[发明专利]一种卡齿型顶板冒落分布式光纤监测传感器及顶板破坏程度计算方法

权利要求书

1.一种卡齿型顶板冒落分布式光纤监测传感器，其特征在于：包括光纤纤芯(1)、紧包套层(2)和松包套层(4)，紧包套层(2)套设在光纤纤芯(1)上，光纤纤芯(1)的外侧面均匀设置有环形卡齿(3)，松包套层(4)套设在环形卡齿(3)上。

2.基于卡齿型顶板冒落分布式光纤监测传感器的顶板破坏程度计算方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

S1.沿巷道纵向方向，将卡齿型顶板冒落分布式光纤监测传感器通过固定卡扣固定设置在监测区域内的顶板岩石基体上，其中固定卡扣包括与环形卡齿相匹配的环状卡槽和膨胀螺钉，环形卡齿与固定卡扣的环状卡槽卡接；

S2.获取分布式光纤光强信号，通过弯折改变光强的方式对分布式光纤监测区域进行位置标定；

S3.通过分析解调仪将标定后的分布式光纤监测区域的光强信号换算成光纤上各个位置的应变信息；

S4.根据分布式光纤上的应变变化曲线演化趋势判断顶板变形破坏类型；

S5.根据判断的破坏类型，绘制顶板变形破坏示意图，根据不同破坏模式下的计算公式，计算出顶板破坏程度。

3.根据权利要求1所述卡齿型顶板冒落分布式光纤监测传感器及顶板破坏程度计算方法，其特征在于：步骤S4.顶板变形破坏类型的判断方法：

分布式光纤在相邻的固定卡扣P1和固定卡扣P2之间的分布式光纤发生均匀拉伸变形，固定卡扣P1和固定卡扣P2的外侧分布式光纤未变形，则顶板破坏类型为张拉破坏型，即顶板岩层中部出现一条张拉裂纹且裂纹张开度越来越大；

分布式光纤在相邻的固定卡扣P1和固定卡扣P2之间的某处发生突变的拉伸变形，固定卡扣P1和固定卡扣P2之间的其他段分布式光纤的变形为小变形，固定卡扣P1和固定卡扣P2的外侧分布式光纤未变形，则顶板破坏类型为剪切破坏型，即顶板岩层中部出现一条剪切裂纹且裂纹两侧岩体错动越来越大；

分布式光纤在相邻的固定卡扣P1和固定卡扣P2之间的分布式光纤依次出现α、β和γ三段不同形式的变形，α段变形为小变形，β段的变形量突然跃升，γ段变形为微变形，γ段变形量小于α段变形量，固定卡扣P1和固定卡扣P2的外侧分布式光纤未变形，则顶板破坏类型为张拉-剪切混合型破坏型，即顶板岩层中部出现一条裂纹，裂纹张开度越来越大且两侧岩体发生错动，α变形为下滑岩体前段分布式光纤的变形，β变形为岩体边角处分布式光纤的变形，γ变形为下滑岩体后端分布式光纤的变形；

分布式光纤在相邻的固定卡扣P1和固定卡扣P2之间的分布式光纤依次出现α、β、γ、δ、ε五段不同形式的变形，α段、γ段和ε段的变形为恒定变形，γ段的变形量小于α段的变形量且γ段的变形量小于ε段的变形量，β段和δ段的变形量突然跃升，固定卡扣P1和固定卡扣P2的外侧分布式光纤未变形，固定卡扣P1和固定卡扣P2的外侧分布式光纤未变形，则顶板破坏类型为孤石坠落型，即顶板岩层中某一块岩石下滑坠落。

分布式光纤在相邻的固定卡扣P1和固定卡扣P2之间的分布式光纤呈现弧形的连续变化拉伸变形，固定卡扣P1和固定卡扣P2的外侧分布式光纤未变形，则顶板破坏类型为弯曲破坏型，即顶板岩层整体出现下沉弯曲变形。

4.根据权利要求3所述卡齿型顶板冒落分布式光纤监测传感器及顶板破坏程度计算方法，其特征在于：步骤S5.顶板破坏程度的计算方法：

对于巷道顶板岩层拉伸断裂破坏模式，固定卡扣P1和P2间岩层的张拉裂缝开裂宽度Δx和岩块错动位移Δy，根据下面的公式计算：

其中，P₁P₂为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形前的长度，P₁′P₂′为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形后的长度；

对于巷道顶板岩层错动破坏模式，固定卡扣P1和P2间岩层的张拉裂缝开裂宽度Δx和岩块错动位移Δy，根据下面的公式计算：

或

其中，P₁P₂为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形前的长度，P₁′P₂′为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形后的长度，ε_max为岩块错动角引起光纤局部变形的最大值，γ为变形系数，根据实验测试获得；

对于巷道顶板岩层拉伸与错动混合破坏模式，固定卡扣P1和P2间岩层的张拉裂缝开裂宽度Δx和岩块错动位移Δy，根据下面的公式计算：

或

其中，P₁P₂为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形前的长度，P₁′P₂′为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形后的长度，ε_max为岩块错动角引起光纤局部变形的最大值，γ为变形系数，根据实验测试获得；

对于巷道顶板岩层孤石坠落破坏模式，固定卡扣P1和P2间岩层的张拉裂缝开裂宽度Δx和岩块错动位移Δy，根据下面的公式计算：

或

其中，P₁P₂为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形前的长度，P₁′P₂′为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形后的长度，ε_max为岩块错动角引起光纤局部变形的最大值，γ为变形系数，根据实验测试获得；

对于巷道顶板岩层弯曲沉降破坏模式，岩层发生下沉变形的横向范围Δx和岩层最大下沉位移Δy，根据下面的公式计算：

其中，P₁P₂为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形前的长度，P₁′P₂′为卡扣P1和卡扣P2之间光纤变形后的长度。