科创中国

技术领域

[0001] 本发明涉及一种煤矿巷道锚杆群应力监测系统，尤其是一种煤矿巷道分布式光纤光栅锚杆群应力监测系统。

背景技术：

[0002] 近年来，随着采矿技术的不断提高，我国煤矿行业得到更好更快的发展。作为我国其他工业行业发展的基础，煤矿的安全生产对社会进步和国民经济的提高发挥着非常重要的作用。但是，随着煤矿开采深度的不断增大，煤矿的矿山压力显现更为明显，造成的灾害也越来越严重，如顶板冒落、巷道变形、冲击矿压等事故频繁发生，已经成为影响煤矿安全生产的重要因素，严重威胁着煤矿的生产安全和从业人员的生命安全。为了保证煤矿巷道开挖后围岩的稳定，防止出现围岩大面积垮落或者产生过大变形而影响煤矿安全生产，现有煤矿一般采取巷道掘进后立即进行支护措施；近年来，锚杆作为巷道支护的主要工具，在采矿工程领域应用越来越广泛，对锚杆支护过程中受力的监测也受到足够的重视。

[0003] 锚杆支护属于隐蔽性工程，支护效果不好就可能导致顶板垮落、两帮片落、工作面切眼等巷道围岩灾害的发生。因此，在锚杆支护施工以后，必须对锚杆受力分布和大小进行全面、系统的监测，判断巷道围岩的稳定程度和安全性。目前，对锚杆受力监测均是对单根锚杆进行的，监测手段多为电阻应变片式测力锚杆、液压式锚杆测力计，虽然能够测量出锚杆受力的大小与分布，但是不能反映相邻锚杆群及围岩之间的耦合关系，况且采用人工间断观测和采集，监测结果滞后且获得的数据误差较大，测站断点式分布，不连续，易受电磁干扰；并且，现在煤矿巷道长度较长，对单根锚杆进行受力监测，工作量较大，操作不方便，既费工时，又不经济，对实现煤矿矿井巷道全方位在线实时监测相当困难。

发明内容

[0004] 本发明的目的是要提供一种测量精度高、抗干扰能力强、可连续测量锚杆群杆体受力，监测数据误差小、可实时在线监测的煤矿巷道分布式光纤光栅锚杆群应力监测系统。

[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0006] 一种煤矿巷道分布式光纤光栅锚杆群应力监测系统，包括回采巷道锚杆支护应力监测子系统、掘进巷道锚杆支护应力监测子系统和工作面切眼锚杆支护应力监测子系统；上述三个锚杆支护应力监测子系统均包括若干个监测分站，每一个监测分站均监测顶板锚杆和两帮锚杆受力，每一个锚杆支护应力监测子系统的监测分站内的顶板锚杆和两帮锚杆通过通讯光纤串联在一起，三个锚杆支护应力监测子系统的引出端通讯光纤通过光纤接线盒与矿用传输光缆连接，矿用传输光缆与光纤光栅静态解调仪的输入端口连接，光纤光栅静态解调仪将输入的波长信号解调为电信号，光纤光栅静态解调仪的输出端口与计算机数据处理系统连接，计算机数据处理系统通过服务器和煤矿局域网将处理后的监测数据与地面计算机共享，形成煤矿巷道锚杆群受力分布式、全方位在线实时监测系统。

[0007] 所述的监测分站根据煤矿的地质条件和开采技术条件确定数量，在地质条件较差的地方多设置锚杆的数量。

[0008] 所述的顶板锚杆和两帮锚杆均为光纤光栅测力锚杆，锚杆的长度为180mm-240mm，在锚杆杆体的两侧对称刻一深为***、宽度为2mm左右的凹槽，通过环氧胶将光纤光栅固定在凹槽内，并在锚杆的尾部引出光纤连接线。

[0009] 所述的顶板锚杆和两帮锚杆串联在一起的连接方法为光纤连接线通过光纤熔接机熔接或者通过光纤耦合器连接为一体。

[0010] 所述的光纤光栅静态解调仪的输出端口通过网络接口或者RS232接口或USB接口与计算机数据处理系统连接。

[0011] 所述的计算机数据处理系统具体包括以下子系统：

[0012] （1）输入子系统，根据矿井情况人工键入设置锚杆参数和锚杆受力的报警阈值；

[0013] （2）管理子系统，对监测数据自动存储，并可以历史查询以及数据信息共享；

[0014] （3）分析子系统，对监测数据进行趋势分析，参数关联分析和对比分析；

[0015] （4）输出子系统，在线动态显示监测参数数据，生成综合报表和受力曲线图，输出具有危险性的综合预测和超限报警情况，并具有打印功能。

[0016] 有益效果，由于采用了上述方案，利用光纤将巷道内的帮锚杆和顶板锚杆串联，形成以分布式传感技术为手段的光纤光栅锚杆群应力监测网络。利用粘贴在锚杆杆体上的光纤光栅作为传感元件，实现锚杆受力的测量。当锚杆所在区间的围岩变形时，由于粘结力或摩擦力使锚杆变形，同时锚杆束缚围岩变形，便使锚杆产生轴向力，另外锚杆端部的螺母拉紧又产生附加轴向力。锚杆受力将会产生表面微小变形，使得贴在锚杆上的光纤光栅的栅距就会随其发生变形，将会导致光纤光栅的反射中心波长产生漂移，每个测力锚杆的光纤光栅中心波长值均不相同，利用光纤光栅静态解调仪将不同的波长信号解调为电信号，通过计算机数据处理系统对电信号进行后期处理，界面动态显示实时监测数据和锚杆受力曲线图，并进行锚杆受力趋势分析和超限报警，实现煤矿巷道锚杆群应力实时监测系统，全面的了解锚杆受力状况，为提高巷道围岩的稳定性和安全性提供依据，保障煤矿安全高效生产。

[0017] 本发明首次提出煤矿巷道分布式光纤光栅锚杆群应力监测系统，锚杆群应力监测网络采用串联的结构，利用熔接技术或光纤耦合器将光纤光栅测力锚杆的光纤连接线熔合为一体，减少了光纤信号传播时的损耗，提高了锚杆受力监测的准确度。同时本发明利用的光纤光栅作为传感元件，为现场无源工作，本质安全，代替了传统的带电工作传感器，提升了煤矿工作的安全系数，系统采用全光纤进行光信号传输，以光信号作为信息载体，可靠性高，不受煤矿中水、瓦斯及其他电磁辐射的影响，抗干扰能力强。传输距离远，适应煤矿巷道长距离监测。系统对煤矿巷道锚杆群全面主动监测，减少了对单根锚杆监测时工作量程度，省时省力，安装方便，同时降低了监测费用，对实现煤矿矿井巷道全方位在线实时监测有深远的影响。