[发明专利]以新型锚杆为传感媒介的光纤光栅传感矿山安全监测技术

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种现代矿山安全监测技术，具体地说是把光纤光栅传感技术应用于矿山安全监测。

背景技术

矿山行业是其他工业行业发展的基础，因此，矿山生产对社会进步和国民经济的发挥着相当重要的作用。国内外主要的安全监测或预警的技术途径和方法发现各种方法对具有某一专门用途的仪器或设备依赖性很强，基本上属于传统的安全监测技术手段。一般存在这样的不足：监测的效率不高，仅适用于局部小范围安全监测；数据传输的可靠性和抗干扰性不强，特别是在地下矿山这样一个自然条件极其恶劣(极度潮湿、粉尘浓度大和动力电源不稳等)和工况复杂(爆破、开采作业和车辆行驶等多种因素引起的环境振动交互影响)的环境下；监测系统的自动化集成度不高，无法满足连续性和远距离监测的要求。为此，急需一种精度高、误差小、成本低、耐久性高、寿命长，能进行远程监测长期监测的监测技术来弥补这些缺陷，提高矿山的安全性，保障矿山的安全生产。

发明内容

为了克服传统监测技术手段的不足，本发明是以可回收式锚杆为传感媒介，将锚杆打入岩石当中，用封装于锚杆内的传感器监测岩石的应变情况及爆破振动数据，通过对数据进行分析，对矿山进行安全监测的技术。本发明解决了传统监测技术抗干扰能力差、误差大、效率低、自动化集成度低、无法进行远程监测的问题。

本发明用光纤作为媒介，自动化集成度高；以光信号作为载体，能抗电磁干扰、防雷击，所以具有很好的抗干扰能力；光纤纤芯的材料为二氧化硅，因此光纤传感器耐腐蚀、使用寿命长、耐久性高，所以能对矿山进行长期监测；光纤传输距离远、精度高，所以可以对矿上进行远程监测且误差小。另外，本发明以可回收式锚杆作为传感媒介，因此成本低。

本发明把光纤光栅传感器封装于锚杆中，有效地保护了光纤光栅传感器，但是传感器没有与岩石直接接触，因此监测精度及监测效果成了关键。通过室内静态实验研究，表明：岩石发生应变时，镶入岩石内部的传感媒介能相应的发生相差不大的应变，并且在裂缝开展过程中能很好的表达岩石应变值。再通过粘贴于传感媒介上的应变片传导至监测仪器从而进行直观的表现。室内静态试验的结果有效的支持了光纤静态现场试验，基于室内静态实验的结果，在现场光纤静态试验中，作为传感媒介的锚杆打入所要监测岩石后，在一定时间内通过监测传感媒介锚杆的应变值，监测一定范围内岩石的应变值，从而达到对监测范围内岩石的变形情况进行长期的监测最终达到对监测区域内的冒顶片帮事故进行安全监测。

本发明的优点在于：(1)可进行远程监测；(2)精度高；(3)抗干扰能力强；(4)可进行长期监测；(5)成本低；(6)自动化集成度高；(7)便于布设安装，操作简单。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：

图1是锚杆加工示意图，其中1是杆身；2是凹槽，3是托板，以保护光纤光栅传感器不受外力损伤；4是锚杆螺纹；5是锚杆的锚头；

图2，图3是托板的详图，中间空不用做成丝扣，直接打孔即可；

图4是锚杆施工形式图；

图5是岩块和铝杆的应力应变图，其中横坐标为拉力，纵坐标为微应变，方点连接的是铝杆的应力应变曲线，圆点连接是岩块的应力应变曲线。

具体实施方式

通过室内静态试验，得出最后岩块与岩块与铝杆的应力一应变图5，表明本发明的监测精度满足要求。对矿山进行动态安全监测首先要布置传感器的位置，布置位置时应遵循以下原则：有效性原则、多层次监测原则、以地质条件为基础的原则、优先重点监测关键点的原则、无干扰或少干扰原则、经济合理的原则。其次，对传感媒介锚杆进行加工，由于现场环境的复杂性，传感器不可能直接布置于锚杆的外部，需要对传感器进行一定的封装保护，所以必须对锚杆进行一定的加工以满足要求。锚杆沿轴线方向铣一个适当尺寸的凹槽，用于布置光栅传感器，布置在锚杆尾部；由于光纤传感弯折的角度要求以及考虑到锚杆打入时的机械运作情况，在距离锚杆末端一定距离处焊接一个圆环以保护光纤光栅传感器不受外力损伤。另外，考虑到时间问题，最好在进行试验前就预先打好试验要求的孔洞，以节约时间，提高效率。锚杆结构图如图1所示。锚杆加工完毕后即进行光栅的封装。光栅布置于锚杆的凹槽内用以监测锚杆应变。用环氧树脂类胶水将光栅粘贴在已加工的锚杆的凹槽内，尽量使其能够均匀，不产生局部应力，保证光栅的监测初始值。在粘贴完光栅后，将加工好的锚杆放置一段时间，待胶水稳定后测量光栅的封装情况，并与光栅的出厂值比较。然后再把锚杆打入监测点所在位置。在确保安全的情况下，爆破前将监测仪器安装在指定的位置。连接上监测仪器，并且在现场进行初步的调试，一切正常后，撤离现场。爆破后，随工作人员下矿将仪器设备拆卸搬运至安全处，立即对测试数据进行分析处理。