CN111764893B - 煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置及其施工方法，该装置包括外管、前端导向装置、传感器布设装置、水力推送装置、水管以及对接外部水变装置，所述前端导向装置设置于外管的前端，所述传感器布设装置于外管的后端，所述水力推送装置的前端与外管连接，所述水管与水力推送装置的后端插接连接，所述对接外部水变装置与水管的后端插接连接，本发明用于深孔光纤光栅应变传感器快速安装和进孔过程的实时探查，能根据监测点数和钻孔深度灵活调整传感器布设装置、水力推送装置和水管，其操作简单、方便灵活，能克服现有技术的缺陷，有效探查孔内情况，还与煤壁的接触度好，且可靠性高、方便回收。
Description
技术领域
本发明涉及孔内物探的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置及其施工方法。
背景技术
光纤光栅监测手段在煤矿井下应用比较广泛，用来监测工作面的应力变化以及瓦斯浓度等参数，最近几年又有利用光纤光栅的手段在孔内进行监测方式，孔内监测的重要环节是要确保光纤光栅应变传感器能够和孔壁有效耦合，这样才能采集到的准确的信号。目前，在孔内放置光纤光栅应变传感器的方法比较单一，将传感器绑在PVC管上，利用人力将传感器推进孔底，再利用向孔底注浆的方式将传感器固定；这种方法存在以下不足，1、浪费人力物力2、孔内情况复杂容易损坏传感器3传感器不能回收，增加工程成本。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置及其施工方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置及其施工方法，其操作简单、方便灵活，能克服现有技术的缺陷，有效探查孔内情况，还与煤壁的接触度好，且可靠性高、方便回收。
为实现上述目的，本发明公开了一种煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置，包括外管、前端导向装置、传感器布设装置、水力推送装置、水管以及对接外部水变装置，所述前端导向装置设置于外管的前端，所述传感器布设装置于外管的后端，所述水力推送装置的前端与外管连接，所述水管与水力推送装置的后端插接连接，所述对接外部水变装置与水管的后端插接连接，其特征在于：
所述前端导向装置包含从左至右依次设置的孔内导向摄像头、第一电机驱动器、第二电机驱动器和单向阀，所述传感器布设装置包含从左至右依次设置的光纤光栅应变传感器、传感器伸缩装置、活塞装置和单向通水电磁阀，所述前端导向装置还包含多根牵引钢丝，而该多根牵引钢丝前端与孔内导向摄像头铰接连接，后端连接于第一电机驱动器和第二电机驱动器以方便的提供孔内导向摄像头的导向和转动，一导水通道，前端连通至孔内导向摄像头的清洗通道，后端连接至水力推送装置，所述导水通道还连接至单向阀。
其中：还设有视频传输线缆、供电线缆和传感器采集信号传输线缆，所述视频传输线缆的前端连接至孔内导向摄像头，后端连接至水力推送装置的多插针连接插件，所述供电电缆连接于孔内导向摄像头、第一电机驱动器和第二电机驱动器，其后端也连接至水力推送装置的多插针连接插件，所述传感器采集信号传输线缆的前端连接至光纤光栅应变传感器，后端也连接至水力推送装置的多插针连接插件。
其中：所述传感器伸缩装置包含第一伸缩杆和第二伸缩杆，所述第一伸缩杆的前端铰接至外壳，后端铰接于第二伸缩杆的前端，所述第二伸缩杆的后端铰接于活塞腔内伸缩运动的活塞杆前端，所述光纤光栅应变传感器连接于第一伸缩杆和第二伸缩杆铰接处，从而通过活塞杆的运动实现传感器伸缩装置和光纤光栅应变传感器的伸缩。
其中：所述活塞杆的后端设有凸缘，所述凸缘和活塞腔之间设有弹簧以提供活塞杆的弹性回复。
其中：所述单向通水电磁阀与外管的管体固定连接，所述导水通道同时还连通至活塞腔后端的进水孔以及单向通水电磁阀从而提供活塞杆的驱动力。
其中：以及一单向通水电磁阀控制线缆，前端连接至单向通水电磁阀，后端连接至水力推送装置的多插针连接插件。
还公开了一种上述煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置的施工方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一:放置光纤光栅应变传感器装置；
步骤二:将对接外部水变装置与水变连接，向水管内通入高压强水，水力推送装置在高压水的作用下向孔口方向喷水，进而将水力推送装置向孔内方向推进；
步骤三：通过第一电机驱动器、第二电机驱动器控制牵引钢丝进而控制前端的孔内导向摄像头使其上下、左右活动窥探孔内的环境，通过控制单向阀实时清洗导向摄像头表面附着物；
步骤四：当光纤光栅应变传感器到达预设位置后调低供水水压，导水通道中水注入活塞腔内压缩弹簧，进而使得传感器伸缩装置压缩，将光纤光栅应变传感器顶到钻孔壁上，使得光纤光栅应变传感器处于与钻孔壁有效耦合的状态；
步骤五：进行实时监测。
其中：监测完毕后，控制打开单向通水电磁阀，保压水降压后，弹簧将恢复到原有的伸展状态，进而带动光纤光栅应变传感器伸缩装置伸展，整个装置将通过外部钢绳牵引的绞车提出钻孔，达到光纤光栅应变传感器的回收。
通过上述内容可知，本发明的煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置及其施工方法具有如下效果：
1、操作简单、方便灵活，能克服现有技术的缺陷，有效探查孔内情况，可靠性高、方便回收；
2、实现孔中光纤光栅应变传感器的伸缩，而且能够通过导向摄像头观察孔内的具体情况，在进行深孔光纤光栅应变传感器安装、回收过程中实现快速施工增加可靠性，提高工作效率。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置的整体示意图；
图2显示了本发明的前端导向装置的结构图；
图3显示了本发明的光纤光栅应变传感器伸缩装置的结构图；
图4显示了本发明的水力推送装置的结构图；
图5显示了本发明的水管以及外部连接装置结构图。
附图标记：
1外管、2导水通道、3孔内导向摄像头、4牵引钢丝、5视频传输线缆、6供电线缆、7第一电机驱动器、8第二电机驱动器、9单向阀、10光纤光栅应变传感器、11传感器伸缩装置、12活塞腔、13传感器采集信号传输线缆、14弹簧、15单向通水电磁阀、16单向通水电磁阀控制线缆、17水管、18对接外部水变装置、C水力推进装置、C1第一出水口、C2第二出水口、C3多插针连接插件。
具体实施方式
参见图1至图5，显示了本发明的煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置及其施工方法。
所述煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置可包括外管1、前端导向装置、传感器布设装置、水力推送装置C、水管17以及对接外部水变装置18，所述前端导向装置设置于外管1的前端，所述传感器布设装置于外管1的后端，所述水力推送装置C的前端与外管1螺纹连接，所述水管17与水力推送装置C的后端插接连接，所述对接外部水变装置18与水管17的后端插接连接。
其中，所述前端导向装置可包含从左至右依次设置的孔内导向摄像头3、第一电机驱动器7、第二电机驱动器8和单向阀9，所述传感器布设装置包含从左至右依次设置的光纤光栅应变传感器10、传感器伸缩装置11、活塞装置12和单向通水电磁阀15，所述前端导向装置还包含多根牵引钢丝4，所述孔内导向摄像头3的后端为铰接连接，而该多根牵引钢丝4从外壳1的内侧壁延伸且前端与孔内导向摄像头3铰接连接，后端连接于第一电机驱动器7和第二电机驱动器8，以方便的提供孔内导向摄像头3的导向和转动，一导水通道2，前端连通至孔内导向摄像头3的清洗通道，后端连接至水力推送装置C的第一出水口C1和第二出水口C2，所述导水通道2还固定连接至单向阀9，还设有视频传输线缆5、供电线缆6和传感器采集信号传输线缆13，所述视频传输线缆5的前端连接至孔内导向摄像头3，后端连接至水力推送装置C的多插针连接插件C3，所述供电电缆6连接于孔内导向摄像头3、第一电机驱动器7和第二电机驱动器8，其后端也连接至水力推送装置C的多插针连接插件C3，所述传感器采集信号传输线缆13的前端连接至光纤光栅应变传感器10，后端也连接至水力推送装置C的多插针连接插件C3。
所述传感器伸缩装置11包含第一伸缩杆和第二伸缩杆，所述第一伸缩杆的前端铰接至外壳，后端铰接于第二伸缩杆的前端，所述第二伸缩杆的后端铰接于活塞腔12内伸缩运动的活塞杆前端，所述光纤光栅应变传感器10连接于第一伸缩杆和第二伸缩杆铰接处，且外壳设有供光纤光栅应变传感器10向外伸缩的贯通槽，从而通过活塞杆的运动实现传感器伸缩装置11的伸缩运动，同时实现光纤光栅应变传感器10的向外伸缩，其中，所述活塞杆的后端设有凸缘，所述凸缘和活塞腔12之间设有弹簧14，以提供活塞杆的弹性回复，所述单向通水电磁阀15与外管1的管体固定连接，所述导水通道2同时还连通至活塞腔12后端的进水孔以及单向通水电磁阀15，从而提供活塞杆的驱动力，以及一单向通水电磁阀控制线缆16，前端连接至单向通水电磁阀15，后端连接至水力推送装置C的多插针连接插件C3。
可选的是，本申请的深孔光纤光栅应变传感器布设装置可以通过增加传感器部分的装置和水管达到目标深度传感器的布设，通过螺纹连接方式将这些短节装置连接。
由此，本发明中孔内导向摄像头3、导水通道2、牵引钢丝4、视频传输线缆5、供电线缆6、第一电机驱动器7、第二电机驱动器8与单向阀9组成孔内环境探查装置，所述牵引钢丝4在第一电机驱动器7、第二电机驱动器8的驱动下来调整孔内导向摄像头3的上下、左右的活动，通过控制单向阀9给导水通道2充水，清洗孔内导向摄像头3的附着物。
其中，本发明的光纤光栅应变传感器10、传感器伸缩装置11、活塞腔12、传感器采集信号传输线缆13、弹簧14、单向通水电磁阀15组成传感器伸缩传动装置，推进过程中单向通水电磁阀15关闭，传感器伸缩装置11处于伸展状态，当光纤光栅应变传感器10到达预设位置后调低供水水压，并将单向通水电磁阀15打开，导水通道2中的3Mpa水压的水将注入活塞腔12内压缩弹簧14，进而使得传感器伸缩装置11压缩，将光纤光栅应变传感器10顶到钻孔壁上，同时将单向通水电磁阀15关闭，使得光纤光栅应变传感器10在水压作用下一直处于与钻孔壁有效耦合的状态。
其中，所述导水通道2中通入高压强水，水压在通入水力推送装置C时，水将会从第一出水口C1、第二出水口C2被挤压出来，会形成反作用力推动整个装置向前运动，将光纤光栅应变传感器10推送到预置点位。
本发明还涉及一种煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一:放置若干个光纤光栅应变传感器装置，通过多插针连接插件C3将整个装置所用的供电传输线缆6、视频信号线缆5、光纤光栅应变传感器采集信号线缆13、单向通水电磁阀控制线缆16连接起来，可以根据需求增加中间装置的短节通过螺纹将外管1连接，完成整个装置的组装以及进孔工作。
步骤二:将对接外部水变装置18与水变连接，然后控制单向通水电磁阀15关闭，随后向水管17内通入高压强水，水力推送装置C在高压水的作用下，出水口C1和出水口C2向孔口方向喷水，进而将水力推送装置向孔内方向推进。
步骤三：通过第一电机驱动器7、第二电机驱动器8控制牵引钢丝4进而控制前端的孔内导向摄像头3使其可以上下、左右活动窥探孔内的环境，通过控制单向阀9实时清洗导向摄像头3表面附着物。
步骤四：当光纤光栅应变传感器10到达预设位置后调低供水水压，并将单向通水电磁阀15打开，导水通道2中的3Mpa水压的水将注入活塞腔12内压缩弹簧14，进而使得传感器伸缩装置11压缩，将光纤光栅应变传感器10顶到钻孔壁上，同时将单向通水电磁阀15关闭，停止通水；使得光纤光栅应变传感器10在保压水的作用下一直处于与钻孔壁有效耦合的状态。
步骤五：进行实时监测，监测完毕后，控制打开单向通水电磁阀15，保压水降压后，弹簧14将恢复到原有的伸展状态，进而带动光纤光栅应变传感器伸缩装置11伸展，整个装置将通过外部钢绳牵引的绞车提出钻孔，达到光纤光栅应变传感器10的回收。
由此可见，本发明的优点在于：
1、操作简单、方便灵活，能克服现有技术的缺陷，有效探查孔内情况，可靠性高、方便回收；
2、实现孔中光纤光栅应变传感器的伸缩，而且能够通过导向摄像头观察孔内的具体情况，在进行深孔光纤光栅应变传感器安装、回收过程中实现快速施工增加可靠性，提高工作效率。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (5)
1.一种煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置的施工方法，该煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置包括外管、前端导向装置、传感器布设装置、水力推送装置、水管以及对接外部水变装置，所述前端导向装置设置于外管的前端，所述传感器布设装置于外管的后端，所述水力推送装置的前端与外管连接，所述水管与水力推送装置的后端插接连接，所述对接外部水变装置与水管的后端插接连接，
所述前端导向装置包含从左至右依次设置的孔内导向摄像头、第一电机驱动器、第二电机驱动器和单向阀，所述传感器布设装置包含从左至右依次设置的光纤光栅应变传感器、传感器伸缩装置、活塞装置和单向通水电磁阀，所述前端导向装置还包含多根牵引钢丝，而该多根牵引钢丝前端与孔内导向摄像头铰接连接，后端连接于第一电机驱动器和第二电机驱动器以方便的提供孔内导向摄像头的导向和转动，一导水通道，前端连通至孔内导向摄像头的清洗通道，后端连接至水力推送装置，所述导水通道还连接至单向阀；
还设有视频传输线缆、供电线缆和传感器采集信号传输线缆，所述视频传输线缆的前端连接至孔内导向摄像头，后端连接至水力推送装置的多插针连接插件，所述供电线缆连接于孔内导向摄像头、第一电机驱动器和第二电机驱动器，其后端也连接至水力推送装置的多插针连接插件，所述传感器采集信号传输线缆的前端连接至光纤光栅应变传感器，后端也连接至水力推送装置的多插针连接插件；
所述传感器伸缩装置包含第一伸缩杆和第二伸缩杆，所述第一伸缩杆的前端铰接至外壳，后端铰接于第二伸缩杆的前端，所述第二伸缩杆的后端铰接于活塞腔内伸缩运动的活塞杆前端，所述光纤光栅应变传感器连接于第一伸缩杆和第二伸缩杆铰接处，从而通过活塞杆的运动实现传感器伸缩装置和光纤光栅应变传感器的伸缩；其特征在于该施工方法包括以下步骤：
步骤一: 放置光纤光栅应变传感器装置；
步骤二:将对接外部水变装置与水变连接，向水管内通入高压强水，水力推送装置在高压水的作用下向孔口方向喷水，进而将水力推送装置向孔内方向推进；
步骤三：通过第一电机驱动器、第二电机驱动器控制牵引钢丝进而控制前端的孔内导向摄像头使其上下、左右活动窥探孔内的环境，通过控制单向阀实时清洗导向摄像头表面附着物；
步骤四：当光纤光栅应变传感器到达预设位置后调低供水水压，导水通道中水注入活塞腔内压缩弹簧，进而使得传感器伸缩装置压缩，将光纤光栅应变传感器顶到钻孔壁上，使得光纤光栅应变传感器处于与钻孔壁有效耦合的状态；
步骤五：进行实时监测。
2.如权利要求1所述的煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置的施工方法，其特征在于：所述活塞杆的后端设有凸缘，所述凸缘和活塞腔之间设有弹簧以提供活塞杆的弹性回复。
3.如权利要求1所述的煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置的施工方法，其特征在于：所述单向通水电磁阀与外管的管体固定连接，所述导水通道同时还连通至活塞腔后端的进水孔以及单向通水电磁阀从而提供活塞杆的驱动力。
4.如权利要求1所述的煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置的施工方法，其特征在于：以及一单向通水电磁阀控制线缆，前端连接至单向通水电磁阀，后端连接至水力推送装置的多插针连接插件。
5.如权利要求1所述的煤矿井下水平深孔光纤光栅应变传感器布设装置的施工方法，其特征在于：监测完毕后，控制打开单向通水电磁阀，保压水降压后，弹簧将恢复到原有的伸展状态，进而带动光纤光栅应变传感器伸缩装置伸展，整个装置将通过外部钢绳牵引的绞车提出钻孔，达到光纤光栅应变传感器的回收。
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