CN109779623A - 一种矿井筒监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井筒监测方法，属于井下监测领域。矿井筒的内壁上沿轴向方向间隔开设有多圈环形卸压槽，该方法包括在环形卸压槽内安装环形传力介质，并在两者构成的环形安装槽的壁上安装多个光纤光栅应变传感器；通过光纤光栅应变传感器实时获取矿井筒的应变信号；通过光缆将应变信号导入至矿井筒外部的解调器；通过解调器对应变信号进行转换并传输至矿井筒外部的数据采集仪，实现对矿井筒受力及变形情况的实时监测。该方法对矿井筒实现自动监测，简单且及时，通过环形传力介质及光纤光栅应变传感器，对监测环境的适应性强，抗干扰能力强，能实时且准确获取整个矿井筒井壁岩体的受力及变形情况，监测数据多样化。

Description

一种矿井筒监测方法

技术领域

本发明涉及井下监测领域，特别涉及一种矿井筒监测方法。

背景技术

在运营过程中，矿山立井井筒(简称矿井筒)受各种因素影响会发生受力及变形，为了确保矿山生产安全，有必要对矿井筒的受力及变形情况进行实时监测。

目前，针对矿井筒的监测手段主要分为物理表观特征监测方法和岩体内部应力监测方法。其中，物理表观特征监测方法主要采用穿孔钢卷尺收敛计、光电测距仪、机械式顶板离层仪等进行监测，岩体内部应力监测方法主要采用声发射仪、微震检波器、钻屑法进行监测。

然而，物理表观特征监测方法一般需要人工定期测量，繁琐且不及时。声发射仪、微震检波器对监测环境要求较高，其监测精度容易受外部环境影响，钻屑法对监测人员的专业经验要求较高，且仅适用于局部、小范围监测。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种矿井筒监测方法，可解决上述技术问题。具体而言，包括以下的技术方案：

一种矿井筒监测方法，所述矿井筒的内壁上沿轴向方向间隔开设有多圈环形卸压槽，所述矿井筒监测方法包括：在所述环形卸压槽内安装环形传力介质，并在所述环形传力介质与所述环形泄压槽构成的环形安装槽的壁上安装多个光纤光栅应变传感器；

通过所述光纤光栅应变传感器实时获取所述矿井筒的应变信号；

通过光缆将所述应变信号导入至所述矿井筒外部的解调器；

通过所述解调器对所述应变信号进行转换并传输至所述矿井筒外部的数据采集仪，实现对所述矿井筒受力及变形情况的实时监测。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：对所述数据采集仪采集的应变信号进行处理，获取所述矿井筒的应力值及应变值，进而获取所述矿井筒的受力及变形情况。

在一种可能的实现方式中，通过在每一所述环形安装槽的顶壁上沿圆周方向间隔布设有多个顶安装位，每一所述顶安装位上布设有两个交错设置的所述光纤光栅应变传感器，利用所述顶安装位上的所述光纤光栅应变传感器获取所述矿井筒沿两个不同方向的应变信号；

通过在每一所述环形安装槽的侧壁上沿圆周方向间隔布设有多个侧安装位，每一所述侧安装位上布设有两个交错设置的所述光纤光栅应变传感器，利用所述侧安装位上的所述光纤光栅应变传感器获取所述矿井筒沿两个不同方向的应变信号。

在一种可能的实现方式中，利用所述顶安装位上两个交错设置的所述光纤光栅应变传感器，获取所述矿井筒沿周向方向和径向方向的应变信号。

在一种可能的实现方式中，利用所述侧安装位上两个交错设置的所述光纤光栅应变传感器，获取矿井筒沿轴向方向和周向方向的应变信号。

在一种可能的实现方式中，所述对所述数据采集仪采集的应变信号进行处理，获取所述矿井筒应力值及应变值，包括：

根据所述应变信号，得到所述矿井筒沿特定方向上的应变值；

获取所述环形传力介质沿特定方向上的尺寸、以及弹性模量值；

根据所述矿井筒沿特定方向上的应变值以及所述弹性模量值，通过第一弹性力学公式，获取所述矿井筒沿相同方向上的应力值；

根据所述环形传力介质沿特定方向的尺寸以及所述矿井筒在相同方向上的应力值，通过第二弹性力学公式，获取所述矿井筒沿相同方向上的变形量；

其中，第一弹性力学公式为：σ＝Eε_i；

第二弹性力学公式为：

其中，i指的是所述特定方向，σ为应力值，ε为应变值，L为环形传力介质沿特定方向的尺寸，E为环形传力介质的弹性模量值。

在一种可能的实现方式中，所述矿井筒沿特定方向上的应变值包括：沿轴向方向上的应变值、沿径向方向上的应变值、沿周向方向上的应变值；

相应地，所述环形传力介质沿特定方向上的尺寸包括：轴向高度、径向宽度、周长。

在一种可能的实现方式中，在所述环形卸压槽内安装环形传力介质，包括：

在所述环形泄压槽内安装多个弧形传力段，将相邻所述弧形传力段依次进行焊接，实现所述环形传力介质的安装。

在一种可能的实现方式中，所述环形传力介质为环形钢圈。

在一种可能的实现方式中，所述光缆为多芯光缆。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的矿井筒监测方法，通过光纤光栅应变传感器实时获取环形传力介质的应变信号，通过光缆将应变信号导入至矿井筒外部的解调器，通过解调器对应变信号进行转换并传输至矿井筒外部的数据采集仪，实现对矿井筒受力及变形情况的实时监测。其中，通过在矿井筒的内壁上沿轴向方向间隔开设有多圈环形卸压槽，并在每一个环形卸压槽内部安装环形传力介质，同时在环形传力介质与环形卸压槽之间的环形安装槽内安装光纤光栅应变传感器，通过高灵敏度的光纤光栅应变传感器实时测量每一环形传力介质的应变值，通过弹性力学公式，即可实时获取矿井筒沿其轴向方向上各个位置处的应力值和应变值，进而获取其受力及变形情况。可见，该方法对矿井筒实现自动监测，简单且及时，通过在矿井筒的内壁上布设环形传力介质及光纤光栅应变传感器，对监测环境的适应性强，抗干扰能力强，能够实时且准确地获取整个矿井筒井壁岩体的受力及变形情况，监测数据多样化，实现对矿井筒多方位监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例提供的矿井筒监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的环形安装槽于顶安装位处的光纤光栅应变传感器布置图；

图3为本发明实施例提供的环形安装槽于侧安装位处的光纤光栅应变传感器布置图。

附图标记分别表示：

1-环形传力介质；

2-环形安装槽；

3-光纤光栅应变传感器，

4-光缆，

5-解调器，

6-数据采集仪。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

需要说明的是，本发明实施例所涉及的“矿井筒”均指的是矿山立井井筒。

本发明实施例提供了一种矿井筒监测方法，矿井筒的内壁上沿轴向方向间隔开设有多圈环形卸压槽，该矿井筒监测方法包括：在环形卸压槽内安装环形传力介质，并在环形传力介质与环形泄压槽构成的环形安装槽的壁上安装多个光纤光栅应变传感器。

通过光纤光栅应变传感器实时获取矿井筒的应变信号；

通过光缆将应变信号导入至矿井筒外部的解调器；

通过解调器对应变信号进行转换并传输至矿井筒外部的数据采集仪，实现对矿井筒受力及变形情况的实时监测。

本发明实施例提供的矿井筒监测方法，基于使用了改进的矿井筒监测装置，可对矿井筒的受力及形变情况进行实时监测。其中，如附图1所示，该矿井筒监测装置包括：位于环形卸压槽内部的环形传力介质1，沿圆周方向间隔布设于环形安装槽2的壁上的多个光纤光栅应变传感器3；位于矿井筒外部，且通过光缆4与光纤光栅应变传感器3连接的解调器5；位于矿井筒外部，且通过电缆与解调器5连接的数据采集仪6。

应用时，通过光纤光栅应变传感器3实时获取环形传力介质1的应变信号，通过光缆4将应变信号导入至矿井筒外部的解调器5，通过解调器5对应变信号进行转换并传输至矿井筒外部的数据采集仪6，实现对矿井筒受力及变形情况的实时监测。其中，通过在矿井筒的内壁上沿轴向方向间隔开设有多圈环形卸压槽，并在每一个环形卸压槽内部安装环形传力介质1，同时在环形传力介质1与环形卸压槽之间的环形安装槽2内安装光纤光栅应变传感器3，通过高灵敏度的光纤光栅应变传感器3实时测量每一环形传力介质1的应变值，通过弹性力学公式，即可实时获取矿井筒沿其轴向方向上各个位置处的应力值和应变值，进而获取其受力及变形情况。可见，利用本发明实施例提供的方法对矿井筒实现自动监测，简单且及时，通过在矿井筒的内壁上布设环形传力介质1及光纤光栅应变传感器3，对监测环境的适应性强，抗干扰能力强，能够实时且准确地获取整个矿井筒井壁岩体的受力及变形情况，监测数据多样化，实现对矿井筒多方位监测。

为了提高监测精度，本发明实施例在矿井筒的内壁上沿轴向方向间隔开设有多圈环形卸压槽，根据矿井筒的实际情况，来设置每一圈环形卸压槽的开设位置。在一种可能的实现方式中，可以使相邻两圈环形卸压槽之间的间距相等。

环形传力介质1的轴向高度小于环形泄压槽的轴向高度，意味着，环形传力介质1的底壁和侧壁与环形卸压槽的底壁以及下部侧壁紧密贴合，而环形传力介质1的顶壁与环形卸压槽的上部侧壁以及顶壁配合构成环形安装槽2，进而来为光纤光栅应变传感器3提供安装空间。

在一种可能的示例中，通过在每一环形安装槽2的顶壁上沿圆周方向间隔布设有多个顶安装位，每一顶安装位上布设有两个交错设置的光纤光栅应变传感器3，利用顶安装位上的光纤光栅应变传感器3获取矿井筒沿两个不同方向的应变信号；

通过在每一环形安装槽2的侧壁上沿圆周方向间隔布设有多个侧安装位，每一侧安装位上布设有两个交错设置的光纤光栅应变传感器3，利用侧安装位上的光纤光栅应变传感器3获取矿井筒沿两个不同方向的应变信号。

如此设置，可利用顶安装位上两个交错的光纤光栅应变传感器3获取矿井筒沿两个不同方向的应变信号，利用侧安装位上的两个交错的光纤光栅应变传感器3获取矿井筒沿另外两个不同方向上的应变信号，进而扩大监测范围，提高监测精度。

其中，顶安装位上的光纤光栅应变传感器3的监测方向与侧安装位上的光纤光栅应变传感器3的监测方向，可以部分相同，也可以全部不同，以下举例来说：

如附图2所示，可以使顶安装位上的两个光纤光栅应变传感器3分别沿环形传力介质1的周向方向和径向方向交错设置，如此设置，可利用顶安装位上两个交错设置的光纤光栅应变传感器3，获取矿井筒沿周向方向和径向方向的应变信号。

如附图3所示，可以使侧安装位上的两个光纤光栅应变传感器3分别沿环形传力介质1的轴向方向和周向方向交错设置，如此设置，可利用侧安装位上两个交错设置的光纤光栅应变传感器3，获取矿井筒沿轴向方向和周向方向的应变信号。

可以理解的是，对于每一圈环形卸压槽来说，其上的光纤光栅应变传感器3能够对矿井筒沿其周向方向，径向方向以及轴向方向上的应变进行实时测量，有效提高矿井筒井壁稳定性的监测精度和可靠性。

对于相同的环形安装槽2，顶安装位和侧安装位一一对应设置，也就意味着，顶安装位上安装的两个光纤光栅应变传感器3与侧安装位上安装的两个光纤光栅应变传感器3在轴向方向上是对应的，如此，可确保对矿井筒监测的可靠度。

而对于不同环形安装槽2，顶安装位一一对应设置或彼此交错设置，也就意味着，它们的侧安装位一一对应设置或者彼此交错设置，根据矿井筒实际情况来确定各顶安装位和侧安装位的位置，以达到高精度且高效监测的目的即可。

在一种可能的示例中，对于每一环形安装槽2，顶安装位和侧安装位均设置有3-6个，例如3个、4个、5个、6个等。

举例来说，对于每一环形安装槽2，可以一一对应设置4个顶安装位和4个侧安装位，其中，每一顶安装位上的两个光纤光栅应变传感器3分别沿环形传力介质1的周向方向和径向方向交错设置，同时，每一侧安装位上的两个光纤光栅应变传感器3分别沿环形传力介质1的轴向和周向交错设置。

本发明实施例中，利用光缆4实现光纤光栅应变传感器3与解调器5之间的信号连接，以便于将光纤光栅应变传感器3测量得到的光信号通过光纤传输至解调器5。为了在多个光纤光栅应变传感器3均能够与解调器5实现连接的前提下，尽可能地减少光缆4的占用空间，可以使光缆4为多芯光缆。

解调器5用来对光纤光栅应变传感器3测量得到的应变信号进行转换，使其成为能够被数据采集仪6所识别的数字信号。数据采集仪6用来采集并存储上述数字信号，以便于后续对该数字信号进行处理，获取矿井筒应力值及应变值，进而得到矿井筒的受力及变形情况。

即，本发明实施例提供的方法还包括：对数据采集仪采集的应变信号进行处理，获取矿井筒的应力值及应变值，进而获取矿井筒的受力及变形情况。

其中，对数据采集仪采集的应变信号进行处理，获取矿井筒应力值及应变值，包括：

根据应变信号，得到矿井筒沿特定方向上的应变值。

获取环形传力介质沿特定方向上的尺寸、以及弹性模量值。

根据矿井筒沿特定方向上的应变值以及弹性模量值，通过第一弹性力学公式，获取矿井筒沿相同方向上的应力值。

根据环形传力介质沿特定方向的尺寸以及矿井筒在相同方向上的应力值，通过第二弹性力学公式，获取矿井筒沿相同方向上的变形量。

其中，第一弹性力学公式为：σ＝Eε_i；

第二弹性力学公式为：

其中，i指的是所述特定方向，σ为应力值，ε为应变值，L为环形传力介质沿特定方向的尺寸，E为环形传力介质的弹性模量值。

举例来说，在如下情形下，矿井筒沿特定方向上的应变值包括：沿轴向方向上的应变值、沿径向方向上的应变值、沿周向方向的应变值；相应地，环形传力介质沿特定方向上的尺寸包括：轴向长度、径向宽度、周长。此时，第一弹性力学公式可表示为σ＝Eε_i；其中，i＝1，2，3，其中，1指的是沿矿井筒的轴向方向，2指的是沿矿井筒的周向方向，3指的是沿矿井筒的径向方向。第二弹性力学公式为：其中，L₁为环形传力介质的轴向高度，L₂为环形传力介质的周长，L₃为环形传力介质的径向宽度(即壁厚)。

本发明实施例中，环形传力介质1作为矿井筒的受力及形变传递介质，通过测量环形传力介质1的应变值，即可相应得到矿井筒的应变值。可见，本发明实施例提供的装置，可对矿井筒井壁岩体沿其纵向、周向以及径向方向的应力和应变进行实时同步监测，通过对多个物理量进行同步监测，利于提高矿井筒稳定性的监测精度和可靠性。

为了便于将环形传力介质1稳定地置于环形卸压槽内，本发明实施例中，环形传力介质1由多个弧形传力段通过焊接组合得到，应用时，将每一弧形传力段置于环形卸压槽相应位置处并依次对接，然后进行焊接，即可形成完整的环形传力介质1。即，本发明实施例中，在环形卸压槽内安装环形传力介质，包括：在环形泄压槽内安装多个弧形传力段，将相邻弧形传力段依次进行焊接，实现环形传力介质的安装。

考虑到环形传力介质1既要具有一定的弹性，又要具有一定的强度，以基于矿井筒的受力和形变而发生相应的受力和形变，即，与矿井筒时刻保持同步。基于此，本发明实施例中，环形传力介质1的材质可以为硬质钢，即，环形传力介质1可以为环形钢圈。

本发明实施例中，所采用的数据采集仪可以为市售的BGK-Micro-40自动化多通道数据采集仪；所采用的解调器可以为北京品傲光电科技有限公司销售的PI01型系列光纤光栅结构安全监测分析仪；所采用的多芯光缆可以为市售的GYTA-24B1型光缆；所采用的光纤光栅应变传感器可以为BGK-FBG-4150型光纤光栅应变传感器(又称BGK-FBG-4150型光纤光栅表面应变计)。

综上所述，本发明实施例提供的方法，可基于如下提供的这样一种矿井筒监测装置，对矿井筒进行实时监测，其中，该矿井筒监测装置包括：位于环形卸压槽内部的环形钢圈，其中，环形钢圈的轴向高度小于环形泄压槽的轴向高度，以在两者之间形成环形安装槽2。在每一环形安装槽2的顶壁上沿圆周方向均匀地间隔布设有4个顶安装位，其中，每一顶安装位上布设有两个交错设置的光纤光栅应变传感器3(监测方向分别沿环形传力介质1的周向方向和径向方向)。同时，在每一环形安装槽2的侧壁上沿圆周方向均匀地间隔布设有4个侧安装位，每一侧安装位上布设有两个交错设置的光纤光栅应变传感器3(监测方向分别沿环形传力介质1的周向方向和轴向方向)。对于相同的环形安装槽2，顶安装位和侧安装位一一对应设置。在矿井筒外部设置有解调器5和数据采集仪6，其中解调器5通过光缆4与光纤光栅应变传感器3连接，数据采集仪6通过电缆与解调器5连接。

通过上述矿井筒监测装置，本发明实施例提供的矿井筒监测方法至少具有以下优点：

(1)针对目前矿山井下采动灾害监测技术存在的测量参数单一、测量范围小、易受外界干扰等问题，该矿井筒监测装置基于光纤光栅技术对矿井筒进行实时监测，成本低、灵敏度高、稳定可靠、操作方便，可有效监测矿井筒井壁岩体的受力和变形情况。

(2)该矿井筒监测装置采用在矿井筒分层开挖环形卸压槽的方式进行监测，通过在每一层环形卸压槽内安装环形钢圈，可实现对井壁岩体纵向、周向、径向的应力和应变多个物理量的同步监测，有效提高了矿井筒井壁稳定性的监测精度和可靠性。

(3)将光纤光栅应变传感技术应用于矿井筒井壁稳定性监测，具备抗干扰、耐腐蚀、易于实现分布式并行组网等优点，可实现全自动化数据采集、存储和处理，避免监测人员直接接触危险监测区，改善了监测人员的监测环境，同时也使得监测的劳动强度大大降低。

可见，本发明实施例提供的矿井筒监测方法，所采用的监测装置结构简捷可靠、设计目的明确，安装灵活、隐蔽、安全，操作使用方便，维护保养简单，使矿井筒井壁监测方法的针对性、有效性、实用性得以显著增高，可广泛用于各类煤矿、金属矿等深井开采作业，具有很好的应用前景。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种矿井筒监测方法，其特征在于，所述矿井筒的内壁上沿轴向方向间隔开设有多圈环形卸压槽，所述矿井筒监测方法包括：在所述环形卸压槽内安装环形传力介质，并在所述环形传力介质与所述环形泄压槽构成的环形安装槽的壁上安装多个光纤光栅应变传感器；

通过所述光纤光栅应变传感器实时获取所述矿井筒的应变信号；

通过光缆将所述应变信号导入至所述矿井筒外部的解调器；

通过所述解调器对所述应变信号进行转换并传输至所述矿井筒外部的数据采集仪，实现对所述矿井筒受力及变形情况的实时监测。

2.根据权利要求1所述的矿井筒监测方法，其特征在于，所述方法还包括：对所述数据采集仪采集的应变信号进行处理，获取所述矿井筒的应力值及应变值，进而获取所述矿井筒的受力及变形情况。

3.根据权利要求1所述的矿井筒监测方法，其特征在于，通过在每一所述环形安装槽的顶壁上沿圆周方向间隔布设有多个顶安装位，每一所述顶安装位上布设有两个交错设置的所述光纤光栅应变传感器，利用所述顶安装位上的所述光纤光栅应变传感器获取所述矿井筒沿两个不同方向的应变信号；

通过在每一所述环形安装槽的侧壁上沿圆周方向间隔布设有多个侧安装位，每一所述侧安装位上布设有两个交错设置的所述光纤光栅应变传感器，利用所述侧安装位上的所述光纤光栅应变传感器获取所述矿井筒沿两个不同方向的应变信号。

4.根据权利要求3所述的矿井筒监测方法，其特征在于，利用所述顶安装位上两个交错设置的所述光纤光栅应变传感器，获取所述矿井筒沿周向方向和径向方向的应变信号。

5.根据权利要求3所述的矿井筒监测方法，其特征在于，利用所述侧安装位上两个交错设置的所述光纤光栅应变传感器，获取所述矿井筒沿轴向方向和周向方向的应变信号。

6.根据权利要求2所述的矿井筒监测方法，其特征在于，所述对所述数据采集仪采集的应变信号进行处理，获取所述矿井筒应力值及应变值，包括：

根据所述应变信号，得到所述矿井筒沿特定方向上的应变值；

获取所述环形传力介质沿所述特定方向上的尺寸、以及弹性模量值；

根据所述矿井筒沿特定方向上的应变值以及所述弹性模量值，通过第一弹性力学公式，获取所述矿井筒沿相同方向上的应力值；

根据所述环形传力介质沿所述特定方向的尺寸以及所述矿井筒在相同方向上的应力值，通过第二弹性力学公式，获取所述矿井筒沿相同方向上的变形量；

其中，第一弹性力学公式为：σ＝Eε_i；

第二弹性力学公式为：

其中，i指的是所述特定方向，σ为应力值，ε为应变值，L为环形传力介质沿特定方向的尺寸，E为环形传力介质的弹性模量值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述矿井筒沿特定方向上的应变值包括：沿轴向方向上的应变值、沿径向方向上的应变值、沿周向方向上的应变值；

相应地，所述环形传力介质沿特定方向上的尺寸包括：轴向高度、径向宽度、周长。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述环形卸压槽内安装环形传力介质，包括：

在所述环形泄压槽内安装多个弧形传力段，将相邻所述弧形传力段依次进行焊接，实现所述环形传力介质的安装。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述环形传力介质为环形钢圈。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光缆为多芯光缆。