沿空留巷膏體填充體在線監測系統的制作方法
【專利摘要】一種沿空留巷膏體填充體在線監測系統，用于對沿空留巷內的膏體填充體進行在線監測，包括有計算機系統以及與計算機系統連接的礦用光纜，包括：用于設置在膏體填充體之間的支撐系統，支撐系統包括設置于沿空留巷頂底板之間的支撐桿；測量光纖系統，測量光纖系統包括：用于檢測膏體填充體并與其接觸的檢測光纖、用于進行溫補測量的溫補光纖以及具有連接作用的通信光纖，檢測光纖與溫補光纖均通過通信光纖與礦用光纜連接，溫補光纖的外側套設置有具有用于保護作用的保護套管。優點：設備安裝簡單，適合普遍推廣；井下不需供電，現場安全；采用全光測量和光纖傳輸，有效避免電磁干擾的影響；能及時提供監測結果，有利于指導現場充填開采生產工作。
【專利說明】沿空留巷膏體填充體在線監測系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及礦山沿空留巷填充【技術領域】，更具體地說，特別涉及一種沿空留巷膏體填充體在線監測系統。
【背景技術】
[0002]充填開采技術作為解決建筑物下、鐵路下、水體下和承壓水上壓煤開采技術，是采煤技術的一大革新。
[0003]其中，膏體充填式煤礦綠色開采技術的重要組成部分，把煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、工業爐渣、劣質土、城市固體垃圾等在地面加工制作成不需要脫水處理的牙膏狀漿體，采用充填泵或重力加壓，通過管道輸送到井下，適時充填采空區或離層區，形成以膏體充填體為主的上覆巖層支撐體系，有效控制地表沉陷在建筑物允許值范圍內，實現村莊不搬遷，安全開采建筑物下壓煤，保護礦區生態環境和地下水資源。
[0004]但是，由于充填體在煤礦井下處于密閉環境內，無法對其受力及變形進行人工測量，只能通過設備進行測量；而目前的傳統監測設備體積龐大，且無法適應井下高溫、潮濕等惡劣條件，更無法完成充填體長期實時在線的監測任務。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本實用新型提供了一種沿空留巷膏體填充體在線監測系統，以解決上述問題。
[0006]為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案:
[0007]—種沿空留巷膏體填充體在線監測系統，用于對沿空留巷內的膏體填充體進行在線監測，包括有計算機系統以及與所述計算機系統連接的礦用光纜，包括:
[0008]用于設置在沿空留巷頂底板之間的支撐系統，所述支撐系統包括設置于膏體填充體之間的支撐桿；
[0009]測量光纖系統，所述測量光纖系統包括:用于檢測膏體填充體并與其接觸的檢測光纖、用于進行溫補測量的溫補光纖以及具有連接作用的通信光纖，所述檢測光纖與所述溫補光纖均通過所述通信光纖與所述礦用光纜連接，所述檢測光纖包括有兩根，兩根所述檢測光纖間隔設置于所述支撐桿上，所述溫補光纖的外側套設置有具有用于保護作用的保護套管。
[0010]優選地，于所述頂板與所述底板之間設置有所述支撐桿，支撐桿直接支撐充填膏體所在巷道的頂底板。
[0011]優選地，所述支撐桿上自其底部向上分別于1/4以及1/2的位置上開設有固定槽，所述檢測光纖設置于所述固定槽內。
[0012]優選地，所述檢測光纖以及所述溫補光纖均通過光纖連接頭與礦用光纜連接。
[0013]有益效果:由于采用了上述方案，提出一種新型的、合理的、成熟的技術方案對膏體充填進行長期在線監測，采用分布式監測方式，以測量煤礦膏體充填體下沉位移量，從而得到膏體充填體的受力、充實率及運動規律，為充填體材料的強度、變形讓壓參數及支護參數的確定提供依據。當充填體的圍巖礦壓顯現時，礦山壓力施加到充填體上，測量光纖受力作用時該處的光信號的布里淵散射光譜會發生頻移，利用地面的分布式光纖解調儀將光信號解調為數字信號，然后利用計算機系統對數字信號做進一步分析處理，得到膏體充填體的受力、充實率及運動規律，實現充填體狀態的實時在線監測，指導現場安全生產。本設計降低了監測成本和監測難度，解決了目前膏體充填監測過程中監測條件受限制、單點監測范圍有限、信號傳輸線敷設繁瑣及系統復雜的問題。
[0014]優點為:設備安裝簡單，適合普遍推廣；井下不需供電，現場安全；采用全光測量和光纖傳輸，有效避免電磁干擾的影響；能及時提供監測結果，有利于指導現場充填開采生產工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1為本實用新型的系統結構示意圖；
[0017]圖2為本實用新型的井下示意圖；
[0018]圖3為本實用新型的沿空留巷旁充填支撐點布置斷面圖；
[0019]圖4為本實用新型的沿空留巷旁充填支撐點布置方式圖；
[0020]圖1至圖4中部件名稱與附圖標記的對應關系為:
[0021]1、計算機系統；2、分布式光纖解調儀；3、礦用光纜；4、通信光纖；5、金屬管；6、底板；7、溫度補償光纖；8、光纖連接頭；9、支撐桿；10、測量光纖；11、地錨；12、頂板。
【具體實施方式】
[0022]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0023]請參考圖1至圖4，本實用新型提供了一種沿空留巷膏體填充體在線監測系統，用于對沿空留巷內的膏體填充體進行在線監測，包括有計算機系統以及與計算機系統連接的礦用光纜，包括:用于設置在沿空留巷頂底板之間的支撐系統，支撐系統包括設置于頂底板之間的支撐桿；測量光纖系統，測量光纖系統包括:用于檢測膏體填充體并與其接觸的檢測光纖、用于進行溫補測量的溫補光纖以及具有連接作用的通信光纖，檢測光纖與溫補光纖均通過通信光纖與礦用光纜連接，檢測光纖包括有兩根，兩根檢測光纖間隔設置于支撐桿上，溫補光纖的外側套設置有具有用于保護作用的保護套管。
[0024]在上述結構設計中，本實用新型首先在膏體填充體進行填充前預設支撐系統以及保護管，在支撐系統上設置兩根檢測光纖，膏體充填后檢測光纖與膏體填充體接觸，如果膏體填充體發生下沉(位移)變化或者溫度變化，則能夠改變檢測光纖內光信號的布里淵頻移，通過分布式光纖解調儀和計算機系統對變化的光信號進行解析和處理，能夠測得膏體填充體發生變化的位置及形變大小。
[0025]具體地，計算式通過如下公式進行測得的:
[0026]當距離檢測光纖上的入射端某點處的光纖發生應變和溫度變化時，返回到分布式光纖信號解調儀中的該點的布里淵頻移與溫度和應變的關系為:
[。。27] %.........= Czh€ I C1KF? (ε - ε?) + Cr(T........?；)
[0028]式中為光纖的布里淵頻移應變系數和溫度系數；為光信號的布里淵頻移基礎值為光纖在應變時的布里淵頻移；^為初始應變值，￡為發生應變后的應變值為距離入射端某點處傳感光纖的溫度變化量；
[0029]溫度補償:在底板附近布置一根松弛傳感光纖使它不受力，那么這根傳感光纖所測得的布里淵散射光頻移，就是由溫度變化引起的等效應變值，可作為溫度補償；溫度補償原理用下式表示:
mssm Al
[0030]
[0031]式中，為修正后的光纖應變為某一溫度下的光纖應變;.為溫度變化引起的附加應變；
[0032]當計算機系統得到測量光纖任意形變點f對應的應變值后，根據下式得到布里淵光纖發生應變位置處的應力大小:
[0033]^i=E-M=Ε(εΓ%)ι=爾
[0034]式中，%為發生應變位置處的應力，Ε為膏體的彈性模量，彈性模量為實驗測試值,G為光纖發生應變位置處的實時應變值,?為光纖發生應變位置處的初始應變值。￡|和?均為考慮了溫度補償的光纖應變。
[0035]具體地，本實用新型還包括有設置于頂板與底板之間的有支撐桿，支撐桿直接支撐充填膏體所在巷道的頂底板。
[0036]具體地，于支撐桿上自其底部向上分別于1/4以及1/2的位置上開設有固定槽，檢測光纖設置于固定槽內。
[0037]具體地，檢測光纖以及溫補光纖均通過光纖連接頭與礦用光纜連接。
[0038]本實用新型通過上述結構設計，其有益效果:由于采用了上述方案，提出一種新型的、合理的、成熟的技術方案對膏體充填進行長期在線監測，采用分布式監測方式，以測量煤礦膏體充填體下沉位移量，從而得到膏體充填體的受力、充實率及運動規律，為充填體材料的強度、變形讓壓參數及支護參數的確定提供依據。當充填體的圍巖礦壓顯現時，礦山壓力施加到充填體上，測量光纖受力作用時該處的光信號的布里淵散射光譜會發生頻移，利用地面的分布式光纖解調儀將光信號解調為數字信號，然后利用計算機系統對數字信號做進一步分析處理，得到膏體充填體的受力、充實率及運動規律，實現充填體狀態的實時在線監測，指導現場安全生產。本設計降低了監測成本和監測難度，解決了目前膏體充填監測過程中監測條件受限制、單點監測范圍有限、信號傳輸線敷設繁瑣及系統復雜的問題。
[0039]基于上述結構設計，本實用新型的【具體實施方式】為:
[0040]硬件系統包括:計算機1、分布式光纖解調儀2、礦用光纜3、通信光纖4、金屬管5、溫度補償光纖7、光纖連接頭8、支撐桿9、測量光纖10、地錨11 ;在每組支撐桿支撐空間被充填之前，支撐桿9通過地錨11固定到充填空間所在巷道的底板6，支撐桿上端支撐充填空間所在巷道的頂板12，兩根測量光纖10分別布置在支撐桿9中部1/2處和下部1/4處，每組支撐桿最后一根的尾部引出光纖連接頭8并通過通信光纖4接入礦用光纜3，在充填空間所在巷道的底板位置布置溫度補償光纖7，溫度補償光纖7布置在金屬管5中，使其不受外力作用，并接入礦用光纜3，礦用光纜3與分布式光纖解調儀2連接，從而將測量光纖10和溫度補償光纖7監測信號傳遞至分布式光纖解調儀2，分布式光纖解調儀2與計算機系統I連接，解調后的信號送至計算機系統1，在空間被充填后對膏體充填體13進行實時在線監控及分析處理。
[0041]軟件計算方法為:
[0042]當距離入射端某點處的光纖發生應變和溫度變化時，返回到分布式光纖信號解調儀中的該點的布里淵頻移與溫度和應變的關系為:
“ Γ* k ^ I Π KT Π (^ ^ \ > Γ* iT T \
[0044]式中,￡;、￡&為光纖的布里淵頻移應變系數和溫度系數；%為光信號的布里淵頻移基礎值;%為光纖在應變時的布里淵頻移；^為初始應變值，g為發生應變后的應變值;Δ2*為距離入射端某點處傳感光纖的溫度變化量；
[0045]溫度補償:在底板附近布置一根松弛傳感光纖使它不受力，那么這根傳感光纖所測得的布里淵散射光頻移，就是由溫度變化引起的等效應變值，可作為溫度補償；溫度補償原理用下式表示:
￠1mmm
[0046]備鑭￡— fcjpg Cj
[0047]式中ζ丨為修正后的光纖應變:--為某一溫度下的光纖應變；&為溫度變化引起的附加應變。
[0048]經過光纖信號解調儀的信號處理即可得到發生應變的位置與應變的大小；
[0049]當分布式光纖解調儀得到測量光纖任意形變點I對應的應變值后，根據下式得到布里淵光纖發生應變位置處的應力大小:
[0050]0.一
[0051]為發生應變位置處的應力，B為膏體的彈性模量，彈性模量為實驗測試值，
為光纖發生應變位置處的實時應變值,?為光纖發生應變位置處的初始應變值。均為考慮了溫度補償的光纖應變。
[0052]本實用新型利用分布式光線對膏體填充體進行監測，以測量煤礦膏體充填體應力及下沉位移量來反映充填體受力及運動規律，為充填體材料的強度、變形讓壓參數、充實率及支護參數等得確定提供依據。
[0053]通過以上的具體實施，在進行膏體充填之前，支撐桿通過地錨固定到充填空間底板，支撐桿上端支撐充填空間所在巷道的頂板，支撐桿中部1/2處和下部1/4處各有一個凹槽用于固定光纖，每間隔1m布置一根支撐桿，6(T80m為一組，每一組連接兩根測量光纖，每兩根支撐桿間光纖松弛連接，每組支撐桿最后一根尾部引出光纖連接頭并通過光纖接入礦用光纜，礦用光纜與分布式光纖解調儀連接，從而將測量光纖監測信號傳遞至分布式光纖解調儀，分布式光纖解調儀與計算機系統連接，解調后的信號傳送至計算機系統，在空間被充填后對膏體充填體進行實時的在線監控及分析處理。本實用新型分布式監測，以測量煤礦膏體充填體應力及下沉位移量來反映充填體受力及運動規律，為充填體材料的強度、變形讓壓參數、充實率及支護參數等得確定提供依據。優點:設備安裝簡單，適合普遍推廣；井下不需供電，現場安全；采用全光測量和光纖傳輸，有效避免電磁干擾的影響；能及時提供監測結果，有利于指導現場充填開采生產工作。
[0054]對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權利要求】
1.一種沿空留巷膏體填充體在線監測系統，用于對沿空留巷內的膏體填充體進行在線監測，包括有計算機系統以及與所述計算機系統連接的礦用光纜，其特征在于，包括: 設置在頂板和底板之間的支撐系統，所述支撐系統包括設置于膏體填充體之間的支撐桿； 測量光纖系統，所述測量光纖系統包括:用于檢測膏體填充體并與其接觸的檢測光纖、用于進行溫補測量的溫補光纖以及具有連接作用的通信光纖，所述檢測光纖與所述溫補光纖均通過所述通信光纖與所述礦用光纜連接，所述檢測光纖包括有兩根，兩根所述檢測光纖間隔設置于所述支撐桿上，所述溫補光纖的外側套設置有具有用于保護作用的保護套管。
2.根據權利要求1所述的沿空留巷膏體填充體在線監測系統，其特征在于， 于所述頂板與所述底板之間設置有所述支撐桿。
3.根據權利要求1所述的沿空留巷膏體填充體在線監測系統，其特征在于， 于所述支撐桿上自其底部向上分別于1/4以及1/2的位置上開設有固定槽，所述檢測光纖設置于所述固定槽內。
4.根據權利要求1所述的沿空留巷膏體填充體在線監測系統，其特征在于， 所述檢測光纖以及所述溫補光纖均通過光纖連接頭與礦用光纜連接。
【文檔編號】G01B11/02GK204007961SQ201420421709
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】劉曉斐, 趙慶彪, 劉建功, 王恩元, 趙才智, 孟浩天, 高會春, 曾瑞萍 申請人:冀中能源集團有限責任公司