CN116717312A - 一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及采煤工作面覆岩监测技术领域，用于解决现有的没有对采动覆岩内部裂隙发育和稳定沉降实时监测，导致监测数据无法准确反映覆岩稳沉情况，严重影响工作面安全生产，并且无法真正做到实时有效监测采空区覆岩稳沉情况的问题，具体为一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，包括数据采集单元、云数据库、监测钻孔1布设单元、稳沉时间训练单元和WEB客户端7。本发明，通过对覆岩运移和稳定沉降进行实时监测，在采煤工作面停采线周边及其他符合施工条件的巷道内布设监测钻孔1，利用监测数据绘制坐标系，并反演推出采空区覆岩稳定沉降时间，做到对覆岩稳沉情况的实时监测，保证采煤工作面安全生产。
Description
技术领域
本发明涉及采煤工作面覆岩监测技术领域，具体为一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统。
背景技术
随着我国工业化进程的不断推进，对一次能源的消耗量也与日俱增。基于我国能源分布富煤、贫油、少气的基本特点，使得短期内煤炭资源仍处于能源消耗主体地位。井工开采过程中，采动覆岩沉降提前于地表，可作为地表稳定性的预警指标。而且采动覆岩稳定沉降时间对工作面推进速度选择、无煤柱开采、沿空掘巷、采掘接替等产生巨大影响。因此，准确并实时监测工作面采动影响下覆岩稳定沉降时间，对矿井安全生产及地表稳定都具有十分重要的研究意义。
目前采煤工作面采动覆岩稳沉监测方法主要采取顶板和工作面两端顺槽围岩压力监测、井下钻孔电视、地面钻孔超声波成像技术等。缺乏直接监测采空区覆岩内部裂隙发育及稳定沉降的仪器与设备，无法对采动覆岩运移和岩层沉降进行实时监测，不能准确反映采动覆岩岩层运动范围和运动状态。
在现有技术中，关于采动覆岩稳定沉降监测的专利技术公开了如下技术方案：中国专利申请号2013101651842公开了名为采空区覆岩运动稳定性监测系统及稳定性监测判别方法，该技术方案包括以下步骤：(1)在工作面推进一定距离时，在采空区内沿工作面宽度方向间隔选择多个采空区测点，在选择的每个测点布置一个采场覆岩稳定监测仪；将监测系统的基站安置在工作面顺槽内；(2)采场覆岩稳定监测仪通过数据线与安置在工作面顺槽内的基站连接，数据线通过挖沟浅埋的方式由采空区经工作面至顺槽基站；(3)在工作面继续推进一定距离后，同样在采空区内沿工作面宽度方向间隔选择多个采空区测点，再布置同样数目的采场覆岩稳定监测仪；(4)当监测仪受到采空区上覆岩层压力时，弹簧受力会产生压缩，此时压力传感器记录压力数值，位移传感器记录沉降值，通过顺槽基站采集压力数值和沉降值数据，每三天采集一次，当遇到压力高峰期一天采集一次；(5)通过基站采集来的压力数据和位移数据分别反映了采空区内上覆岩层的应力和沉降变化；以时间为横轴，压力和位移为纵轴，建立压力—时间曲线和位移—时间曲线；(6)分别分析压力—时间曲线和位移—时间曲线中所示的压力和沉降值的变化，当压力和沉降值的变化趋于稳定后说明采空区覆岩运动也将趋于稳定，由此可以判断采空区覆岩运动稳定的较为精确的时间点，进而反推得出较为精确的采场覆岩运动稳定状态及周期。该发明能够实时监测采空区上覆岩层的压力与沉降值，依托监测数据进一步反推出覆岩运动稳定沉降的时间点，有助于工作面安全高效推进。
但是该发明所存在的不足之处在于：所利用的监测仪器只能进行采空区表面压力及位移监测且压力传感器测量精度较低，当采空区顶板岩层脱落或底鼓问题严重时，监测数据将无法准确反映覆岩稳沉情况，严重影响工作面安全生产，并且无法真正做到实时有效监测采空区覆岩稳沉情况。
为了解决上述缺陷，现提供一种技术方案。
发明内容
本发明的目的就在于解决现有的没有对采动覆岩内部裂隙发育和稳定沉降实时监测，导致监测数据无法准确反映覆岩稳沉情况，严重影响工作面安全生产，并且无法真正做到实时有效监测采空区覆岩稳沉情况的问题，通过对覆岩运移和稳定沉降进行实时监测，在采煤工作面停采线周边及其他符合施工条件的巷道内布设监测钻孔，利用监测数据绘制覆岩应变时间曲线图、覆岩位移时间曲线图，并反演推出采空区覆岩稳定沉降时间，做到对覆岩稳沉情况的实时监测，保证采煤工作面安全生产，而提出一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，包括：数据采集单元、云数据库、监测钻孔布设单元、稳沉时间训练单元和WEB客户端；
所述数据采集单元用于采集采煤工作面停采周边及巷道的覆岩状态信息，以及采集对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的应变值和对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的位移值，其中，覆岩状态信息包括岩层物理力学参数和实时监测状态参数，并将其均发送至云数据库中存储；
所述云数据库还用于存储第一发育高度数据表，存储第二发育高度数据表，存储监测钻孔高度数据表；
所述监测钻孔布设单元用于对目标覆岩所处的采煤工作面覆岩导水裂隙带的发育高度进行监测，由此对目标覆岩的监测钻孔进行布设分析，由此得到目标覆岩的监测钻孔布设高度以及在采煤工作面和地面等距设置k1、k2个监测钻孔，并据此对目标覆岩的弱光纤光栅进行安装，将各弱光纤光栅串联并接入WEB客户端；
所述稳沉时间训练单元以布设的监测钻孔为依据，用于对目标覆岩的稳定沉降时间进行监测，由此得到目标覆岩的确定覆岩稳沉时间。
优选地，所述对目标覆岩所处的采煤工作面覆岩导水裂隙带的发育高度进行监测，其具体监测过程如下：
获取目标覆岩的岩层物理力学参数中的抗压强度、弹性模量和剪切强度，并将其分别标定为cs、sv和st，并将三项数据进行数据分析，依据设定的公式由此得到目标覆岩的岩层力学值pmz，其中，δ1、δ2和δ3分别为抗压强度、弹性模量和剪切强度的权重因子系数，δ1、δ2和δ3均为大于0的自然数；
获取采煤工作面覆岩导水裂隙带的实时监测状态参数中的厚度值、间距值和连通值，并将其分别标定为wd、ds和l t，并将三项数据进行归一化分析，依据设定的公式sts＝λ1×wd+λ2×ds+λ3×l t，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的状态值sts，其中，λ1、λ2和λ3分别为厚度值、间距值和连通值的归一因子，且λ1、λ2和λ3均为大于0的自然数；
将目标覆岩的岩层力学值与存储在云数据库中的第一发育高度数据表进行对照匹配分析，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的第一发育高度值，并将其记作ω1，且得到的每个目标覆岩的岩层力学值均对应一个第一发育高度值；
将采煤工作面覆岩导水裂隙带的状态值与存储在云数据库中的第二发育高度数据表进行对照匹配分析，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的第二发育高度值，并将其记作ω2，且得到的每个采煤工作面覆岩导水裂隙带的状态值均对应一个第二发育高度值；
将第一发育高度值和第二发育高度值进行均值计算，依据公式ω*＝(ω1+ω2)÷2，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的确定发育高度ω*。
优选地，对目标覆岩的监测钻孔进行布设分析，其具体分析过程如下：
将采煤工作面覆岩导水裂隙带的确定发育高度与存储在云数据库中的监测钻孔高度数据表进行对照匹配分析，由此得到目标覆岩的监测钻孔布设高度，且得到的每个采煤工作面覆岩导水裂隙带的确定发育高度均对应一个监测钻孔布设高度；
依据得到的监测钻孔布设高度，沿采煤工作面回采方向等距离依次布设k1个监测钻孔，且井下布设的各监测钻孔的终孔位置为最大裂隙带发育高度上方延长的预设距离位置；
沿地面等距离依次布设k2个监测钻孔，且井上布设的各监测钻孔的终孔位置位于工作面的顶板上。
优选地，所述对目标覆岩的弱光纤光栅进行安装，其具体安装过程如下：
以布设的监测钻孔情况为依据，将弱光纤光栅固定于特制推进器上，利用PVC筛管特制推进器推送至监测钻孔预定埋深，退出PVC筛管，并在监测钻孔外部预留一定长度弱光纤光栅，用以监测钻孔间弱光纤光栅串联；
并在完成弱光纤光栅的安装后，进行注浆封孔，先封孔后注浆，采用囊袋进行封孔，并通过注浆管向监测钻孔内注入混凝土浆液，其中，囊袋采用一堵一封的封孔注浆方式，当囊袋注满后监测钻孔被封堵牢固，混凝土浆液撑破囊袋内部，注浆管向监测钻孔内注入浆液，直至特制推进器上携带的返浆管中溢出混凝土浆液，此时封孔注浆完成；
并在完成弱光纤光栅的安装后，进行注浆封孔，先注浆后封孔，通过注浆管向监测孔内注入混凝土浆液，当浆液溢出监测孔时注浆完成，再采用聚氨酯或囊袋进行封孔。
优选地，所述井下安装弱光纤光栅，具体的：
将弱光纤光栅呈倒U形安装于监测钻孔内，并及时注浆封孔，通过光纤熔接机将各个监测钻孔预留弱光纤光栅串联融接在一起，并通过光缆把预埋弱光纤光栅连接至井下监测室的交换机上，将数据通过井下矿用工业环网传输至井上主机，通过WEB客户端，进行实时监测。
优选地，所述地面安装弱光纤光栅，具体的：
在采煤工作面垂直向上地表处将弱光纤光栅呈倒U形安装于监测钻孔内，并及时注浆封孔，通过光纤熔接机将各个监测孔预留弱光纤光栅串联融接在一起，并通过光缆把预埋弱光纤光栅连接至地面监测室的交换机上，将数据通过地面矿用工业环网传输至井上主机，通过WEB客户端，进行实时监测。
优选地，所述对目标覆岩的稳定沉降时间进行监测，其具体监测过程如下：
实时监测对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的应变值，并以时间为横坐标，以对应时间点下监测到的应变值为纵坐标，并由此建立目标覆岩的应变时间坐标系，并通过描点的方式将各时间点下监测到的应变值绘制在目标覆岩的应变时间坐标系上，分析目标覆岩的应变时间坐标系上各绘制点的变化状态，当连续监测到H个绘制点的应变浮动值均小于预设的应变浮动阈值时，则生成覆岩应变稳定不变信号，并获取目标覆岩的应变保持稳定处时间和应变开始变化处时间，将目标覆岩的应变保持稳定处时间和应变开始变化处时间进行作差，依据：应变稳定沉降所需时间＝应变保持稳定处时间-应变开始变化处时间，由此得到目标覆岩的应变稳定沉降所需时间；
实时监测对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的位移值，并以时间为横坐标，以对应时间点下监测到的位移值为纵坐标，并由此建立目标覆岩的位移时间坐标系，并通过描点的方式将各时间点下监测到的位移值绘制在目标覆岩的位移时间坐标系上，分析目标覆岩的位移时间坐标系上各绘制点的变化状态，当连续监测到H个绘制点的位移浮动值均小于预设的位移浮动阈值时，则生成覆岩位移稳定不变信号，并获取目标覆岩的位移保持稳定处时间和位移开始变化处时间，将目标覆岩的位移保持稳定处时间和位移开始变化处时间进行作差，依据：位移稳定沉降所需时间＝位移保持稳定处时间-位移开始变化处时间，由此得到目标覆岩的位移稳定沉降所需时间；
将得到的目标覆岩的应变稳定沉降所需时间和位移稳定沉降所需时间进行均值分析，依据：确定覆岩稳沉时间＝(应变稳定沉降所需时间+位移稳定沉降所需时间)÷2，由此得到目标覆岩的确定覆岩稳沉时间。
优选地，所述应变浮动值指的是在目标覆岩的应变时间坐标系上相邻的两个绘制点的应变值的差值；
所述位移浮动值指的是在目标覆岩的应变时间坐标系上相邻的两个绘制点的位移值的差值。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用弱光纤光栅进行监测，具有高精度、长距离、分布式、安装简单和成本低廉等优点，并且其系统构建性强、易组网，可以接入光交换机5通过接入矿用工业环网传输至井上监测，改变了传统井下监测困难、劳动量大的缺点；
(2)本发明在工作面停采线周边及其他具备施工条件的巷道内布设监测钻孔1，沿工作面回采方向等距离依次布设若干监测钻孔1，井下监测钻孔1终孔位置大于最大裂隙带发育高度的30m，地面监测钻孔1终孔位置位于工作面顶板，以确保监测范围完整；
(3)本发明利用推进器把弱光纤光栅推送至监测孔底部，先封孔后注浆，封孔采用聚氨酯或囊袋进行封孔，囊袋采用一堵一注的封孔注浆方式，通过注浆管12向监测孔内注入混凝土浆液当囊袋注满后监测孔被封堵牢固，混凝土浆液撑破囊袋内部注浆管12并持续向监测钻孔1内注入浆液，直至特制推进器上携带的返浆管13中溢出混凝土浆液，此时封孔注浆完成，确保监测钻孔1内完全注浆；
(4)本发明利用弱光纤光栅的敏感特性，可以准确监测覆岩采动破坏及稳定沉降状态，当弱光纤光栅监测应变和位移保持稳定不变时，确定覆岩已经完全稳定沉降。进一步计算出覆岩稳定沉降所需时间：弱光纤光栅应变保持稳定处时间-弱光纤光栅应变开始变化处时间。
(5)本发明利用光纤熔接机将各监测钻孔1光纤串联熔接，使用传输光缆3将光纤牵引至交换机，并接入矿用工业环网，通过WEB客户端7在地面实时监测。适用于各种情况下煤层开采覆岩稳沉时间实时监测，在研究技术领域内具有广泛性
(6)本发明实现在工作面停采线周边及其他具备施工条件的巷道内合理布设监测钻孔1，以确保监测范围完整，也为保证监测数据的准确性奠定了强有力的数据支撑；
(7)本发明利用弱光纤光栅的敏感特性，可以准确监测覆岩采动破坏及稳定沉降状态，当弱光纤光栅监测应变和位移保持稳定不变时，确定覆岩已经完全稳定沉降，并以为基础，进一步计算出覆岩稳定沉降所需时间，并为实现覆岩稳沉情况的准确反馈提供了依据，也做到对采空区覆岩稳沉情况的实时有效监测，保证工作面安全生产。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的监测孔布设示意图；
图2是本发明的推进器示意图；
图3是防滑钢丝10与筛管阻网11安装示意图；
图4是本发明利用弱光纤光栅监测方法获得的覆岩稳沉时间变化曲线；
图5是本发明的系统框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1-图4所示，一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，包括监测钻孔1、金属基弱光纤光栅2、传输光缆3、光纤解调仪4、光交换机5、矿用环网6、WEB客户端7、工作面推进方向8、施工巷道9、防滑钢丝10、筛管阻网11、注浆管12、返浆管13；
实时监测的具体监测步骤为：
S1、综合运用经验公式、关键层理论、数值模拟、相似模拟等方法预测采煤工作面覆岩导水裂隙带发育高度，确定监测钻孔1布设高度；
S2、在工作面停采线周边及其他具备施工条件的巷道内布设监测钻孔1。沿工作面回采方向等距离依次布设若干监测钻孔1，井下监测钻孔1终孔位置处于最大裂隙带发育高度上方的30m，地面监测钻孔1终孔位置位于工作面顶板，以确保监测范围完整；钻孔的角度、方位角等以现场施工条件为准。
S3、井下安装弱光纤光栅：将弱光纤光栅呈倒U形安装于监测钻孔1内，并及时注浆封孔，通过光纤熔接机将各个监测孔预留弱光纤光栅串联融接在一起，并通过光缆把预埋弱光纤光栅连接至井下监测室的交换机上，将数据通过井下矿用工业环网传输至井上主机，通过WEB客户端7，进行实时监测。
S4、地面安装弱光纤光栅：在采煤工作面垂直向上地表处将弱光纤光栅呈倒U形安装于监测钻孔1内，并及时注浆封孔，通过光纤熔接机将各个监测孔预留弱光纤光栅串联融接在一起，并通过光缆把预埋弱光纤光栅连接至地面监测室的交换机上，将数据通过地面矿用工业环网传输至井上主机，通过WEB客户端7，进行实时监测。
S5、当弱光纤光栅安装完毕后对弱光纤光栅进行实时监测。通过地面WEB客户端7对弱光纤光栅应变及位移量进行实时监测。直至弱光纤光栅监测结果显示覆岩应变和位移量稳定不变，结束监测。对比分析地面及井下弱光纤光栅监测实时监测结果，确定采煤工作面覆岩稳沉时间。
更进一步地，所述S1采煤工作面导水裂隙带发育高度取各种计算方法计算结果最大值，确保监测范围完全覆盖采动覆岩导水裂隙带。
更进一步地，所述S2等距离布设监测钻孔1，钻孔距离等于监测钻孔1控制平距，确保对上覆岩层进行连续监测。
更进一步地，所述S3中选用的金属基索状弱光纤光栅传感光缆使用多股金属加强件用以保护光纤。
更进一步地，所述S3中安装弱光纤光栅时，将弱光纤光栅固定于特制推进器上(该推进器由防滑钢丝10、筛管阻网11、返浆管13共同组成)，利用PVC管、筛管(或可首尾连接的连接杆)把推进器推送至监测孔预定埋深，退出筛管，并且在监测孔外部预留一定长度弱光纤光栅，用以钻孔间光纤串联；
更进一步地，所述S3中注浆封孔时，先封孔后注浆，封孔采用聚氨酯或囊袋进行封孔，囊袋采用一堵一注的封孔注浆方式，通过注浆管12向监测孔内注入混凝土浆液当囊袋注满后监测孔被封堵牢固，混凝土浆液撑破囊袋内部注浆管12并持续向监测钻孔1内注入浆液，直至特制推进器上携带的返浆管13中溢出混凝土浆液，此时封孔注浆完成；
更进一步地，所述S4中注浆封孔时，先注浆后封孔，通过注浆管12向监测孔内注入混凝土浆液，当浆液溢出监测孔时注浆完成，再采用聚氨酯或囊袋进行封孔；
更进一步地，所述S5中弱光纤光栅的实时监测，在弱光纤光栅埋设之后进行初值监测，以此作为覆岩应变及位移的初始状态。通过地面WEB客户端7实时监测覆岩应变及位移状态。
更进一步地，所述S5中弱光纤光栅监测至覆岩完全稳定沉降。受采动影响不同位置处覆岩应变和位移各不相同，利用弱光纤光栅的敏感特性，可以准确监测覆岩采动破坏及稳定沉降状态，当弱光纤光栅监测应变和位移保持稳定不变时，确定覆岩已经完全稳定沉降。进一步计算出覆岩稳定沉降所需时间：工作面推过时间+弱光纤光栅应变重新保持稳定处时间。
本实施例中以某矿a采煤工作面为工程背景，a工作面煤层情况：b煤层赋存稳定，结构较为复杂，平均厚度3.40m，属于中厚煤层，工作面标高-654.9～-742.5m，走向斜长1406.6m，倾斜宽170.8m，煤层倾角17°。对综合柱状图进行分析，b煤层上覆岩层中泥岩占46.6％，含砂岩层占53.4％，判断b煤层上覆岩层的顶板类型为中硬岩石。
具体监测为：
综合运用经验公式、关键层理论、数值模拟、相似模拟等方法预测采煤工作面覆岩导水裂隙带发育高度为70m，确定井下监测钻孔1控制垂高100m；
现场光纤布置与监测在b采煤工作面，布设钻孔1，施工巷道9内沿工作面回采方向8间隔45m、孔深107m、方位角30°、仰角60°依次布设若干钻孔位置，钻孔保持相同孔深、方位角和仰角；
将弱光纤光栅2呈倒U形安装于钻孔内，其具体步骤为：将弱光纤光栅2固定于特制推进器(图2)上，利用筛管把推进器推送至监测孔预定埋深，退出筛管，并且在监测孔外部预留一定长度弱光纤光栅2；注浆封孔，通过注浆管12向监测孔1内注入混凝土浆液直至返浆管13中溢出混凝土浆液；通过光纤熔接机将各监测孔的预留弱光纤光栅2串联融接一体，并通过传输光缆3牵引至监测室，利用光纤解调仪4解调，使用光交换机5通过接入矿用工业环网6传输至井上WEB客户端7实时监测；
通过分析光纤监测结果，绘制图3采动覆岩位移-时间曲线。确定覆岩稳沉时间为工作面开采完毕后监测时间+采动覆岩沉降压实稳定时间，监测结果显示采动覆岩稳定时间为89天。
实施例2：
请参阅图5所示，本发明为一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，还包括：数据采集单元、云数据库、监测钻孔1布设单元、稳沉时间训练单元和WEB客户端7。
数据采集单元采集采煤工作面停采周边及巷道的覆岩状态信息，以及采集对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的应变值和对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的位移值，其中，覆岩状态信息包括岩层物理力学参数和实时监测状态参数，并将其均发送至云数据库中存储。
云数据库存储第一发育高度数据表，存储第二发育高度数据表，存储监测钻孔1高度数据表。
监测钻孔1布设单元对目标覆岩所处的采煤工作面覆岩导水裂隙带的发育高度进行监测，具体监测过程如下：
获取目标覆岩的岩层物理力学参数中的抗压强度、弹性模量和剪切强度，并将其分别标定为cs、sv和st，并将三项数据进行数据分析，依据设定的公式由此得到目标覆岩的岩层力学值pmz，其中，δ1、δ2和δ3分别为抗压强度、弹性模量和剪切强度的权重因子系数，δ1、δ2和δ3均为大于0的自然数，且权重因子系数用于均衡各项数据在公式计算中的占比权重，从而促进计算结果的准确性；
需要指出的是，抗压强度用于表示岩石受到压缩力时抵抗变形的能力，具体的，在煤层开采过程中，矿山压力会不断向周围传递，如果煤层的抗压强度很大，那么它就能够承受更大的压力而不容易产生变形和破坏，若煤层的抗压强度不够大，就会出现煤层破裂、变形的情况，导致覆岩层受到影响，进而促使覆岩导水裂隙带的发育，故当抗压强度的表现数值越小时，则越说明采煤工作面覆岩导水裂隙带的发育高度越高；
弹性模量用于表示岩石在受到一定应力时发生弹性变形的能力，具体的，在采煤工作面下方的覆岩层受到的地下水压力的影响会形成导水裂隙带，当采煤工作面往下推进时，覆岩层变形程度就会越大，从而降低了覆岩层的承载能力和稳定性，导致导水裂隙带发育的高度越高，故当弹性模量的表现数值越小时，则推断采煤工作面覆岩导水裂隙带的发育高度越高；
剪切强度用于表示岩石受到剪切力时抵抗产生剪切破坏的能力，故当剪切强度的表现数值越大时，则可以推断出采煤工作面覆岩导水裂隙带的发育高度越高；
获取采煤工作面覆岩导水裂隙带的实时监测状态参数中的厚度值、间距值和连通值，并将其分别标定为wd、ds和lt，并将三项数据进行归一化分析，依据设定的公式sts＝λ1×wd+λ2×ds+λ3×lt，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的状态值sts，其中，λ1、λ2和λ3分别为厚度值、间距值和连通值的归一因子，且λ1、λ2和λ3均为大于0的自然数，归一因子用于表示将公式中的各项数据转化为无量纲形式的系数；
将目标覆岩的岩层力学值与存储在云数据库中的第一发育高度数据表进行对照匹配分析，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的第一发育高度值，并将其记作ω1，且得到的每个目标覆岩的岩层力学值均对应一个第一发育高度值；
将采煤工作面覆岩导水裂隙带的状态值与存储在云数据库中的第二发育高度数据表进行对照匹配分析，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的第二发育高度值，并将其记作ω2，且得到的每个采煤工作面覆岩导水裂隙带的状态值均对应一个第二发育高度值；
将第一发育高度值和第二发育高度值进行均值计算，依据公式ω*＝(ω1+ω2)÷2，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的确定发育高度ω*；
需要补充说明的是，由于在确定采煤工作面覆岩导水裂隙带的发育高度的因素有很多，因此通过数据匹配转化分析以及综合分析的方式，得到的确定发育高度可作为采煤工作面覆岩导水裂隙带相对准确的发育高度；
由此对目标覆岩的监测钻孔1进行布设分析，具体分析过程如下：
将采煤工作面覆岩导水裂隙带的确定发育高度与存储在云数据库中的监测钻孔1高度数据表进行对照匹配分析，由此得到目标覆岩的监测钻孔1布设高度，且得到的每个采煤工作面覆岩导水裂隙带的确定发育高度均对应一个监测钻孔1布设高度；
依据得到的监测钻孔1布设高度，沿采煤工作面回采方向等距离依次布设k1个监测钻孔1，且井下布设的各监测钻孔1的终孔位置为最大裂隙带发育高度上方延长的预设距离位置，且在具体施工案例中的预设距离一般设置为30m；
沿地面等距离依次布设k2个监测钻孔1，且井上布设的各监测钻孔1的终孔位置位于工作面的顶板上；
需要解释的是，k1、k2为正整数，且k1、k2的具体数值的设定由本领域技术人员在具体案例中进行具体设置，且采煤工作面及地面设置的各监测钻孔1的角度、方位角以实际现场施工条件为准；
并据此对目标覆岩的弱光纤光栅进行安装，具体安装过程如下：
以布设的监测钻孔1情况为依据，将弱光纤光栅固定于特制推进器上，利用PVC筛管特制推进器推送至监测钻孔1预定埋深，退出PVC筛管，并在监测钻孔1外部预留一定长度弱光纤光栅，用以监测钻孔1间弱光纤光栅串联；
需要补充说明的是，在本发明中选用的弱光纤光栅为金属基索状弱光纤光栅传感光缆，其使用多股金属加强件用以保护光纤；
并在完成弱光纤光栅的安装后，采用囊袋进行封孔，并通过注浆管12向监测钻孔1内注入混凝土浆液，其中，囊袋采用一堵一封的封孔注浆方式，当囊袋注满后监测钻孔1被封堵牢固，混凝土浆液撑破囊袋内部，注浆管12向监测钻孔1内注入浆液，直至特制推进器上携带的返浆管13中溢出混凝土浆液，此时封孔注浆完成；
并将各弱光纤光栅串联并接入WEB客户端7。
稳沉时间训练单元，用于对目标覆岩的稳定沉降时间进行监测，具体监测过程如下：
以布设的监测钻孔1为依据，实时监测对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的应变值，并以时间为横坐标，以对应时间点下监测到的应变值为纵坐标，并由此建立目标覆岩的应变时间坐标系，并通过描点的方式将各时间点下监测到的应变值绘制在目标覆岩的应变时间坐标系上，分析目标覆岩的应变时间坐标系上各绘制点的变化状态；
当连续监测到H个绘制点的应变浮动值均小于预设的应变浮动阈值时，则生成覆岩应变稳定不变信号，并获取目标覆岩的应变保持稳定处时间和应变开始变化处时间，将目标覆岩的应变保持稳定处时间和应变开始变化处时间进行作差，依据：应变稳定沉降所需时间＝应变保持稳定处时间-应变开始变化处时间，由此得到目标覆岩的应变稳定沉降所需时间，其中，应变浮动值指的是在目标覆岩的应变时间坐标系上相邻的两个绘制点的应变值的差值；
实时监测对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的位移值，并以时间为横坐标，以对应时间点下监测到的位移值为纵坐标，并由此建立目标覆岩的位移时间坐标系，并通过描点的方式将各时间点下监测到的位移值绘制在目标覆岩的位移时间坐标系上，分析目标覆岩的位移时间坐标系上各绘制点的变化状态；
当连续监测到H个绘制点的位移浮动值均小于预设的位移浮动阈值时，则生成覆岩位移稳定不变信号，并获取目标覆岩的位移保持稳定处时间和位移开始变化处时间，将目标覆岩的位移保持稳定处时间和位移开始变化处时间进行作差，依据：位移稳定沉降所需时间＝位移保持稳定处时间-位移开始变化处时间，由此得到目标覆岩的位移稳定沉降所需时间，其中，位移浮动值指的是在目标覆岩的应变时间坐标系上相邻的两个绘制点的位移值的差值；
需要指出的是，H的具体数值的设定由本领域技术人员在具体案例中进行具体设置；
将得到的目标覆岩的应变稳定沉降所需时间和位移稳定沉降所需时间进行均值分析，依据：确定覆岩稳沉时间＝(应变稳定沉降所需时间+位移稳定沉降所需时间)÷2，由此得到目标覆岩的确定覆岩稳沉时间。
本发明在使用时，采用弱光纤光栅进行监测，具有高精度、长距离、分布式、安装简单和成本低廉等优点，并且其系统构建性强、易组网，可以接入光交换机5通过接入矿用工业环网传输至井上监测，改变了传统井下监测困难、劳动量大的缺点；
并实现在工作面停采线周边及其他具备施工条件的巷道内合理布设监测钻孔1，以确保监测范围完整，也为保证监测数据的准确性奠定了强有力的数据支撑；
利用弱光纤光栅的敏感特性，可以准确监测覆岩采动破坏及稳定沉降状态，当弱光纤光栅监测应变和位移保持稳定不变时，确定覆岩已经完全稳定沉降，并以为基础，进一步计算出覆岩稳定沉降所需时间，并为实现覆岩稳沉情况的准确反馈提供了依据，也做到对采空区覆岩稳沉情况的实时有效监测，保证工作面安全生产。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员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，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，包括监测钻孔(1)、金属基弱光纤光栅(2)、传输光缆(3)、光纤解调仪(4)、光交换机(5)、矿用环网(6)、WEB客户端(7)、工作面推进方向(8)、施工巷道(9)、防滑钢丝(10)、筛管阻网(11)、注浆管(12)、返浆管(13)；其特征在于，还包括：
数据采集单元，用于采集采煤工作面停采周边及巷道的覆岩状态信息，以及采集对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的应变值和对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的位移值，其中，覆岩状态信息包括岩层物理力学参数和实时监测状态参数，并将其均发送至云数据库中存储；
云数据库，还用于存储第一发育高度数据表，存储第二发育高度数据表，存储监测钻孔(1)高度数据表；
监测钻孔(1)布设单元，用于对目标覆岩所处的采煤工作面覆岩导水裂隙带的发育高度进行监测，由此对目标覆岩的监测钻孔(1)进行布设分析，由此得到目标覆岩的监测钻孔(1)布设高度以及在采煤工作面和地面等距设置k(1)、k(2)个监测钻孔(1)，并据此对目标覆岩的弱光纤光栅进行安装，将各弱光纤光栅串联并接入WEB客户端(7)；
稳沉时间训练单元，以布设的监测钻孔(1)为依据，用于对目标覆岩的稳定沉降时间进行监测，由此得到目标覆岩的确定覆岩稳沉时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，其特征在于，所述对目标覆岩所处的采煤工作面覆岩导水裂隙带的发育高度进行监测，其具体监测过程如下：
获取目标覆岩的岩层物理力学参数中的抗压强度、弹性模量和剪切强度，并将三项数据进行数据分析，由此得到目标覆岩的岩层力学值pmz，其中，δ1、δ2和δ3分别为抗压强度、弹性模量和剪切强度的权重因子系数，δ1、δ2和δ3均为大于0的自然数；
获取采煤工作面覆岩导水裂隙带的实时监测状态参数中的厚度值、间距值和连通值，并将三项数据进行归一化分析，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的状态值sts，其中，λ1、λ2和λ3分别为厚度值、间距值和连通值的归一因子，且λ1、λ2和λ3均为大于0的自然数；
将目标覆岩的岩层力学值与存储在云数据库中的第一发育高度数据表进行对照匹配分析，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的第一发育高度值，并将其记作ω1，且得到的每个目标覆岩的岩层力学值均对应一个第一发育高度值；
将采煤工作面覆岩导水裂隙带的状态值与存储在云数据库中的第二发育高度数据表进行对照匹配分析，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的第二发育高度值，并将其记作ω2，且得到的每个采煤工作面覆岩导水裂隙带的状态值均对应一个第二发育高度值；
将第一发育高度值和第二发育高度值进行均值计算，依据公式ω*＝(ω1+ω2)÷2，由此得到采煤工作面覆岩导水裂隙带的确定发育高度ω*。
3.根据权利要求1所述的一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，其特征在于，所述对目标覆岩的监测钻孔1进行布设分析，其具体分析过程如下：
将采煤工作面覆岩导水裂隙带的确定发育高度与存储在云数据库中的监测钻孔(1)高度数据表进行对照匹配分析，由此得到目标覆岩的监测钻孔(1)布设高度，且得到的每个采煤工作面覆岩导水裂隙带的确定发育高度均对应一个监测钻孔(1)布设高度；
依据得到的监测钻孔(1)布设高度，沿采煤工作面回采方向等距离依次布设k(1)个监测钻孔(1)，且井下布设的各监测钻孔(1)的终孔位置为最大裂隙带发育高度上方延长的预设距离位置；
沿地面等距离依次布设k(2)个监测钻孔(1)，且井上布设的各监测钻孔(1)的终孔位置位于工作面的顶板上。
4.根据权利要求1所述的一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，其特征在于，所述对目标覆岩的弱光纤光栅进行安装，其具体安装过程如下：
以布设的监测钻孔(1)情况为依据，将弱光纤光栅固定于特制推进器上，利用PVC筛管特制推进器推送至监测钻孔(1)预定埋深，退出PVC筛管，并在监测钻孔(1)外部预留一定长度弱光纤光栅，用以监测钻孔(1)间弱光纤光栅串联；
并在完成弱光纤光栅的安装后，进行注浆封孔，先封孔后注浆，采用囊袋进行封孔，并通过注浆管(12)向监测钻孔(1)内注入混凝土浆液，其中，囊袋采用一堵一封的封孔注浆方式，当囊袋注满后监测钻孔(1)被封堵牢固，混凝土浆液撑破囊袋内部，注浆管(12)向监测钻孔(1)内注入浆液，直至特制推进器上携带的返浆管(13)中溢出混凝土浆液，此时封孔注浆完成；
并在完成弱光纤光栅的安装后，进行注浆封孔，先注浆后封孔，通过注浆管(12)向监测孔内注入混凝土浆液，当浆液溢出监测孔时注浆完成，再采用聚氨酯或囊袋进行封孔。
5.根据权利要求4所述的一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，其特征在于，所述井下安装弱光纤光栅，具体的：
将弱光纤光栅呈倒U形安装于监测钻孔(1)内，并及时注浆封孔，通过光纤熔接机将各个监测钻孔(1)预留弱光纤光栅串联融接在一起，并通过光缆把预埋弱光纤光栅连接至井下监测室的交换机上，将数据通过井下矿用工业环网传输至井上主机，通过WEB客户端(7)，进行实时监测。
6.根据权利要求4所述的一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，其特征在于，所述地面安装弱光纤光栅，具体的：
在采煤工作面垂直向上地表处将弱光纤光栅呈倒U形安装于监测钻孔(1)内，并及时注浆封孔，通过光纤熔接机将各个监测孔预留弱光纤光栅串联融接在一起，并通过光缆把预埋弱光纤光栅连接至地面监测室的交换机上，将数据通过地面矿用工业环网传输至井上主机，通过WEB客户端(7)，进行实时监测。
7.根据权利要求1所述的一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，其特征在于，所述对目标覆岩的稳定沉降时间进行监测，其具体监测过程如下：
实时监测对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的应变值，并以时间为横坐标，以对应时间点下监测到的应变值为纵坐标，并由此建立目标覆岩的应变时间坐标系，并通过描点的方式将各时间点下监测到的应变值绘制在目标覆岩的应变时间坐标系上，分析目标覆岩的应变时间坐标系上各绘制点的变化状态，当连续监测到H个绘制点的应变浮动值均小于预设的应变浮动阈值时，则生成覆岩应变稳定不变信号，并获取目标覆岩的应变保持稳定处时间和应变开始变化处时间，将目标覆岩的应变保持稳定处时间和应变开始变化处时间进行作差，依据：应变稳定沉降所需时间＝应变保持稳定处时间-应变开始变化处时间，由此得到目标覆岩的应变稳定沉降所需时间；
实时监测对应覆岩区域下弱光纤光栅所反馈的位移值，并以时间为横坐标，以对应时间点下监测到的位移值为纵坐标，并由此建立目标覆岩的位移时间坐标系，并通过描点的方式将各时间点下监测到的位移值绘制在目标覆岩的位移时间坐标系上，分析目标覆岩的位移时间坐标系上各绘制点的变化状态，当连续监测到H个绘制点的位移浮动值均小于预设的位移浮动阈值时，则生成覆岩位移稳定不变信号，并获取目标覆岩的位移保持稳定处时间和位移开始变化处时间，将目标覆岩的位移保持稳定处时间和位移开始变化处时间进行作差，依据：位移稳定沉降所需时间＝位移保持稳定处时间-位移开始变化处时间，由此得到目标覆岩的位移稳定沉降所需时间；
将得到的目标覆岩的应变稳定沉降所需时间和位移稳定沉降所需时间进行均值分析，依据：确定覆岩稳沉时间＝(应变稳定沉降所需时间+位移稳定沉降所需时间)÷2，由此得到目标覆岩的确定覆岩稳沉时间。
8.根据权利要求7所述的一种基于弱光纤光栅覆岩稳沉时间实时监测系统，其特征在于，所述应变浮动值指的是在目标覆岩的应变时间坐标系上相邻的两个绘制点的应变值的差值；
所述位移浮动值指的是在目标覆岩的应变时间坐标系上相邻的两个绘制点的位移值的差值。
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