[發明專利]一種基于光纖光柵測量的一孔多點式應力與位移監測系統

有效

• 申請號: 201911041248.1
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110763380B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 張寧博;趙善坤;鄧志剛;王建達;秦凱;李宏艷;呂坤;李海濤;孔令海;董怡靜
• 申請（專利權）人: 煤炭科學技術研究院有限公司
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01B11/02
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅嵐

本發明提供了一種基于光纖光柵測量的一孔多點式應力與位移監測系統，涉及巷道監測預警技術領域，包括應力計、位移計、數據解調儀、數據采集分析系統和光纜，其中應力計包括承壓包體、剛性連接桿、安裝插頭、油管、壓力光柵傳感器和尾纖；位移計包括錨爪、鋼絲繩、保護套管、保護罩和尾纖，保護罩內設置有位移光柵傳感器；數據解調儀包括光柵調節模塊、光電轉化模塊和光柵傳感器接口；數據采集分析系統包括數據采集模塊和數據分析模塊；通過在煤體中鉆孔安裝一孔多點式光纖光柵應力計和位移計，該系統可根據光柵中心波長數據的變化，實時監測巷道兩幫的采動應力和內部位移，基于應力和位移數據分析，實現巷道沖擊地壓危險的實時預警。

技術領域

本發明涉及巷道監測預警技術領域，尤其是一種基于光纖光柵測量的一孔多點式應力與位移監測系統。

背景技術

沖擊地壓是是深埋地下工程在施工過程中的動力破壞現象，當巖體中聚積的高彈性應變能大于巖石破壞所消耗的能量時，破壞了巖體結構的平衡，多余的能量導致巖石爆裂，使巖石碎片從巖體中剝離、崩出。巷道掘進過程中發生的沖擊地壓現象稱為掘進巷道沖擊地壓。近年來，隨著礦井采深地逐年增加，受高水平集中靜載荷和大能量動載荷的影響，掘進巷道沖擊危險顯著增大，對礦井安全生產構成嚴重威脅。巷道內發生沖擊地壓危險極易造成人員損傷和設備損壞，對巷道內沖擊地壓危險的監測和預警也處于發展階段。

巷道圍巖應力和位移是反映其沖擊危險狀態的最直接參量，但目前礦井下應用的應力與位移監測設備，仍存在如下問題：(1)應力計為一孔單點式，無法實現一孔多點分布式測量；(2)應力計多采用液壓電磁式監測，位移計多采用機械壓電式監測，抗干擾性差，靈敏度低。正是由于上述問題存在，使得掘進巷道沖擊地壓事故頻發，沖擊地壓災害預警難以真正實現。

為此，針對應力與位移監測裝備的現有問題，需要一種基于光纖光柵測量技術的煤礦用一孔多點式應力與位移監測系統，該監測系統不僅能夠實現應力、位移參量的一孔多點分布式實時監測，還能夠基于數據分析對巷道沖擊危險性進行實時預警，對于提高我國煤礦沖擊地壓預測預警技術，保障煤礦安全開采具有重要的意義。

發明內容

為了實時獲得監測巷道側向煤體內部不同深度的應力、位移參量數據，并將變化數據傳輸至地面數據中心進行分析，準確評估監測區域沖擊危險性，本發明提供一種基于光纖光柵測量的一孔多點式應力與位移監測系統，具體技術方案如下。

一種基于光纖光柵測量的一孔多點式應力與位移監測系統，包括應力計、位移計、數據解調儀、數據采集分析系統和光纜，所述應力計包括承壓包體、剛性連接桿、安裝插頭、油管、壓力光柵傳感器和尾纖；所述位移計包括錨爪、鋼絲繩、保護套管、保護罩和尾纖，所述保護罩內設置有位移光柵傳感器；所述數據解調儀包括光柵調節模塊、光電轉化模塊和光柵傳感器接口；所述數據采集分析系統包括數據采集模塊和數據分析模塊；所述應力計和位移計安裝在巷道的幫部煤體鉆孔中，通過所述光纜連接數據解調儀與應力計、位移計，所述數據解調儀將光譜信息轉換成波長信息，數據解調儀通過光纖環網將數據傳輸至數據采集分析系統，所述數據采集分析系統對監測的應力和位移數據進行分析處理。

優選的是，數據解調儀固定設置在掘進巷道內，所述數據采集分析系統設置在地面數據中心，地面數據中心顯示應力和位移監測數據并進行預警。

優選的是，應力計具體是一孔多點式光纖光柵應力計，具有2個及以上的承壓包體，每個承壓包體獨立連接有油管，油管和壓力光柵傳感器相連，承壓包體之間通過剛性連接桿連接，所述光纖光柵傳感器和尾纖相連。

優選的是，位移計具體是一孔多點式光纖光柵位移計，具有3個及以上的錨爪，每個錨爪連接有一根鋼絲繩，鋼絲繩外側套設有保護管，鋼絲繩和保護罩內的位移光柵傳感器相連，所述位移光柵傳感器和尾纖相連。

還優選的是，一孔多點式光纖光柵應力計將應力信息轉換為光譜信息，通過尾纖進行傳輸；所述一孔多點式光纖光柵位移計將位移信息轉換成光譜信息，通過尾纖進行傳輸。