一種礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法
【專利摘要】一種礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，裝置包括垂直測筒、封裝殼體，封裝殼體內(nèi)對稱設(shè)有定滑輪、鋼帶輪、等強度懸臂梁，由鋼絲繩穿過剛帶輪和定滑輪從垂直測筒頂部的鋼絲繩引出孔穿出，鋼絲繩的端頭連接有錨固頭，通過在鉆孔內(nèi)部布置淺部測點和深部測點，將錨固頭推至鉆孔內(nèi)的測點，當(dāng)鋼絲繩受力變化時，通過A光纖光柵和B光纖光柵的波長值顯示，利用波長解調(diào)裝置將波長值解調(diào)為數(shù)字信號，送至計算機實時處理，結(jié)合離層數(shù)值繪制離層量變化曲線和設(shè)定的離層界限值，判斷是否有離層，實時監(jiān)測頂板離層的數(shù)據(jù)變化。利用差動式進行溫度補償，實現(xiàn)頂板離層的在線測量，可靠性高，精確度高，能夠發(fā)出預(yù)警信號，可避免冒頂事故的發(fā)生。
【專利說明】一種礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，尤其是一種適用于煤礦巷道及采掘工作面的頂板坍塌的測量和預(yù)警的礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著我國煤礦開采技術(shù)的不斷提高，我國煤礦行業(yè)得到更好更快的發(fā)展，但是隨著煤礦開采深度的不斷加深，煤礦的礦山壓力顯現(xiàn)更加明顯，造成的災(zāi)害越來越嚴(yán)重。頂板離層是巷道圍巖變形和破壞的主要形式之一，對于錨桿支護巷道來說，頂板離層則是最大的安全隱患；巷道頂板的離層位移數(shù)據(jù)需要隨時進行監(jiān)測，以便了解錨桿的支護參數(shù)設(shè)定的合理性、頂板的穩(wěn)定性和巷道頂板上覆巖層裂隙位置的發(fā)育等情況。當(dāng)頂板離層超過一定范圍，如果不及時采取支護措施，便會發(fā)生冒頂?shù)葠盒皂敯迨鹿省?br> [0003]目前，我國煤礦井下常用的頂板離層監(jiān)測裝置多為機械式巷道頂板離層指示儀和借助電器元件以聲光方式報警的巷道頂板離層指示儀，雖然這些手段對預(yù)防頂板冒落起到積極作用，但是上述監(jiān)測手段仍具有以下缺點:均采用人工定時觀察測量頂板離層狀況，在井下讀數(shù)不便，讀數(shù)人為誤差較大，精度不高，不能實現(xiàn)頂板離層的自動連續(xù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，同時不能很好的對頂板離層數(shù)據(jù)進行預(yù)警，對巷道和采掘工程安全的可靠性帶來很大的影響。因此，為了及時科學(xué)準(zhǔn)確地進行錨桿支護巷道頂板離層的實時在線監(jiān)測及預(yù)警，并及時有效的采取相應(yīng)措施，對阻止頂板失穩(wěn)及頂板離層自動監(jiān)測，避免突發(fā)性破壞的發(fā)生具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種監(jiān)測效果好、測量精度高、能夠及時預(yù)警和報警、可靠性好、實時監(jiān)測的礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明的礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置，包括設(shè)在頂板鉆孔內(nèi)的垂直測筒、連接在垂直測筒下的封裝殼體，所述的封裝殼體上部對稱設(shè)有定滑輪固定架、鋼帶輪固定架，下部對稱設(shè)有等強度懸臂梁，封裝殼體的左右兩側(cè)對稱開有光纖導(dǎo)出孔，所述的滑輪固定架上設(shè)有定滑輪，所述的鋼帶輪固定架上設(shè)有鋼帶輪，所述對稱設(shè)置的等強度懸臂梁相對一端分別設(shè)有拉力彈簧，兩根拉力彈簧另一端連接有鋼絲繩，鋼絲繩穿過剛帶輪和定滑輪從垂直測筒頂部的鋼絲繩引出孔穿出，穿出鋼絲繩引出孔的鋼絲繩的端頭連接有錨固頭，錨固頭上至少設(shè)有兩個錨固爪；所述的等強度懸臂梁左右兩側(cè)對稱設(shè)有A光纖光柵和B光纖光柵，A光纖光柵與B光纖光柵經(jīng)同一條光纖從光纖導(dǎo)出孔穿出與光纖接線頭連接，光纖導(dǎo)出孔內(nèi)注有封住光纖導(dǎo)出孔的密封膠，從光纖導(dǎo)出孔引出的光纖鎧裝有膠皮保護層。
[0006]所述的垂直測筒的直徑為30-35mm，長度為250_350mm。
[0007]所述的錨固頭上安設(shè)的錨固爪為2-4個。[0008]所述的A光纖光柵與B光纖光柵的形狀大小相同，波長互不相同。
[0009]所述的鋼絲繩的最大長度為7m。
[0010]所述的定滑輪為帶U型槽的塑料軸承滑輪。
[0011]一種使用上述裝置的礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測方法:
[0012]a、在錨桿支護巷道中，向頂板支護的錨桿附近鉆孔至預(yù)定的深度；
[0013]b、在鉆孔內(nèi)部布置一個淺部測點和一個深部測點，其中淺部測點設(shè)置在與頂板錨桿上端處于同一高度，深部測點設(shè)置在鉆孔上端的穩(wěn)定巖層內(nèi)；
[0014]C、用安裝桿將一個錨固頭推至鉆孔上端的深部測點，將另一個錨固頭推至淺部測點，此時盤繞在剛帶輪上的鋼絲繩將會被拉開，輕拉封裝殼體，確保錨固頭上的錨固爪與巖層已經(jīng)錨固在一起；
[0015]d、封裝殼體外部光纖的光纖接線頭連接至光纖接線盒；
[0016]e、鋼絲繩受力變化通過A光纖光柵和B光纖光柵的波長值顯示，利用波長解調(diào)裝置將波長值解調(diào)為數(shù)字信號，送至計算機實時的直觀顯示頂板離層的數(shù)值，結(jié)合離層數(shù)值繪制離層量變化曲線和設(shè)定的離層界限值，判斷是否有明顯的離層，實時監(jiān)測頂板離層的數(shù)據(jù)變化:
[0017](I)當(dāng)深部測點的數(shù)據(jù)不變，淺部測點的數(shù)據(jù)不變，深部測點的數(shù)據(jù)與淺部測點的數(shù)據(jù)差值也不變時，可判斷頂板沒有發(fā)生離層或者頂板離層位置在深部測點之上，此時應(yīng)增大深部測點的深度，監(jiān)測深部測點或者淺部測點的數(shù)據(jù)是否有變化，進一步判斷頂板離層情況；
[0018](2)當(dāng)深部測點的數(shù)據(jù)逐漸增大，淺部測點的數(shù)據(jù)不變，深部測點的數(shù)據(jù)和淺部測點的數(shù)據(jù)差值逐漸增大時，可判斷頂板離層位置在深部測點與淺部測點之間；
[0019](3)當(dāng)深部測點的數(shù)據(jù)逐漸增大，淺部測點的數(shù)據(jù)逐漸增大，深部測點的數(shù)據(jù)和淺部測點的數(shù)據(jù)增幅相同時，可判斷頂板離層位置在淺部測點之下。
[0020]有益效果:本發(fā)明利用差動式進行溫度補償，實現(xiàn)頂板離層的在線測量，可避免冒頂事故的發(fā)生，對錨桿支護巷道的安全施工及穩(wěn)定性具有重要意義。與已有技術(shù)相比，監(jiān)測效果好、測量精度高，能夠?qū)﹄x層數(shù)據(jù)及時預(yù)警和報警，可靠性好，可自動監(jiān)測，實時在線連續(xù)監(jiān)測，主要優(yōu)點有:
[0021]1、由于采用剛帶輪結(jié)構(gòu)，鋼絲繩纏繞在剛帶輪上，不論離層位移量多大，只要鋼絲繩的長度足夠，同樣可以精確的測量離層的數(shù)值；
[0022]2、由于采用的光纖光柵具有極其靈敏的傳感特性，當(dāng)離層位移量發(fā)生很小的變化時，都可以測量出來，同時能夠準(zhǔn)確方便的發(fā)出報警及預(yù)警信號；
[0023]3、光纖光柵可實現(xiàn)井下現(xiàn)場直接采集數(shù)據(jù)，方便靈活，抗電磁干擾能力強；同時，利用光纖進行信號傳輸，傳輸距離遠，可靠性高，測量范圍大；
[0024]4、實現(xiàn)了頂板離層的在線測量，頂板離層量通過鋼絲繩以及拉力彈簧將離層位移值轉(zhuǎn)換為等強度懸臂梁的自由端的撓度變化，從而導(dǎo)致粘貼在等強度懸臂梁左右兩側(cè)的光纖光柵的中心波長的變化，通過測得光纖光柵波長變化就可以計算出頂板離層的大小；
[0025]5、等強度懸臂梁左右兩側(cè)的光纖光柵利用差動式溫度補償?shù)姆椒?，實現(xiàn)了溫度補償，解決應(yīng)變與溫度的交叉敏感的影響，消除了溫度對光纖光柵應(yīng)變的影響，提高了測量的精確度?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的右視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明的等強度懸臂梁上光纖光柵粘貼位置示意圖；
[0030]圖5為圖4的右視圖；
[0031]圖6為本發(fā)明的安裝布置示意圖；
[0032]圖7為本發(fā)明裝置監(jiān)測離層的原理圖。
[0033]圖中:1 一垂直測筒；2 —鋼絲繩引出孔；3 —鋼絲繩；4 一錨固爪；5 —錨固頭；6 一定滑輪固定架；7 —鋼帶輪固定架；8 — A光纖光柵；9 一 B光纖光柵；10 —光纖導(dǎo)出孔；11 一密封膠；12 —光纖；13 —鎧裝膠皮保護層；14 一光纖接線頭；15 —等強度懸臂梁；16 —拉力彈簧；17 —鋼帶輪；18 —定滑輪；19 —封裝殼體；20 —巷道；21 —錨桿；22 —鉆孔；23 —光纖接線盒，24-淺部測點，25-深部測點。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的描述:
[0035]如圖所示，本發(fā)明的礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置，它包括設(shè)在頂板鉆孔內(nèi)的垂直測筒1、垂直測筒I的直徑為30-35mm，長度為250-350mm，封裝殼體19連接在垂直測筒I下端，在封裝殼體19上部對稱設(shè)有定滑輪固定架6、鋼帶輪固定架7，下部對稱設(shè)有等強度懸臂梁15，封裝殼體19的左右兩側(cè)對稱開有光纖導(dǎo)出孔10，滑輪固定架6上設(shè)有定滑輪18，鋼帶輪固定架7上設(shè)有鋼帶輪17，對稱設(shè)置的等強度懸臂梁15相對一端分別設(shè)有拉力彈簧16，兩根拉力彈簧16另一端連接有鋼絲繩3，鋼絲繩3穿過剛帶輪17和定滑輪18從垂直測筒I頂部的鋼絲繩引出孔2穿出，穿出鋼絲繩引出孔2的鋼絲繩3的端頭連接有錨固頭5，錨固頭5上至少設(shè)有兩個錨固爪4 ;所述的等強度懸臂梁15左右兩側(cè)對稱設(shè)有A光纖光柵8和B光纖光柵9, A光纖光柵8與B光纖光柵9的形狀大小相同,上下左右對齊，波長互不相同，A光纖光柵8與B光纖光柵9經(jīng)同一條光纖12從光纖導(dǎo)出孔10穿出與光纖接線頭14連接，光纖導(dǎo)出孔10內(nèi)注有封住光纖導(dǎo)出孔10的密封膠11，從光纖導(dǎo)出孔10引出的光纖12鎧裝有膠皮保護層13。
[0036]使用上述裝置的礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測的方法:
[0037]a、在錨桿支護巷道中，向頂板支護的錨桿附近鉆孔至預(yù)定的深度；
[0038]b、在鉆孔內(nèi)部布置一個淺部測點24和一個深部測點25，其中淺部測點24設(shè)置在與頂板錨桿21上端處于同一高度，深部測點25設(shè)置在鉆孔22上端的穩(wěn)定巖層內(nèi)；
[0039]C、用安裝桿將一個錨固頭推至鉆孔上端的深部測點25，將另一個錨固頭推至淺部測點24，此時盤繞在剛帶輪上的鋼絲繩將會被拉開，輕拉封裝殼體19，確保錨固頭5上的錨固爪4與巖層已經(jīng)錨固在一起；
[0040]d、封裝殼體19外部光纖12的光纖接線頭14連接至光纖接線盒23 ；
[0041]e、鋼絲繩3受力變化通過A光纖光柵8和B光纖光柵9的波長值顯示，利用波長解調(diào)裝置將波長值解調(diào)為數(shù)字信號，送至計算機實時的直觀顯示頂板離層的數(shù)值，結(jié)合離層數(shù)值繪制離層量變化曲線和設(shè)定的離層界限值，判斷是否有明顯的離層，實時監(jiān)測頂板離層的數(shù)據(jù)變化:
[0042](1)當(dāng)深部測點25的數(shù)據(jù)不變，淺部測點24的數(shù)據(jù)不變，深部測點25的數(shù)據(jù)與淺部測點24的數(shù)據(jù)差值也不變時，可判斷頂板沒有發(fā)生離層或者頂板離層位置在深部測點25之上，此時應(yīng)增大深部測點25的深度，監(jiān)測深部測點25或者淺部測點24的數(shù)據(jù)是否有變化，進一步判斷頂板離層情況；
[0043](2)當(dāng)深部測點25的數(shù)據(jù)逐漸增大，淺部測點24的數(shù)據(jù)不變，深部測點25的數(shù)據(jù)和淺部測點24的數(shù)據(jù)差值逐漸增大時，可判斷頂板離層位置在深部測點25與淺部測點24之間；
[0044](3)當(dāng)深部測點25的數(shù)據(jù)逐漸增大，淺部測點24的數(shù)據(jù)逐漸增大，深部測點25的數(shù)據(jù)和淺部測點24的數(shù)據(jù)增幅相同時，可判斷頂板離層位置在淺部測點24之下。
[0045]工作原理:當(dāng)頂板出現(xiàn)離層時，錨固頭與頂板巖層同步移動，與盤繞在剛帶輪上的鋼絲繩將被拉出，使得與錨固頭連接的鋼絲繩將會拉緊，進而拉伸拉力彈簧，使拉力彈簧處于拉伸狀態(tài)，進一步拉力彈簧將等強度懸臂梁的自由端拉伸彎曲，使粘貼在等強度懸臂梁上的光纖光柵發(fā)生應(yīng)變，使得光纖光柵的中心波長產(chǎn)生漂移，利用光纖解調(diào)裝置將波長信號解調(diào)為數(shù)字信號，傳至計算機，可實時動態(tài)顯示頂板離層的數(shù)據(jù)變化。本發(fā)明采用的光纖光柵具有極其靈敏的傳感特性，利用差動式溫度補償?shù)姆椒?，消除了溫度對光纖光柵應(yīng)變的影響，可以精確的測量離層位移量的數(shù)值。實現(xiàn)了頂板離層的在線測量，井下現(xiàn)場直接采集數(shù)據(jù)，方便靈活，抗電磁干擾能力強；同時，利用光纖進行信號傳輸，傳輸距離遠，可靠性高，測量范圍大，同時能夠準(zhǔn)確方便的發(fā)出報警及預(yù)警信號，及早發(fā)現(xiàn)頂板失穩(wěn)的征兆，以避免冒頂事故的發(fā)生，監(jiān)測的數(shù)據(jù)可作為修改、完善錨桿支護初始設(shè)計數(shù)據(jù)的依據(jù)，對錨桿支護巷道的安全施工及穩(wěn)定性具有重要意義。
[0046]本發(fā)明為了解決光纖光柵在進行應(yīng)變測量時，由于溫度變化引起的應(yīng)變、溫度交叉敏感問題，采用了差動式溫度補償方法。等強度懸臂梁的左右兩側(cè)的光纖光柵為形狀大小相同，上下左右對齊的不同中心波長的光纖光柵，且處于相同的工作環(huán)境中。因此，溫度變化會引起兩個光纖光柵的中心波長同步漂移變化，而應(yīng)力引起的兩個光纖光柵的中心波長變化是大小相同方向相反的，等強度懸臂梁左側(cè)面的A光纖光柵的中心波長為Xa，右側(cè)面的B光纖光柵的中心波長為Xb，它們均是溫度和應(yīng)力共同影響的，即入A=入應(yīng)力+入溫度，入B=入溫度-入應(yīng)力，將左右兩個光纖光柵的中心波長入A、入B相減，即入A-入B = 2入應(yīng)力，從而消除溫度對光纖光柵的影響，解決應(yīng)變與溫度交叉敏感的問題，提高測量的精確度與靈敏度。
【權(quán)利要求】
1.一種礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置，其特征在于:它包括設(shè)在頂板鉆孔內(nèi)的垂直測筒(I)、連接在垂直測筒(I)下的封裝殼體(19)，所述的封裝殼體(19)上部對稱設(shè)有定滑輪固定架(6)、鋼帶輪固定架(7)，下部對稱設(shè)有等強度懸臂梁(15)，封裝殼體(19)的左右兩側(cè)對稱開有光纖導(dǎo)出孔(10)，所述的滑輪固定架(6)上設(shè)有定滑輪(18)，所述的鋼帶輪固定架(7)上設(shè)有鋼帶輪(17)，所述對稱設(shè)置的等強度懸臂梁(15)相對一端分別設(shè)有拉力彈簧(16)，兩根拉力彈簧(16)另一端連接有鋼絲繩(3)，鋼絲繩(3)穿過剛帶輪(17)和定滑輪(18)從垂直測筒(I)頂部的鋼絲繩引出孔(2)穿出，穿出鋼絲繩引出孔(2)的鋼絲繩 (3)的端頭連接有錨固頭(5)，錨固頭(5)上至少設(shè)有兩個錨固爪(4);所述的等強度懸臂梁(15)左右兩側(cè)對稱設(shè)有A光纖光柵(8)和B光纖光柵(9), A光纖光柵(8)與B光纖光柵(9)經(jīng)同一條光纖(12)從光纖導(dǎo)出孔(10)穿出與光纖接線頭(14)連接，光纖導(dǎo)出孔(10)內(nèi)注有封住光纖導(dǎo)出孔(10)的密封膠(11)，從光纖導(dǎo)出孔(10)引出的光纖(12)鎧裝有膠皮保護層(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的垂直測筒(I)的直徑為30-35mm，長度為250_350mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的錨固頭(5)上安設(shè)的錨固爪(4)為2-4個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的A光纖光柵(8)與B光纖光柵(9)的形狀大小相同,波長互不相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的鋼絲繩(3)的最大長度為7m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的定滑輪(18)為帶U型槽的塑料軸承滑輪。
7.一種使用權(quán)利要求1所述裝置的礦用光纖光柵頂板離層監(jiān)測方法，其特征在于: a、在錨桿支護巷道中，向頂板支護的錨桿附近鉆孔至預(yù)定的深度； b、在鉆孔內(nèi)部布置一個淺部測點(24)和一個深部測點(25)，其中淺部測點(24)設(shè)置在與頂板錨桿(21)上端處于同一高度，深部測點(25)設(shè)置在鉆孔(22)上端的穩(wěn)定巖層內(nèi)； C、用安裝桿將一個錨固頭推至鉆孔上端的深部測點(25)，將另一個錨固頭推至淺部測點(24)，此時盤繞在剛帶輪上的鋼絲繩將會被拉開，輕拉封裝殼體(19)，確保錨固頭(5)上的錨固爪(4)與巖層已經(jīng)錨固在一起； d、將封裝殼體(19)外部光纖(12)的光纖接線頭(14)連接至光纖接線盒(23)； e、鋼絲繩(3)在頂板離層中的受力變化通過A光纖光柵(8)和B光纖光柵(9)的波長顯示，利用波長解調(diào)裝置將波長值解調(diào)為數(shù)字信號，送至計算機實時顯示頂板離層的位移量，根據(jù)離層位移量繪制變化曲線和設(shè)定的離層界限值，判斷是否有離層，實時監(jiān)測頂板離層的數(shù)據(jù)變化: (1)當(dāng)深部測點(25)的數(shù)據(jù)不變，淺部測點(24)的數(shù)據(jù)不變，深部測點(25)的數(shù)據(jù)與淺部測點(24)的數(shù)據(jù)差值也不變時，可判斷頂板沒有發(fā)生離層或者頂板離層位置在深部測點(25)之上，此時應(yīng)增大深部測點(25)的深度，監(jiān)測深部測點(25)或者淺部測點(24)的數(shù)據(jù)是否有變化，進一步判斷頂板離層情況； (2)當(dāng)深部測點(25)的數(shù)據(jù)逐漸增大，淺部測點(24)的數(shù)據(jù)不變，深部測點(25)的數(shù)據(jù)和淺部測點(24)的數(shù)據(jù)差值逐漸增大時，可判斷頂板離層位置在深部測點(25)與淺部測點(24)之間； (3)當(dāng)深部測點(25)的數(shù)據(jù)逐漸增大，淺部測點(24)的數(shù)據(jù)逐漸增大，深部測點(25)的數(shù)據(jù)和淺部測點(24)的數(shù)據(jù)增幅相`同時，可判斷頂板離層位置在淺部測點(24)之下。
【文檔編號】G01B11/02GK103528530SQ201310511355
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】方新秋, 梁敏富, 吳剛, 劉曉寧, 劉宗柱, 樊海亮, 劉興國 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)