CN217681860U

CN217681860U - 双向应力传感器及冲击地压实时监测系统

Info

Publication number: CN217681860U
Application number: CN202221819918.5U
Authority: CN
Inventors: 刘晓斐; 谢慧; 刘琛
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2022-07-15
Filing date: 2022-07-15
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2032-07-15

Abstract

本实用新型公开了一种双向应力传感器及冲击地压实时监测系统，双向应力传感器，包括，圆筒、封装光纤、两个弹簧片及两个光纤布拉格光栅，两个弹簧片以正交的形式间隔地固定在圆筒内，两个光纤布拉格光栅分别固定于对应的弹簧片，所述光纤布拉格光栅两端的裸光纤穿出圆筒与封装光纤进行连接，所述弹簧片端部与所述圆筒接触，使所述圆筒将受到的应力传递给所述弹簧片，使所述弹簧片产生拉伸并带动对应的光纤布拉格光栅拉伸或收缩。双向应力传感器具有如下优点：不需要布置两个传感器来对煤体的双向应力进行监测。通过传感器串联实现对大范围煤体进行应力监测。

Description

双向应力传感器及冲击地压实时监测系统

技术领域

本申请涉及应力场监测技术领域，具体而言，涉及双向应力传感器及冲击地压实时监测系统。

背景技术

当进行隧道、人防工程、矿井等工程时，围岩的原始应力平衡状态被打破，所承受的围岩应力可能大于岩体的极限强度，这时会出现矿压加剧、巷道围岩大变形、巷道支护困难，冲击、压出、突出等动力灾害，而压力能够直接反映煤岩体的强度储备信息，确定煤岩体局部位置的应力集中以及所受实际载荷状况，因此，为预防冲击地压等动力灾害，对深部资源开采过程中所产生的围岩应力的监测问题显得尤为重要，并且已成为国内外研究的焦点。

现有的围岩应力监测手段有扁千斤顶法、水压致裂法、声发射法、钻孔应力测试技术、应力解除法等，虽然这些监测技术在煤矿中应用已比较广泛，但对煤岩体的冲击地压监测预警存在一些的不足：1）只能监测一个点，若是想要监测不同距离的应力则需要打多个钻孔，而且安装技术比较复杂，这给实际工作增加了复杂度；2）监测的应力都是表面应力，且监测结果之后，无法反映围岩体内部应力的变化规律；3）深部煤岩体侧向压力与浅部不同，侧向应力系数并非常数，与轴向应力也并非是线性关系，使用传统侧向应力计算公式会导致结果与实际情况不相符； 4）相比于轴向应力，侧向应力扰动更容易引起断层摩擦失稳，诱发冲击地压事故；5）有些监测方法只能监测单向应力，在岩体受力情况比较复杂的情况下不能很好监测出围岩体的真实应力，减弱了监测预警的准确性。

发明内容

本申请实施例提供了一种双向应力传感器及冲击地压实时监测系统，以至少解决现有监测手段只能监测一个点、单向应力带来的问题。

本实用新型提供一种双向应力传感器，包括，圆筒、封装光纤、两个弹簧片及两个光纤布拉格光栅，两个弹簧片以正交的形式间隔地固定在圆筒内，两个光纤布拉格光栅分别固定于对应的弹簧片，所述光纤布拉格光栅两端的裸光纤穿出圆筒与封装光纤进行连接，所述弹簧片端部与所述圆筒接触，使所述圆筒将受到的应力传递给所述弹簧片，使所述弹簧片产生拉伸并带动对应的光纤布拉格光栅拉伸或收缩。

进一步的，所述圆筒的两端分别设有两个金属管，两个金属管的长度不相等，每个光纤布拉格光栅的裸光纤分别穿入一个金属管并与封装光纤的接头连接。

进一步的，所述金属管内设有橡胶圈。

进一步的所述圆筒包括钢制筒身与圆筒盖，钢制筒身与圆筒盖螺纹连接。

进一步的封装光纤采用钢加固结构进行封装。

本实用新型还提供一种冲击地压监测系统，包括多个双向应力传感器、还包括矿用光缆、光纤布拉格光栅解调仪、监测中心及用户终端；多个双向应力传感器用于装设于钻孔底部；多个双向应力传感器的封装光纤通过连接头进行串联后接入矿用光缆，矿用光缆接入光纤布拉格光栅解调仪，光纤布拉格光栅解调仪与监测中心相连，监测中心与用户终端连接。

有益效果

通过本申请实施例，两个弹簧片以正交的形式间隔地固定在圆筒的纵面，保证了钻孔围岩的双向应力都能被进行有效的监测。

橡胶圈对裸光纤与封装光纤的接头进行保护，防止折断，也防止圆筒外有杂物混入圆筒内，影响光纤布拉格光栅的监测。

串联连接的多个双向应力传感器使得在一个钻孔内能监测到多个位置的应力，能够实现矩阵点式传感网络，实现了对围岩体内部应力场分布监测。双向应力传感器以串联的方式对在范围岩体实现矩阵点式实时监测、无需配备如油泵等大型动力设备，能够对存在冲击危险倾向性岩体具体的点的位置进行监测，而且能够同时对横向应力和轴向应力进行监测，实现了对围岩体内部应力场分布监测，极大提高了监测预警的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为双向应力传感器结构示意图；

图2为单个钻孔内传感器串联示意图；

图3为传感器布置监测系统图。

附图符号说明：

1、圆筒盖；2、弹簧片；3、钢制圆筒；4、光纤布拉格光栅；5、裸光纤；6、金属管；7、封装光纤；8、矿用光缆； 9、双向应力传感器；10、光纤布拉格光栅解调仪；11、监测中心；12、用户终端。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本实用新型实施例所述的一种基于双向应力传感器的冲击地压实时监测系统，基于光纤布拉格光栅对围岩应力场监测的系统，如图1~图3所示，包含：双向应力传感器9、矿用光缆8、光纤布拉格光栅解调仪10、监测中心11及用户终端12。多个双向应力传感器9串联设置并用于装设于钻孔底部；多个双向应力传感器9的尾端光纤通过连接头进行串联后接入矿用光缆8，矿用光缆8接入光纤布拉格光栅解调仪10，光纤布拉格光栅解调仪10与监测中心11相连，监测中心11与用户终端12连接。

在使用时：将双向应力传感器9串联并推送至钻孔底部，对钻孔进行注浆封孔；再将各钻孔内已串联的传感器的尾端光纤通过连接头进行串联后接入矿用光缆8，再将矿用光缆8接入光纤布拉格光栅解调仪10，光纤布拉格光栅解调仪10与监测中心11相连，监测中心11与用户终端12连接。

双向应力传感器包括圆筒、两个弹簧片2及光纤布拉格光栅4。圆筒包括钢制筒身3及盖设于所述钢制筒身3的圆筒盖1。圆筒盖1设有两个金属管6，金属管6内设有橡胶圈，两个弹簧片2以正交的形式相垂直间隔地固定在钢制筒身3的内壁，光纤布拉格光栅4固定在弹簧片2的中间表面，光纤布拉格光栅4两端的裸光纤5穿过金属管6用于与圆筒外的光纤进行连接。

所述弹簧片2端部与所述圆筒接触，使所述圆筒将受到的应力传递给所述弹簧片2，使所述弹簧片2产生拉伸并带动对应的光纤布拉格光栅4拉伸或收缩，其光纤布拉格光栅中心波长随之发生漂移。

由于两个弹簧片2正交设置，圆筒在两个方向上受力均会传导给对应的弹簧片2，使双向应力传感器能进行双向应力的监控

正交指两个弹簧片2相垂直。

优选地，钢制筒身3为钢制材料；钢制筒身3与圆筒盖1螺纹连接；两个金属管6的长度不相等；钢制筒身外的封装光纤7采用钢加固结构进行封装。

双向应力传感器具有如下优点：

a、能够同时监测双向应力，不需要布置两个传感器来对煤体的双向应力进行监测。

b、通过传感器串联实现对大范围煤体进行应力监测。

所述的双向应力传感器用于实时监测煤矿围岩应力场，并将监测到的数据通过矿用光缆传输至光纤布拉格光栅解调仪；光纤布拉格光栅解调仪解调光波长信息，进而识别出应变，并将处理数据传递至监测中心；在监测中心能够对接收的信息进行处理成应力并储存与预警，然后将数据传递到用户终端，便于在线实时观测数据的变化以及预警结果。

本实施例提供一种基于双向应力传感器的冲击地压实时监测系统的使用方法，包括以下步骤：

步骤1-1，制作双向应力传感器；

步骤1-2，使用钻孔机在采煤工作面巷道煤岩壁中垂直巷道壁方向布置水平钻孔，钻孔间距为10~50m，再将传感器串联并推送至钻孔底部，对钻孔进行注浆封孔，实现矩阵点式应力场分布；及

步骤1-3，将各孔口已串联的传感器的尾端光纤通过连接头进行串联，通过矿用光缆与光纤布拉格光栅解调仪连接，光纤布拉格光栅解调仪与监测中心相连，监测中心与用户终端连接，实现对围岩内部应力场的实时监测。

制作双向应力传感器包括如下步骤：

提供圆筒，圆筒包括钢制筒身3及筒盖；筒盖设有两个金属管，金属管内设有橡胶圈；

弹簧片2以正交的形式间隔地固定在圆筒3的纵面，并用环氧树脂将光纤布拉格光栅4区段粘贴固定在弹簧片2的中间表面；

将光纤布拉格光栅两端的裸光栅5穿过金属管6与圆筒外封装好的光纤进行连接。

步骤1-1，制作双向应力传感器：弹簧片2以正交的形式间隔地固定在圆筒3的纵面，并用环氧树脂将光纤布拉格光栅4区段粘贴固定在弹簧片2的中间表面；圆筒盖上1设置了两个金属管6，光纤布拉格光栅两端的裸光栅5穿过金属管6与圆筒外封装好的光纤进行连接，同时在金属管6内布置了橡胶圈。

其中，a、采用圆筒对弹簧片3进行封装，一方面能够防止煤岩剥离或突出破坏光纤布拉格光栅4，另一方面，钢制筒身3能够对钻孔起着支护作用，减小了围岩与光纤布拉格光栅4的应力传递效率，增大了传感器所能监测的围岩应力范围。

b、钢制筒身3与圆筒盖1以螺旋形式进行密封，防止浇筑时混凝土泄漏破坏光纤布拉格光栅4。

c、圆筒盖1上设置了两段长度不等的金属管6。监测纵向和横向应力的光纤分别沿长金属管和短金属管从钢制筒身3两端的圆筒盖1牵引出，在后期串联多个传感器时不至于混淆这两根光纤。

d、圆筒外的封装光纤7采用钢加固结构进行封装。因为煤矿的应力情况比较复杂，煤结构性很差，经常产生微震，常用的皮线光纤不足以抵抗煤体剥离时产生的冲击能力，而且后期传感器的安装是需要往钻孔内浇筑混凝土，也容易因为混凝土的拉张力而被拉断，采用钢加固封装结构能够保护光纤正常工作。

e、两个弹簧片2以正交的形式间隔地固定在圆筒3的纵面，保证了钻孔围岩的双向应力都能被进行有效的监测。

f、在金属管6内设橡胶圈，对裸光纤5与封装光纤7的接头进行保护，防止折断，也防止圆筒外有杂物混入圆筒内，影响光纤布拉格光栅4的监测。

g、封装好的双向应力传感器9通过连接头将露在外面的封装光纤与另一个双向应力传感器的封装光纤7串联，使得在一个钻孔内能监测到多个位置的应力，深孔钻机的应用使得该传感网络有更大的发挥空间。

步骤1-2，使用钻孔机在采煤工作面巷道煤岩壁中垂直巷道壁方向布置水平钻孔，再将双向应力传感器9串联并推送至钻孔底部，对钻孔进行注浆封孔，实现矩阵点式应力场分布；

在钻孔过程中如果发生卡钻、塌钻、缩钻等问题，那么根据这些潜在危险点的距离来确定在该钻孔内传感器的串联间距，如果钻孔顺利，没有出现卡钻等问题，传感器进行等间距串联，间距一般为10~50m，过推送杆推送至钻孔底部，对钻孔进行注浆封孔。

将传感器推进钻孔内的推送杆能够保证传感器保持拉直状态。由于传感器直径比钻孔直径小，所以在传感器被推送到钻孔底部时，推送杆旋转一定角度使可以从孔内抽出，增大传感器的有效传递率。

步骤1-3，将各孔口已串联的双向应力传感器9的尾端光纤通过连接头进行串联，通过矿用光缆8与光纤布拉格光栅解调仪10连接，光纤布拉格光栅解调仪1与监测中心11相连，监测中心11与用户终端12连接。

双向应力传感器9实时监测煤矿围岩应力场，并将监测到的数据通过矿用光缆8传输至光纤布拉格光栅解调仪10；光纤布拉格光栅解调仪10解调光波长信息，进而识别出应力，并将处理数据传递至监测中心；在监测中心11能够对接收的信息进行实时处理并储存与预警，然后将数据传递到用户终端12，便于在线实时观测数据的变化以及预警结果。

采用应力临界值作为预警指标，对冲击危险性进行监测预警。根据《防冲煤矿冲击地压细则》中应力监测点危险等级分类的应力大小和应力增速大小区间，设定不同危险等级的应力预警阈值，监测每个钻孔内对应的测点的光纤布拉格光栅波长；当任一光纤所在钻孔内有超过三分之一的测点的应力值大于设定的某一危险等级敏感指标阈值时，判定在该钻孔的半径的圆周范围内具有对应危险等级的冲击危险性，当冲击危险等级为无时不发出预警，当冲击危险等级为弱时发出弱预警，当冲击危险等级为中时发出中预警，冲击危险等级为强时发出强预警，所述半径为钻孔间距的二分之一；在此基础上标出应力值大于阈值的测点位置，绘制成冲击危险区域图，并以时间为轴，绘制冲击地压危险性区域的变化云图，从而预测其他可能存在冲击危险性的区域，提前采取相应的控制措施来预防冲击地压事件。

对冲击危险等级为无的区域，可以正常进行设计及生产作业。

对冲击危险等级为弱的区域，需要配备其他监测方法和卸压设备，制定监测和治理方案，作业中进行冲击地压危险监测、解危和效果检验。

对冲击危险等级为中的区域，在危险等级为弱的基础上，需要优化巷道及硐室技术参数、支护方式和掘进速度；作业前对采煤工作面支承压力影响区、掘进煤层巷道迎头及后方至少50m范围采取预卸压措施，设置人员限制区域、确定避难路线。

对冲击危险等级为强的区域，在危险等级为中的基础上，需要合理选择硐室布置方案、工作面接替顺序等；监测生产作业对周边巷道、硐室等的扰动影响，并制定对应的治理措施。如果生产过程中，经充分采取监测和解危措施后，仍不能保证安全时应停止生产或重新设计。

通过本申请实施例，串联连接的多个双向应力传感器使得在一个钻孔内能监测到多个位置的应力，能够实现矩阵点式传感网络，实现了对围岩体内部应力场分布监测。双向应力传感器以串联的方式对在范围岩体实现矩阵点式实时监测、无需配备如油泵等大型动力设备，能够对存在冲击危险倾向性岩体具体的点的位置进行监测，而且能够同时对横向应力和轴向应力进行监测，实现了对围岩体内部应力场分布监测，极大提高了监测预警的准确性。

两个弹簧片2以正交的形式间隔地固定在钢制筒身3的纵面，保证了钻孔围岩的双向应力都能被进行有效的监测。橡胶圈对裸光纤5与封装光纤7的接头进行保护，防止折断，也防止圆筒外有杂物混入圆筒内，影响光纤布拉格光栅4的监测。

根据测点数据建立基于应力场的煤矿冲击地压监测指标，并确定应力敏感指标，并根据应力敏感指标对冲击地压灾害进行监测预警，对确定煤矿冲击地压灾害的形成及运移原理、提高对冲击地压事件预防的有效性具有重要的理论和实践意义。

所述弹簧片端部与所述圆筒接触，使所述圆筒将受到的应力传递给所述弹簧片，使所述弹簧片产生拉伸并带动对应的光纤布拉格光栅拉伸或收缩，其光纤布拉格光栅中心波长随之发生漂移。通过检测光纤布拉格光栅中心波长漂移量的大小和变化频率即可实现对位移加速度的测量。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种双向应力传感器，其特征在于，包括，圆筒、封装光纤、两个弹簧片及两个光纤布拉格光栅，两个弹簧片以正交的形式间隔地固定在圆筒内，两个光纤布拉格光栅分别固定于对应的弹簧片，所述光纤布拉格光栅两端的裸光纤穿出圆筒与封装光纤进行连接，所述弹簧片端部与所述圆筒接触，使所述圆筒将受到的应力传递给所述弹簧片，使所述弹簧片产生拉伸或收缩并带动对应的光纤布拉格光栅拉伸或收缩。

2.如权利要求1所述的双向应力传感器，其特征在于：所述圆筒的两端分别设有两个金属管，两个金属管的长度不相等，每个光纤布拉格光栅的裸光纤分别穿入一个金属管并与封装光纤的接头连接。

3.如权利要求2所述的双向应力传感器，其特征在于：所述金属管内设有橡胶圈。

4.如权利要求1所述的双向应力传感器，其特征在于：所述圆筒包括钢制筒身与圆筒盖，钢制筒身与圆筒盖螺纹连接。

5.如权利要求1所述的双向应力传感器，其特征在于：封装光纤采用钢加固结构进行封装。

6.一种冲击地压监测系统，其特征在于：包括多个如权利要求1所述的双向应力传感器、还包括矿用光缆、光纤布拉格光栅解调仪、监测中心及用户终端；多个双向应力传感器用于装设于钻孔内部；多个双向应力传感器的封装光纤通过连接头进行串联后接入矿用光缆，矿用光缆接入光纤布拉格光栅解调仪，光纤布拉格光栅解调仪与监测中心相连，监测中心与用户终端连接。