CN110439618A - 一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统 - Google Patents
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Abstract
一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，包括动态监测模块和破碎治理模块，动态监测模块包括井上的地面监测服务器主机、交换机，井下的变电所、煤矿用阻燃通信光缆、电缆、矿用光纤传感器、动力开关、若干个动态监测主机和交换机，井下各光纤传感器将检测信号通过光缆接入动态监测主机中进行解调分析，分析处理完的数据通过交换机上传到地面监测服务器主机上，所述地面监测服务器主机监测光纤传感器数据并根据异常情况向破碎治理模块发送相关指令；所述破碎治理模块能够根据地面监测服务器主机发出的指令对不稳定顶板进行注浆处理。本发明矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统架构简单，稳定性好，兼容性及带载能力强，无需建立大量分站。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿顶板监测与顶板治理领域，具体涉及一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统。尤其适用于当前深井开采煤矿巷道及采掘工作面的顶板离层大变化的检测、本地实时显示及远程预警。
背景技术
近年来，伴随着我国煤矿开采深度和开采强度的不断增加，同时带来了煤矿开采自然灾害的加重，特别是近些年顶板灾害事故频率明显上升；顶板安全问题多数是由监测手段落后、监测技术不稳定造成的。
目前矿压检测装置不完备，抗干扰能力差，传感器技术落后，数据传输能力差、传输距离短，无法实时在线监测，大区域检测传感器及分站现场供电复杂，现有光纤光栅传感器现场回收及重复安装工艺复杂，随着矿井的深部开采，要求监测顶板变形量传感器量程大，现有传感器量程无法满足现场实际需要，光纤光栅传感器无法本地实时显示等往往造成矿井安全监控不到位。
另外，传统的煤矿顶板检测系统架构及施工工艺复杂，一个监测工作面全部安装下来需要几十台监测分站、本安电源以及信号中继器，系统在井下敷设线路多，经常存在铺设线缆困难、线缆多、取电不方便、维护难等诸多不足问题，系统的分站取电比较单一，多数为127V或660V供电。
而且，煤矿隧道开挖时的扰动会引起较大的围岩变形，通常需要采用超前支护措施来控制围岩的变形，从而保证隧道施工安全。而超前支护的实施往往是通过经验来进行的，过于保守，会造成浪费，而过于薄弱将存在较大的安全隐患。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种更适合煤矿安全生产需求的矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，将矿用光纤顶板动态监测数据与全注浆锚索锚固工艺有机结合，采用安装方便、现场可视、测量精度高的矿用光纤传感器，针对系统监测数据变化判断巷道顶板支护是否合理，有效地确定顶板合理支护参数，不仅解决支护不足或过度支护问题，同时为探索以注浆锚索代替超前液压支架，从而取消工作面超前液压支架提供顶板动态变化数据，提高安全监测及生产自动化水平。
本发明的技术方案如下：
一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，包括动态监测模块和破碎治理模块；
所述动态监测模块包括井上的地面监测服务器主机、矿用本安型以太网交换机，和井下的变电所、煤矿用阻燃通信光缆、电缆、矿用光纤传感器，所述矿用光纤传感器设于矿顶和/或两帮位置，所述变电所内设有动力开关、若干个隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机和矿用本安型以太网交换机，每台隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机连接有若干个光纤传感器，所述井下各光纤传感器将检测信号通过光缆接入隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机中进行解调分析，所述隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机与矿用本安型以太网交换机相连，能够将分析处理完的数据通过矿用本安型以太网交换机上传到地面监测服务器主机上，所述地面监测服务器主机监测光纤传感器数据并根据异常情况向破碎治理模块发送相关指令；
所述破碎治理模块包括井上的地面监测服务器主机和井下的矿用光纤多参数智能注浆锚索，所述光纤多参数智能注浆锚索设于矿顶和/或两帮位置，能够根据地面监测服务器主机发出的指令对不稳定顶板进行注浆处理。
如上所述的矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，所述矿用光纤传感器包括矿用光纤顶板离层传感器、矿用光纤锚杆应力传感器和矿用光纤钻孔应力传感器。
进一步的，所述矿用光纤传感器位于井下回采工作面两巷道的顶部和/或两帮位置，所述巷道路线上设有若干处监测端面，每处监测端面设有一组监测单元，所述监测单元至少包括一支矿用光纤顶板离层传感器、一支矿用光纤锚杆应力传感器和一支矿用光纤钻孔应力传感器，每个监测端面的光纤传感器通过分纤接线盒接入到主光缆上，主光缆沿着两巷道铺设到井下变电所。
优选的，所述矿用光纤传感器从工作面到井下变电所内的动态监测主机通过32芯矿用阻燃光缆连接，传感器信号传输距离大于20km，并且不受工作面大型设备电磁干扰，避免传统总线式传感器在长距离传输过程中易受干扰而出现的跳大数、误报警等现象，确保系统监测的稳定性。
优选的，所述井下回采工作面两巷道路线上每隔30～50米设有一处监测端面。
如上所述的矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，所述矿用光纤顶板离层传感器基于光学原理，采用无源本安设计，设有机械码盘，具有可视化功能，设计量程大于500mm。
如上所述的矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，所述隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机的接入电源兼容127V～1140V，物理通道数不少于32个。
进一步的，所述隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机(1)内的火线接线柱至少设有127V接线柱、660V接线柱和1140V接线柱中的两个。
如上所述的矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，所述地面监测服务器主机包括数据采集解调分析模块、通讯模块、视图管理模块、传感器管理模块、预警管理模块和数据存储模块；
所述数据采集解调分析模块包括激光器光谱信号读取、波长曲线分析、波长解调算法；
所述通讯模块包括激光器通讯UDP通讯协、TCPIP SOCKET通讯协议模块；
所述视图管理模块包括模拟图界面、CAD图示界面、柱状图示界面、实时列表图示；
所述传感器管理模块包括传感器安装工程信息管理、传感器光波参数管理；
所述预警管理模块包括定值预警功能、趋势分析预警功能；
所述数据存储模块包括实时数据存储功能、历史查询功能、报表管理功能；
具体的，所有监测端面的光纤传感器通过光缆接入隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机进行解调分析，分析处理完的数据通过井下环网交换机上传到地面监测服务器主机上，地面监测服务器主机可对上传数据进行显示、存储、分析和预警。当地面监测服务器主机发出顶板变形预警信号时，可控制光纤多参数智能注浆锚索对不稳定顶板进行注浆处理。
本发明的有益效果在于：
1、本发明公开的矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，依靠一台解调主机通过光缆可连接上百个光纤顶板离层、锚杆应力、钻孔应力等传感器，与传统系统相比架构简单，稳定性好，兼容性及带载能力强，无需建立大量分站。
2、本发明公开的矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，光纤顶板离层传感器基于光学原理，采取无源本安设计，大量程，可视化，且传感器设计量程在500mm，解决了市面上光纤传感器可视化问题和量程小问题，而且传感器可重复利用，降低了使用成本。
3、本发明公开的矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，所用光纤传感器测量距离长，解决了传统监测系统抗干扰、信号需中继、分站供电线路复杂、防潮防水等问题，系统可实时动态监测顶板的变化规律，准确预报早期隐患点的位置，对预防顶板灾害和保证工作人员安全具有重要意义。
4、本发明公开的矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，首次将光纤传感监测系统与全注浆锚索工艺有机结合，针对系统报警事件，及时采取补打注浆锚索治理措施，有效控制顶板沉降和破碎，防止顶板事故发生。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
在附图中：
图1为本实施例1的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统架构图；
图2为系统传感器在井下的布局图；
图3为光纤传感器在监测端面的安装位置图；
图4为光纤顶板离层传感器的结构示意图；
图5为光纤多参数智能注浆锚索的安装示意图；
图6为隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机的结构示意图；
图7为现场使用例中监测数据变化曲线；
图中各附图标记所代表的组件为：
1、隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机，101、接线腔，102、零线接线柱，103、127V接线柱，104、660V接线柱，105、1140V接线柱，106、主机网线，107、光缆入口，2、光纤顶板离层传感器，201、锚爪，202、钢丝绳，203、安装杆，204、扭矩弹簧，205、显示码盘，206、指针，3、光纤锚杆应力传感器，4、光纤钻孔应力传感器，401、油压包，402、油管，5、光纤多参数智能注浆锚索，501、钢绞线，502、注浆管，503、光纤光栅串，504、锚索传感器，6、矿用本安型以太网交换机，7、动力开关，8、接线盒，9、光缆，10、尾纤，11、巷道，12、煤柱，13、顶板，14、老顶，15、水泥浆，16、第一信号，17、第二信号，18、第三信号，19、第四信号。
具体实施方式
下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。
本发明中提及的方位“侧面”、“底面”、“顶面”等，仅用来表达相对的位置关系，而不受实际应用中任何具体方向参照的约束。
实施例1
参见图1，图1为本实施例的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，包括动态监测模块和破碎治理模块。
所述动态监测模块分为井上部分和井下部分，其中，井上部分包括地面监测服务器主机和矿用本安型以太网交换机6，所述矿用本安型以太网交换机6中的数据一方面上传至地面监测服务器主机中，另一方面还通过网络上传至动力灾害大数据平台中，优选的，所述矿用本安型以太网交换机6还设有至少一台备份主机，以保证信息安全，所述地面监测服务器主机连接有打印机，便于输出信息。
进一步的，所述井下部分包括变电所、煤矿用阻燃通信光缆9、电缆和矿用光纤传感器，所述矿用光纤传感器设于矿顶和两帮位置，所述变电所内设有动力开关、若干个隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机1和矿用本安型以太网交换机6，每台隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机1连接有若干个光纤传感器，所述井下各光纤传感器将检测信号通过光缆9接入隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机1中进行解调分析，所述隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机1与矿用本安型以太网交换机6相连，能够将分析处理完的数据通过矿用本安型以太网交换机6上传到井上的矿用本安型以太网交换机6中，再由井上的矿用本安型以太网交换机6上传到地面监测服务器主机上，所述地面监测服务器主机监测光纤传感器数据并根据异常情况向破碎治理模块发送相关指令；
所述破碎治理模块包括井上的地面监测服务器主机和井下的矿用光纤多参数智能注浆锚索，所述光纤多参数智能注浆锚索设于矿顶或两帮位置，能够根据地面监测服务器主机发出的指令对不稳定顶板进行注浆处理。
在本实施例中，所述矿用光纤传感器包括矿用光纤顶板离层传感器2、矿用光纤锚杆应力传感器3和矿用光纤钻孔应力传感器4。
下面参见图2，图2为系统传感器在井下的布局图，所述矿用光纤传感器位于井下回采工作面两巷道11内，每条巷道11路线上设有若干处监测端面，相邻监测端面之间的距离为a，每处监测端面设有一组监测单元，所述监测单元包括一支矿用光纤顶板离层传感器2、一支矿用光纤锚杆应力传感器3和两支矿用光纤钻孔应力传感器4，每个监测端面的光纤传感器通过分纤接线盒8接入到主光缆9上，主光缆9沿着两巷道11铺设到井下变电所。
优选的，所述矿用光纤传感器从工作面到井下变电所内的动态监测主机通过32芯矿用阻燃光缆9连接，传感器信号传输距离大于20km，并且不受工作面大型设备电磁干扰，避免传统总线式传感器在长距离传输过程中易受干扰而出现的跳大数、误报警等现象，确保系统监测的稳定性。
作为进一步的优选，所述相邻监测端面之间的距离a的数值在30～50米之间。
在本实施例中，所述矿用光纤传感器在监测端面的安装位置图参见图3，其中，所述矿用锚杆应力传感器3需要先将锚杆安装于煤体内并固定好，然后将传感器安装到锚杆底部用螺母预紧固定；所述矿用光纤顶板离层传感器2安装在顶板上；所述两支矿用光纤钻孔应力传感器4安装时，先将油压包401安装到预先打好的孔内，通过油管402与传感器进行连接，安装好传感器后，通过传感器上带有的三通接头给油压包401注入液压油，使油压包涨开与孔壁完全耦合，并保留一定预压力。最后将上述四支传感器的尾纤10接入到光纤接线盒8内的分路器并连接到主光缆9上。上述矿用锚杆应力传感器3、矿用光纤顶板离层传感器2和所述矿用光纤钻孔应力传感器4形成了巷道11内的一个监测端面，其监测范围为±50m。
下面结合图4，所述矿用光纤顶板离层传感器2包括锚爪201、钢丝绳202、安装杆203、扭矩弹簧204、显示码盘205和指针206，安装时，先将锚爪201的深基点固定在老顶14上、浅基点固定在煤体内，然后将两个钢丝绳202穿过传感器安装杆203，将矿用光纤离层传感器2安装到顶板14上，通过扭矩弹簧204与顶板14上的孔壁耦合，保证传感器安装牢固，最后将多余的钢丝绳202缠绕到传感器滚轮上，预紧，将显示码盘205上的指针206调零即可。本实施例中的矿用光纤顶板离层传感器2基于光学原理，采用无源本安设计，设有机械码盘，具有可视化功能，设计量程大于500mm。
下面参见图5，所述光纤多参数智能注浆锚索5贯穿巷道11的顶板13嵌入老顶14内，巷道11两侧的煤柱12上设有接线盒8，所述光纤多参数智能注浆锚索5包括钢绞线501、中空注浆管502、光纤光栅串503、尾纤10和锚索传感器504，其中尾纤10接入接线盒8内，当巷道11顶板13受力出现了破碎时，通过在破碎顶板13上按照一定距离间隔打安装孔，打好孔后将矿用光纤多参数智能注浆锚杆5进行安装，其中锚索传感器504一端固定于老顶14上，另一端在巷道11顶部预留出8～20cm用于注浆。锚索传感器504安装好后，可接收地面监测服务器主机的指令，通过注浆泵将带有添加剂的水泥浆15注入锚索传感器504内的注浆管502中，当锚索传感器504内注浆管502达到一定的压力后，会逐区域的破碎，通过钢绞线501的缝隙将水泥浆15渗透到破碎的煤体或岩块内，当注浆泵的压力达到5MPa，可以停止注浆，等带有添加剂的水泥浆15稳固后，破碎的煤体或岩块重新形成一个整体，锚索传感器504外的光纤光栅串503同时也固化到煤体内，实时对修复的顶板13进行在线监测。
下面结合图6，图6为隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机1的结构示意图，上部为接线腔盖，将接线腔盖取下后，下部的接线腔101内设有四个接线柱，包括零线接线柱102、127V接线柱103、660V接线柱104和1140V接线柱105，用于不同电压的输入。接线柱另一侧设有主机网线106和光缆入口107，所述光缆入口107的物理通道数不少于32个，主机供电接好后，光缆9与光缆入口107连接，主机网线106与变电所内的矿用本安型以太网交换机6相连。优选的，所述主机网线106根据主机与矿用本安型以太网交换机6之间的距离选择使用矿用网线或双线光纤，当主机离矿用本安型以太网交换机6较近时，主机可以通过矿用网线直接连接到矿用本安型以太网交换机6上，当主机离矿用本安型以太网交换机6较远时，如主机与矿用本安型以太网交换机6距离位置大于100米，可通过主机内部双线光纤连接到矿用本安型以太网交换机6上。
进一步的，所述隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机1采用3Hz可调谐半导体激光器解调模块，32个通道上百支传感器每秒可扫描3次，实现煤矿顶板动态变化的实时在线监测。
在本实施例中，铺设光缆9从井下变电所开始沿着巷道11到工作面的两巷内，光缆9的具体芯数根据现场安装传感器的数量确定。
在本实施例中，所述地面监测服务器主机包括数据采集解调分析模块、通讯模块、视图管理模块、传感器管理模块、预警管理模块和数据存储模块。
所述数据采集解调分析模块包括激光器光谱信号读取、波长曲线分析、波长解调算法；
所述通讯模块包括激光器通讯UDP通讯协、TCPIP SOCKET通讯协议模块；
所述视图管理模块包括模拟图界面、CAD图示界面、柱状图示界面、实时列表图示；
所述传感器管理模块包括传感器安装工程信息管理、传感器光波参数管理；
所述预警管理模块包括定值预警功能、趋势分析预警功能；
所述数据存储模块包括实时数据存储功能、历史查询功能、报表管理功能；
具体的，所有监测端面的光纤传感器通过光缆9接入隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机1进行解调分析，分析处理完的数据通过井下环网交换机上传到地面监测服务器主机上，地面监测服务器主机可对上传数据进行显示、存储、分析和预警。当地面监测服务器主机发出顶板变形预警信号时，可控制光纤多参数智能注浆锚索5对不稳定顶板进行注浆处理。
现场使用例
图7为矿上某处工作面所对应的监测面板的数据变化曲线图，该工作面处共设有10个监测端面，相邻监测端面间隔20米，在使用矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统运行过程中，先后多次给出了准确的预警和报警。在该监测面板中，横坐标为时间坐标，纵坐标为传感器数据信息，由图中可以看到，该曲线图在第一信号16位置，光纤顶板离层传感器2数据逐步上升，当传感器数据上升至第二信号17位置时，系统发出了趋势变化预警并产生预警处理通知单，此时，系统可根据指示启动光纤多参数智能注浆锚索5，或者相关人员在接收到预警通知单后，安排施工人员下井在该传感器周围按照一定的距离打相应数量的注浆锚索，在治理期间，数据曲线会出现小幅度波动，参见第三信号18，等水泥浆稳固后，传感器监测数据开始逐步稳定，如第四信号19处曲线所示，本实例中针对系统报警事件，及时采取补打注浆锚索治理措施，可有效的控制顶板沉降和破碎，防止顶板事故发生。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，其特征在于：包括动态监测模块和破碎治理模块；
所述动态监测模块包括井上的地面监测服务器主机、矿用本安型以太网交换机(6)，和井下的变电所、煤矿用阻燃通信光缆(9)、电缆、矿用光纤传感器，所述矿用光纤传感器设于矿顶和/或两帮位置，所述变电所内设有动力开关(7)、若干个隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机(1)和矿用本安型以太网交换机(6)，所述井下各光纤传感器将检测信号通过光缆(9)接入隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机(1)中进行解调分析，所述隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机(1)与矿用本安型以太网交换机(6)相连，能够将分析处理完的数据通过矿用本安型以太网交换机(6)上传到地面监测服务器主机上，所述地面监测服务器主机监测光纤传感器数据并根据异常情况向破碎治理模块发送相关指令；
所述破碎治理模块包括井上的地面监测服务器主机和井下的矿用光纤多参数智能注浆锚索(5)，所述光纤多参数智能注浆锚索(5)设于矿顶和/或两帮位置，能够根据地面监测服务器主机发出的指令对不稳定顶板进行注浆处理。
2.根据权利要求1所述的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，其特征在于，所述矿用光纤传感器包括矿用光纤顶板离层传感器(2)、矿用光纤锚杆应力传感器(3)和矿用光纤钻孔应力传感器(4)。
3.根据权利要求2所述的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，其特征在于，所述矿用光纤传感器位于井下回采工作面两巷道的顶部和/或两帮位置，所述巷道路线上设有若干处监测端面，每处监测端面设有一组监测单元，所述监测单元包括若干个矿用光纤传感器，每个监测端面的光纤传感器通过分纤接线盒(8)接入到主光缆(9)上，主光缆(9)沿着两巷道铺设到井下变电所。
4.根据权利要求3所述的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，其特征在于，所述井下回采工作面两巷道路线上每隔30～50米设有一处监测端面。
5.根据权利要求3或4所述的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，其特征在于，所述监测端面至少包括一支矿用光纤顶板离层传感器(2)、一支矿用光纤锚杆应力传感器(3)和一支矿用光纤钻孔应力传感器(4)。
6.根据权利要求2所述的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，其特征在于，所述矿用光纤顶板离层传感器(2)采用无源本安设计，具有可视化功能，设计量程大于500mm。
7.根据权利要求1所述的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，其特征在于，所述隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机(1)的接入电源兼容127V～1140V，物理通道数不少于32个。
8.根据权利要求7所述的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，其特征在于，所述隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机(1)内的火线接线柱至少设有127V接线柱、660V接线柱和1140V接线柱中的两个。
9.根据权利要求1所述的一种矿用光纤顶板动态监测与破碎治理系统，其特征在于，所述地面监测服务器主机包括数据采集解调分析模块、通讯模块、视图管理模块、传感器管理模块、预警管理模块和数据存储模块。
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