CN204007961U - 沿空留巷膏体填充体在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种沿空留巷膏体填充体在线监测系统，用于对沿空留巷内的膏体填充体进行在线监测，包括有计算机系统以及与计算机系统连接的矿用光缆，包括：用于设置在膏体填充体之间的支撑系统，支撑系统包括设置于沿空留巷顶底板之间的支撑杆；测量光纤系统，测量光纤系统包括：用于检测膏体填充体并与其接触的检测光纤、用于进行温补测量的温补光纤以及具有连接作用的通信光纤，检测光纤与温补光纤均通过通信光纤与矿用光缆连接，温补光纤的外侧套设置有具有用于保护作用的保护套管。优点：设备安装简单，适合普遍推广；井下不需供电，现场安全；采用全光测量和光纤传输，有效避免电磁干扰的影响；能及时提供监测结果，有利于指导现场充填开采生产工作。

Description

沿空留巷膏体填充体在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及矿山沿空留巷填充技术领域，更具体地说，特别涉及一种沿空留巷膏体填充体在线监测系统。

背景技术

充填开采技术作为解决建筑物下、铁路下、水体下和承压水上压煤开采技术，是采煤技术的一大革新。

其中，膏体充填式煤矿绿色开采技术的重要组成部分，把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工制作成不需要脱水处理的牙膏状浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道输送到井下，适时充填采空区或离层区，形成以膏体充填体为主的上覆岩层支撑体系，有效控制地表沉陷在建筑物允许值范围内，实现村庄不搬迁，安全开采建筑物下压煤，保护矿区生态环境和地下水资源。

但是，由于充填体在煤矿井下处于密闭环境内，无法对其受力及变形进行人工测量，只能通过设备进行测量；而目前的传统监测设备体积庞大，且无法适应井下高温、潮湿等恶劣条件，更无法完成充填体长期实时在线的监测任务。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种沿空留巷膏体填充体在线监测系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种沿空留巷膏体填充体在线监测系统，用于对沿空留巷内的膏体填充体进行在线监测，包括有计算机系统以及与所述计算机系统连接的矿用光缆，包括：

用于设置在沿空留巷顶底板之间的支撑系统，所述支撑系统包括设置于膏体填充体之间的支撑杆；

测量光纤系统，所述测量光纤系统包括：用于检测膏体填充体并与其接触的检测光纤、用于进行温补测量的温补光纤以及具有连接作用的通信光纤，所述检测光纤与所述温补光纤均通过所述通信光纤与所述矿用光缆连接，所述检测光纤包括有两根，两根所述检测光纤间隔设置于所述支撑杆上，所述温补光纤的外侧套设置有具有用于保护作用的保护套管。

优选地，于所述顶板与所述底板之间设置有所述支撑杆，支撑杆直接支撑充填膏体所在巷道的顶底板。

优选地，所述支撑杆上自其底部向上分别于1/4以及1/2的位置上开设有固定槽，所述检测光纤设置于所述固定槽内。

优选地，所述检测光纤以及所述温补光纤均通过光纤连接头与矿用光缆连接。

有益效果：由于采用了上述方案，提出一种新型的、合理的、成熟的技术方案对膏体充填进行长期在线监测，采用分布式监测方式，以测量煤矿膏体充填体下沉位移量，从而得到膏体充填体的受力、充实率及运动规律，为充填体材料的强度、变形让压参数及支护参数的确定提供依据。当充填体的围岩矿压显现时，矿山压力施加到充填体上，测量光纤受力作用时该处的光信号的布里渊散射光谱会发生频移，利用地面的分布式光纤解调仪将光信号解调为数字信号，然后利用计算机系统对数字信号做进一步分析处理，得到膏体充填体的受力、充实率及运动规律，实现充填体状态的实时在线监测，指导现场安全生产。本设计降低了监测成本和监测难度，解决了目前膏体充填监测过程中监测条件受限制、单点监测范围有限、信号传输线敷设繁琐及系统复杂的问题。

优点为：设备安装简单，适合普遍推广；井下不需供电，现场安全；采用全光测量和光纤传输，有效避免电磁干扰的影响；能及时提供监测结果，有利于指导现场充填开采生产工作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型的井下示意图；

图3为本实用新型的沿空留巷旁充填支撑点布置断面图；

图4为本实用新型的沿空留巷旁充填支撑点布置方式图；

图1至图4中部件名称与附图标记的对应关系为：

1、计算机系统；2、分布式光纤解调仪；3、矿用光缆；4、通信光纤；5、金属管；6、底板；7、温度补偿光纤；8、光纤连接头；9、支撑杆；10、测量光纤；11、地锚；12、顶板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参考图1至图4，本实用新型提供了一种沿空留巷膏体填充体在线监测系统，用于对沿空留巷内的膏体填充体进行在线监测，包括有计算机系统以及与计算机系统连接的矿用光缆，包括：用于设置在沿空留巷顶底板之间的支撑系统，支撑系统包括设置于顶底板之间的支撑杆；测量光纤系统，测量光纤系统包括：用于检测膏体填充体并与其接触的检测光纤、用于进行温补测量的温补光纤以及具有连接作用的通信光纤，检测光纤与温补光纤均通过通信光纤与矿用光缆连接，检测光纤包括有两根，两根检测光纤间隔设置于支撑杆上，温补光纤的外侧套设置有具有用于保护作用的保护套管。

在上述结构设计中，本实用新型首先在膏体填充体进行填充前预设支撑系统以及保护管，在支撑系统上设置两根检测光纤，膏体充填后检测光纤与膏体填充体接触，如果膏体填充体发生下沉（位移）变化或者温度变化，则能够改变检测光纤内光信号的布里渊频移，通过分布式光纤解调仪和计算机系统对变化的光信号进行解析和处理，能够测得膏体填充体发生变化的位置及形变大小。

具体地，计算式通过如下公式进行测得的：

当距离检测光纤上的入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到分布式光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移与温度和应变的关系为：

式中，、为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数；为光信号的布里渊频移基础值；为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，为发生应变后的应变值；为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量；

温度补偿：在底板附近布置一根松弛传感光纤使它不受力，那么这根传感光纤所测得的布里渊散射光频移，就是由温度变化引起的等效应变值，可作为温度补偿；温度补偿原理用下式表示：

式中， 为修正后的光纤应变；为某一温度下的光纤应变；为温度变化引起的附加应变；

当计算机系统得到测量光纤任意形变点对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：

式中，为发生应变位置处的应力，为膏体的弹性模量，弹性模量为实验测试值，为光纤发生应变位置处的实时应变值，为光纤发生应变位置处的初始应变值。和均为考虑了温度补偿的光纤应变。

具体地，本实用新型还包括有设置于顶板与底板之间的有支撑杆，支撑杆直接支撑充填膏体所在巷道的顶底板。

具体地，于支撑杆上自其底部向上分别于1/4以及1/2的位置上开设有固定槽，检测光纤设置于固定槽内。

具体地，检测光纤以及温补光纤均通过光纤连接头与矿用光缆连接。

本实用新型通过上述结构设计，其有益效果：由于采用了上述方案，提出一种新型的、合理的、成熟的技术方案对膏体充填进行长期在线监测，采用分布式监测方式，以测量煤矿膏体充填体下沉位移量，从而得到膏体充填体的受力、充实率及运动规律，为充填体材料的强度、变形让压参数及支护参数的确定提供依据。当充填体的围岩矿压显现时，矿山压力施加到充填体上，测量光纤受力作用时该处的光信号的布里渊散射光谱会发生频移，利用地面的分布式光纤解调仪将光信号解调为数字信号，然后利用计算机系统对数字信号做进一步分析处理，得到膏体充填体的受力、充实率及运动规律，实现充填体状态的实时在线监测，指导现场安全生产。本设计降低了监测成本和监测难度，解决了目前膏体充填监测过程中监测条件受限制、单点监测范围有限、信号传输线敷设繁琐及系统复杂的问题。

基于上述结构设计，本实用新型的具体实施方式为：

硬件系统包括：计算机1、分布式光纤解调仪2、矿用光缆3、通信光纤4、金属管5、温度补偿光纤7、光纤连接头8、支撑杆9、测量光纤10、地锚11；在每组支撑杆支撑空间被充填之前，支撑杆9通过地锚11固定到充填空间所在巷道的底板6，支撑杆上端支撑充填空间所在巷道的顶板12，两根测量光纤10分别布置在支撑杆9中部1/2处和下部1/4处，每组支撑杆最后一根的尾部引出光纤连接头8并通过通信光纤4接入矿用光缆3，在充填空间所在巷道的底板位置布置温度补偿光纤7，温度补偿光纤7布置在金属管5中，使其不受外力作用，并接入矿用光缆3，矿用光缆3与分布式光纤解调仪2连接，从而将测量光纤10和温度补偿光纤7监测信号传递至分布式光纤解调仪2，分布式光纤解调仪2与计算机系统1连接，解调后的信号送至计算机系统1，在空间被充填后对膏体充填体13进行实时在线监控及分析处理。

软件计算方法为：

当距离入射端某点处的光纤发生应变和温度变化时，返回到分布式光纤信号解调仪中的该点的布里渊频移与温度和应变的关系为：

式中，、为光纤的布里渊频移应变系数和温度系数；为光信号的布里渊频移基础值；为光纤在应变时的布里渊频移；为初始应变值，为发生应变后的应变值；为距离入射端某点处传感光纤的温度变化量；

温度补偿：在底板附近布置一根松弛传感光纤使它不受力，那么这根传感光纤所测得的布里渊散射光频移，就是由温度变化引起的等效应变值，可作为温度补偿；温度补偿原理用下式表示：

式中 为修正后的光纤应变；为某一温度下的光纤应变；为温度变化引起的附加应变。

经过光纤信号解调仪的信号处理即可得到发生应变的位置与应变的大小；

当分布式光纤解调仪得到测量光纤任意形变点对应的应变值后，根据下式得到布里渊光纤发生应变位置处的应力大小：

为发生应变位置处的应力，为膏体的弹性模量，弹性模量为实验测试值，为光纤发生应变位置处的实时应变值，为光纤发生应变位置处的初始应变值。和均为考虑了温度补偿的光纤应变。

本实用新型利用分布式光线对膏体填充体进行监测，以测量煤矿膏体充填体应力及下沉位移量来反映充填体受力及运动规律，为充填体材料的强度、变形让压参数、充实率及支护参数等得确定提供依据。

通过以上的具体实施，在进行膏体充填之前，支撑杆通过地锚固定到充填空间底板，支撑杆上端支撑充填空间所在巷道的顶板，支撑杆中部1/2处和下部1/4处各有一个凹槽用于固定光纤，每间隔10m布置一根支撑杆，60~80m为一组，每一组连接两根测量光纤，每两根支撑杆间光纤松弛连接，每组支撑杆最后一根尾部引出光纤连接头并通过光纤接入矿用光缆，矿用光缆与分布式光纤解调仪连接，从而将测量光纤监测信号传递至分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪与计算机系统连接，解调后的信号传送至计算机系统，在空间被充填后对膏体充填体进行实时的在线监控及分析处理。本实用新型分布式监测，以测量煤矿膏体充填体应力及下沉位移量来反映充填体受力及运动规律，为充填体材料的强度、变形让压参数、充实率及支护参数等得确定提供依据。优点：设备安装简单，适合普遍推广；井下不需供电，现场安全；采用全光测量和光纤传输，有效避免电磁干扰的影响；能及时提供监测结果，有利于指导现场充填开采生产工作。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1. 一种沿空留巷膏体填充体在线监测系统，用于对沿空留巷内的膏体填充体进行在线监测，包括有计算机系统以及与所述计算机系统连接的矿用光缆，其特征在于，包括：

设置在顶板和底板之间的支撑系统，所述支撑系统包括设置于膏体填充体之间的支撑杆；

测量光纤系统，所述测量光纤系统包括：用于检测膏体填充体并与其接触的检测光纤、用于进行温补测量的温补光纤以及具有连接作用的通信光纤，所述检测光纤与所述温补光纤均通过所述通信光纤与所述矿用光缆连接，所述检测光纤包括有两根，两根所述检测光纤间隔设置于所述支撑杆上，所述温补光纤的外侧套设置有具有用于保护作用的保护套管。

2.根据权利要求1所述的沿空留巷膏体填充体在线监测系统，其特征在于，

于所述顶板与所述底板之间设置有所述支撑杆。

3.根据权利要求1所述的沿空留巷膏体填充体在线监测系统，其特征在于，

于所述支撑杆上自其底部向上分别于1/4以及1/2的位置上开设有固定槽，所述检测光纤设置于所述固定槽内。

4.根据权利要求1所述的沿空留巷膏体填充体在线监测系统，其特征在于，

所述检测光纤以及所述温补光纤均通过光纤连接头与矿用光缆连接。