CN114964579A - 基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统，该系统包括上位机、交换机、多个应力传感解调分站和多个光栅阵列应力传感支路，其中，上位机用于显示和记录井下整个监测区域的应力分布数据；交换机用于实现上位机与每个应力传感解调分站间的TCP/IP连接；每个光栅阵列应力传感支路包括多个光纤光栅应力传感器，光纤光栅应力传感器基于混合复用技术组建分布式光纤光栅传感网络；每个应力传感解调分站的第二端与分布式光纤光栅传感网络中至少一个光栅阵列应力传感支路连接，用于控制对应的光栅阵列应力传感支路检测应力并对返回的应力传感数据进行解调。该系统可以实现井下应力的密集实时在线监测，避免了监测盲区，降低了监测成本。

Description

基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统

技术领域

本申请涉及矿用设备技术领域，尤其涉及一种基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统。

背景技术

随着可供开采的煤炭资源的紧张程度加剧，深度开采成为必然趋势，而深部煤炭开采的力学环境、岩体组织结构、基本力学行为特征和工程响应与浅部开采明显不同，引发煤矿事故的各类灾害源散布在尚未开采的地层中，对深部煤炭资源的安全开采造成严重威胁。因此煤矿迫切需要建立能够实时、在线、连续地对煤矿灾害前兆事件可能发生时传播出来的物理量进行监测的系统。

其中，矿山压力监测是揭示矿山地压活动规律的科学手段，是保证煤矿生产正常进行的重要技术措施。由于采矿工程面临的对象是岩体，而岩体是在特定赋存条件下（比如，地应力、地下水、和地温等）的非连续和非均匀的各向异性体，其力学性质或本构关系表现出复杂的非线性，同时，由于煤矿开采过程和环境的复杂性，目前还难以通过理论计算的方法得到与工程实际完全吻合的矿压结果。因此，需要通过矿压监测及时掌握井下实际情况，做到防患于未然。

相关技术中，目前煤矿井下煤岩应力监测系统大多采用传统的电类有线或无线的传感器，而电类传感器存在供电距离近、带载数量少、测量精度低和容易受干扰等问题，导致相关技术中的应力监测系统存在较多的监测盲区，且该种监测系统存在电火花引起爆炸等安全隐患，监测成本也较大。

因此，如何减少井下煤岩应力监测系统的监测盲区并降低监测成本，成为目前亟需解决的问题。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出一种基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统，本申请通过结合分布式光栅阵列的应力传感技术、传感复用技术和传感解调技术，并设置适合煤岩应力测试要求的光栅阵列应力传感装置和光栅阵列传感解调分站，构建出了低成本、大容量、监测点密集、距离远、本质安全、可靠性强和实时远程在线的分布式光栅阵列应力监测系统。

为达上述目的，本申请的实施例在于提出一种基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统，该系统包括：上位机、交换机、多个应力传感解调分站和多个光栅阵列应力传感支路，其中，

所述上位机的输入输出端与所述交换机的第一端口连接，用于显示和记录井下整个监测区域的应力分布数据；

所述交换机的多个第二端口分别与对应的应力传感解调分站的第一端连接，用于实现所述上位机与每个所述应力传感解调分站之间的TCP/IP连接，以进行数据交互；

每个所述光栅阵列应力传感支路包括多个光纤光栅应力传感器，全部的光纤光栅应力传感器基于混合复用技术组建分布式光纤光栅传感网络；

每个所述应力传感解调分站的第二端与所述分布式光纤光栅传感网络中至少一个所述光栅阵列应力传感支路连接，用于控制对应的光栅阵列应力传感支路检测应力并对返回的应力传感数据进行解调。

可选地，在本申请的一个实施例中，应力传感解调分站包括：本地控制模块和传感解调模块，其中，所述本地控制模块的第一端与对应的所述交换机的第二端口连接,所述本地控制模块的第二端与所述传感解调模块的第一端连接，所述本地控制模块用于向所述传感解调模块发送控制指令，以控制对应的光栅阵列应力传感支路监测应力；所述传感解调模块的第二端与对应的光栅阵列应力传感支路连接，用于向支路中的光纤光栅阵列发送脉冲光，并对返回的反射脉冲进行解调。

可选地，在本申请的一个实施例中，光纤光栅应力传感器沿巷道顶板的支护锚杆的轴向依次布设，以检测所述支护锚杆受顶板围岩的应力，同一所述支护锚杆上的多个所述光纤光栅应力传感器通过一条传输光纤串联。

可选地，在本申请的一个实施例中，支护锚杆上还包括：零应变温度传感器，所述零应变温度传感器，用于检测所处的支护锚杆周围的环境温度。

可选地，在本申请的一个实施例中，传感解调模块包括：可调激光器、光调制器、信号发生器、光环形器、光开关、密集型光波复用设备DWDM和信号处理器，其中，所述可调激光器的输出端与所述光调制器的第一端连接，所述信号发生器的输出端与所述光调制器的第二端连接；所述光调制器的第三端与光环形器的第一端连接，所述光环形器的第二端与所述光开关的第一端连接，所述光开关的第二端与并行的光栅阵列应力传感支路连接；所述光环形器的第三端与所述密集型光波复用设备DWDM的输入端连接，所述密集型光波复用设备DWDM的输出端与所述信号处理器连接。

可选地，在本申请的一个实施例中，每个所述光栅阵列应力传感支路中的光纤光栅阵列被预先划分为预设数量个分段，每个所述分段返回在应力作用下的反射脉冲，所述传感解调模块对每个所述分段返回的反射脉冲进行解调。

可选地，在本申请的一个实施例中，上位机，还用于：根据所述井下整个监测区域的应力分布数据分析应力集中点，并结合所述应力集中点的分析结果对所述监测区域进行风险诊断。

可选地，在本申请的一个实施例中，上位机，还用于：在诊断出存在风险的情况下，生成预警信息，并将所述预警信息通过无线通信技术发送至预先验证的终端设备处。

可选地，在本申请的一个实施例中，上位机，还用于：对所述井下整个监测区域的岩土结构应变场进行定量化评估。

可选地，在本申请的一个实施例中，光纤光栅应力传感器设置在采空区的填充墙中，和/或设置在顺槽中。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：本申请通过波分、时分和空分混合复用的方式构建分布式光纤光栅传感网络，显著提升了传感系统的容量，并利用分布式光纤传感技术中光波在光纤中的传输特性，使光波沿光纤长度方向连续的传感被测量，可以布设更多的监测点，提高应力监测的密集性，从而避免了监测盲区。并且，本申请的多测点的传感布设方式，可以大量减少线缆铺设，简化了布点结构，显著降低了系统成本。本申请实现了煤矿掘进巷道及顺槽应力的密集实时在线监测，通过系统中的上位机实时准确显示整个监测区域的应力分布情况，分析应力集中点和危险前兆信息，对存在的危险进行及时处理，避免矿压灾害的发生。另外，系统实现了岩土结构应变场的定量化，为岩体变形行为评估提供了有效信息。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例提出的一种基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提出的一种具体的基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提出的一种光纤光栅应力传感器阵列的布置方式示意图；

图4为本申请实施例提出的一种基于混合复用的分布式光纤光栅传感网络的结构示意图；

图5为本申请实施例提出的另一种光纤光栅应力传感器阵列的布置方式示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在本申请实施例中，由于与传统的电类传感技术相比，光纤传感技术具有本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小和重量轻等诸多优势，更适合应用于煤矿井下恶劣环境。因此，本申请构建光纤应力监测系统，而如果只是把传统的电类传感器转换为光纤传感器，仍采用了传统的电式应力传感器相同的结构，布点及安装方式没有进行任何改变，虽然提高了传感器的性能，但也增加了系统的成本，且仍然存在监测盲区的问题。

为此，本申请提出了一种基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统，该系统运用分布式光栅阵列应力传感技术、分布式光栅阵列传感复用和网络技术，以及分布式光栅阵列传感解调技术，结合矿压理论、光纤通信技术和计算机技术，配置适合煤岩应力测试要求的光栅阵列应力传感装置、光栅阵列传感解调分站，可以实现井下应力的密集实时在线监测，避免了监测盲区，降低了检测成本。

下面参考附图描述本发明实施例所提出的一种基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统。

图1为本申请实施例提出的一种基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统的结构示意图，如图1所示，该应力监测系统包括：上位机10、交换机20、多个应力传感解调分站30和多个光栅阵列应力传感支路40。

其中，上位机10的输入输出端与交换机20的第一端口连接，用于显示和记录井下整个监测区域的应力分布数据。

其中，井下整个监测区域是指本申请的矿用应力监测系统工作范围内覆盖的可监测区域。

具体的，上位机10的输入输出端用于与交换机20进行通讯交互，包括接收交换机20发送的应力监测数据和向交换机20传输控制指令等。在光栅阵列应力传感支路40中的光纤光栅传感器检测到应力，且解调分站30解调出应力数据后，各个解调分站30将解调出的数据通过交换机20传输至上位机10。上位机10显示整个监测区域的应力分布数据，便于工作人员了解监测区域的应力分布情况。

在本申请一个实施例中，上位机10可以是个人计算机PC，上位机10中预先安装了数据存储软件（比如，SQLServer数据库）和监控软件，上位机10通过数据库存储记录监测到的应力数据，并通过监控软件中的人机交互界面直观的显示应力数据。

交换机20的多个第二端口分别与对应的应力传感解调30分站的第一端连接，用于实现上位机10与每个应力传感解调分站30之间的TCP/IP连接，以进行数据交互。

具体的，交换机20的第一端口与上位机10连接，交换机20具有多个第二端口，每个第二端口与一个应力传感解调分站30连接，交换机20建立上位机10与每个应力传感解调分站30之间的TCP/IP连接，实现上位机10与不同的解调分站30的交互。交换机20中预留出若干数量的第二端口，以便支持应力监测系统的拓展。

每个光栅阵列应力传感支路40上包括多个光纤光栅应力传感器41，本申请的矿用应力监测系统中全部的光纤光栅应力传感41器基于混合复用技术组建分布式光纤光栅传感网络。

具体的，每个光栅阵列应力传感支路40中包括的多个光纤光栅应力传感器41组成的光纤光栅阵列，光纤光栅应力传感器41是可以检测应力等环境参数的光学传感器，比如，光纤光栅应力传感器可以选用光纤布拉格光栅传感器（FiberBraggGratingSensor，简称FBG）。

需要说明的是，在实际应用中，若要实现对井下煤矿巷道的监测，则需要将光纤光栅应力传感器形成传感网络，以实现对整个煤矿巷道的实时安全监测。而为了能够实现对应力等物理量的准分布式测量，通常都需要采用复用技术将光纤光栅传感器形成传感网络。而对于一个分布式光纤光栅传感网络来说，传感机构、解调系统和复用结构是其三个主要的组成部分，如图1所示。其中，由于FBG具有体积小、抗电磁干扰、测量精度高、环境适应性强、耐腐蚀、使用安全可靠和对被测介质影响小等独特的特点和优势，本申请实施例中选用光纤布拉格光栅传感器作为传感机构。并且，运用FBG的解调和复用技术可以使光纤光栅传感器构成准分布式传感网络，从而应用于煤矿巷道不同区域的应力的监测当中。其中，本申请的基于光纤光栅的分布式传感系统利用混合复用技术来进行组网，混合复用的光纤光栅应力传感器与相关的传感解调器件组成本申请的的分布式传感系统。

每个应力传感解调分站30的第二端与分布式光纤光栅传感网络中至少一个光栅阵列应力传感支路40连接，用于控制对应的光栅阵列应力传感支路40检测应力并对返回的应力传感数据进行解调。

具体的，本申请的应力传感解调分站30的第二端与一个或多个光栅阵列应力传感支路40连接，优选的，在本申请一个实施例中，一个应力传感解调分站30可连接多个光栅阵列应力传感支路40，并对多个支路的光纤进行耦合。应力传感解调分站30用于控制对应的光栅阵列应力传感支路40检测应力并对返回的应力传感数据进行解调。

还需说明的是，外界物理量变化会引起光纤光栅的栅距和纤芯有效折射率发生变化，从而导致光纤光栅的中心波长会发生相应的漂移，通过光纤光栅的解调技术可得到光纤光栅的中心波长漂移量，从而转换为被测物理量的变化测量。

因此，本申请的应力传感解调分站30在确定需要进行应力监测时，可以向对应的光栅阵列应力传感支路40发生光信号，并对支路中各光纤光栅传感器在应力作用下返回的光信号进行解调，以获取该支路上监测到的应力数据。

由此，本申请的基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统，通过基于光纤光栅的分布式传感系统，提高了传感容量，避免了监测盲区，并且通过分布式的光纤传感减少了系统的布设成本。

基于上述实施例，为了更加清楚的描述本申请的基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统的应力解调过程，在本申请一个实施例中还提出了一种具体的基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统，图2为本申请实施例提出的一种具体的基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统的结构示意图，如图2所示，在图1所示的系统的基础上，每个应力传感解调分站30包括：本地控制模块31和传感解调模块32。

其中，本地控制模块31的第一端与对应的交换机20的第二端口连接,本地控制模块31的第二端与传感解调模块32的第一端连接，本地控制模块31用于向传感解调模块32发送控制指令，以控制对应的光栅阵列应力传感支路40监测应力，其中，每个光栅阵列应力传感支路40上包括多个光纤光栅应力传感器41，各个光纤光栅应力传感器41依次连接。即，本申请实施例中，可以根据实际需要，控制监测区域中相应位置处的传感支路40进行监测应力，在暂时不需要进行应力监测的区域可以控制对应的传感支路40停止工作，从而提高了应力监测的灵活性和针对性，有利于进一步降低监测成本。并且，在本申请一个实施例中，本地控制模块31还可以暂存对应支路上的应力监测数据。

传感解调模块32的第二端与对应的光栅阵列应力传感支路连接，用于向支路中的光纤光栅阵列发送脉冲光，并对返回的反射脉冲进行解调。具体的，传感解调模块32可以通过其内部的器件，分时地向支路中的光纤光栅阵列发送不同波长脉冲光，再通过相关的转换器件和数据处理子模块对各个光纤光栅传感器返回的反射脉冲进行解调。

基于上述实施例，为了更加清楚的描述本申请的光栅阵列应力传感支路中的光纤光栅应力传感器进行应力监测的实现方式，在本申请一个实施例中还提出了一种具体的通过光纤光栅应力传感器阵列对井下巷道的顶板进行应力监测方式，图3为本申请实施例提出的一种光纤光栅应力传感器阵列的布置方式示意图。

需要说明的是，由于矿井开采深度的加大和生产能力的提高，井下机械化程度越来越高且掘进工程量越来越大，从而地层支护的重要性也日渐突出。井下支护形式众多，比如，木支架、梁及背板、拱形钢支架、喷射混凝土、壁后充填、顶板锚杆析架和岩石锚杆等。而在众多形式中，锚杆支护对于巷道顶板的支护作用尤为突出。岩土锚杆支护技术就是将某一种形式的受拉器件埋入所要保护的岩层中，从而来提高岩土自身的稳定性和抗震抗变能力。基于此，本申请实施例将光纤Bragg光栅传感器应用在锚杆支护技术中，对煤矿巷道顶板的应变进行检测，从而通过检测支护锚杆受顶板围岩的应力来对顶板的安全状况进行监测分析。

如图3所示，同一支路40中的多个光纤光栅应力传感器41沿巷道顶板的支护锚杆的轴向依次布设，以检测支护锚杆受顶板围岩的应力，同一支护锚杆上的多个光纤光栅应力传感器41通过一条传输光纤43串联，组成光纤光栅阵列，光纤光栅应力传感器41可布设在支护锚杆外部螺纹处。在本实施例中，可将一个支护锚杆近似视为一个光栅阵列应力传感支路40，对巷道顶板不同位置处的应力进行监测。

按本申请实施例的布置方式设置光纤光栅传感器后，本申请的光纤光栅传感网络具有以下优点：1、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、对电绝缘且无电传输；2、可进行波长编码的数字式传感，使用可靠性高，寿命长，能进行长期安全监测；3、通过光纤传输信号，适合远距离在线监测和传输，易于组网；4、在一根光纤中写入多个光栅，易于实现分布式自动化在线监测；5、响应时间快、精度高、灵敏度高且分辨率高；6、结构简单、易于施工布设。

在本申请一个实施例中，如图3所示，在支护锚杆上还设置了零应变温度传感器42，零应变温度传感器42可采用零应变材料制成，用于检测所处的支护锚杆周围的环境温度。包括支护锚杆的顶部和轴向不同位置等。即本实施例中，在支护锚杆上除了布设用于检测应变的传感器外，同时还需要设置不受轴向应力的零应变的温度传感器以便将应变与温度进行分离，进而解决其交叉敏感问题。零应变温度传感器42的布设数量可以根据实际需要调整。

如上述实施例所述，传感机构、解调系统和复用结构是分布式光纤光栅传感网络的三个主要的组成部分，为了更加清楚的描述上述实施例中的传感解调模块32控制对应的光栅阵列应力传感支路40进行传感和解调的过程，以及光纤光栅应力传感器基于混合复用技术组建分布式光纤光栅传感网络的实现方式，本申请还提出了一种具体的基于混合复用的分布式光纤光栅传感网络，图4为本申请实施例提出的一种基于混合复用的分布式光纤光栅传感网络的结构示意图。

需要说明的是，本申请实施例中，为满足大范围长距离的检测需求，基于光纤光栅的分布式传感系统利用时分复用、波分复用和空分复用的混合复用技术进行组网。其中，波分复用为常见的信号处理技术，在井下受光源带宽限制，其复用传感器的数目有限。在时分复用的FBG传感系统中，由于各个光纤光栅传感器之间的串扰，复用数量也受到限制。空分复用一般通过光开关实现并行网络拓扑结构，测量点之间无互相影响，串扰低、信噪比高、方便组网。本申请将波分、时分和空分复用方式结合起来构成波分、时分和空分混合复用传感网络，从而使传感系统的容量得以显著增加，实现了准分布式、立体化传感。同时，本申请通过大容量光纤传感组网后，监测得到的各种参量信号都转换为波长信号，从而能实现多参量的融合传感。

具体而言，在本实施例中设置传感解调模块32包括：可调激光器321、光调制器322、信号发生器323、光环形器324、光开关325、密集型光波复用设备DWDM326和信号处理器327。

其中，可调激光器321的输出端与光调制器322的第一端连接，信号发生器323的输出端与光调制器322的第二端连接，光调制器322的第三端与光环形器324的第一端连接，光环形器324的第二端与光开关325的第一端连接，光开关325的第二端与并行的多个光栅阵列应力传感支路40连接，光环形器324的第三端与密集型光波复用设备DWDM326的输入端连接，密集型光波复用设备DWDM326的输出端与信号处理器327连接。上述各器件与并行的多个光栅阵列应力传感支路，组成本申请的基于波分、时分和空分的混合复用大容量弱光栅传感网络。

进一步的，信号处理器327还可以再与用于解调的器件连接，相关的解调器件解调出应力后，将应力数据发送至远程控制的上位机10等处。

在本申请一个实施例中，每个光栅阵列应力传感支路40中的光纤光栅阵列被预先划分为预设数量个分段，每个分段返回在应力作用下的反射脉冲，传感解调模块32对每个分段返回的反射脉冲进行解调。即，将被测光栅阵列分为若干分段，以每分段为一个测量单元而不是每个光纤光栅传感器。实际进行传感解调时，传感解调模块32向对应支路上的光纤光栅阵列发射不同波长的脉冲光，阵列中各个分段内每个光栅反射的脉冲相互叠加，将每个分段返回的反射脉冲信号作为一个整体进行解调，由此，能够大幅减少数据处理单元，提高感知密集度和响应速度。

在实际的传感解调过程中，可调激光器321可以分时的发出光脉冲，光调制器322根据信号发生器323发出的脉冲信号对光脉冲进行脉冲调制并放大，光开关325实现多个支路的并行网络拓扑结构，调制并放大后的脉冲信号经过光环形器324和光开关325进入光纤光栅阵列，各个光栅在每个波长下的反射脉冲会沿光纤返回，经过光环形器324转换方向后进入密集型光波复用设备DWDM326。密集型光波复用设备DWDM326是能组合一组光波长用一根光纤进行传送的设备，DWDM326将各个分段返回的反射脉冲组合复用，再经过信号处理器327进行信号转换后输出至相关的解调器件进行解调。其中，进行解调的器件可以是上述实施例中的转换器件和数据处理子模块，在本实施例中，该转换器件可以是光电探测器，光电探测器进行光电转换后，电信号进入数据处理子模进行数据处理。数据处理子模可以还原每个分段的位置信息和光谱信息，并对光谱信息进行解调。

需要说明的是，上述实施例可由每个应力传感解调分站30与对应的多个光栅阵列应力传感支路组成分布式的光纤光栅传感网络，再由多个并行的分布式的光纤光栅传感网络进一步组成整体的分布式光纤光栅传感网络。在本申请另一个实施例中，还可以仅在本申请的矿用应力监测系统中设置一组上述各器件，通过一组上述器件与全部的并行的多个光栅阵列应力传感支路组成分布式光纤光栅传感网络。

基于上述实施例，为了进一步根据应力监测结果预防矿压灾害，提高煤矿安全性，在本申请一个实施例中，上位机10，还用于根据井下整个监测区域的应力分布数据分析应力集中点，并结合应力集中点的分析结果对监测区域进行风险诊断。

在本申请实施例中，上位机10预先结合专家知识和井下历史运行经验等数据构建井下应力灾害的诊断知识库，或者，获取历史的应力数据和灾害数据作为训练数据，通过人工智能技术训练井下应力灾害检测的神经网络模型。在上位机获取整个监测区域的应力分布数据后，分析不同区域的应力数据，确定井下整个监测区域中的应力集中点。然后，将应力集中点的应力数据和应力集中点的位置数据等作为危险前兆信息输入诊断知识库，诊断知识库中包括不同工况下的应力基准区间，通过将应力数据与应力基准区间比较等方式对应力集中点进行风险诊断，判断应力集中点是否可能发生灾害。或者，将应力集中点的应力数据和应力集中点的位置数据输入训练好的神经网络模型，通过神经网络模型进行风险诊断，识别应力集中点是否可能发生灾害。

进一步的，上位机10，还用于在诊断出存在风险的情况下，生成预警信息，并将预警信息通过无线通信技术发送至预先验证的终端设备处。

其中，预先验证的终端设备可以是预先通过合法性验证的井下相关工作人员的移动终端，比如，矿用手机等。

在本申请实施例中，上位机10上还预先安装了通讯软件，上位机10与预先验证通过的终端设备建立无线连接，无线连接可包括蓝牙连接和wifi连接等，具体的无线连接方式可以根据实际需要确定。在诊断出监测区域中任一区域存在风险的情况下，生成预警信息，该预警信息可以是文字提醒信息或语音提醒信息，并将预警信息通过无线通信技术发送至预先验证的终端设备处，从而可以及时、便捷的向相关人员进行告警，有利于及时排除异常，降低灾害发生的概率，并且提高了预警反馈的智能性和实时性。

更进一步的，上位机10，还用于对井下整个监测区域的岩土结构应变场进行定量化评估。在本申请实施例中，上位机10综合分析井下整个监测区域的应力数据，并比较不同时刻下的应力变化情况，实现岩土结构应变场的定量化，为岩体变形行为评估提供有效信息，可以对采煤、掘进等生产作业进行指导。

在本申请一个实施例中，如图5所示，光纤光栅应力传感器还可以设置在采空区的填充墙中。其中，采空区的填充墙与煤帮之间形成巷道，多个光纤光栅应力传感器41通过传输光纤43串联在采空区的填充墙中，可以对巷道填充墙的不同位置处的应力进行监测，上位机10和应力传感解调分站30设置在安全区域中，并通过光缆连接。或者，光纤光栅应力传感器还可以设置在顺槽中，以通过光纤光栅应力传感器对顺槽的应力进行监测，顺槽是采面两边的进出人员和皮带综采设备等的巷道，顺槽中光纤光栅应力传感器的设置方式可参照采空区的填充墙的设置方式，此处不再赘述。

需要说明的是，本申请以光纤光栅应力传感器为骨干感知器，同时通过与内部网络相融合来实现安全智能化控制，充分发挥出光纤传感器本征安全防爆、组网容易等一系列优点。并利用内部通讯光缆作为探测信号与控制信号的传输通道，将上述实施例中的传感器系统、数据采集和传输系统、数据处理和控制系统、诊断系统和预警系统等集成在一起，构成具有多种类、多层次、多区块和空间立体分布的光纤传感网络。

综上所述，本申请实施例的基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统，通过波分、时分和空分混合复用的方式构建分布式光纤光栅传感网络，显著提升了传感系统的容量，并利用分布式光纤传感技术中光波在光纤中的传输特性，使光波沿光纤长度方向连续的传感被测量，可以布设更多的监测点，提高应力监测的密集性，从而避免了监测盲区。并且，该系统的多测点的传感布设方式，可以大量减少线缆铺设，简化了布点结构，显著降低了系统成本。该系统实现了煤矿掘进巷道及顺槽应力的密集实时在线监测，通过系统中的上位机实时准确显示整个监测区域的应力分布情况，分析应力集中点和危险前兆信息，对存在的危险进行及时处理，避免矿压灾害的发生。另外，该系统还实现了岩土结构应变场的定量化，为岩体变形行为评估提供了有效信息。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于分布式光栅阵列的矿用应力监测系统，其特征在于，包括：上位机、交换机、多个应力传感解调分站和多个光栅阵列应力传感支路，其中，

所述上位机的输入输出端与所述交换机的第一端口连接，用于显示和记录井下整个监测区域的应力分布数据；

所述交换机的多个第二端口分别与对应的应力传感解调分站的第一端连接，用于实现所述上位机与每个所述应力传感解调分站之间的TCP/IP连接，以进行数据交互；

每个所述光栅阵列应力传感支路包括多个光纤光栅应力传感器，全部的光纤光栅应力传感器基于混合复用技术组建分布式光纤光栅传感网络；

每个所述应力传感解调分站的第二端与所述分布式光纤光栅传感网络中至少一个所述光栅阵列应力传感支路连接，用于控制对应的光栅阵列应力传感支路检测应力并对返回的应力传感数据进行解调。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述应力传感解调分站包括：本地控制模块和传感解调模块，其中，

所述本地控制模块的第一端与对应的所述交换机的第二端口连接,所述本地控制模块的第二端与所述传感解调模块的第一端连接，所述本地控制模块用于向所述传感解调模块发送控制指令，以控制对应的光栅阵列应力传感支路监测应力；

所述传感解调模块的第二端与对应的光栅阵列应力传感支路连接，用于向支路中的光纤光栅阵列发送脉冲光，并对返回的反射脉冲进行解调。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤光栅应力传感器沿巷道顶板的支护锚杆的轴向依次布设，以检测所述支护锚杆受顶板围岩的应力，同一所述支护锚杆上的多个所述光纤光栅应力传感器通过一条传输光纤串联。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：在所述支护锚杆上设置的零应变温度传感器，

所述零应变温度传感器，用于检测所处的支护锚杆周围的环境温度。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述传感解调模块包括：可调激光器、光调制器、信号发生器、光环形器、光开关、密集型光波复用设备DWDM和信号处理器，其中，

所述可调激光器的输出端与所述光调制器的第一端连接，所述信号发生器的输出端与所述光调制器的第二端连接；

所述光调制器的第三端与光环形器的第一端连接，所述光环形器的第二端与所述光开关的第一端连接，所述光开关的第二端与并行的光栅阵列应力传感支路连接；

所述光环形器的第三端与所述密集型光波复用设备DWDM的输入端连接，所述密集型光波复用设备DWDM的输出端与所述信号处理器连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，每个所述光栅阵列应力传感支路中的光纤光栅阵列被预先划分为预设数量个分段，每个所述分段返回在应力作用下的反射脉冲，所述传感解调模块对每个所述分段返回的反射脉冲进行解调。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机，还用于：

根据所述井下整个监测区域的应力分布数据分析应力集中点，并结合所述应力集中点的分析结果对所述监测区域进行风险诊断。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述上位机，还用于：

在诊断出存在风险的情况下，生成预警信息，并将所述预警信息通过无线通信技术发送至预先验证的终端设备处。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机，还用于：

对所述井下整个监测区域的岩土结构应变场进行定量化评估。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光纤光栅应力传感器设置在采空区的填充墙中，和/或设置在顺槽中。

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