CN111174952B - 一种矿区开采沉陷规律预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于矿区开采沉陷预测技术领域，具体的说是一种矿区开采沉陷规律预测方法；该方法包括以下步骤：获得预测点的压力传感器的数据和GPS水平位置数据；利用GPS检测的矿区水平位置变化数据与压力传感器监测各支撑桩受到的压力数据，得到高精度三维形变图；利用freemat软件对压力传感器测量的数据和GPS水平位置发生变化的数据进行插值处理，构建多组数字高程模型；分析得到的高精度三维形变图和构建的多组数字高程模型，并根据设定的阈值,根据数据发生变化的压力传感器的位置，确定高危沉陷位置并进行预警；通过三维变形图和数字高程模型图的配合，防止由于矿区开采的影响，导致该地区的地貌发生变化时，影响检测仪器对矿区沉陷规律的预测。
Description
技术领域
本发明属于矿区开采沉陷预测技术领域，具体的说是一种矿区开采沉陷规律预测方法。
背景技术
在我国快速的经济发展过程中，煤炭是国民经济的主要能源。在煤炭开采过程中，地表原始应力状态遭到破坏而导致应力重新分布，从而达到新的平衡状态。在此过程中，岩体产生下沉、变形、移动，向上波及地表，形成地表移动盆地，从而对地表建筑物、铁路、水系、农田等生产生活设施造成破坏，严重影响矿区及周围人民的生产生活。
现有的矿区开采沉陷预测方法具有如下缺陷：
1.一般都是偏于理论计算较多，通过实验得到参数，一般参数的值都是不变的，然而随着开采的进行，影响地貌变形的某些因素会发生变化，同时导致检测器检测参数的不定性，预计参数的误差造成开采沉陷预计的误差高；
2.检测仪器分布位置和检测仪器使用的方式，会导致检测仪器对矿区开采沉陷的预测造成一定的影响，同时影响检测仪器的安全高效使用。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提出的一种矿区开采沉陷规律预测方法，本发明主要用于解决现有的矿区开采沉陷预测方法存在的缺陷，随着开采的进行，影响地貌变形的某些因素会发生变化，同时导致检测器检测参数的不定性，预计参数的误差造成开采沉陷预计的误差高；检测仪器分布位置和检测仪器使用的方式，会导致检测仪器对矿区开采沉陷的预测造成一定的影响。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种矿区开采沉陷规律预测方法，该方法包括以下步骤：
S1：将光纤光栅压力传感器安装在矿区的支撑桩上，进而在矿区内对预测点进行布控，将安装的光纤光栅压力传感器的位置进行记录，并且定期对光纤光栅压力传感器的数据进行观测，获得预测点的光纤光栅压力传感器的数据和GPS水平位置数据；光纤光栅压力传感器可以检测矿区内设置的支撑桩所承受的压力值的变化，同时GPS水平仪可以检测该预测点处的水平线是否发生变化，进而通过光纤光栅压力传感器检测的数据和GPS水平位置的数据可以预测处对应预测点处是否发生凹陷或者开裂的变形的现象；
S2：利用GPS检测的矿区水平位置变化数据与光纤光栅压力传感器监测各支撑桩受到的压力数据，分别修正矿区地表形变水平与垂直监测结果，得到高精度三维形变图；通过各个预测点的检测到支撑桩所受到的压力数据和各预测点的水平位置变化数据，可以得到高精度的三维变形图，例如某个局部位置的多个预测点的压力值数据大于其他预测点的数据，且多个预测点连成的线条是形成环形状态，且该局部位置的GPS水平位置的数据水平数据过大，进而通过得到的高精度三维变形图得出的该局部位置是处于凹陷状态，进而便于预测人员预测该区域或该区域的局部是否发生地板凹陷或产生缝隙的现象；
S3：利用freemat软件对离散的预测点处光纤光栅压力传感器测量的多期数据和GPS水平位置发生变化的多组数据进行插值处理，构建多组数字高程模型；
S4：分析得到的高精度三维形变图和构建的多组数字高程模型，并根据设定的凹陷、水平、倾斜、裂缝曲率阈值，将变形结果大于阈值的点视为高危沉陷，根据数据发生变化的光纤光栅压力传感器的位置，确定高危沉陷位置并进行预警；通过三维变形图和数字高程模型图的配合，便于预测人员预测处该矿区是否是常发生凹陷沉陷或地表开裂沉陷的现象，进而便于对该矿区的沉陷规律进行预测预防。
优选的，每个光纤光栅压力传感器通过光纤相互连接；光纤光栅压力传感器采用光纤金属化激光焊接工艺和温度自补偿封装结构，具有测量精度高、长期零点稳定、温度漂移微小、安装使用简便等特点；传感器内部压力敏感元件和传输线路全部为单模光纤，不带电，不受电磁干扰和射线的影响，可以长期稳定工作于强电磁干扰及易燃易爆的危险环境。
优选的，S1步骤中所述支撑桩包括支撑柱、支杆和支板；所述支撑柱内固定插接有支杆，且支杆上端安装有支板；所述支板上滑动插接有T型滑杆；所述支杆内部设置有橡胶挤压囊，且橡胶挤压囊的顶端与T型滑杆的底端连接；所述支杆内设置有固定板，且固定板的底端连接有金属波纹管；所述金属波纹管的底端滑动连接有导向滑板，且金属波纹管内插接有光纤光栅压力传感器；所述光纤光栅压力传感器的顶端与固定板固定连接，且光纤光栅压力传感器的底端与导向滑板固定连接；所述金属波纹管通过导气管与橡胶挤压囊连接，且橡胶挤压囊内设置有气控阀；工作时，将支撑桩的顶端通过支板支撑在矿洞内，且率先在矿洞的顶端开设可以安装T型滑杆的凹陷槽，使T型滑杆的顶端位于凹陷槽内，支撑桩的底端固定在矿洞的地面上；当矿洞顶端的岩石层向下凹陷时，会挤压T型滑动，T型滑杆在支杆内向下滑动会挤压橡胶挤压囊，而橡胶挤压囊内的气体会通过导气管进入到金属波纹管内，随着金属波纹管内气体不断的进入，会使金属波纹管产生拉伸，金属波纹管的拉伸会使导向滑板向下滑动，导向滑板的滑动会使导致光纤光栅沿轴向方向拉伸,由于光纤光栅弹性形变和弹光效应使FBG中心反射波长发生偏移,通过测量波长偏移量就可以获得压力的变化情况，进而通过T型滑杆和金属波纹管的配合，T型滑杆受到的压力会通过橡胶挤压囊内的气体使得金属波纹管产生拉伸，拉伸的金属波纹管使得光纤光栅沿轴向方向拉伸，进而使得光纤光栅压力传感器能够对支撑桩所受的压力进行稳定检测；同时该传感器压力灵敏度达到13.14nm/MPa,且具有良好的线性度和可重复性；光纤光栅压力传感器通过金属波纹管的中心线上穿过，金属波纹管不仅对光纤光栅传感器起到保护的作用，同时可以防止光纤光栅传感器设置在金属波纹管外时，由于金属波纹管的拉伸变形带动导向滑板滑动时，由于光纤光栅传感器不在金属波纹管的中心位置，进而导致光纤光栅传感器的产生倾斜拉伸的现象，进而影响光纤光栅传感器的稳定检测。
优选的，所述金属波纹管设为双层结构，且内层的金属波纹管设置为散热金属材质；双层所述金属波纹管上套接有螺旋弹簧，且螺旋弹簧内填充有冷却液；工作时，当金属波纹管被拉伸时，金属波纹管的拉伸可以使得螺旋弹簧产生拉伸变形，而螺旋弹簧内部的冷却液会产生绕动，进而对金属波纹管内部起到冷却降温的效果，防止由于支杆内部密封，且空气不流通，导致金属波纹管内温度过高的现象，进而影响光纤光栅压力传感器稳定检测效果；同时设置的金属波纹管可以对光纤光栅压力传感器起到保护的作用，防止由于矿洞内部环境较差，导致光纤光栅暴露在外面,容易造成光纤光栅的损耗,影响传感器的传感效率和使用寿命。
优选的，所述导向滑板的内部开设有挤压腔，且挤压腔的上壁设为弹性膜；所述弹性膜与光纤光栅通过胶粘剂相互粘合；工作时，当T形滑杆受到的压力过小时，橡胶挤压囊内的气体使得金属波纹管的拉伸变化量减小，金属波纹管拉伸时，会使导向滑板上方的弹性膜产生凹陷，弹性膜的凹陷会带动光纤光栅产生拉伸，进而提高光纤光栅压力传感器的灵敏度，防止由于T型滑杆受到的压力过小，且压力时缓慢发生变换时，由于金属波纹管的拉伸较为迟缓，而导致光纤光栅压力传感器难以对微变形的压力进行检测的现象。
优选的，所述导气管位于光纤光栅压力传感器的顶端，且导气管底端开设有导气孔；所述导气孔位于光纤光栅的圆周外壁处；工作时，当橡胶挤压囊内的气体进入导气管内时，导气管内的气体会通过光栅光纤的圆周外壁的导气孔进入到金属波纹管内时，进而使得金属波纹管在拉伸时，是沿着光纤光栅的外壁周围产生拉伸的，进而增大金属波纹管拉伸时，对光纤光栅压力传感器的稳定拉伸。
本发明的有益效果如下：
1.本发明通过各个预测点的检测到支撑桩所受到的压力数据和各预测点的水平位置变化数据，可以得到高精度的三维变形图，通过三维变形图和数字高程模型图的配合，便于预测人员预测处该矿区是否是常发生凹陷沉陷或地表开裂沉陷的现象，进而便于对该矿区的沉陷规律进行预测预防；防止由于矿区开采的影响，导致该地区的地貌发生变化时，影响检测仪器对矿区沉陷规律的预测。
2.本发明通过设置的光纤光栅压力传感器采用光纤金属化激光焊接工艺和温度自补偿封装结构，具有测量精度高、长期零点稳定、温度漂移微小、安装使用简便等特点；传感器内部压力敏感元件和传输线路全部为单模光纤，不带电，不受电磁干扰和射线的影响，可以长期稳定工作于强电磁干扰及易燃易爆的危险环境。
3.本发通过T型滑杆和金属波纹管的配合，T型滑杆受到的压力会通过橡胶挤压囊内的气体使得金属波纹管产生拉伸，拉伸的金属波纹管使得光纤光栅沿轴向方向拉伸，进而使得光纤光栅压力传感器能够对支撑桩所受的压力进行稳定检测；同时该传感器压力灵敏度达到13.14nm/MPa,且具有良好的线性度和可重复性。
4.本发通过设置的金属波纹管可以对光纤光栅压力传感器起到保护的作用，防止由于矿洞内部环境较差，导致光纤光栅暴露在外面,容易造成光纤光栅的损耗,影响传感器的传感效率和使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的支撑桩的立体图；
图3是本发明的支撑桩的剖视图；
图4是本发明图3中A处局部放大图；
图中：支撑桩1、支撑柱11、支杆12、支板13、T型滑杆14、橡胶挤压囊2、固定板3、金属波纹管4、导向滑板5、挤压腔51、弹性膜52、光纤光栅压力传感器6、导气管7、导气孔71、螺旋弹簧8。
具体实施方式
使用图1-图4对本发明一实施方式的一种矿区开采沉陷规律预测方法进行如下说明。
如图1-图4所示，本发明所述的一种矿区开采沉陷规律预测方法，该方法包括以下步骤：
S1：将光纤光栅压力传感器6安装在矿区的支撑桩1上，进而在矿区内对预测点进行布控，将安装的光纤光栅压力传感器6的位置进行记录，并且定期对光纤光栅压力传感器6的数据进行观测，获得预测点的光纤光栅压力传感器6的数据和GPS水平位置数据；光纤光栅压力传感器6可以检测矿区内设置的支撑桩1所承受的压力值的变化，同时GPS水平仪可以检测该预测点处的水平线是否发生变化，进而通过光纤光栅压力传感器6检测的数据和GPS水平位置的数据可以预测处对应预测点处是否发生凹陷或者开裂的变形的现象；
S2：利用GPS检测的矿区水平位置变化数据与光纤光栅压力传感器6监测各支撑桩1受到的压力数据，分别修正矿区地表形变水平与垂直监测结果，得到高精度三维形变图；通过各个预测点的检测到支撑桩1所受到的压力数据和各预测点的水平位置变化数据，可以得到高精度的三维变形图，例如某个局部位置的多个预测点的压力值数据大于其他预测点的数据，且多个预测点连成的线条是形成环形状态，且该局部位置的GPS水平位置的数据水平数据过大，进而通过得到的高精度三维变形图得出的该局部位置是处于凹陷状态，进而便于预测人员预测该区域或该区域的局部是否发生地板凹陷或产生缝隙的现象；
S3：利用freemat软件对离散的预测点处光纤光栅压力传感器6测量的多期数据和GPS水平位置发生变化的多组数据进行插值处理，构建多组数字高程模型；
S4：分析得到的高精度三维形变图和构建的多组数字高程模型，并根据设定的凹陷、水平、倾斜、裂缝曲率阈值，将变形结果大于阈值的点视为高危沉陷，根据数据发生变化的光纤光栅压力传感器6的位置，确定高危沉陷位置并进行预警；通过三维变形图和数字高程模型图的配合，便于预测人员预测处该矿区是否是常发生凹陷沉陷或地表开裂沉陷的现象，进而便于对该矿区的沉陷规律进行预测预防。
作为本发明的一种实施方式，每个光纤光栅压力传感器6通过光纤相互连接；光纤光栅压力传感器6采用光纤金属化激光焊接工艺和温度自补偿封装结构，具有测量精度高、长期零点稳定、温度漂移微小、安装使用简便等特点；传感器内部压力敏感元件和传输线路全部为单模光纤，不带电，不受电磁干扰和射线的影响，可以长期稳定工作于强电磁干扰及易燃易爆的危险环境。
作为本发明的一种实施方式，S1步骤中所述支撑桩1包括支撑柱11、支杆12和支板13；所述支撑柱11内固定插接有支杆12，且支杆12上端安装有支板13；所述支板13上滑动插接有T型滑杆14；所述支杆12内部设置有橡胶挤压囊2，且橡胶挤压囊2的顶端与T型滑杆14的底端连接；所述支杆12内设置有固定板3，且固定板3的底端连接有金属波纹管4；所述金属波纹管4的底端滑动连接有导向滑板5，且金属波纹管4的中心线上插接有光纤光栅压力传感器6；所述光纤光栅压力传感器6的顶端与固定板3固定连接，且光纤光栅压力传感器6的底端与导向滑板5固定连接；所述金属波纹管4通过导气管7与橡胶挤压囊2连接，且橡胶挤压囊2内设置有气控阀；工作时，将支撑桩1的顶端通过支板13支撑在矿洞内，且率先在矿洞的顶端开设可以安装T型滑杆14的凹陷槽，使T型滑杆14的顶端位于凹陷槽内，支撑桩1的底端固定在矿洞的地面上；当矿洞顶端的岩石层向下凹陷时，会挤压T型滑动，T型滑杆14在支杆12内向下滑动会挤压橡胶挤压囊2，而橡胶挤压囊2内的气体会通过导气管7进入到金属波纹管4内，随着金属波纹管4内气体不断的进入，会使金属波纹管4产生拉伸，金属波纹管4的拉伸会使导向滑板5向下滑动，导向滑板5的滑动会使导致光纤光栅沿轴向方向拉伸,由于光纤光栅弹性形变和弹光效应使FBG中心反射波长发生偏移,通过测量波长偏移量就可以获得压力的变化情况，进而通过T型滑杆14和金属波纹管4的配合，T型滑杆14受到的压力会通过橡胶挤压囊2内的气体使得金属波纹管4产生拉伸，拉伸的金属波纹管4使得光纤光栅沿轴向方向拉伸，进而使得光纤光栅压力传感器6能够对支撑桩1所受的压力进行稳定检测；同时该传感器压力灵敏度达到13.14nm/MPa,且具有良好的线性度和可重复性；光纤光栅压力传感器6通过金属波纹管4的中心线上穿过，金属波纹管4不仅对光纤光栅传感器6起到保护的作用，同时可以防止光纤光栅传感器6设置在金属波纹管4外时，由于金属波纹管4的拉伸变形带动导向滑板5滑动时，由于光纤光栅传感器6不在金属波纹管4的中心位置，进而导致光纤光栅传感器6的产生倾斜拉伸的现象，进而影响光纤光栅传感器6的稳定检测。
作为本发明的一种实施方式，所述金属波纹管4设为双层结构，且内层的金属波纹管4设置为散热金属材质；双层所述金属波纹管4上套接有螺旋弹簧8，且螺旋弹簧8内填充有冷却液；工作时，当金属波纹管4被拉伸时，金属波纹管4的拉伸可以使得螺旋弹簧8产生拉伸变形，而螺旋弹簧8内部的冷却液会产生绕动，进而对金属波纹管4内部起到冷却降温的效果，防止由于支杆12内部密封，且空气不流通，导致金属波纹管4内温度过高的现象，进而影响光纤光栅压力传感器6稳定检测效果；同时设置的金属波纹管4可以对光纤光栅压力传感器6起到保护的作用，防止由于矿洞内部环境较差，导致光纤光栅暴露在外面,容易造成光纤光栅的损耗,影响传感器的传感效率和使用寿命。
作为本发明的一种实施方式，所述导向滑板5的内部开设有挤压腔51，且挤压腔51的上壁设为弹性膜52；所述弹性膜52与光纤光栅通过胶粘剂相互粘合；工作时，当T形滑杆受到的压力过小时，橡胶挤压囊2内的气体使得金属波纹管4的拉伸变化量减小，金属波纹管4拉伸时，会使导向滑板5上方的弹性膜52产生凹陷，弹性膜52的凹陷会带动光纤光栅产生拉伸，进而提高光纤光栅压力传感器6的灵敏度，防止由于T型滑杆14受到的压力过小，且压力时缓慢发生变换时，由于金属波纹管4的拉伸较为迟缓，而导致光纤光栅压力传感器6难以对微变形的压力进行检测的现象。
作为本发明的一种实施方式，所述导气管7位于光纤光栅压力传感器6的顶端，且导气管7底端开设有导气孔71；所述导气孔71位于光纤光栅的圆周外壁处；工作时，当橡胶挤压囊2内的气体进入导气管7内时，导气管7内的气体会通过光栅光纤的圆周外壁的导气孔71进入到金属波纹管4内时，进而使得金属波纹管4在拉伸时，是沿着光纤光栅的外壁周围产生拉伸的，进而增大金属波纹管4拉伸时，对光纤光栅压力传感器6的稳定拉伸。
具体工作流程如下：
工作时，将支撑桩1的顶端通过支板13支撑在矿洞内，且率先在矿洞的顶端开设可以安装T型滑杆14的凹陷槽，使T型滑杆14的顶端位于凹陷槽内，支撑桩1的底端固定在矿洞的地面上；当矿洞顶端的岩石层向下凹陷时，会挤压T型滑动，T型滑杆14在支杆12内向下滑动会挤压橡胶挤压囊2，而橡胶挤压囊2内的气体会通过导气管7进入到金属波纹管4内，随着金属波纹管4内气体不断的进入，会使金属波纹管4产生拉伸，金属波纹管4的拉伸会使导向滑板5向下滑动，导向滑板5的滑动会使导致光纤光栅沿轴向方向拉伸,由于光纤光栅弹性形变和弹光效应使FBG中心反射波长发生偏移,通过测量波长偏移量就可以获得压力的变化情况。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“前”、“后”、“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保护范围的限制。
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
Claims (1)
1.一种矿区开采沉陷规律预测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
Sl：将光纤光栅压力传感器(6)安装在矿区的支撑桩(1)上，进而在矿区内对预测点进行布控，将安装的光纤光栅压力传感器(6)的位置进行记录，并且定期对光纤光栅压力传感器(6)的数据进行观测，获得预测点的光纤光栅压力传感器(6)的数据和GPS水平位置数据；
S2：利用GPS检测的矿区水平位置变化数据与光纤光栅压力传感器(6)监测各支撑桩(1)受到的压力数据，分别修正矿区地表形变水平与垂直监测结果，得到高精度三维形变图；
S3：利用freemat软件对离散的预测点处光纤光栅压力传感器(6)测量的多期数据和GPS水平位置发生变化的多组数据进行插值处理，构建多组数字高程模型；
S4：分析得到的高精度三维形变图和构建的多组数字高程模型，并根据设定的凹陷、水平、倾斜、裂缝曲率阈值，将变形结果大于阈值的点视为高危沉陷，根据数据发生变化的光纤光栅压力传感器(6)的位置，确定高危沉陷位置并进行预警；
每个光纤光栅压力传感器(6)通过光纤相互连接；
Sl步骤中所述支撑桩(1)包括支撑柱(11)、支杆(12)和支板(13)；所述支撑柱(11)内固定插接有支杆(12)，且支杆(12)上端安装有支板(13)；所述支板(13)上滑动插接有T型滑杆(14)；所述支杆(12)内部设置有橡胶挤压囊(2)，且橡胶挤压囊(2)的顶端与T型滑杆(14)的底端连接；所述支杆(12)内设置有固定板(3)，且固定板(3)的底端连接有金属波纹管(4)；所述金属波纹管(4)的底端滑动连接有导向滑板(5)，且金属波纹管(4)内插接有光纤光栅压力传感器(6);所述光纤光栅压力传感器(6)的顶端与固定板(3)固定连接，且光纤光栅压力传感器(6)的底端与导向滑板(5)固定连接；所述金属波纹管(4)通过导气管(7)与橡胶挤压囊(2)连接，且橡胶挤压囊(2)内设置有气控阀；
所述金属波纹管(4)设为双层结构，且内层的金属波纹管(4)设置为散热金属材质；双层所述金属波纹管(4)上套接有螺旋弹簧（8)，且螺旋弹簧(8)内填充有冷却液；
所述导向滑板(5)的内部开设有挤压腔(51)，且挤压腔(51)的上壁设为弹性膜(52)；所述弹性膜(52)与光纤光栅通过胶粘剂相互粘合；
所述导气管(7)位于光纤光栅压力传感器(6)的顶端，且导气管(7)底端开设有导气孔(71)；所述导气孔(71)位于光纤光栅的圆周外壁处。
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