CN110763380B - 一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统，涉及巷道监测预警技术领域，包括应力计、位移计、数据解调仪、数据采集分析系统和光缆，其中应力计包括承压包体、刚性连接杆、安装插头、油管、压力光栅传感器和尾纤；位移计包括锚爪、钢丝绳、保护套管、保护罩和尾纤，保护罩内设置有位移光栅传感器；数据解调仪包括光栅调节模块、光电转化模块和光栅传感器接口；数据采集分析系统包括数据采集模块和数据分析模块；通过在煤体中钻孔安装一孔多点式光纤光栅应力计和位移计，该系统可根据光栅中心波长数据的变化，实时监测巷道两帮的采动应力和内部位移，基于应力和位移数据分析，实现巷道冲击地压危险的实时预警。
Description
技术领域
本发明涉及巷道监测预警技术领域，尤其是一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统。
背景技术
冲击地压是是深埋地下工程在施工过程中的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。巷道掘进过程中发生的冲击地压现象称为掘进巷道冲击地压。近年来，随着矿井采深地逐年增加，受高水平集中静载荷和大能量动载荷的影响，掘进巷道冲击危险显著增大，对矿井安全生产构成严重威胁。巷道内发生冲击地压危险极易造成人员损伤和设备损坏，对巷道内冲击地压危险的监测和预警也处于发展阶段。
巷道围岩应力和位移是反映其冲击危险状态的最直接参量，但目前矿井下应用的应力与位移监测设备，仍存在如下问题：(1)应力计为一孔单点式，无法实现一孔多点分布式测量；(2)应力计多采用液压电磁式监测，位移计多采用机械压电式监测，抗干扰性差，灵敏度低。正是由于上述问题存在，使得掘进巷道冲击地压事故频发，冲击地压灾害预警难以真正实现。
为此，针对应力与位移监测装备的现有问题，需要一种基于光纤光栅测量技术的煤矿用一孔多点式应力与位移监测系统，该监测系统不仅能够实现应力、位移参量的一孔多点分布式实时监测，还能够基于数据分析对巷道冲击危险性进行实时预警，对于提高我国煤矿冲击地压预测预警技术，保障煤矿安全开采具有重要的意义。
发明内容
为了实时获得监测巷道侧向煤体内部不同深度的应力、位移参量数据，并将变化数据传输至地面数据中心进行分析，准确评估监测区域冲击危险性，本发明提供一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统，具体技术方案如下。
一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统，包括应力计、位移计、数据解调仪、数据采集分析系统和光缆，所述应力计包括承压包体、刚性连接杆、安装插头、油管、压力光栅传感器和尾纤；所述位移计包括锚爪、钢丝绳、保护套管、保护罩和尾纤，所述保护罩内设置有位移光栅传感器；所述数据解调仪包括光栅调节模块、光电转化模块和光栅传感器接口；所述数据采集分析系统包括数据采集模块和数据分析模块；所述应力计和位移计安装在巷道的帮部煤体钻孔中，通过所述光缆连接数据解调仪与应力计、位移计，所述数据解调仪将光谱信息转换成波长信息，数据解调仪通过光纤环网将数据传输至数据采集分析系统，所述数据采集分析系统对监测的应力和位移数据进行分析处理。
优选的是，数据解调仪固定设置在掘进巷道内，所述数据采集分析系统设置在地面数据中心，地面数据中心显示应力和位移监测数据并进行预警。
优选的是，应力计具体是一孔多点式光纤光栅应力计，具有2个及以上的承压包体，每个承压包体独立连接有油管，油管和压力光栅传感器相连，承压包体之间通过刚性连接杆连接，所述光纤光栅传感器和尾纤相连。
优选的是，位移计具体是一孔多点式光纤光栅位移计，具有3个及以上的锚爪，每个锚爪连接有一根钢丝绳，钢丝绳外侧套设有保护管，钢丝绳和保护罩内的位移光栅传感器相连，所述位移光栅传感器和尾纤相连。
还优选的是，一孔多点式光纤光栅应力计将应力信息转换为光谱信息，通过尾纤进行传输；所述一孔多点式光纤光栅位移计将位移信息转换成光谱信息，通过尾纤进行传输。
还优选的是，数据解调仪的光栅传感器接口连接应力计和位移计上的尾纤，接收尾纤传输的光谱信息，光栅调节模块和光电转化模块将光谱信息转换成光栅的中心波长数据，并进行存储。进一步优选的是，数据解调仪与所述光纤环网进行光纤熔接。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明提供的基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统，采用基于布拉格光栅衍射原理的光纤光栅分布式测量技术，通过在巷道侧向煤体不同深度布置多个测点，采集其应力和位移的变化数据，实现了巷道内应力和位移参量的一孔多点分布式测量。
(2)利用光纤光栅对应变的高度敏感性，结合刚性连接杆、保护管等结构，实现监测参量的高精度测量，另外通过井下光纤环网，将光纤光栅解调仪转译的数据传输至地面数据中心，实现了应力、位移参量的地面实时采集、分析和预警。
附图说明
图1是一孔多点式光纤光栅应力计结构示意图；
图2是一孔多点式光纤光栅位移计结构示意图；
图3是数据解调仪结构示意图；
图4是基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统示意图；
图中：1-承压包体；2-刚性连接杆；3-安装插头；4-油管；5-光栅传感器；6-尾纤；7-保护套管；8-钢丝绳；9-锚爪；10-光纤环网；11-数据解调仪；12-光缆；13-掘进巷道；14-光栅调节模块；15-光电转化模块；16-光栅传感器接口。
具体实施方式
结合图1至图4所示，本发明提供的一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统具体实施方式如下。
一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统具体的包括应力计、位移计、数据解调仪、数据采集分析系统和光缆。通过在煤体中钻孔并在钻孔内安装一孔多点应力计或位移计，该系统利用光纤光栅解调仪实时转换并记录各光栅中心波长的变化，结合数据采集分析系统采集、显示、分析不同测点的应力和位移数据，实现煤矿巷道两帮煤体采动应力和内部位移的实时监测。该系统具备一孔多点、实时监测两大优点，为准确预警巷道冲击地压等动力灾害提供科学依据。
应力计和位移计安装在巷道的帮部煤体钻孔中，通过所述光缆连接数据解调仪11与应力计、位移计，数据解调仪11将光谱信息转换成波长信息，数据解调仪11通过光纤环网10将数据传输至监测系统，数据采集分析系统对监测的应力和位移数据进行分析处理。井下通过光缆传输光谱信息，然后再由光纤光栅数据解调仪将光谱信息转换成波长数据并进行存储，接着利用光纤环网将数据传输至所述地面数据中心，最后地面数据中心将波长变化数据转换成应力、位移数据，并对采集数据进行显示分析、灾害预警。
应力计包括承压包体1、刚性连接杆2、安装插头3、油管4、压力光栅传感器5和尾纤6；应力计7具体是一孔多点式光纤光栅应力计，具有2个及以上的承压包体，每个承压包体独立连接有油管，油管和压力光栅传感器相连，承压包体之间通过刚性连接杆连接，压力光栅传感器和尾纤相连。其承压部分，由承压包体和油管构成，用于承载来自煤体的变化压力；安装部分由刚性连接杆、安装插头和安装杆构成，刚性连接杆连接承压包体、安装插头设置在最后送入钻孔的承压包体末端，用于连接安装杆，安装杆将承压包体等部件导入钻孔，将应力计的承压部分送入指定的深度；测压部分由光纤光栅传感器和尾纤构成，用于将压力信息转换成光谱信息。
位移计包括锚爪9、钢丝绳8、保护套管7、保护罩和尾纤6，保护罩内设置有位移光栅传感器；位移计具体是一孔多点式光纤光栅位移计，具有3个及以上的锚爪9，每个锚爪连接有一根钢丝绳8，钢丝绳8外侧套设有保护管7，钢丝绳8和保护罩内的位移光栅传感器5相连，所述位移光栅传感器5和尾纤6相连。其锚固部分，由锚爪9和钢丝绳8构成，用于使锚头与指定深度的煤体相连；其保护管用于防止非测量段钢丝绳被孔周煤体干扰，提高测量精度；测量部分由保护罩和尾纤构成，保护罩内设置有位移光栅传感器，用于位移信息转换成光谱信息。
数据解调仪包括光栅调节模块14、光电转化模块15和光栅传感器接口16，数据解调仪14的光栅传感器接口连接应力计和位移计上的尾纤6，接收尾纤传输的光谱信息，光栅调节模块和光电转化模块将光谱信息转换成光栅的中心波长数据，并进行存储。数据解调仪与所述光纤环网进行光纤熔接。
数据采集分析系统包括数据采集模块和数据分析模块，数据采集分析系统设置在地面数据中心，地面数据中心包括计算机和一孔多点式应力与位移监测系统分析软件，用于将传输来的波长变化数据转换成有效的应力和位移数据，并实现平面图显示、传感器诊断、曲线生成、分析预警等功能，进而实现巷道冲击地压的动态预测预警。
数据解调仪固定设置在掘进巷道内，可以布置在掘进巷道和采区大巷的连接处，数据采集分析系统设置在地面数据中心，地面数据中心显示应力和位移监测数据并进行预警。一孔多点式光纤光栅应力计将应力信息转换为光谱信息，通过尾纤进行传输；所述一孔多点式光纤光栅位移计将位移信息转换成光谱信息，通过尾纤进行传输。
为进一步的说明，使用一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统对某煤矿13200工作面上巷的煤体应力、位移进行监测及冲击地压预测预警，具体如下：
首先，在上巷掘进头后方实体煤侧布置两组测点，每组测点包括1个一孔多点光纤光栅应力计1和1个所述一孔多点光纤光栅位移计，钻孔的孔深为6m，孔径为45mm，单孔安装光纤传感器2个，深度布置均为6m和3m；具体是根据探测深度和钻孔的孔深以及监测的需要设置具体的应力计和位移计数量。
其次，利用光纤熔接焊机将应力计和位移计中的尾纤熔接在一起，光缆沿工作面走向铺至上巷出口，利用光纤熔接焊机将光缆与数据解调仪的光纤接口熔接，同时将数据解调仪与电源连接，为其供电。数据解调仪与所述光纤环网进行光纤熔接，通过数据接口，连接所述光纤环网与所述地面数据中心，利用所述地面数据中心的一孔多点式光纤光栅应力与位移分析软件，对采集数据进行显示、分析，结合该矿井预警指标，以实现巷道冲击地压的动态预测预警。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统，其特征在于，包括应力计、位移计、数据解调仪、数据采集分析系统和光缆，所述应力计包括承压包体、刚性连接杆、安装插头、油管、压力光栅传感器和尾纤；其中，所述应力计是一孔多点式光纤光栅应力计，具有2个及以上的承压包体，每个承压包体独立连接有油管，油管和压力光栅传感器相连，承压包体之间通过刚性连接杆连接，压力光栅传感器和尾纤相连；其承压部分，由承压包体和油管构成，用于承载来自煤体的变化压力；安装部分由刚性连接杆、安装插头和安装杆构成，刚性连接杆连接承压包体、安装插头设置在最后送入钻孔的承压包体末端，用于连接安装杆，安装杆将承压包体等部件导入钻孔，将应力计的承压部分送入指定的深度；测压部分由光纤光栅传感器和尾纤构成，用于将压力信息转换成光谱信息；所述位移计包括锚爪、钢丝绳、保护套管、保护罩和尾纤，所述保护罩内设置有位移光栅传感器；其中，所述位移计是一孔多点式光纤光栅位移计，具有3个及以上的锚爪，每个锚爪连接有一根钢丝绳，钢丝绳外侧套设有保护管，钢丝绳和保护罩内的位移光栅传感器相连，所述位移光栅传感器和尾纤相连；所述位移计锚固部分，由锚爪和钢丝绳构成，用于使锚头与指定深度的煤体相连；所述位移计保护管用于防止非测量段钢丝绳被孔周煤体干扰，提高测量精度；测量部分由保护罩和尾纤构成，保护罩内设置有位移光栅传感器，用于位移信息转换成光谱信息；
所述数据解调仪包括光栅调节模块、光电转化模块和光栅传感器接口；所述数据采集分析系统包括数据采集模块和数据分析模块；所述应力计和位移计安装在巷道的帮部煤体钻孔中，通过所述光缆与数据解调仪连接；所述数据解调仪将光谱信息转换成波长信息，数据解调仪通过光纤环网将数据传输至数据采集分析系统，所述数据采集分析系统对监测的应力和位移数据进行分析处理；
述数据解调仪固定设置在掘进巷道内，所述数据采集分析系统设置在地面数据中心，地面数据中心显示应力和位移监测数据并进行预警；
所述数据解调仪的光栅传感器接口连接应力计和位移计上的尾纤，接收尾纤传输的光谱信息，光栅调节模块和光电转化模块将光谱信息转换成光栅的中心波长数据，并进行存储；所述数据解调仪与所述光纤环网进行光纤熔接；利用所述地面数据中心的一孔多点式光纤光栅应力与位移分析软件，对采集数据进行显示、分析，结合矿井预警指标，实现巷道冲击地压的动态预测预警。
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| 钻孔卸压防治冲击地压机理及影响因素分析;马斌文等;《煤炭科学技术》;20190115(第05期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110763380A (zh) | 2020-02-07 |
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