CN107328503B - 基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***及方法 - Google Patents
基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***及方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***及方法，适用于巷道矿压监测领域使用。基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***，包括布置在采煤工作面两侧巷道顶板上的监测测站，每个监测测站包括三个顶板应力监测装置，每个监测测站内的顶板应力监测装置之间通过通讯光纤串联在一起，每个巷道尾端的监测测站的引出端光纤尾纤通过通讯光纤与光纤终端盒相连接，光纤终端盒通过矿用传输光缆与设置在地表的光纤光栅静态解调仪相连接，光纤光栅静态解调仪顺序连接有监控计算机和网络服务器，网络服务器通过煤矿局域网与多个客户端相连接；其测量精度高、使用寿命长，可实现煤矿巷道顶板应力实时在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测***及方法，尤其是一种适用于巷道矿压监测领域的基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***及方法。
背景技术
随着我国煤矿开采深度的不断增加，巷道顶板以及采空区顶板的应力变化越来越复杂，近十年来，国内煤矿发生致人死亡的顶板事故数千起，占煤矿事故总数接近一半，因此实时监测煤矿巷道顶板应力变化，判断顶板的稳定性，及时采取有效的防护措施，对预防频发的顶板事故具有重大的现实意义。
原有光纤光栅测力锚杆的传感原理是测力锚杆经过拉伸应变后连带贴在其上的光栅一起应变，即要求测力锚杆有多大应变，光栅也有多大应变，而实际情况是测力锚杆的最大延伸率是17％，而光纤光栅的最大延伸率是0.3％，一旦测力锚杆的应变大于0.3％，不但达不到测力的目的，还会造成光纤光栅损坏的后果，即使采用了弹簧等一些减敏措施，但在实际安装过程中仍然发现难以解决这个问题。
现有光纤光栅测力锚杆所存在：光纤光栅应变与锚杆应变不易在有效范围内协调的缺陷，即锚杆应变相对于光纤光栅来说过大而造成光纤光栅被拉断或者测量结果不准确。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、安装方便、可靠性高、测量精度高、抗电磁干扰能力强、受环境影响小、无安全隐患、信号传输距离远、能够对巷道顶板应力进行实时监测的基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***和监测方法。
技术方案：本发明的基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***，包括布置在采煤工作面两侧巷道顶板上的监测测站，监测测站之间相互串联直至采空区，每个监测测站包括三个顶板应力监测装置，每个监测测站内的顶板应力监测装置之间通过通讯光纤串联在一起，每个巷道尾端的监测测站的引出端光纤尾纤通过通讯光纤与光纤终端盒相连接，光纤终端盒通过矿用传输光缆与设置在地表的光纤光栅静态解调仪相连接，光纤光栅静态解调仪顺序连接有监控计算机和网络服务器，网络服务器通过煤矿局域网与多个客户端相连接；
所述顶板应力监测装置包括空心锚杆，空心锚杆两端分别设有紧扣的空心螺栓，空心锚杆中设有钢丝绳，钢丝绳通过锚杆两端的空心螺栓拉伸后固定在空心锚杆上，空心螺栓的螺栓部分上设有两道对称的凹槽，空心螺栓的头部上与凹槽对应出设有两个光纤导出孔，空心螺栓的凹槽内设有光纤光栅传感器，光纤光栅传感器尾端通过光纤引出孔引出光纤，对称粘贴布置两个光纤光栅传感器便于校正压力值；
每个光纤光栅传感器通过通讯光纤与光纤终端盒相连接，光纤终端盒通过矿用传输光缆与井上的光纤光栅解调仪相连接。
所述空心锚杆长度为2000mm，空心锚杆直径为25mm。
所述的空心螺栓的内孔直径为6mm、外表直径为10mm、长为40mm，空心螺栓的头部直径为25mm，长为10mm。
所述顶板应力监测装置间隔布置，每50米在顶板上布置一个顶板应力监测装置，每个顶板应力监测装置上设有两个光纤光栅传感器。
一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线检测方法，包括如下步骤：
a、安装顶板应力监测装置：将光纤光栅传感器紧贴在空心螺栓的凹槽上，并通过光纤引出孔引出光纤，然后将两个空心螺栓紧扣在空心锚杆两端，将细钢丝绳拉直贯穿整个空心锚杆，完成该顶板应力监测装置；
b、在巷道内布置监测测站，在监测测站内的顶板间隔布置3个顶板应力监测装置，顶板应力监测装置的间隔距离为50米，通过光纤尾纤将顶板应力监测装置中的光纤光栅传感器串联在一起，沿着巷道向前推进，监测测站间隔距离为20米时布设下一个监测测站，直至完成设定的监测测站数目；
c、利用通讯光纤将光纤尾纤与光纤终端盒相连接，并通过矿用传输光缆连接到地面上的光纤光栅静态解调仪上，光纤光栅静态解调仪与监控计算机相连接；
d、当某处巷道顶板下沉，顶板应力发生变化后，顶板应力监测装置的锚杆杆体发生拉伸变形，因为顶板应力监测装置中的细钢丝绳通过两端的空心螺栓已经在两端固定住，所以锚杆杆体的拉伸变形也使得其中的细钢丝绳拉得更紧，从而使粘贴有光纤光栅传感器的那一端的空心螺栓造成压缩变形，然后粘贴在空心螺栓上的光纤光栅传感器会产生收缩变形的光波信号；
e、如果细钢丝绳发生形变则不需要更换钢丝绳，如果发生断裂则需要更换钢丝绳或者更换一个新的顶板应力监测装置，对巷道顶板竖直方向的任意位置发生离层或下沉变形的应力进行检测，通过检测到的数据与预存的危险临界数据比较，达到监测预警的效果。
e、将光纤光栅传感器采集的光波信号通过光纤及光缆传输至光纤光栅静态解调仪，通过光纤光栅静态解调仪将光波信号解调为数字信号，然后传输至监控计算机，通过安装在监控计算机的在线监测软件进行数据处理，通过检测到的数据与预存的危险临界数据比较，实时显示巷道顶板应力数据及变化趋势；
f、通过煤矿局域网和网络服务器，将监测的巷道顶板应力数据进行共享，实现对巷道顶板应力的在线实时远程监测。
有益效果：由于采用了上述方案，本发明改变了传统的拉伸光栅测力装置监测顶板应力的方法，采用压缩光栅的监测方法，光纤光栅不容易被拉断、测量精度高、使用寿命长。基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***，改变了以往装置设计上的不足，光纤光栅在线监测***传输容量大，传输范围广，抗电磁干扰性好，安装方便，测量精度高，可实现大范围长期在线实时监测，对于顶板应力的实时监测具有现实意义。与现有技术相比，具有以下优点：
本发明克服了现有光纤光栅测力锚杆所存在的缺陷：光纤光栅应变与锚杆应变不易在有效范围内协调，即锚杆应变相对于光纤光栅来说过大而造成光纤光栅被拉断导致测量结果不准确。改变了传统的拉伸光栅式测力装置监测顶板应力的方法，采用了压缩光栅式的监测方法，当某处巷道顶板下沉，顶板应力发生变化后，顶板应力监测装置的锚杆杆体发生拉伸变形，因为顶板应力监测装置中的细钢丝绳通过两端的空心螺栓已经在两端固定住，所以锚杆杆体的拉伸变形也使得其中的钢丝绳拉得更紧，从而使粘贴有光纤光栅传感器的那一端的空心螺栓也造成压缩变形，然后粘贴在空心螺栓上的光纤光栅传感器会产生收缩变形的光波信号。压缩光栅式的监测装置使得光纤光栅不会被拉断、测量精度高、使用寿命长。本发明改变了以往装置设计上的不足，所采用的光纤光栅在线监测***传输容量大，传输范围广，抗电磁干扰性好，安装方便，测量精度高，可实现大范围长期在线实时监测，对于顶板应力的实时监测具有现实意义，适应了现在煤矿的安全高效生产，满足了煤矿井下安全需要，促进了科研工作。
附图说明
图1为本发明的巷道顶板应力监测***整体布置结构示意图。
图2为本发明的单个基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测装置的剖面图。
图3(a)为本发明的单个基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测装置的螺栓部件结构图。
图3(b)是图3(a)的左视图。
图中：1-光纤光栅静态解调仪；2-监控计算机；3-网络服务器；4-煤矿局域网；5-客户端；6-矿用传输光缆；7-光纤终端盒；8-通讯光纤；9-采煤工作面；10-顶板应力监测装置；11-监测测站；12-采空区；13-空心螺栓；14-细钢丝绳；15-空心锚杆；16-光纤光栅传感器；17-光纤导出孔；19-螺栓的空心孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***，其特征在于：它包括布置在采煤工作面9两侧巷道顶板上的监测测站11，监测测站11之间相互串联直至采空区12，每个监测测站11包括三个顶板应力监测装置10，每个监测测站11内的顶板应力监测装置10之间通过通讯光纤8串联在一起，每个巷道尾端的监测测站11的引出端光纤尾纤通过通讯光纤与光纤终端盒7相连接，光纤终端盒7通过矿用传输光缆6与设置在地表的光纤光栅静态解调仪1相连接，光纤光栅静态解调仪1顺序连接有监控计算机2和网络服务器3，网络服务器3通过煤矿局域网4与多个客户端5相连接；
所述顶板应力监测装置10包括空心锚杆15，所述空心锚杆15长度为2000mm，空心锚杆15直径为25mm，空心锚杆15两端分别设有紧扣的空心螺栓13，所述的空心螺栓13的空心直径为6mm，螺杆直径为10mm，长40mm，螺栓的头部直径为25mm，长10mm，空心锚杆15中设有钢丝绳14，钢丝绳14通过锚杆两端的空心螺栓13拉伸后固定在空心锚杆15上，空心螺栓13的螺栓部分上设有两道对称的凹槽，空心螺栓13的头部上与凹槽对应出设有两个光纤导出孔17，空心螺栓13的凹槽内设有光纤光栅传感器16，光纤光栅传感器16尾端通过光纤引出孔17引出光纤，对称粘贴布置两个光纤光栅传感器16便于校正压力值；
每个光纤光栅传感器16通过通讯光纤8与光纤终端盒7相连接，光纤终端盒通7过矿用传输光缆6与井上的光纤光栅解调仪1相连接。
所述顶板应力监测装置10间隔布置，每50米在顶板上布置一个顶板应力监测装置10，每个顶板应力监测装置10上设有两个光纤光栅传感器17。
一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线检测方法，具体步骤如下：
a、安装顶板应力监测装置：将光纤光栅传感器16紧贴在空心螺栓13的凹槽上，并通过光纤引出孔17引出光纤，然后将两个空心螺栓13紧扣在空心锚杆15两端，将细钢丝绳14拉直贯穿整个空心锚杆15，完成该顶板应力监测装置；
b、在巷道内布置监测测站，在监测测站内的顶板间隔布置3个顶板应力监测装置10，顶板应力监测装置10的间隔距离为50米，通过光纤尾纤将顶板应力监测装置10中的的光纤光栅传感器16串联在一起，沿着巷道向前推进，监测测站11间隔距离为20米时布设下一个监测测站，直至完成设定的监测测站数目；
c、利用通讯光纤将光纤尾纤与光纤终端盒7相连接，并通过矿用传输光缆6连接到地面上的光纤光栅静态解调仪1上，光纤光栅静态解调仪1与监控计算机2相连接；
d、当某处巷道顶板下沉，顶板应力发生变化后，顶板应力监测装置10的锚杆杆体发生拉伸变形，因为顶板应力监测装置10中的细钢丝绳14通过两端的空心螺栓13已经在两端固定住，所以锚杆杆体的拉伸变形也使得其中的细钢丝绳14拉得更紧，从而使粘贴有光纤光栅传感器16的那一端的空心螺栓13造成压缩变形，然后粘贴在空心螺栓13上的光纤光栅传感器16会产生收缩变形的光波信号；
e、如果细钢丝绳14发生形变则不需要更换钢丝绳14，如果发生断裂则需要更换钢丝绳14或者更换一个新的顶板应力监测装置10，对巷道顶板竖直方向的任意位置发生离层或下沉变形的应力进行检测，通过检测到的数据与预存的危险临界数据比较，达到监测预警的效果。
e、将光纤光栅传感器16采集的光波信号通过光纤及光缆传输至光纤光栅静态解调仪7，通过光纤光栅静态解调仪7将光波信号解调为数字信号，然后传输至监控计算机2，通过安装在监控计算机的在线监测软件进行数据处理，通过检测到的数据与预存的危险临界数据比较，实时显示巷道顶板应力数据及变化趋势；
f、通过煤矿局域网和网络服务器，将监测的巷道顶板应力数据进行共享，实现对巷道顶板应力的在线实时远程监测。
实施例1：一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测设备，在区段巷内合理布设监测测站数量，监测测站11间隔布置3个巷道顶板应力在线监测设备10，间隔距离为50米，将光纤光栅传感器10的引出端的光纤尾纤与通讯光纤8连接，通过光纤终端盒7将通讯光纤与矿用传输光缆6连接，矿用传输光缆6与光纤光栅静态解调仪1的输入端连接，光纤光栅静态解调仪1的输出端与监控计算机2相连接，监控计算机2通过网络服务器3、煤矿局域网4与客户端5进行数据共享，形成煤矿巷道顶板应力全光纤通讯的在线监测***。
一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测方法：
a、将光纤光栅传感器紧贴在空心螺栓的小槽上，并通过光纤引出孔引出光纤，然后将两个螺栓紧扣在空心锚杆两端，用细钢丝绳拉直贯穿整个装置，并将钢丝绳两端固定住，即完成该顶板应力监测装置；
b、在巷道内先设一个监测测站，在监测测站内的顶板间隔布置3个顶板应力监测装置，间隔距离为50米，通过光纤尾纤将监测测站内的顶板应力监测装置上的光纤光栅传感器串联在一起，沿着巷道向前推进，间隔距离为20米时布设下一个监测测站，直至完成设定的监测测站数目；
c、两条通讯光纤布设至巷道的两端头，并与监测测站内光纤光栅传感器的引出端光纤尾纤连接；
d、所有的光纤光栅顶板应力传感器安装好，即进入工作状态，监测巷道顶板应力变化；
e、将光纤光栅温度传感器采集的光波信号通过光纤及光缆传输至光纤光栅静态解调仪，通过光纤光栅静态解调仪将光波信号解调为数字信号，然后传输至监控计算机，通过安装在监控计算机的分析处理软件进行数据处理，实时显示巷道顶板应力数据及变化趋势；
f、通过煤矿局域网和网络服务器，将监测的巷道顶板应力数据进行共享，实现对巷道顶板应力的在线实时远程监测。
Claims (4)
1.一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***的检测方法，使用的监测***包括布置在采煤工作面（9）两侧巷道顶板上的监测测站（11），监测测站（11）之间相互串联直至采空区（12），每个监测测站（11）包括三个顶板应力监测装置（10），每个监测测站（11）内的顶板应力监测装置（10）之间通过通讯光纤（8）串联在一起，每个巷道尾端的监测测站（11）的引出端光纤尾纤通过通讯光纤与光纤终端盒（7）相连接，光纤终端盒（7）通过矿用传输光缆（6）与设置在地表的光纤光栅静态解调仪（1）相连接，光纤光栅静态解调仪（1）顺序连接有监控计算机（2）和网络服务器（3），网络服务器（3）通过煤矿局域网（4）与多个客户端（5）相连接；
所述顶板应力监测装置（10）包括空心锚杆（15），空心锚杆（15）两端分别设有紧扣的空心螺栓（13），空心锚杆（15）中设有细钢丝绳（14），细钢丝绳（14）通过空心锚杆（15）两端的空心螺栓（13）拉伸后固定在空心锚杆（15）上，空心螺栓（13）的螺栓部分上设有两道对称的凹槽，空心螺栓（13）的头部上与凹槽对应处设有两个光纤导出孔（17），空心螺栓（13）的凹槽内设有光纤光栅传感器（16），光纤光栅传感器（16）尾端通过光纤导出孔（17）引出光纤，对称粘贴布置两个光纤光栅传感器（16）便于校正压力值；每个光纤光栅传感器（16）通过通讯光纤（8）与光纤终端盒（7）相连接，光纤终端盒（7）通过矿用传输光缆（6）与井上的光纤光栅静态解调仪（1）相连接；
具体步骤如下：
a、安装顶板应力监测装置，将光纤光栅传感器（16）紧贴在空心螺栓（13）的凹槽上，并通过光纤导出孔（17）引出光纤，然后将两个空心螺栓（13）紧扣在空心锚杆（15）两端，将细钢丝绳（14）拉直贯穿整个空心锚杆（15），完成该顶板应力监测装置；
b、在巷道内布置监测测站，在监测测站内的顶板间隔布置3个顶板应力监测装置（10），顶板应力监测装置（10）的间隔距离为50米，通过光纤尾纤将顶板应力监测装置（10）中的光纤光栅传感器（16）串联在一起，沿着巷道向前推进，监测测站（11）间隔距离为20米时布设下一个监测测站，直至完成设定的监测测站数目；
c、利用通讯光纤将光纤尾纤与光纤终端盒（7）相连接，并通过矿用传输光缆（6）连接到地面上的光纤光栅静态解调仪（1）上，光纤光栅静态解调仪（1）与监控计算机（2）相连接；
d、当某处巷道顶板下沉，顶板应力发生变化后，顶板应力监测装置（10）的空心锚杆（15）杆体发生拉伸变形，因为顶板应力监测装置（10）中的细钢丝绳（14）通过两端的空心螺栓（13）已经在两端固定住，所以空心锚杆（15）杆体的拉伸变形也使得其中的细钢丝绳（14）拉得更紧，从而使粘贴有光纤光栅传感器（16）的那一端的空心螺栓（13）造成压缩变形，然后粘贴在空心螺栓（13）上的光纤光栅传感器（16）会产生收缩变形的光波信号；
e、如果细钢丝绳（14）发生形变则不需要更换细钢丝绳（14），如果发生断裂则需要更换细钢丝绳（14）或者更换一个新的顶板应力监测装置（10），对巷道顶板竖直方向的任意位置发生离层或下沉变形的应力进行检测，通过检测到的数据与预存的危险临界数据比较，达到监测预警的效果；
f、将光纤光栅传感器（16）采集的光波信号通过光纤及光缆传输至光纤光栅静态解调仪（1），通过光纤光栅静态解调仪（1）将光波信号解调为数字信号，然后传输至监控计算机（2），通过安装在监控计算机的在线监测软件进行数据处理，通过检测到的数据与预存的危险临界数据比较，实时显示巷道顶板应力数据及变化趋势；
g、通过煤矿局域网和网络服务器，将监测的巷道顶板应力数据进行共享，实现对巷道顶板应力的在线实时远程监测。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***的检测方法，其特征在于：所述空心锚杆（15）长度为2000mm，直径为25mm。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***的检测方法，其特征在于：所述的空心螺栓（13）的内孔直径为6mm、外表直径为10mm、长为40mm，空心螺栓的头部直径为25mm、长为10mm。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力在线监测***的检测方法，其特征在于：所述顶板应力监测装置（10）间隔布置，每50米在顶板上布置一个顶板应力监测装置（10），每个顶板应力监测装置（10）上设有两个光纤光栅传感器（16）。
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