[发明专利]一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统

说明书

本发明提供了一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统，涉及巷道监测预警技术领域，包括应力计、位移计、数据解调仪、数据采集分析系统和光缆，其中应力计包括承压包体、刚性连接杆、安装插头、油管、压力光栅传感器和尾纤；位移计包括锚爪、钢丝绳、保护套管、保护罩和尾纤，保护罩内设置有位移光栅传感器；数据解调仪包括光栅调节模块、光电转化模块和光栅传感器接口；数据采集分析系统包括数据采集模块和数据分析模块；通过在煤体中钻孔安装一孔多点式光纤光栅应力计和位移计，该系统可根据光栅中心波长数据的变化，实时监测巷道两帮的采动应力和内部位移，基于应力和位移数据分析，实现巷道冲击地压危险的实时预警。

技术领域

本发明涉及巷道监测预警技术领域，尤其是一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统。

背景技术

冲击地压是是深埋地下工程在施工过程中的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。巷道掘进过程中发生的冲击地压现象称为掘进巷道冲击地压。近年来，随着矿井采深地逐年增加，受高水平集中静载荷和大能量动载荷的影响，掘进巷道冲击危险显著增大，对矿井安全生产构成严重威胁。巷道内发生冲击地压危险极易造成人员损伤和设备损坏，对巷道内冲击地压危险的监测和预警也处于发展阶段。

巷道围岩应力和位移是反映其冲击危险状态的最直接参量，但目前矿井下应用的应力与位移监测设备，仍存在如下问题：(1)应力计为一孔单点式，无法实现一孔多点分布式测量；(2)应力计多采用液压电磁式监测，位移计多采用机械压电式监测，抗干扰性差，灵敏度低。正是由于上述问题存在，使得掘进巷道冲击地压事故频发，冲击地压灾害预警难以真正实现。

为此，针对应力与位移监测装备的现有问题，需要一种基于光纤光栅测量技术的煤矿用一孔多点式应力与位移监测系统，该监测系统不仅能够实现应力、位移参量的一孔多点分布式实时监测，还能够基于数据分析对巷道冲击危险性进行实时预警，对于提高我国煤矿冲击地压预测预警技术，保障煤矿安全开采具有重要的意义。

发明内容

为了实时获得监测巷道侧向煤体内部不同深度的应力、位移参量数据，并将变化数据传输至地面数据中心进行分析，准确评估监测区域冲击危险性，本发明提供一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统，具体技术方案如下。

一种基于光纤光栅测量的一孔多点式应力与位移监测系统，包括应力计、位移计、数据解调仪、数据采集分析系统和光缆，所述应力计包括承压包体、刚性连接杆、安装插头、油管、压力光栅传感器和尾纤；所述位移计包括锚爪、钢丝绳、保护套管、保护罩和尾纤，所述保护罩内设置有位移光栅传感器；所述数据解调仪包括光栅调节模块、光电转化模块和光栅传感器接口；所述数据采集分析系统包括数据采集模块和数据分析模块；所述应力计和位移计安装在巷道的帮部煤体钻孔中，通过所述光缆连接数据解调仪与应力计、位移计，所述数据解调仪将光谱信息转换成波长信息，数据解调仪通过光纤环网将数据传输至数据采集分析系统，所述数据采集分析系统对监测的应力和位移数据进行分析处理。

优选的是，数据解调仪固定设置在掘进巷道内，所述数据采集分析系统设置在地面数据中心，地面数据中心显示应力和位移监测数据并进行预警。

优选的是，应力计具体是一孔多点式光纤光栅应力计，具有2个及以上的承压包体，每个承压包体独立连接有油管，油管和压力光栅传感器相连，承压包体之间通过刚性连接杆连接，所述光纤光栅传感器和尾纤相连。

优选的是，位移计具体是一孔多点式光纤光栅位移计，具有3个及以上的锚爪，每个锚爪连接有一根钢丝绳，钢丝绳外侧套设有保护管，钢丝绳和保护罩内的位移光栅传感器相连，所述位移光栅传感器和尾纤相连。

还优选的是，一孔多点式光纤光栅应力计将应力信息转换为光谱信息，通过尾纤进行传输；所述一孔多点式光纤光栅位移计将位移信息转换成光谱信息，通过尾纤进行传输。