆的上顶面相连。本发明具有精度高、抗干扰能力强、自动化集成度高、便于布设安装、操作简单、可进行远程监测和长期监测等优点。

Description

以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统
技术领域
本发明涉及矿山安全监测系统，具体涉及一种以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统。
背景技术
矿山行业是其他工业行业发展的基础，因此，矿山生产对社会进步和国民经济的发挥着相当重要的作用。国内外主要的安全监测或预警的技术途径和方法发现各种方法对具有某一专门用途的仪器或设备依赖性很强，基本上属于传统的安全监测技术手段。一般存在这样的不足：监测的效率不高，仅适用于局部小范围安全监测；数据传输的可靠性和抗干扰性不强，特别是在地下矿山这样一个自然条件极其恶劣(极度潮湿、粉尘浓度大和动力电源不稳等)和工况复杂(爆破、开采作业和车辆行驶等多种因素引起的环境振动交互影响)的环境下；监测系统的自动化集成度不高，无法满足连续性和远距离监测的要求。为此，急需一种精度高、误差小、成本低、耐久性高、寿命长，能进行远程监测长期监测的监测技术来弥补这些缺陷，提高矿山的安全性，保障矿山的安全生产。
现有检测系统所检测到的数据都是静态的，无法实现矿山基本情况发展预测以及这些数据会带来的安全隐患预测，一旦问题发生，便会带来巨大的损失。同时，现有的建筑施工监测数据均通过有线网或者GPRS、3G等无线方式传输，大大提高了整个系统架设所需要的成本和时间，同时一旦信号较差便会造成数据传输的失败，使得监控缺乏连续性，从而使得整个监测过程的精确度大大降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，以可回收式锚杆为传感媒介，将锚杆打入岩石当中，用封装于内锚杆上的传感器监测岩石的应变情况及爆破振动数据，通过对数据进行分析，对矿山进行安全监测，在使用的过程中可以通过电机以及电动伸缩杆的配合使用实现传感器种类的更换以及传感器位置的调整，通过北斗短报文通讯技术进行数据的传输，无需架设通讯线路，使用方便，能全方位的对矿山基本情况进行实时的检测，从而得出矿山基本情况的多种评估结果，检测结果精确度高，且可以通过矿山三维模型的构建，对矿山的后续情况进行了预测和仿真分析，可以及时发现安全问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，包括外锚杆和内锚杆，所述内锚杆可转动安装在外锚杆内，且内锚杆的直径略小于外锚杆的直径，所述内锚杆上沿圆周方向设有若干传感器安装槽，每个传感器安装槽内均通过电动伸缩杆安装有一光纤光栅传感器，所述电动伸缩杆外套接有弹簧，弹簧一端与传感器安装槽的内底面相抵，另一端与光纤光栅传感器的底面相抵，所述外锚杆上沿竖直方向开设有若干与所述光纤光栅传感器相配合的检测孔；所述外锚杆上端安装有一底座，所述底座上端内嵌安装有一电机，电机的转轴端与内锚杆的上顶面相连，还包括
人机操作模块，用于用户登录，还用于输入各种控制命令和待储存数据；
远程控制器，用于接收各光纤光栅传感器所发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将完成标记的数据转换成三维模拟仿真分析模块所能识别的数据格式发送到三维模拟仿真分析模块；用于根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；用于接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块；
预测分析模块，用于根据接收到的各光纤光栅传感器所发送的数据进行矿山安全情况的评估预测分析，并将得到的结果预测发送到显示屏以及指定的移动终端，发送到指定的数据库进行储存；
专家评估模块，用于储存各类典型的矿山变形数据、温度数据、内应力数据及其所可能带来的矿山安全隐患模型，用于将接收到的各光纤光栅传感器所发送的数据与所存储的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；
三维模型建立模块，用于通过ADAMS根据中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种矿山三维立体模型；
仿真分析模块，用于通过Simulink搭建仿真分析模型对所建立的矿山三维模型进行仿真分析。
优选地，所述内锚杆内布设有与所述电动伸缩杆、光纤光栅传感器和电机相连的供电电路。
优选地，所述光纤光栅传感器内设有北斗模块，通过短报文通讯的方式与远程控制器相连，远程控制器通过无线与电机7、电动伸缩杆相连。
优选地，所述外锚杆的锚头的外壁上设有外螺纹，且锚头与外锚杆的连接处安装有一圈加固环。
优选地，所述预测分析模块包括
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图
对比分析模块，将绘制曲线与原实测曲线进行对比分析和预测，输出分析预测结果。
优选地，所述远程控制器上设有一显示屏，用于进行监测数据的播放，还用于显示人机操作模块输入的各种数据以及整个监测过程中需要显示的数据，并基于检测到的数据输出表征矿山基本情况的二维结果图、三维结果图。
优选地，所述内锚杆上设有与所述检测孔相对应的条形空白区域。
优选地，所述内锚杆下端底面与锚头之间设有一空隙层，且空隙层的宽度不高于5mm。
本发明具有以下有益效果：
以可回收式锚杆为传感媒介，将锚杆打入岩石当中，用封装于内锚杆上的传感器监测岩石的应变情况及爆破振动数据，通过对数据进行分析，对矿山进行安全监测，在使用的过程中可以通过电机以及电动伸缩杆的配合使用实现传感器种类的更换以及传感器位置的调整，通过北斗短报文通讯技术进行数据的传输，无需架设通讯线路，使用方便，能全方位的对矿山基本情况进行实时的检测，从而得出矿山基本情况的多种评估结果，检测结果精确度高，且可以通过矿山三维模型的构建，对矿山的后续情况进行了预测和仿真分析，可以及时发现安全问题。
附图说明
图1为本发明实施例以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统的系统框图。
图2为本发明实施例中外锚杆和内锚杆的连接结构示意图。
图3为本发明实施例中内锚杆的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图3所示，本发明实施例提供了一种以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，包括外锚杆1和内锚杆2，所述内锚杆2可转动安装在外锚杆1内，且内锚杆2的直径略小于外锚杆1的直径，所述内锚杆2上沿圆周方向设有若干传感器安装槽8，每个传感器安装槽8内均通过电动伸缩杆9安装有一光纤光栅传感器10，所述电动伸缩杆9外套接有弹簧8，弹簧8一端与传感器安装槽8的内底面相抵，另一端与光纤光栅传感器10的底面相抵，所述外锚杆1上沿竖直方向开设有若干与所述光纤光栅传感器10相配合的检测孔3；所述外锚杆1上端安装有一底座6，所述底座6上端内嵌安装有一电机7，电机7的转轴端与内锚杆2的上顶面相连，所述外锚杆1的锚头5的外壁上设有外螺纹，且锚头5与外锚杆1的连接处安装有一圈加固环4。所述内锚杆2上设有与所述检测孔3相对应的条形空白区域，也就是说，在该条形空白区域上没有开始传感器安装槽的，对准检测孔3时是没有任何传感器进入检测孔的。所述内锚杆2下端底面与锚头5之间设有一空隙层，且空隙层的宽度不高于5mm，该系统还包括
人机操作模块，用于用户登录，还用于输入各种控制命令和待储存数据，可采用触控屏；
远程控制器，用于接收各光纤光栅传感器所发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将完成标记的数据转换成三维模拟仿真分析模块所能识别的数据格式发送到三维模拟仿真分析模块；用于根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；用于接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块；
预测分析模块，用于根据接收到的各光纤光栅传感器所发送的数据进行矿山安全情况的评估预测分析，并将得到的结果预测发送到显示屏以及指定的移动终端，发送到指定的数据库进行储存；具体包括：
图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或变形数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随开变形监测点推进的变化规律。
对比分析模块，将绘制曲线与原实测曲线进行对比分析和预测，输出分析预测结果。
专家评估模块，用于储存各类典型的矿山变形数据、温度数据、内应力数据及其所可能带来的矿山安全隐患模型，用于将接收到的各光纤光栅传感器所发送的数据与所存储的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；
三维模型建立模块，用于通过ADAMS根据中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种矿山三维立体模型；
仿真分析模块，用于通过Simulink搭建仿真分析模型对所建立的矿山三维模型进行仿真分析。
所述内锚杆2内布设有与所述电动伸缩杆、光纤光栅传感器10和电机7相连的供电电路，至少包括一锂电池和若干现有成熟供电电路。所述光纤光栅传感器10内设有北斗模块，通过短报文通讯的方式与远程控制器相连，远程控制器通过无线与电机7、电动伸缩杆9相连。
所述远程控制器上设有一显示屏，用于进行监测数据的播放，还用于显示人机操作模块输入的各种数据以及整个监测过程中需要显示的数据，并基于检测到的数据输出表征矿山基本情况的二维结果图、三维结果图。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，其特征在于，包括外锚杆(1)和内锚杆(2)，所述内锚杆(2)可转动安装在外锚杆(1)内，且内锚杆(2)的直径略小于外锚杆(1)的直径，所述内锚杆(2)上沿圆周方向设有若干传感器安装槽(8)，每个传感器安装槽(8)内均通过电动伸缩杆(9)安装有一光纤光栅传感器(10)，所述电动伸缩杆(9)外套接有弹簧(8)，弹簧(8)一端与传感器安装槽(8)的内底面相抵，另一端与光纤光栅传感器(10)的底面相抵，所述外锚杆(1)上沿竖直方向开设有若干与所述光纤光栅传感器(10)相配合的检测孔(3)；所述外锚杆(1)上端安装有一底座(6)，所述底座(6)上端内嵌安装有一电机(7)，电机(7)的转轴端与内锚杆(2)的上顶面相连，还包括
人机操作模块，用于用户登录，还用于输入各种控制命令和待储存数据；
远程控制器，用于接收各光纤光栅传感器所发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将完成标记的数据转换成三维模拟仿真分析模块所能识别的数据格式发送到三维模拟仿真分析模块；用于根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；用于接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块；
预测分析模块，用于根据接收到的各光纤光栅传感器所发送的数据进行矿山安全情况的评估预测分析，并将得到的结果预测发送到显示屏以及指定的移动终端，发送到指定的数据库进行储存；
专家评估模块，用于储存各类典型的矿山变形数据、温度数据、内应力数据及其所可能带来的矿山安全隐患模型，用于将接收到的各光纤光栅传感器所发送的数据与所存储的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；
三维模型建立模块，用于通过ADAMS根据中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种矿山三维立体模型；
仿真分析模块，用于通过Simulink搭建仿真分析模型对所建立的矿山三维模型进行仿真分析。
2.如权利要求1所述的以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，其特征在于，所述内锚杆(2)内布设有与所述电动伸缩杆、光纤光栅传感器(10)和电机(7)相连的供电电路。
3.如权利要求1所述的以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器(10)内设有北斗模块，通过短报文通讯的方式与远程控制器相连，远程控制器通过无线与电机(7)、电动伸缩杆(9)相连。
4.如权利要求1所述的以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，其特征在于，所述外锚杆(1)的锚头(5)的外壁上设有外螺纹，且锚头(5)与外锚杆(1)的连接处安装有一圈加固环(4)。
5.如权利要求1所述的以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，其特征在于，所述预测分析模块包括
图形绘制模块，用于绘制并监测根据监测数据得出的各种曲线图，
对比分析模块，将绘制曲线与原实测曲线进行对比分析和预测，输出分析预测结果。
6.如权利要求3所述的以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，其特征在于，所述远程控制器上设有一显示屏，用于进行监测数据的播放，还用于显示人机操作模块输入的各种数据以及整个监测过程中需要显示的数据，并基于检测到的数据输出表征矿山基本情况的二维结果图、三维结果图。
7.如权利要求3所述的以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，其特征在于，所述内锚杆(2)上设有与所述检测孔(3)相对应的条形空白区域。
8.如权利要求1所述的以锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测系统，其特征在于，所述内锚杆(2)下端底面与锚头(5)之间设有一空隙层，且空隙层的宽度不高于5mm。
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