專利名稱：一種用于煤礦頂板應力監測的單元結構的制作方法
一種用于煤礦頂板應力監測的單元結構
技術領域：
本發明涉及巖層信號監測儀器儀表和傳感器及電路設計領域，具體涉及一種低成本、可以密集布局監測點的煤礦冒頂前兆實時監測方法。
背景技術：
煤礦開采時，礦區煤層頂板往往比較堅硬且不易垮塌，因此，礦區采空區往往呈現大面積的懸頂現象，有些采空區的懸頂面積甚至有幾個足球場那么大。由于采空了堅硬的頂板下的煤層，而造成了礦區煤層頂板壓力集中現象，當集中應力的強度超過巖石強度時，會發生頂板巖層斷裂、垮塌現象，通常被稱作“冒頂”。這種冒頂落下的巖石，填充了采空區，壓縮采空區的空氣，形成暴風。這種順勢的暴風能量和威力極大，暴風形成的沖擊波能將數噸重的井下設備掀起幾十米，甚至將井下礦車壓縮成一團廢鐵。頂板巖層斷裂、垮塌現象的發生，給礦山造成災難性的人員傷亡、財產損失。巖層頂板發生斷裂、垮塌的前提是巖層的強度已經不能夠支撐巖層的負重，這是一個力量導致物體形變的過程，監測巖層的形變是預測冒頂最直接的手段。整個巖層的形態不易獲得，因為整體巖層的深埋于地下，沒有很好的手段對其綜合測量形變。但是，對于局部巖層的形變，我們可以通過應力監測手段獲得。如果在采空區巷道內密集安裝能夠臨測頂板應力變化的傳感器，也就可以獲得我們關心的巖層的形變情況，對冒頂作出預測和分析。
發明內容本發明的主要目的就是解決現有技術中沒有解決的問題，提供一種實時監測煤礦頂板巖層應力的單元結構，具有低成本、易安裝維護的特性，適合大區域密集分布。為實現上述目的，本發明公開一種實時監測煤礦頂板巖層應力變化的監測單元結構，其特征在于包括至少一個共聚物壓電巖層應力傳感單元，一個處理單元。所述共聚物壓電巖層應力傳感單元與處理單元互聯，共聚物壓電巖層應力傳感單元實時獲得巖層應力的信號，通過無源電纜(比如，超強韌性高密度聚乙烯、可在直埋時防水、低電容、可達IOOm 或更長)連接到處理單元，處理單元完成信號采樣數字化等預處理并將處理后的數據再通過無線或有線廣域通信網發送出去。本發明公開的監測單元結構能夠根據需要安裝在錨桿受力部分，當錨桿和頂板巖層充分接觸且固定后，監測單元能夠實時連續臨測所處位置的巖層應力信號的變化。監測單元能夠固定在錨桿表面，通過監測錨桿的應力變化判斷頂板巖層的應力變化。監測單元結構可以實時連續監測的時間精度和間隔(從毫秒到秒到分)和采樣精度(16位到貨M位)等均可由用戶設置。監測單元結構具有較低成本，能夠大區域、高密集布局，易于安裝維護的優勢和特
點ο共聚物壓電巖層應力傳感單元的感知或檢測原理是
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壓電材料是一種經特殊加工后能將動能轉化成電能的材料。一些聚合體材料，例如共聚物P (VDF-TrFE)使這一特性有了很大提高。壓電材料在受機械沖擊或振動時產生電荷。在原子層，偶極子(氫-氟偶對)的排列順序被打亂，并試圖使其恢復原來的狀態。這個偶極子被打亂的結果就是有一個電子流形成。就像海綿中的水，當你擠壓一塊濕海綿時， 水會從海綿中流出來，當你松開時，水又被吸回去，這同壓電應力變化傳感單元十分相似。 當行應力施加到傳感單元上時，就產生了電荷(電壓)，而當去掉負載時，就會產生一個相反極性的信號。它產生的電壓可以相當高，但傳感單元產生的電流卻比較小。共聚物壓電巖層應力傳感單元的檢測原理就是如此，頂板巖層處于正常狀態，即巖層強度高于巖層承載力時，幾乎沒有巖層應力信號產生；頂板巖層處于危險狀態，即巖層強度接近于巖層承載力時，巖層有明顯可監測到的應力信號產生；頂板巖層處于冒頂前，就會產生大量高強度的可檢測到巖層應力信號，一次作為冒頂預報和分析。本發明的有益效果是本發明采用一種共聚物壓電巖層應力傳感單元和處理單元，完成煤礦頂板巖層應力信號變化的實時監測，成本低，結構可靠，安裝維護容易，適宜大區域高密集度的建立巖層應力的實時監測點，從而能夠有助于煤礦冒頂的分析和預報。同時，本發明的實時監測巖層應力的監測單元，能夠通過有線通信網，將檢測數據發送出去，這樣可以在任何地方建立監測中心，接收任意大區域的監測單元發送的數據，形成一個大區域的巖層應力變化圖像，進行煤礦冒頂分析和預報。
具體實施方式
和
本申請的特征及優點將通過實施例進行補充說明。圖1是一個層狀監測單元結構示意圖，包括一個多層結構的壓電薄膜傳感器，從上到下分別為保護層、電極片、共聚物壓電薄膜、電極片、保護層。保護層采用硬質厚金屬制成，能夠防止巖石突發應力對壓電薄膜片的不可恢復性損傷。圖2是一個層狀應力監測單元安裝示意圖，層狀的傳感器固定在錨桿頂端，隨著錨桿完成安裝，錨桿頂部的傳感器和錨桿一起作為承載機構支撐頂板。當頂板巖層強度小于頂板承重時，頂板即有向下的趨勢，層狀應力臨測單元和錨桿承受應力陡增，該應力信號通過無源電纜送入信號處理單元，完成信號處理、發送或報警。圖3是一個用于錨桿側壁安裝的應力監測傳感器，該傳感器從上到下分別是保護層、電極片、共聚物壓電薄膜、電極片、彈性結構層。彈性結構層采用具有一定剛性，同時具有一定柔性的彈性金屬材料制成。該結構有助于將未受頂板應力影響的共聚物壓電薄膜維持在一個穩定的水平，從而對受應力影響引起的突變保持敏感。圖4是一個層狀監測單元結構在錨桿上的安裝示意圖，錨桿錨入巖層頂板并同定完成，帶有彈性片的層狀監測單元沿錨桿壁安裝，無源電纜連接傳感器和處理單元。這種安裝方式靈活、簡易、環境適應性好。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種實時監測煤礦頂板巖層應力變化的監測單元結構，其特征在于包括至少一個共聚物壓電巖層應力傳感單元，一個處理單元。所述共聚物壓電巖層應力傳感單元與處理單元互聯，共聚物壓電巖層應力傳感單元實時獲得巖層應力的信號，通過無源電纜(比如， 超強韌性高密度聚乙烯、可在直埋時防水、低電容、可達IOOm或更長)連接到處理單元，處理單元完成信號采樣數字化等預處理并將處理后的數據再通過無線或有線廣域通信網發送出去ο
2.如權利要求1所述的共聚物壓電巖層應力傳感單元結構，其特征在于能夠根據需要安裝在錨桿受力部分，當錨桿和頂板巖層充分接觸且固定后，監測單元能夠實時連續監測所處位置的巖層應力信號的變化。
3.如權利要求1所述的共聚物壓電巖層應力傳感單元結構，其特征在于能夠固定在錨桿表面，通過監測錨桿的應力變化判斷頂板巖層的應力變化。
4.如權利要求2所述的共聚物壓電巖層應力傳感單元結構，其特征在于實時連續監測的時間精度和間隔(從毫秒到秒到分)和采樣精度(16位到貨對位)等均可由用戶設置。
5.如權利要求1所述的實時監測地應力變化的監測單元結構，其特征在于具有較低成本，能夠大區域、高密集布局，易于安裝維護。
全文摘要
本發明公開了一種用于煤礦頂板巖層應力監測的單元結構，包括至少一個共聚物壓電巖層應力傳感單元，一個處理單元。傳感單元獲得煤礦頂板巖層應力信號強度的變化，經過無源電纜(比如，超強韌性高密度聚乙烯、可在直埋時防水、低電容、可達100m或更長)連接到處理單元，一個處理單元可以連接多個傳感單元。傳感單元實時獲得地頂板巖層應力信號，處理單元進行信號采集、預處理，并將預處理的數據通過無線或有線方式傳輸出去。本發明具有采樣周期、采樣精度、傳輸數據時間間隔可配置、可編程的靈活性，安裝操作簡便并具有良好的煤礦巷道惡劣條件適應性，能夠支撐大區域的密集安裝。
文檔編號E21D21/00GK102182510SQ201110008220
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月14日 優先權日2011年1月14日
發明者馮曉星, 王新安, 王金泊, 葛彬杰 申請人:深圳思量微系統有限公司