[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

说明书

本发明涉及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，属于岩土工程安全监测技术领域。本发明沿巷道纵向方向，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；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；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；根据分布式光纤上的应变变化曲线演化趋势，与不同类型顶板破坏时典型光纤监测响应模式进行拟合分析，判断顶板变形破坏类型；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。

技术领域

本发明涉及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，属于岩土工程安全监测技术领域。

背景技术

随着大力发展基础设施建设，越来越多的地下隧道、地下矿山和地下硐室等地下工程建设完成或者正在施工。在地下岩体中开掘可用空间，其中最常见的灾害事故类型就是顶板的冒落或坍塌问题。顶板坍塌普遍是由于岩层暴露面积过大或岩体过于破碎导致的，多为大范围整体冒落。而对于支护条件较差的地下空间而言，还时常可能发生独立岩块失稳坠落的事故，属于局部冒落。无论是大范围整体冒落还是小范围局部冒落，都极易对工作人员与机械设备的安全造成损害。因此，针对顶板冒落灾害研发有效的监测传感器与顶板破坏程度计算方法，对冒顶事故的预警与防护有极其重大的意义。

对于矿山巷道、矿山采场、隧道、硐室等地下开挖空间而言，其暴露面积往往是延伸几公里到几十公里的大范围。而顶板稳定性也并非处处相等，冒落极有可能发生在某些不可预知的区域。目前，常见的顶板冒落的监测手段一般有：顶板离层仪、锚杆应力计、微震监测、超声波监测、导电率监测等。其中，离层仪和锚杆应力计都是点式监测手段，只能监测顶板某一点的位移和应力变化状态。当监测传感器布置不合理时，往往容易造成冒落区遗漏，不能对顶板的整体稳定性进行有效的监控。超声波、导电率、微震等监测手段均为间接物理量监测，由于岩层岩性复杂，无法直观地反映顶板的实际响应状态，导致监测效果很不稳定、结果不可靠。

分布式光纤传感技术适用大范围监测，普遍应用的分布式光纤传感技术主要有：基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射及频域反射技术(R/B-OTDR/OFDR)、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术(P-OTDR)、长距离光干涉技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等。

目前，对于将分布式光纤传感器应用于顶板冒落监测的尝试并不多见，大多数情况下采用埋设于顶板钻孔之中的方式，无法实现大范围监测；对于极少数将光纤沿巷道纵向铺设的情况，也往往采用混凝土喷浆固定的方式，一方面在布设成本上不够经济，另一方面这种常用的双层包覆型分布式光纤，由于光纤外包层与纤芯极易脱离，将导致监测结果失真。

顶板的变形/冒落形式有多种，对于块状结构顶板可能发生顶板张拉破坏、剪切错动破坏或者张拉-错动混合破坏；对于层状结构顶板可能发生弯曲沉降变形破坏。虽然，分布式光纤监测手段已有部分应用于顶板变形/冒落监测，但监测结果误差大，并且无法基于分布式光纤监测顶板变形的响应结果，直接分析计算出顶板破坏程度。

发明内容

本发明针对分布式光纤监测中监测结果误差大，并且无法直接分析计算出顶板破坏程度的问题，提出了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，本发明解决了光纤纤芯与外包层脱离导致监测结果失真的问题，并根据分布式光纤监测顶板变形的响应结果，直接分析计算出顶板破坏程度。

一种卡齿型顶板冒落分布式光纤监测传感器，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。

所述紧包套层2通过超强黏合剂固定粘接包覆在光纤纤芯1的外侧，使其承受巨大的剪切力时，紧包套层2和光纤纤芯1也不会发生脱离；

优选的超强黏合剂有：丙烯酸改性环氧树脂胶、纳米增强环氧树脂胶、双组分环氧树脂胶等；