專利名稱：基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種井下選煤硐室底板在線監(jiān)測技術(shù)，尤其涉及一種基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，我國大多數(shù)選煤廠仍然建在地面，一方面增加了原煤中矸石的運費以及排矸費用，造成礦井的提升能力緊張和噸煤利潤下降；另一方面伴隨著煤礦生產(chǎn)中排出的大量煤矸石占用土地，造成地面環(huán)境的污染，不利于居住環(huán)境的改善。在井下建原煤分選系統(tǒng)，實現(xiàn)原煤井下分選和充填一體化，以減少原煤運輸以及噸煤能耗，提高煤炭資源的采出 率，實現(xiàn)綠色開采。隨著井下選煤的實現(xiàn)，符合井下選煤硐室的安全監(jiān)測和控制系統(tǒng)也有待于進一步的開發(fā)研究。由于井下選煤硐室與巷道相比有一定的區(qū)別，其監(jiān)測方法也不同。首先，選煤硐室內(nèi)安設有大型選煤設備，占據(jù)了硐室內(nèi)大部分的空間，其重量以及生產(chǎn)運行時的振動都可能會對煤礦井圍巖的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，所以根據(jù)設備性能以及硐室圍巖分布情況必須澆筑設備基礎；其次，選煤硐室內(nèi)的電子干擾、電磁干擾現(xiàn)象更加嚴重，相應的監(jiān)測設備和系統(tǒng)性能必須符合選煤生產(chǎn)的要求，不僅對抗干擾能力要求高，且不受潮濕、高溫環(huán)境影響；再者，監(jiān)測系統(tǒng)的安裝不能影響選煤設備的運行和破壞圍巖的穩(wěn)定性；最后，選煤硐室周圍井巷工程較多，因而硐室圍巖的受力情況比較復雜，難以準確分析。由于掘進或受回采影響引起選煤硐室圍巖應力狀態(tài)變化以及在維護過程中其性質(zhì)的變化，頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體失穩(wěn)變形并向硐室內(nèi)移動,致使底板巖石松動、產(chǎn)生底臌,導致硐室內(nèi)大型選煤設備基礎局部受力不均而產(chǎn)生傾斜、位移現(xiàn)象，嚴重影響選煤設備的安全運行和工作人員的人身安全。目前還沒有針對井下選煤硐室底板監(jiān)測的相關(guān)研究報道。光纖傳感技術(shù)的研究始于20世紀70年代末,它以光波為載體,光纖為媒質(zhì),實現(xiàn)被測量信號的感知和傳輸，因為其自身優(yōu)異的性能被廣泛應用于人類無法臨近的易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下進行長期的大規(guī)模應用，具有傳統(tǒng)的電傳感器無法比擬的優(yōu)越性。光纖布拉格光柵(FBG)是光纖傳感技術(shù)發(fā)展的最新階段，它是一種性能優(yōu)良的反射濾波無源敏感元件，通過布拉格發(fā)射波長的移動來感應外界微小應力、應變變化而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)在線測量。與普通的機械、電子類傳感器相比，光纖光柵傳感器具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點，它的安全性能好，具有本質(zhì)安全的特點，幾何形狀可塑，適應性強，既可埋入復合材料內(nèi)，也可粘貼在材料的表面，與待測材料有著良好的相容性，并可以實現(xiàn)準分布測量。目前，還沒有將光纖布拉格光柵傳感技術(shù)用于針對煤礦井下選煤硐室底板監(jiān)測的相關(guān)報道?，F(xiàn)有技術(shù)一，如圖I所示，一種光纖光柵錨桿測力裝置及監(jiān)測錨桿應力變化的方法(專利號CN101358886A)中的錨桿測力裝置，包括壓力表01、T字型油管02，水平管和液壓油缸04連接，垂直管與光纖光柵03連接。通過在巖石或土層內(nèi)安裝錨桿，在錨桿的外露端嵌入墊板和液壓油缸，并用螺母連接。光纖光柵傳感器將錨桿受力變化量通過其纖芯連接到外部的光纖光柵網(wǎng)絡分析儀進行數(shù)據(jù)的處理。上述現(xiàn)有技術(shù)一的缺點是不能適用于井下選煤硐室底板的在線監(jiān)測，其原因主要表現(xiàn)在以下三個方面首先，井下選煤設備體積龐大，占據(jù)選煤硐室內(nèi)大部分空間，而現(xiàn)有技術(shù)體積較大，其安裝會影響選煤設備的運行和操作人員的正常通行；其次，現(xiàn)有技術(shù)不能安裝在選煤設備基礎上，不僅破壞設備基礎的整體性和穩(wěn)定性，而且會影響選煤設備運行；最后，現(xiàn)有技術(shù)通過光纖光柵和機械部件結(jié)合，無法消除設備硐室內(nèi)潮濕環(huán)境對其測量精度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易維護、測量精確、適用于井下各種設備硐室底板監(jiān)測的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置及方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置，在通訊光纖上連接多個光纖光柵傳感器和一個光纖光柵溫度傳感器，所述多個光纖光柵傳感器和一個光纖光柵溫度傳感器布置在設備周圍的設備基礎內(nèi)，所述光纖光柵溫度傳感器遠離所述多個光纖光柵傳感器，所述通訊光纖的接入端或引出端連接光纖光柵網(wǎng)絡分析儀，所述光纖光柵網(wǎng)絡分析儀與計算機連接。本發(fā)明的上述的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置進行井下選煤硐室底板在線監(jiān)測的方法，首先，通過光纖光柵網(wǎng)絡分析儀分析光纖光柵傳感器波長改變量的大小，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵O備基礎上各個測點出的應力變化；然后，讀取不同時刻下選煤硐室設備基礎的應力分布狀況，判斷設備基礎是否產(chǎn)生傾斜，實現(xiàn)對選煤硐室底板的監(jiān)測。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置及方法。由于在通訊光纖上連接多個光纖光柵傳感器和一個光纖光柵溫度傳感器，所述多個光纖光柵傳感器和一個光纖光柵溫度傳感器布置在設備周圍的設備基礎內(nèi)，光纖光柵溫度傳感器遠離所述多個光纖光柵傳感器，通訊光纖的接入端或引出端連接光纖光柵網(wǎng)絡分析儀，光纖光柵網(wǎng)絡分析儀與計算機連接。通過光纖光柵網(wǎng)絡分析儀分析光纖光柵傳感器波長改變量的大小，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵O備基礎上各個測點出的應力變化，讀取不同時刻下選煤硐室設備基礎的應力分布狀況，判斷設備基礎是否產(chǎn)生傾斜，實現(xiàn)對選煤硐室底板的監(jiān)測。通過對大型選煤設備的設備基礎進行穩(wěn)定監(jiān)測，實現(xiàn)對硐室底板監(jiān)測，結(jié)構(gòu)簡單，易維護，測量精確，可安裝在設備基礎上，不影響井下選煤硐室設備工作和工作人員的安全，不受井下惡劣環(huán)境干擾，適用于井下各種設備硐室底板監(jiān)測。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)中的錨桿測力裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實施例一提供的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的俯視圖；圖4為本發(fā)明實施例二提供的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為圖4的立體組成示意圖；圖6為光通過光纖光柵時傳感特性示意圖；圖7為光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明的實驗測試點A、B、C和D上的應變分布示意圖。
圖中1、設備基礎；2、選煤設備；3、通訊光纖；4、光纖引入端；5、光纖輸出端。
具體實施例方式下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。本發(fā)明的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置，其較佳的具體實施方式
是在通訊光纖上連接多個光纖光柵傳感器和一個光纖光柵溫度傳感器，所述多個光纖光柵傳感器和一個光纖光柵溫度傳感器布置在設備周圍的設備基礎內(nèi)，所述光纖光柵溫度傳感器遠離所述多個光纖光柵傳感器，所述通訊光纖的接入端或引出端連接光纖光柵網(wǎng)絡分析儀，所述光纖光柵網(wǎng)絡分析儀與計算機連接。所述光纖光柵傳感器有四個，四個光纖光柵傳感器分布于設備基礎的四個角部，所述光纖光柵溫度傳感器布置在設備基礎的一側(cè)。所述通訊光纖通過粘合劑粘在鋼絞線上，刻淺槽埋入設備基礎周圍，在拐角處留下冗余，并用噴漿混凝土固定。所述淺槽的深度為9_ — 11_。本發(fā)明的上述的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置進行井下選煤硐室底板在線監(jiān)測的方法，其較佳的具體實施方式
是首先，通過光纖光柵網(wǎng)絡分析儀分析光纖光柵傳感器波長改變量的大小，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵O備基礎上各個測點出的應力變化；然后，讀取不同時刻下選煤硐室設備基礎的應力分布狀況，判斷設備基礎是否產(chǎn)生傾斜，實現(xiàn)對選煤硐室底板的監(jiān)測。本發(fā)明的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置和方法，通過對大型選煤設備的設備基礎進行穩(wěn)定監(jiān)測，實現(xiàn)對硐室底板監(jiān)測。礦山壓力是導致礦井底臌的主要原因，從現(xiàn)有理論可知，硐室內(nèi)底板圍巖的中間位置是礦山壓力最集中的地方，即底臌一般在硐室中間位置表現(xiàn)最為突出，而選煤設備占據(jù)了選煤硐室內(nèi)大部分的空間，因此選煤硐室底臌的直接表現(xiàn)即為選煤設備基礎的傾斜，針對底板的監(jiān)測等同于對選煤硐室內(nèi)的設備基礎的監(jiān)測。當?shù)纂漠a(chǎn)生導致設備基礎受力不均產(chǎn)生傾斜時，可通過對設備基礎受力的監(jiān)測來實現(xiàn)對選煤硐室底板的監(jiān)測。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易維護，測量精確，可安裝在設備基礎上，不影響井下選煤硐室設備工作和工作人員的安全，不受井下惡劣環(huán)境干擾，適用于井下各種設備硐室底板監(jiān)測。
具體可按下述步驟進行I)、首先在距離設備周邊一定距離處的設備基礎上刻深度為IOmm左右的淺槽；2)、將布設有光纖光柵傳感器和光纖光柵溫度傳感器的通訊光纖通過專用粘合劑粘貼在鋼纟父線上；3)、將步驟2后的通訊光纖布設于步驟I的淺槽內(nèi)，使四個光纖光柵傳感器剛好位于設備基礎四個邊角的對稱位置，在拐角處留下一定的冗余，并用噴漿混凝土固定；4)、將通訊光纖的接入端或引出端連接到光纖光柵網(wǎng)絡分析儀上，光纖光柵網(wǎng)絡分析儀和電腦連接；5)、通過光纖光柵網(wǎng)絡分析儀分析光纖光柵傳感器波長改變量的大小，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵O備基礎上各個測點出的應力變化，計算出初始值；
6)、讀取不同時刻下選煤硐室設備基礎的應力分布狀況，判斷設備基礎是否產(chǎn)生傾斜，實現(xiàn)對選煤硐室底板的監(jiān)測。具體實施例一如圖I、圖2所不,本實施例包括設備基礎I、選煤設備2、通訊光纖3、光纖引入端4和光纖輸出端5。通訊光纖3鋪設于設備基礎I內(nèi)，同選煤設備2保持一定距離。通訊光纖3上的四個光纖光柵傳感器FBGl、FBG2、FBG3和FBG4剛好位于設備基礎I的A、B、C、D四個邊角點上，光纖光柵溫度傳感器FBG5位于設備基礎I的一側(cè)邊緣并距FBGl —定距離處。光纖引入端4或光纖輸出端5接入光纖光柵網(wǎng)絡分析儀，光纖光柵網(wǎng)絡分析儀和電腦連接。光纖引入端4和光纖輸出端5沒有被鋪設在底板內(nèi)，屬于傳輸光纖，不具有傳感作用。上述的實施例一是當選煤硐室底板為整塊堅硬巖石時，則不需要另外澆筑設備基礎，設備基礎平面與底板平面持平。具體實施例二 如圖4和圖5所示，本實施例是澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)設備基礎，基礎高出底板一定高度，一般不小于100mm。通訊光纖3沿設備基礎I邊緣平行鋪設于設備基礎I內(nèi)，通訊光纖3上的四個光纖光柵傳感器FBG1、FBG2、FBG3和FBG4正好位于A、B、C、D四個邊角點上。其它同實施例
O本發(fā)明的測量原理是利用力的平衡原理和光纖光柵傳感理論，監(jiān)測設備基礎上四個監(jiān)測點A、B、C和D處的受力情況，以此來判斷設備基礎的受力情況，是否處于平衡狀態(tài)，是否傾斜，實現(xiàn)對選煤硐室底板的監(jiān)測。假定硐室內(nèi)選煤設備的重心點和設備基礎的重心點位于同一條垂直線上，那么理想狀態(tài)下，當設備基礎不產(chǎn)生傾斜時，礦山壓力作用在設備基礎的四個角A、B、C、D受力平衡，即受力同向，且大小相等。當?shù)纂麑е略O備基礎受力不均產(chǎn)生傾斜，此時設備基礎重心偏移，A、B、C、D點處的受力不再相等，且隨著設備基礎重心的偏移而出現(xiàn)一定的變化。將光纖光柵傳感器布設在A、B、C、D點上，就可以通過測量設備基礎傾斜時鋼絞線拉伸或收縮情況，即由于鋼絞線拉伸或伸縮而導致的通訊光纖上的光纖光柵被拉伸或收縮變形時反應出的波長-應力關(guān)系，來判斷四點出的具體受力情況。由于硐室內(nèi)溫度可能會對光纖光柵產(chǎn)生一定的影響，因此采用光纖光柵溫度傳感器進行相應的溫度補償，提高測量精度。如圖6、圖7所示，本發(fā)明的光纖光柵測量理論如下當光纖中的光波通過光柵時，寬帶光源經(jīng)過時，滿足布拉格條件的一定波長的入射光(波長為λΒ)將會被反射，其他波長的光會全部穿過而不受影響，此時反射光譜在光纖光柵波長λ Β處出現(xiàn)峰值。光柵受到外部的應力、應變、溫度等作用時，其周期會發(fā)生改變，從而引起波長的變化，這就是光纖光柵的傳感特性。通過測量光譜中峰值的移動變化，就可以得出待測的應力、應變、溫度等的變化。當入射光光進入光纖時，光纖光柵會反射特定波長的光，該波長滿足以下的特定條件λΒ = 2ηεΗΛ式 I其中nrff為光纖的有效折射率，A為光纖光柵的周期，λΒ為光纖光柵波長。由于光纖光柵的中心波長值會受溫度的影響，溫度變化對光纖光柵的影響主要體現(xiàn)在熱光效應和熱膨脹效應兩個方面。在受熱膨脹時，λ Β增大；遇冷時，λ Β減小。對于采用標準單模石英光纖制成的光纖光柵，λ Β隨溫度和應變的變化規(guī)律可以用下式來表示
權(quán)利要求
1.一種基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置，其特征在于，在通訊光纖上連接多個光纖光柵傳感器和一個光纖光柵溫度傳感器，所述多個光纖光柵傳感器和一個光纖光柵溫度傳感器布置在設備周圍的設備基礎內(nèi)，所述光纖光柵溫度傳感器遠離所述多個光纖光柵傳感器，所述通訊光纖的接入端或引出端連接光纖光柵網(wǎng)絡分析儀，所述光纖光柵網(wǎng)絡分析儀與計算機 連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述光纖光柵傳感器有四個，四個光纖光柵傳感器分布于設備基礎的四個角部，所述光纖光柵溫度傳感器布置在設備基礎的一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述通訊光纖通過粘合劑粘在鋼絞線上，刻淺槽埋入設備基礎周圍，在拐角處留下冗余，并用噴漿混凝土固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述淺槽的深度為9mm - 11mm。
5.—種權(quán)利要求I至4任一項所述的基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置進行井下選煤硐室底板在線監(jiān)測的方法，其特征在于 首先，通過光纖光柵網(wǎng)絡分析儀分析光纖光柵傳感器波長改變量的大小，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵O備基礎上各個測點出的應力變化； 然后，讀取不同時刻下選煤硐室設備基礎的應力分布狀況，判斷設備基礎是否產(chǎn)生傾斜，實現(xiàn)對選煤硐室底板的監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖光柵傳感的井下選煤硐室底板在線監(jiān)測裝置及方法，在通訊光纖上連接四個光纖光柵傳感器和一個光纖光柵溫度傳感器，四個光纖光柵傳感器布置在設備周圍的設備基礎的四個角部，通訊光纖的接入端或引出端連接光纖光柵網(wǎng)絡分析儀，光纖光柵網(wǎng)絡分析儀與計算機連接。通過光纖光柵網(wǎng)絡分析儀分析光纖光柵傳感器波長改變量的大小，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵O備基礎上各個測點出的應力變化，讀取不同時刻下選煤硐室設備基礎的應力分布狀況，判斷設備基礎是否產(chǎn)生傾斜，實現(xiàn)對選煤硐室底板的監(jiān)測。結(jié)構(gòu)簡單，易維護，測量精確，可安裝在設備基礎上，不影響井下選煤硐室設備工作和工作人員的安全，不受井下惡劣環(huán)境干擾，適用于井下各種設備硐室底板監(jiān)測。
文檔編號E21F17/18GK102926808SQ20121041696
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者薛曉, 張定群, 宋定宇, 李向江, 鄭揚冰, 羅祥, 徐志強, 董浩斌 申請人:南陽理工學院