CN108007775A - 地下岩层应变监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下岩层应变监测系统，该系统准确性高、实时性好、可靠性高、监测深度和量程较大，该系统包括：锚杆，锚杆的侧壁沿锚杆的长度方向开设有容纳槽；设置在容纳槽内并通过固定材料与锚杆进行固定的同轴电缆应变传感器，其中，固定有同轴电缆应变传感器的锚杆在对应的监测位置处沿待测岩层的厚度方向插入待测岩层中；与同轴电缆应变传感器相连的数据采集装置，数据采集装置用于向同轴电缆应变传感器发射监测信号，并接收来自同轴电缆应变传感器的反射信号，以及根据反射信号生成监测数据；通信装置；数据处理装置，数据处理装置通过通信装置与数据采集装置进行通信以获取监测数据，并对监测数据进行处理以得到待测岩层的应变状况。

Description

地下岩层应变监测系统

技术领域

本发明涉及岩层监测技术领域，特别涉及一种地下岩层应变监测系统。

背景技术

近年来，我国煤炭开采逐渐转移到内蒙、新疆地区等西部地区，且开采强度越来越大。与传统煤矿开采不同的是，西部地区的开采煤层埋藏浅、基岩薄，具有厚风积沙赋存条件，因此，大工作面、大采高开采会导致大范围顶板切落。

顶板岩层破坏所形成的裂隙通道会导致突水或突水溃沙，致使地下水流失，造成地表植被死亡、草地沙漠化等生态环境问题。因此有必要监测和研究浅埋综采工作面顶板岩层切落特征及规律，防止岩层切落造成人员伤亡及环境破坏。

目前我国对桥梁、管道、隧道等的应变监测多采用电阻应变计、振弦式应变计等来监测顶板形变，但这些应变传感器的测试量程比较低(一般小于2％)，多为局部监测，对于大型民用设施不能反映其整体的应变情况；采用光纤光栅传感器，系统造价较高，且光纤光栅传感器应变范围小，易被拉断；采用钢绞线来监测西部地区的岩层切落时，钻孔因地层错落会变形严重，造成钢缆塞死，使监测失真失效。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种地下岩层应变监测系统，能够有效地对待测岩层的应变状况进行监测，准确性高、实时性好、可靠性高、寿命较长，并且该系统适于监测深度较大、应变较大的岩层。

为达到上述目的，本发明提出了一种地下岩层应变监测系统，其包括：锚杆，所述锚杆的侧壁沿所述锚杆的长度方向开设有容纳槽；同轴电缆应变传感器，所述同轴电缆应变传感器设置在所述容纳槽内并通过固定材料与所述锚杆进行固定，其中，固定有所述同轴电缆应变传感器的所述锚杆在对应的监测位置处沿待测岩层的厚度方向插入所述待测岩层中；数据采集装置，所述数据采集装置与所述同轴电缆应变传感器相连，所述数据采集装置用于向所述同轴电缆应变传感器发射监测信号，并接收来自所述同轴电缆应变传感器的反射信号，以及根据所述反射信号生成监测数据；通信装置，所述通信装置与所述数据采集装置相连；数据处理装置，所述数据处理装置与通信装置相连，所述数据处理装置通过所述通信装置与所述数据采集装置进行通信以获取所述监测数据，并对所述监测数据进行处理以得到所述待测岩层的应变状况。

根据本发明实施例的地下岩层应变监测系统，通过将同轴电缆应变传感器固定设置在锚杆内，并插入待测岩层中，然后通过数据采集装置向同轴电缆应变传感器发射监测信号，并接收相应的反射信号，以及根据反射信号生成监测数据，最后通过数据处理装置与数据采集装置进行通信以接收监测数据，并根据监测数据得到待测岩层的应变状况，由此，能够有效地对待测岩层的应变状况进行监测，准确性高、实时性好、可靠性高、寿命较长，并且该系统适于监测深度较大、应变较大的岩层。

另外，根据本发明上述实施例提出的地下岩层应变监测系统还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述同轴电缆应变传感器包括同轴电缆和间隔设置在所述同轴电缆上的多个布拉格电栅，其中，相邻的两个布拉格电栅之间的距离根据单个岩层的厚度进行确定。

具体地，所述锚杆的直径为25～35mm，所述锚杆的长度为8～12m，所述容纳槽为宽度与深度均为9～11mm的矩形槽，所述容纳槽的长度与所述锚杆的长度相同。

具体地，所述同轴电缆应变传感器的直径为7.5～8.5mm。

具体地，所述固定材料为胶粘剂。

根据本发明的一个实施例，所述通信装置为无线通信装置，所述数据处理装置通过所述无线通信装置与所述数据采集装置进行无线通信以获取所述监测数据。

根据本发明的一个实施例，所述数据采集装置为解调仪，所述数据处理装置为上位机。

进一步地，所述通信装置包括无线传输模块、基站和服务器，其中，所述无线传输模块分别与所述解调仪和所述基站相连，所述无线传输模块用于将所述解调仪生成的所述监测数据传输至所述基站；所述基站还与所述服务器相连，所述基站用于将接收到的所述监测数据传输至所述服务器；所述服务器还与所述上位机相连，所述服务器用于将接收到的所述监测数据传输至所述上位机。

进一步地，所述上位机根据所述监测数据得到所述反射信号的频率，并根据所述反射信号的频率得到所述待测岩层的应变状况。

根据本发明的一个实施例，所述监测位置为多个，每个所述监测位置均具有对应的一个所述锚杆、所述同轴电缆应变传感器、所述解调仪以及所述无线传输模块。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过对本发明的实践了解到。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的地下岩层应变监测系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的锚杆的轴向剖视图；

图3为根据本发明一个实施例的锚杆的径向剖视图。

附图标记：

1-待测岩层；

10-锚杆、20-同轴电缆应变传感器、30-数据采集装置、40-通信装置、50-数据处理装置；

11-容纳槽、12-固定材料；

21-同轴电缆、22-布拉格电栅；

41-无线传输模块、42-基站、43服务器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图来描述本发明实施例的地下岩层应变监测系统。

如图1所示，本发明实施例的地下岩层应变监测系统，包括：锚杆10、同轴电缆应变传感器20、数据采集装置30、通信装置40和数据处理装置50。

其中，如图1至图3所示，锚杆10的侧壁沿锚杆的长度方向开设有容纳槽11，同轴电缆应变传感器20设置在容纳槽11内并通过固定材料12与锚杆10进行固定，其中，固定有同轴电缆应变传感器20的锚杆10在对应的监测位置处沿待测岩层1的厚度方向插入待测岩层1中。数据采集装置30与同轴电缆应变传感器20相连，数据采集装置30用于向同轴电缆应变传感器20发射监测信号，并接收来自同轴电缆应变传感器20的反射信号，以及根据反射信号生成监测数据。通信装置40与数据采集装置30相连，数据处理装置50与通信装置40相连，数据处理装置50通过通信装置40与数据采集装置30进行通信以获取监测数据，并对监测数据进行处理以得到待测岩层1的应变状况。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，同轴电缆应变传感器20可包括同轴电缆21和间隔设置在所述同轴电缆21上的多个布拉格电栅22。其中，相邻的两个布拉格电栅22之间的距离可根据单个岩层的厚度进行确定，以确保固定有同轴电缆应变传感器20的锚杆10插入待测岩层1后，每个岩层处至少有一个布拉格电栅22，以便得到每个岩层的应变状况。

锚杆10可为圆柱形，其最大长度可根据待测岩层1的深度进行确定，例如可为8～12m，其径向切面的直径可为25～35mm。如图3所示，容纳槽11可为宽度与深度均为9～11mm的矩形槽，容纳槽11的长度与锚杆10的长度相同，即容纳槽11沿锚杆10的轴向贯通锚杆10。同轴电缆应变传感器20的直径小于容纳槽的宽度和深度，例如可以为7.5～8.5mm，以便设置在容纳槽11之内。并且，如图3所示，通过在同轴电缆应变传感器20和容纳槽11的周壁之间填充固定材料12，如胶粘剂，以使同轴电缆应变传感器20与锚杆10固定为一体。在同轴电缆应变传感器20与锚杆10固定为一体后，可在锚杆表面刷一层黑漆。另外，同轴电缆应变传感器20的上端还可引出连接线以便与数据采集装置30进行连接。

在本发明的一个具体实施例中，锚杆10的最大长度为10m，锚杆10径向切面的直径为30mm，矩形槽的宽度与深度均为10mm，同轴电缆应变传感器20的直径为8mm。

监测位置可根据所测地质构造，结合岩土特性进行选定。监测位置可以为一个或多个，本实施例中暂以一个监测位置为例。在选定监测位置后，可在该监测位置钻孔，并将固定有同轴电缆应变传感器20的锚杆10插入钻孔内，以及向钻孔内注浆以使锚杆10与待测岩层1固定在一起。

在本发明的一个实施例中，数据采集装置30可为解调仪。在上述锚杆10插入待测岩层1中并固定后，解调仪可通过连接线向同轴电缆应变传感器20发射监测信号，监测信号可在同轴电缆应变传感器20内传输，当遇到布拉格电栅22时，监测信号可产生多个周期性的窄带反射信号。解调仪可通过连接线接收该反射信号，并生成监测数据。

在本发明的一个实施例中，通信装置40可为无线通信装置，数据处理装置50可通过该无线通信装置与数据采集装置30进行无线通信以获取上述监测数据。数据处理装置50可为上位机。

具体地，如图1所示，通信装置40可包括无线传输模块41、基站42和服务器43。其中，无线传输模块41分别与解调仪和基站42相连，无线传输模块41可为GSM无线传输模块，其通过串行接口与解调仪相连，无线传输模块41用于将解调仪生成的监测数据传输至基站42；基站42还与服务器43相连，基站42用于将接收到的监测数据传输至服务器43；服务器43还与上位机相连，服务器43用于将接收到的监测数据传输至上位机。

应当理解，当待测岩层1发生应变时，例如发生变形或切落时，锚杆10可发生形变，从而导致同轴电缆应变传感器20的长度发生变化。同轴电缆应变传感器20的长度变化可引起上述周期性窄带反射信号频率的变化。因此，在本发明的一个实施例中，上位机可根据上述监测数据得到反射信号的频率，并根据反射信号的频率得到待测岩层1的应变状况。

具体地，如果当前得到的反射信号的频率相对于预设频率或此前得到的反射信号的频率发生变化，则可判断待测岩层发生变形；根据频率的变化量可获取待测岩层的变形程度，并且在频率的变化量大于预设阈值时，可判断待测岩层发生切落。

另外需要说明的是，如图1所示，监测位置可为多个，每个监测位置均具有对应的一个锚杆、同轴电缆应变传感器、解调仪以及无线传输模块，每个基站对应的监测位置的数量可根据多个监测位置与基站之间的通信距离限值进行设定，以保证每个监测位置的监测数据均能够最终传输到上位机为准。每个监测位置处的锚杆、同轴电缆应变传感器、解调仪以及无线传输模块等的连接方式和数据传输方式均相同，详见上述实施例，为避免冗余，在此不一一赘述。

根据本发明实施例的地下岩层应变监测系统，通过将同轴电缆应变传感器固定设置在锚杆内，并插入待测岩层中，然后通过数据采集装置向同轴电缆应变传感器发射监测信号，并接收相应的反射信号，以及根据反射信号生成监测数据，最后通过数据处理装置与数据采集装置进行通信以接收监测数据，并根据监测数据得到待测岩层的应变状况，由此，能够有效地对待测岩层的应变状况进行监测，准确性高、实时性好、可靠性高、寿命较长，并且该系统适于监测深度较大、应变较大的岩层。

另外，通过设置多个监测位置，并利用广域网无线通信，可实现对岩层应变状况的大区域范围多点实时在线监测。

在本发明的描述中，需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种地下岩层应变监测系统，其特征在于，包括：

锚杆，所述锚杆的侧壁沿所述锚杆的长度方向开设有容纳槽；

同轴电缆应变传感器，所述同轴电缆应变传感器设置在所述容纳槽内并通过固定材料与所述锚杆进行固定，其中，固定有所述同轴电缆应变传感器的所述锚杆在对应的监测位置处沿待测岩层的厚度方向插入所述待测岩层中；

数据采集装置，所述数据采集装置与所述同轴电缆应变传感器相连，所述数据采集装置用于向所述同轴电缆应变传感器发射监测信号，并接收来自所述同轴电缆应变传感器的反射信号，以及根据所述反射信号生成监测数据；

通信装置，所述通信装置与所述数据采集装置相连；

数据处理装置，所述数据处理装置与通信装置相连，所述数据处理装置通过所述通信装置与所述数据采集装置进行通信以获取所述监测数据，并对所述监测数据进行处理以得到所述待测岩层的应变状况。

2.根据权利要求1所述的地下岩层应变监测系统，其特征在于，所述同轴电缆应变传感器包括同轴电缆和间隔设置在所述同轴电缆上的多个布拉格电栅，其中，相邻的两个布拉格电栅之间的距离根据单个岩层的厚度进行确定。

3.根据权利要求2所述的地下岩层应变监测系统，其特征在于，所述锚杆的直径为25～35mm，所述锚杆的长度为8～12m，所述容纳槽为宽度与深度均为9～11mm的矩形槽，所述容纳槽的长度与所述锚杆的长度相同。

4.根据权利要求3所述的地下岩层应变监测系统，其特征在于，所述同轴电缆应变传感器的直径为7.5～8.5mm。

5.根据权利要求4所述的地下岩层应变监测系统，其特征在于，所述固定材料为胶粘剂。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的地下岩层应变监测系统，其特征在于，所述通信装置为无线通信装置，所述数据处理装置通过所述无线通信装置与所述数据采集装置进行无线通信以获取所述监测数据。

7.根据权利要求6所述的地下岩层应变监测系统，其特征在于，所述数据采集装置为解调仪，所述数据处理装置为上位机。

8.根据权利要求7所述的地下岩层应变监测系统，其特征在于，所述通信装置包括无线传输模块、基站和服务器，其中，

所述无线传输模块分别与所述解调仪和所述基站相连，所述无线传输模块用于将所述解调仪生成的所述监测数据传输至所述基站；

所述基站还与所述服务器相连，所述基站用于将接收到的所述监测数据传输至所述服务器；

所述服务器还与所述上位机相连，所述服务器用于将接收到的所述监测数据传输至所述上位机。

9.根据权利要求8所述的地下岩层应变监测系统，其特征在于，所述上位机根据所述监测数据得到所述反射信号的频率，并根据所述反射信号的频率得到所述待测岩层的应变状况。

10.根据权利要求9所述的地下岩层应变监测系统，其特征在于，所述监测位置为多个，每个所述监测位置均具有对应的一个所述锚杆、所述同轴电缆应变传感器、所述解调仪以及所述无线传输模块。