CN111006607A - 一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，涉及一种矿山充填体监测技术领域。其包括基于光纤光栅传感的双向位移测量装置、固定盘、耦合器、光纤、矿用光缆、光纤光栅解调仪及计算机系统，基于光纤光栅传感的双向位移测量装置包括测量主体、延长线、钢管和两个光纤光栅位移传感器，测量主体包括一壳体及与壳体相适配的上盖，壳体为中空长方体结构，在壳体的左、右两侧各设置一个出口，两个光纤光栅位移传感器的活动拉杆分别穿过左、右两侧的出口，光纤光栅位移传感器的活动拉杆朝向壳体左右两侧的出口，并且活动拉杆的轴线与所对应出口的轴线重叠。本发明可实现对充填体左右两侧及总横向变形的实时、在线远程监测。

Description

一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统

技术领域

本发明涉及矿山充填体监测技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统。

背景技术

充填开采是指地下煤炭资源采出之后利用充填材料充填采空区，充填体有效支撑上覆岩层，将地表移动变形值控制在建(构)筑物允许变形范围内，实现建(构)筑物下煤炭资源的安全回采，并同时保护矿区生态环境和地下水资源。充填开采是我国开采“三下”压煤的一种重要技术手段，近年来随着我国环保要求的不断提高，充填开采技术在我国的应用越来越广泛。

充填开采之后，充填体将作为承载结构支撑上覆岩层，充填体在井下的实际工作状态将直接决定地表移动变形值的大小，因此有必要对井下充填体的实际工作状态进行实时监测。CN202467929U和CN103528731A分别公开了一种充填体性能在线监测系统和一种基于光纤光栅传感的煤矿膏体充填在线监测系统，他们均是只对充填体的竖向变形和受力进行监测，而无法实现对充填体横向变形的监测。

充填体横向变形量是评价充填体长期稳定性的一个重要指标，因此研制一种充填体横向变形监测系统是十分必要，其对评价充填体井下实际工作状态及稳定性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，其以光纤作为传输介质，可实现对充填体左右两侧及总横向变形的实时、在线远程监测。

其技术解决方案包括：

一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，其包括基于光纤光栅传感的双向位移测量装置、耦合器、光纤、矿用光缆、光纤光栅解调仪及计算机系统，所述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置通过所述的耦合器依次与光纤、矿用光缆连接，所述的矿用光缆与所述的光纤光栅解调仪相连，所述的光纤光栅解调仪将解调后的信号传输至所述的计算机系统；

所述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置埋设于充填体内，其用于对所述充填体的左右两侧及总横向变形分别进行测量；

所述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置包括测量主体、钢管、延长线和固定在所述测量主体内的两个光纤光栅位移传感器，所述的测量主体包括一壳体及与所述壳体相适配的上盖，所述的壳体为中空长方体结构，在所述的壳体的左、右两侧分别设置一个出口，两个光纤光栅位移传感器的活动拉杆分别穿过左、右两侧的出口，所述的光纤光栅位移传感器的活动拉杆朝向壳体左右两侧的出口，并且活动拉杆的轴线与所对应出口的轴线重叠；所述的壳体的后侧开设有两个光纤引出孔，两个光纤光栅位移传感器的光纤连接头分别由对应的光纤引出孔引出；

两个光纤光栅位移传感器的光纤连接头与壳体之间均安装有用于防止充填浆液或水进入壳体内部的密封塞一；

所述的左、右两侧的出口在位于壳体外侧的部分设置有外螺纹，所述的钢管设置有若干段，与所述壳体相邻的钢管恰好旋转连接在所述的外螺纹上，其余钢管之间通过螺纹依次连接，所述的光纤光栅位移传感器的部分活动拉杆位于所述的钢管内，在所述的钢管内设置所述的延长线，所述的延长线与所述的光纤光栅位移传感器的活动拉杆连接；

用于对所述的延长线进行固定的固定盘，其包括档盘、密封塞二和紧固环，所述的档盘为中间有通透孔的圆盘/十字盘，所述档盘与所述的密封塞二固定连接，所述的延长线穿过所述密封塞二和通透孔后，通过所述的紧固环与所述的档盘连接。

作为本发明的一个优选方案，上述的壳体的上方开口处设置有用于与上述上盖紧密连接的密封圈，上述的光纤光栅位移传感器通过螺丝固定在上述的壳体内，上述的壳体与上盖之间通过螺栓连接。

作为本发明的另一个优选方案，上述的左、右两侧的出口在位于壳体外侧的部分设置有外螺纹。

进一步的，在上述的延长线的外表面涂有用于减小其运动过程中阻力的润滑油。

进一步的，上述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置的数量根据测量目的确定，其数量≥1；上述的延长线的长度与钢管的数量也根据测量目的确定。

进一步的，上述的延长线为刚性构件。

安装好的延长线处于一种预紧状态，以保证充填体带动挡板运动后可立即拉动光纤光栅位移传感器产生变形。

进一步的，上述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置、延长线、固定盘、耦合器、光纤及矿用光缆位于井下，上述的光纤光栅解调仪和计算机系统位于井上。

一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测方法，其采用上述的基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，该监测方法包括以下步骤：

S1、根据具体的测量目的，截取适当长度的延长线，并选取一定数量的钢管，将壳体与钢管、延长线和固定盘进行连接，并将连接好的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置安装到合适位置；

S2、将各布置好的所述基于光纤光栅传感的双向位移测量装置的光纤连接头通过所述耦合器与所述光纤连接，将所述光纤通过所述耦合器与所述矿用光缆连接，所述矿用光缆与所述光纤光栅解调仪连接，将所述光纤光栅解调仪与所述计算机系统连接；

S3、对采空区进行充填，通过计算机系统对充填体左右两侧及总横向变形进行实时、在线远程监测。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

第一、本发明通过基于光纤光栅传感的双向位移测量装置、耦合器、光纤、矿用光缆、光纤光栅解调仪及计算机系统相互配合，可以实现对充填体左右两侧及总横向变形的实时、在线远程监测。

第二、本发明基于光纤光栅传感的双向位移测量装置采用的是光纤光栅位移传感器，井下无需供电，本质安全；采用全光测量和光纤传输，可有效避免井下电磁干扰的影响；采用温补光栅对温度误差进行补偿，极大地提高了监测精度。

第三、本发明基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，具有本质安全、监测效果好、测量精度高、可靠性好、抗电磁干扰能力强的优点。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统的结构示意图；

图2为本发明基于光纤光栅传感的双向位移测量装置的结构示意图；

图3为本发明基于光纤光栅传感的双向位移测量装置的内部结构示意图；

图4为本发明固定盘的结构示意图；

图5为本发明系统的连接示意图；

图6为本发明的系统组成框架图。

附图标记说明：A、充填体，B、实体煤，1、基于光纤光栅传感的双向位移测量装置，2、钢管，3、固定盘，4、耦合器，5、光纤，6、矿用光缆，7、光纤光栅解调仪，8、计算机系统，9、延长线，11、壳体，12、上盖，13、紧固螺栓，14、光纤光栅位移传感器，15、密封圈，16、密封塞一，17、左出口，18、右出口，19、光纤引出孔，141、光纤连接头，142、活动拉杆，31、档盘，32、密封塞二，33、紧固环。

具体实施方式

本发明提出了一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明中述及的“双向位移测量装置”是指“基于光纤光栅传感的双向位移测量装置”。

结合图1至图5所示，本发明一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，其包括基于光纤光栅传感的双向位移测量装置1、耦合器4、光纤5、矿用光缆6、光纤光栅解调仪7及计算机系统8，双向位移测量装置通过耦合器4依次与光纤5、矿用光缆6连接，矿用光缆6与光纤光栅解调仪7相连，光纤光栅解调仪将解调后的信号传输至计算机系统。

本发明与现有技术相比，可以实现对充填体左右两侧及总横向变形的实时、在线远程监测。

下面对本发明的主要创新点基于光纤光栅传感的双向位移测量装置做详细说明。

基于光纤光栅传感的双向位移测量装置埋设于充填体A内，充填体A的两侧为实体煤B，其用于对充填体的左右两侧及总横向变形进行测量；基于光纤光栅传感的双向位移测量装置包括测量主体、钢管、延长线和固定在测量主体内的两个光纤光栅位移传感器14，测量主体包括一壳体11及与所述壳体相适配的上盖12，壳体为中空长方体结构，壳体的上方开口处设置有用于与上盖紧密连接的密封圈15，上述的光纤光栅位移传感器通过螺丝固定在上述的壳体11内，上述的壳体11与上盖之间通过紧固螺栓13连接。

在壳体11的左、右两侧分别设置一个出口，分别为左出口17和右出口18，两个光纤光栅位移传感器的活动拉杆142分别穿过左、右两侧的出口，光纤光栅位移传感器的活动拉杆朝向壳体左右两侧的出口，并且活动拉杆的轴线与所对应出口的轴线重叠；在壳体的后侧开设有两个光纤引出孔19，两个光纤光栅位移传感器的光纤连接头141分别由对应的光纤引出孔引出；

两个光纤光栅位移传感器的光纤连接头与壳体之间均安装有用于防止充填浆液或水进入壳体内部的密封塞一16；

左、右两侧的出口在位于壳体外侧的部分设置有外螺纹，钢管内部设置有与外螺纹匹配的内螺纹，与壳体相邻的钢管通过旋转的方式恰好旋转连接在外螺纹上，钢管2设置有若干段，相邻的钢管通过螺纹彼此首尾相连，如通过一段钢管的内螺纹与另一段钢管的外螺纹配合相连，光纤光栅位移传感器的部分活动拉杆位于钢管2内，在钢管内还设置延长线9，延长线9与光纤光栅位移传感器的活动拉杆142连接；

用于对上述的延长线进行固定的固定盘3，其包括档盘31、密封塞二32和紧固环33，档盘31为中间有通透孔的圆盘/十字盘，档盘与密封塞二32固定连接，延长线穿过密封塞二和通透孔后，通过紧固环33与所述的档盘31连接。固定盘将延长线进行固定，防止在充填体变形的过程中延长线不随充填体移动。

进一步的，在上述的延长线的外表面涂有用于减小其运动过程中阻力的润滑油，延长线为刚性构件，不会产生弹性变形。

进一步的，上述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置的数量根据测量目的确定，其数量≥1；上述的延长线的长度与钢管的数量也根据测量目的确定。

上述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置、耦合器、光纤及矿用光缆位于井下，上述的光纤光栅解调仪和计算机系统位于井上。

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，包括基于光纤光栅传感的双向位移测量装置、固定盘、耦合器、光纤、矿用光缆、光纤光栅解调仪及计算机系统。

基于光纤光栅传感的双向位移测量装置包括壳体、上盖、钢管、延长线及2个光纤光栅位移传感器；壳体为无盖中空长方体结构，上部开口位置处设置有密封圈；

光纤光栅位移传感器优选拉杆式光纤光栅传感器，并且光纤光栅位移传感器与壳体固定连接；壳体与上盖之间通过螺栓连接；壳体与上盖优选高强度精钢材料。

壳体左右两侧分别开设有一个出口，光纤光栅位移传感器的活动拉杆由此穿出；左右两侧出口在壳体外侧设置有外螺纹；光纤光栅位移传感器的活动拉杆朝向壳体左右两侧的出口，并且活动拉杆的轴线与所对应出口的轴线重叠，这样设置的目的为：保证活动拉杆在运动过程中可保持直线，不会受到侧向外力的作用，保证测量精度。

壳体的后侧开设有两个光纤引出孔，两个光纤光栅位移传感器的光纤连接头由此引出，并且光纤连接头与壳体之间设置有密封塞一，以防止充填浆液或水进入壳体；

基于光纤光栅传感的双向位移测量装置的光纤连接头通过耦合器与光纤连接，光纤通过耦合器与矿用光缆连接。

矿用光缆与光纤光栅解调仪连接，解调后的信号传输至计算机系统，计算机系统配有解调分析组态软件，在空间被充填后对充填体横向变形进行实时在线监测。

钢管数量为若干，一端为内螺纹，一端为外螺纹，彼此首尾相连，钢管的数量根据测量目的确定。

延长线与基于光纤光栅传感的双向位移测量装置的活动拉杆连接，连接好的延长线和部分活动拉杆穿在钢管内部，并在其外侧涂有润滑油，以减小运动过程中的阻力；

用于对延长线进行固定的固定盘，其包括档盘、密封塞二和紧固环，档盘为中间有通透孔的圆盘或十字盘，档盘与密封塞二固定连接，延长线穿过密封塞二和档盘的中间孔后，通过紧固环与档盘连接。

延长线为刚性构件，不会产生弹性变形；

延长线的长度根据测量目的确定；

基于光纤光栅传感的双向位移测量装置数量为若干，数量根据测量目的确定，每个基于光纤光栅传感的双向位移测量装置通过所述光纤采用并联的方式接入矿用光缆。

实施例2：

结合图6所示，实施例1基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统的安装及监测方法为：

第一步、根据具体的测量目的，截取适当长度的延长线，并选取一定数量的钢管，将壳体与钢管、延长线和固定盘进行连接，并将连接好的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置安装到合适位置；

第二步、将各布置好的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置的光纤连接头通过耦合器与光纤连接，将光纤通过耦合器与矿用光缆连接，矿用光缆与光纤光栅解调仪连接，将光纤光栅解调仪与计算机系统连接；

第三步：对采空区进行充填，通过计算机系统对充填体左右两侧及总横向变形进行实时、在线远程监测。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，其包括基于光纤光栅传感的双向位移测量装置、耦合器、光纤、矿用光缆、光纤光栅解调仪及计算机系统，所述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置通过所述的耦合器依次与光纤、矿用光缆连接，所述的矿用光缆与所述的光纤光栅解调仪相连，所述的光纤光栅解调仪将解调后的信号传输至所述的计算机系统，其特征在于：

所述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置埋设于充填体内，其用于对所述充填体的左右两侧及总横向变形进行测量；

所述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置包括测量主体、钢管、延长线和固定在所述测量主体内的两个光纤光栅位移传感器，所述的测量主体包括一壳体及与所述壳体相适配的上盖，所述的壳体为中空长方体结构，在所述的壳体的左、右两侧分别设置一个出口，两个光纤光栅位移传感器的活动拉杆分别穿过左、右两侧的出口，所述的光纤光栅位移传感器的活动拉杆朝向壳体左右两侧的出口，并且活动拉杆的轴线与所对应出口的轴线重叠；所述的壳体的后侧开设有两个光纤引出孔，两个光纤光栅位移传感器的光纤连接头分别由对应的光纤引出孔引出；

两个光纤光栅位移传感器的光纤连接头与壳体之间均安装有用于防止充填浆液或水进入壳体内部的密封塞一；

所述的左、右两侧的出口在位于壳体外侧的部分设置有外螺纹，所述的钢管设置有若干段，与所述壳体相邻的钢管恰好旋转连接在所述的外螺纹上，其余钢管之间通过螺纹依次连接，所述的光纤光栅位移传感器的部分活动拉杆位于所述的钢管内，在所述的钢管内设置所述的延长线，所述的延长线与所述的光纤光栅位移传感器的活动拉杆连接；

用于对所述的延长线进行固定的固定盘，其包括档盘、密封塞二和紧固环，所述的档盘为中间有通透孔的圆盘/十字盘，所述档盘与所述的密封塞二固定连接，所述的延长线穿过所述密封塞二和通透孔后，通过所述的紧固环与所述的档盘连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，其特征在于：所述的壳体的上方开口处设置有用于与所述上盖紧密连接的密封圈，所述的光纤光栅位移传感器通过螺丝固定在所述的壳体内，所述的壳体与上盖之间通过螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，其特征在于：在所述的延长线的外表面涂有用于减小其运动过程中阻力的润滑油。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，其特征在于：所述的双向位移测量装置的数量根据测量目的确定，其数量≥1；所述的延长线的长度与钢管的数量也根据测量目的确定。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，其特征在于：所述的延长线为刚性构件。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，其特征在于：所述的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置、延长线、固定盘、耦合器、光纤及矿用光缆位于井下，所述的光纤光栅解调仪和计算机系统位于井上。

7.一种基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测方法，其特征在于，其采用权利要求1～6任一项所述的基于光纤光栅传感的充填体横向变形在线监测系统，所述的监测方法依次包括以下步骤：

S1、根据具体的测量目的，截取适当长度的延长线，并选取一定数量的钢管，将壳体与钢管、延长线和固定盘进行连接，并将连接好的基于光纤光栅传感的双向位移测量装置安装到合适位置；

S2、将各布置好的所述基于光纤光栅传感的双向位移测量装置的光纤连接头通过所述耦合器与所述光纤连接，将所述光纤通过所述耦合器与所述矿用光缆连接，所述矿用光缆与所述光纤光栅解调仪连接，将所述光纤光栅解调仪与所述计算机系统连接；

S3、对采空区进行充填，通过计算机系统对充填体左右两侧及总横向变形进行实时、在线远程监测。

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