CN116007525A - 煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置。包括有周向等间距分布的竖向监测光纤，周向等间距分布的竖向监测光纤均设置于井筒的内壁，竖向监测光纤竖向等间距连接有用于监侧井筒内壁形变的第一传感器，井筒的内壁竖向等间距设置有环向监测光纤，环向监测光纤周向等间距连接有用于监侧井筒内壁形变的第二传感器，竖向监测光纤和环向监测光纤均与监测服务器连接。本发明通过第一传感器和第二传感器交错分布形成的网状结构对井筒内壁不同的位置形变进行实时监测，且在监测煤矿井筒形变的过程中不会受到井壁变形、水和化学腐蚀等恶劣环境的影响，满足长时间稳定可靠的对井筒形变进行实时监测。

Description

煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置

技术领域

本发明涉及井筒形变监测技术领域，尤其涉及煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置。

背景技术

煤矿井筒是煤矿的咽喉要道，同时还承担着安全开采的重任，其安全运营是煤矿生产顺利进行的重要保障，随着煤矿开采深度的逐渐增加，井壁的受力情况也复杂多变，井筒的径向和竖向受力变化，会造成井筒变形的情况，这将影响到煤矿正常安全的开采。

现有对井筒变形的检测方法有通过从井口放置垂直基准线，从不同位置测量垂直测量基准线到井壁的距离，根据井筒井壁与垂直基准线之间的距离变化，从而检测出井筒井壁的变形位置，放置垂直基准线对井筒井壁进行测量不仅操作繁琐精准度低，而且不能长时间对井筒井壁变形进行监测；而且由于井壁所处的复杂地质条件和环境因素，所以传统电学传感器很容易受到井壁变形、水和化学腐蚀等恶劣环境的影响而失效，不能长时间对井筒井壁变形进行监测。

发明内容

为了克服上述背景技术中所提到的现有技术对井筒井壁变形测量的缺点，本发明提供了煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置。

本发明的技术方案是：煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，包括有周向等间距分布的竖向监测光纤，周向等间距分布的竖向监测光纤均设置于井筒的内壁，竖向监测光纤竖向等间距连接有用于监侧井筒内壁应力变化的第一传感器，井筒的内壁竖向等间距设置有环向监测光纤，环向监测光纤周向等间距连接有用于监侧井筒内壁形变的第二传感器，竖向监测光纤和环向监测光纤均与监测服务器连接，竖向监测光纤和环向监测光纤交错分布形成网状结构，第一传感器和第二传感器对井筒内壁不同位置的形变进行监测，井筒的内壁设置有周向等间距的盲孔，井筒的盲孔内设置有井壁形变监测机构，井壁形变监测机构用于对井筒周围土层结构形变进行监测。

进一步的，井壁形变监测机构包括有支撑管，支撑管设置于井筒的盲孔内，支撑管的一端固接有固定管，支撑管设置为弹性材质，支撑管内设置有横向监测光纤，横向监测光纤等间距设置有第三传感器，横向监测光纤与监测服务器连接，第三传感器用于对井筒周围土层的形变进行监测，支撑管内设置有填充层，支撑管的外侧设置有固定组件，固定组件用于将支撑管固定在井筒的盲孔内，固定管设置有防滑移组件，防滑移组件用于防止支撑管井筒的盲孔向外移动。

进一步的，填充层为弹性泡沫，填充层对横向监测光纤和第三传感器进行固定，横向监测光纤和第三传感器与支撑管的中轴线相重合。

进一步的，固定组件包括有周向等间距分布的第一固定板，周向等间距分布的第一固定板均固接于支撑管的外侧，第一固定板固接有等间距的支撑架，支撑架通过转动轴转动连接有转动杆，等间距的转动杆铰接有支撑板，支撑架的转动轴套设有扭簧，扭簧的两端分别固接于支撑架和转动杆，固定管设置有用于对支撑板进行固定的限位部件。

进一步的，第一固定板和支撑板均设置为弹性材质，支撑板用于传递盲孔内壁的应力变化。

进一步的，限位部件包括有等间距分布的滑动架，等间距分布的滑动架均滑动连接于相邻的支撑架，转动杆的下部均设置有滑槽，滑动架固接有第一固定杆，第一固定杆滑动连接于相邻转动杆的滑槽内，等间距分布的滑动架固接有连接绳，固定管的外侧面设置有螺纹，固定管螺纹连接有螺纹套，螺纹套靠近第一固定板的一侧转动连接有连接环，连接绳与连接环固接。

进一步的，防滑移组件包括有周向等间距分布的第二固定板，周向等间距分布的第二固定板均固接于固定管，周向等间距分布的第二固定板固接有第一固定环，螺纹套远离连接环的一侧固接有挤压套，挤压套为锥台形且外侧面设置为光滑面，挤压套与固定管设置有间隙，挤压套固接有第二固定环，第一固定环设置有周向等间距的挤压限位部件，挤压限位部件用于对支撑管和固定管进行限位。

进一步的，挤压限位部件包括有滑动杆，滑动杆贯穿式滑动连接于第一固定环，滑动杆的一端与挤压套接触配合，滑动杆的另一端固接有挤压块，第一固定环滑动连接有周向等间距的第二固定杆，第二固定杆的两端通过安装板与滑动杆固接，第二固定杆套设有弹簧，弹簧的两端分别固接于第二固定杆的安装板和第一固定环。

进一步的，挤压块的外侧面设置为弧形，且挤压块的外侧面设置有用于增加摩擦力的花纹。

进一步的，还包括有对称式分布的弹性连接板，对称式分布的弹性连接板分别固接于相邻第一固定板和支撑板的前后两侧，弹性连接板设置为软性橡胶材质，弹性连接板用于阻挡碎石进入到第一固定板和支撑板之间。

综上所述，本发明的有益效果为：

1、通过第一传感器和第二传感器交错分布形成网状结构对井筒形变内壁的不同位置进行实时监测，且在监测煤矿井筒形变的过程中不会受到井壁变形、水和化学腐蚀等恶劣环境的影响，满足长时间稳定可靠的对井筒形变进行实时监测。

2、支撑板所受到的应力变化通过第一固定板、支撑架和转动杆传递至填充层，填充层受到随即受挤压发生形变，第三传感器监测到应力变化位置，第三传感器将监测的结果通过横向监测光纤传输至监测服务器，工作人员通过所监测的数值获得井筒周围土层内应力的变化趋势，便于工作人员选取合适的措施对井筒进行加固。

3、通过滑动杆带动挤压块向外侧挤压，避免井筒周围土层变形挤压支撑管，支撑管和固定管沿井筒的盲孔向外侧移动。

4、弹性连接板阻挡井筒内的盲孔内的碎石，避免井筒盲孔内的碎石进入到第一固定板和相邻支撑板之间，导致支撑板在复位的过程中受到卡阻，造成支撑管和其上部件难以从井筒的盲孔中取出。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明A处的放大立体结构示意图。

图3为本发明井壁形变监测机构的立体结构示意图。

图4为本发明支撑管和填充层的剖视立体结构示意图。

图5为本发明固定组件的剖视立体结构示意图。

图6为本发明滑动架和转动杆的放大立体结构示意图。

图7为本发明防滑移组件的剖视立体结构示意图。

图8为本发明B处的放大立体结构示意图。

图中标号名称：1、井筒，2、竖向监测光纤，3、第一传感器，4、环向监测光纤，5、第二传感器，6、支撑管，7、固定管，8、横向监测光纤，9、第三传感器，10、填充层，11、第一固定板，12、支撑架，13、转动杆，14、支撑板，15、扭簧，16、滑动架，17、第一固定杆，18、连接绳，19、螺纹套，20、连接环，21、弹性连接板，22、第二固定板，23、第一固定环，24、挤压套，25、第二固定环，26、滑动杆，27、挤压块，28、第二固定杆，29、弹簧。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。在实施例中所提到的“左侧”和“右侧”均以图4为参照进行讲述说明。

实施例1

煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，如图1和图2所示，包括有周向等间距分布的竖向监测光纤2，周向等间距分布的竖向监测光纤2均安装于井筒1的内壁，竖向监测光纤2竖向等间距连接有用于监侧井筒1内壁应力变化的第一传感器3，井筒1的内壁竖向等间距设置有环向监测光纤4，环向监测光纤4周向等间距连接有用于监侧井筒1内壁形变的第二传感器5，竖向监测光纤2和环向监测光纤4均与监测服务器连接，竖向监测光纤2和环向监测光纤4交错分布形成网状结构，第一传感器3和第二传感器5对井筒1内壁不同位置的形变进行监测，通过第一传感器3和第二传感器5交错分布形成网状结构，对井筒1内壁的不同位置形变进行实时监测，井筒1的内壁设置有周向等间距的盲孔，井筒1的盲孔内安装有井壁形变监测机构，井壁形变监测机构用于对井筒1周围土层结构形变进行监测。

如图3-图8所示，井壁形变监测机构包括有支撑管6，支撑管6设置于井筒1的盲孔内，支撑管6的右端固接有固定管7，支撑管6设置为弹性材质，支撑管6内设置有横向监测光纤8，横向监测光纤8等间距设置有第三传感器9，横向监测光纤8与监测服务器连接，第三传感器9监测出井筒1周围土层内应力的变化方向，掌握井筒1周围土层应力变化趋势，对井筒1井壁是否会发生破裂以及破裂时间进行预测，支撑管6内设置有填充层10，填充层10为弹性泡沫，填充层10对横向监测光纤8和第三传感器9进行固定，横向监测光纤8和第三传感器9与支撑管6的中轴线相重合，支撑板14所受到的应力变化通过第一固定板11、支撑架12和转动杆13传递至填充层10，填充层10受挤压发生形变，第三传感器9监测填充层10的应力变化，支撑管6的外侧设置有固定组件，固定组件用于将支撑管6固定在井筒1的盲孔内，固定管7设置有防滑移组件，防滑移组件用于防止支撑管6从井筒1的盲孔向外移动。

如图4-图6所示，固定组件包括有五个第一固定板11，五个第一固定板11均周向等间距的固接于支撑管6的外侧，第一固定板11固接有等间距的支撑架12，支撑架12通过转动轴转动连接有转动杆13，等间距的转动杆13铰接有支撑板14，第一固定板11和支撑板14均设置为弹性材质，支撑板14用于传递盲孔内壁的应力变化，支撑架12和转动杆13之间固接有扭簧15，扭簧15套设于支撑架12的转动轴，固定管7设置有用于对支撑板14进行固定的限位部件。

如图5所示，限位部件包括有等间距分布的滑动架16，等间距分布的滑动架16均滑动连接于相邻的支撑架12，转动杆13的下部均设置有滑槽，滑动架16固接有第一固定杆17，第一固定杆17滑动连接于相邻转动杆13的滑槽内，等间距分布的滑动架16固接有连接绳18，滑动架16向右移动拉拽连接绳18，使支撑板14向远离支撑管6的方向移动，支撑板14挤压在井筒1盲孔的内壁，对支撑管6和固定管7进行固定，固定管7的外侧面设置有螺纹，固定管7螺纹连接有螺纹套19，螺纹套19的左侧转动连接有与连接绳18固接的连接环20。

如图7和图8所示，防滑移组件包括有周向等间距分布的第二固定板22，周向等间距分布的第二固定板22均固接于固定管7，周向等间距分布的第二固定板22固接有第一固定环23，螺纹套19的右侧固接有挤压套24，挤压套24与固定管7设置有间隙，挤压套24固接有第二固定环25，第一固定环23设置有周向等间距的挤压限位部件，转动第二固定环25使挤压套24向右移动，挤压限位部件向外侧移动并挤压井筒1的井壁，对支撑管6和固定管7进行限位。

如图8所示，挤压限位部件包括有滑动杆26，滑动杆26贯穿式滑动连接于第一固定环23，滑动杆26的内端与挤压套24接触配合，挤压套24为锥台形且外侧面设置为光滑面，用于减小滑动杆26与挤压套24之间的摩擦力，滑动杆26的外端固接有挤压块27，挤压块27的外侧面设置为弧形，且挤压块27的外侧面设置有花纹，用于增加挤压块27与井筒1盲孔内壁之间的摩擦力，通过滑动杆26带动挤压块27向外侧挤压，避免井筒1周围土层变形挤压支撑管6，支撑管6和固定管7沿井筒1的盲孔向外侧移动，滑动杆26通过安装板固接有第二固定杆28，第二固定杆28与第一固定环23滑动连接，第二固定杆28的安装板和第一固定环23之间固接有弹簧29，弹簧29套设于第二固定杆28。

本监测装置在使用时，通过第一传感器3和第二传感器5等间距分布形成网状结构对井筒1的内壁形变进行监测，当第一传感器3和第二传感器5监测到井筒1的内壁形变后，通过竖向监测光纤2和环向监测光纤4将监测的信号传输至监测服务器，工作人员对井筒1井壁采取相应措施，防止井筒1井壁坍塌，通过第一传感器3和第二传感器5交错分布形成的网状结构对井筒1内壁的不同的位置形变进行实时监测，且在监测煤矿井筒1形变的过程中不会受到井壁变形、水和化学腐蚀等恶劣环境的影响，满足长时间稳定可靠的对井筒1形变进行实时监测。

工作人员将支撑管6和固定管7插入到井筒1的盲孔内，井筒1设置的盲孔如图2所示，井筒1的盲孔外侧直径大于内部直径，工作人员转动第二固定环25，第二固定环25通过挤压套24带动螺纹套19周向转动，以图4所示方向为例，螺纹套19周向转动的过程中向右侧移动，螺纹套19通过连接绳18带动滑动架16向右侧移动，滑动架16通过第一固定杆17带动转动杆13逆时针摆动，扭簧15被旋紧，转动杆13带动支撑板14向远离第一固定板11的方向移动，当支撑板14挤压接触到盲孔的内壁后，工作人员停止转动第二固定环25。

在螺纹套19向右侧移动的过程中，螺纹套19带动挤压套24向右移动，挤压套24的倾斜面向外侧挤压滑动杆26，滑动杆26带动挤压块27向外侧挤压并挤压在井筒1的盲孔内壁，滑动杆26通过安装板带动第二固定杆28向上移动，弹簧29被压缩，通过滑动杆26带动挤压块27向外侧挤压，避免井筒1周围土层变形挤压支撑管6，支撑管6和固定管7沿井筒1的盲孔向外侧移动，当井筒1周围土层发生形变后，井筒1周围产生应力变化并挤压支撑板14，支撑板14所受到的应力变化通过第一固定板11、支撑架12和转动杆13传递至填充层10，填充层10受挤压发生形变，第三传感器9监测到填充层10应力变化位置，第三传感器9将监测的结果通过横向监测光纤8传输至监测服务器，工作人员通过所监测的数值获得井筒1周围土层内应力的变化趋势，便于工作人员选取合适的措施对井筒1进行加固。

在第三传感器9对井筒1周围土层进行监测的过程中，支撑管6、第一固定板11和支撑板14实时随井筒1盲孔内壁应力变化发生形状改变，第三传感器9根据支撑管6和填充层10的形状变化监测出井筒1周围土层内应力的变化方向，掌握井筒1周围土层应力变化趋势，对井筒1井壁是否会发生破裂以及破裂时间进行预测，便于对井筒1提前采取加固措施。

当需要将支撑管6从井筒1盲孔中取出检修时，工作人员反向转动第二固定环25，第二固定环25通过挤压套24带动螺纹套19向左侧移动，在扭簧15的扭力作用下，使转动杆13顺时针摆动，支撑板14向靠近支撑管6的方向移动复位，支撑板14与井筒1内壁相互远离，同时转动杆13通过第一固定杆17带动滑动架16向左侧滑动复位，连接绳18随即复位，在挤压套24向左移动复位的过程中，滑动杆26和第二固定杆28在弹簧29的弹力的作用下复位，挤压块27失去对井筒1盲孔内壁的挤压，工作人员随后将支撑管6和固定管7从井筒1的盲孔内进行检修。

实施例2

在实施例1的基础之上，如图4或图5所示，还包括有对称式分布的弹性连接板21，对称式分布的弹性连接板21固接于相邻第一固定板11和支撑板14的前后两侧，弹性连接板21设置为软性橡胶材质，支撑板14带动弹性连接板21的上部向上移动，弹性连接板21被拉伸，弹性连接板21用于阻挡碎石进入到第一固定板11和支撑板14之间，导致支撑板14在复位的过程中受到卡阻。

在支撑板14向远离支撑管6的方向移动时，支撑板14带动弹性连接板21的上部向上移动，弹性连接板21被拉伸，弹性连接板21阻挡井筒1内的盲孔内的碎石，避免井筒1盲孔内的碎石进入到第一固定板11和相邻支撑板14之间，导致支撑板14在复位的过程中受到卡阻，造成支撑管6和其上部件难以从井筒1盲孔中取出。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (10)

1.煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：包括有周向等间距分布的竖向监测光纤（2），周向等间距分布的竖向监测光纤（2）均设置于井筒（1）的内壁，竖向监测光纤（2）竖向等间距连接有用于监侧井筒（1）内壁应力变化的第一传感器（3），井筒（1）的内壁竖向等间距设置有环向监测光纤（4），环向监测光纤（4）周向等间距连接有用于监侧井筒（1）内壁形变的第二传感器（5），竖向监测光纤（2）和环向监测光纤（4）均与监测服务器连接，竖向监测光纤（2）和环向监测光纤（4）交错分布形成网状结构，第一传感器（3）和第二传感器（5）对井筒（1）内壁不同位置的形变进行监测，井筒（1）的内壁设置有周向等间距的盲孔，井筒（1）的盲孔内设置有井壁形变监测机构，井壁形变监测机构用于对井筒（1）周围土层结构形变进行监测。

2.根据权利要求1所述的煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：井壁形变监测机构包括有支撑管（6），支撑管（6）设置于井筒（1）的盲孔内，支撑管（6）的一端固接有固定管（7），支撑管（6）设置为弹性材质，支撑管（6）内设置有横向监测光纤（8），横向监测光纤（8）等间距设置有第三传感器（9），横向监测光纤（8）与监测服务器连接，第三传感器（9）用于对井筒（1）周围土层的形变进行监测，支撑管（6）内设置有填充层（10），支撑管（6）的外侧设置有固定组件，固定组件用于将支撑管（6）固定在井筒（1）的盲孔内，固定管（7）设置有防滑移组件，防滑移组件用于防止支撑管（6）从井筒（1）的盲孔向外移动。

3.根据权利要求2所述的煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：填充层（10）为弹性泡沫，填充层（10）对横向监测光纤（8）和第三传感器（9）进行固定，横向监测光纤（8）和第三传感器（9）与支撑管（6）的中轴线相重合。

4.根据权利要求2所述的煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：固定组件包括有周向等间距分布的第一固定板（11），周向等间距分布的第一固定板（11）均固接于支撑管（6）的外侧，第一固定板（11）固接有等间距的支撑架（12），支撑架（12）通过转动轴转动连接有转动杆（13），等间距的转动杆（13）铰接有支撑板（14），支撑架（12）的转动轴套设有扭簧（15），扭簧（15）的两端分别固接于支撑架（12）和转动杆（13），固定管（7）设置有用于对支撑板（14）进行固定的限位部件。

5.根据权利要求4所述的煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：第一固定板（11）和支撑板（14）均设置为弹性材质，支撑板（14）用于传递盲孔内壁的应力变化。

6.根据权利要求4所述的煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：限位部件包括有等间距分布的滑动架（16），等间距分布的滑动架（16）均滑动连接于相邻的支撑架（12），转动杆（13）的下部均设置有滑槽，滑动架（16）固接有第一固定杆（17），第一固定杆（17）滑动连接于相邻转动杆（13）的滑槽内，等间距分布的滑动架（16）固接有连接绳（18），固定管（7）的外侧面设置有螺纹，固定管（7）螺纹连接有螺纹套（19），螺纹套（19）靠近第一固定板（11）的一侧转动连接有连接环（20），连接绳（18）与连接环（20）固接。

7.根据权利要求6所述的煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：防滑移组件包括有周向等间距分布的第二固定板（22），周向等间距分布的第二固定板（22）均固接于固定管（7），周向等间距分布的第二固定板（22）固接有第一固定环（23），螺纹套（19）远离连接环（20）的一侧固接有挤压套（24），挤压套（24）为锥台形且外侧面设置为光滑面，挤压套（24）与固定管（7）设置有间隙，挤压套（24）固接有第二固定环（25），第一固定环（23）设置有周向等间距的挤压限位部件，挤压限位部件用于对支撑管（6）和固定管（7）进行限位。

8.根据权利要求7所述的煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：挤压限位部件包括有滑动杆（26），滑动杆（26）贯穿式滑动连接于第一固定环（23），滑动杆（26）的一端与挤压套（24）接触配合，滑动杆（26）的另一端固接有挤压块（27），第一固定环（23）滑动连接有第二固定杆（28），第二固定杆（28）的两端通过安装板与滑动杆（26）固接，第二固定杆（28）套设有弹簧（29），弹簧（29）的两端分别固接于第二固定杆（28）的安装板和第一固定环（23）。

9.根据权利要求8所述的煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：挤压块（27）的外侧面设置为弧形，且挤压块（27）的外侧面设置有用于增加摩擦力的花纹。

10.根据权利要求4所述的煤矿井筒井壁形变密集光栅在线监测装置，其特征在于：还包括有对称式分布的弹性连接板（21），对称式分布的弹性连接板（21）分别固接于相邻第一固定板（11）和支撑板（14）的前后两侧，弹性连接板（21）设置为软性橡胶材质，弹性连接板（21）用于阻挡碎石进入到第一固定板（11）和支撑板（14）之间。

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