基于光纤光栅的煤矿顶板隔水层稳定性监测系统及方法

摘要

一种基于光纤光栅的煤矿顶板隔水层稳定性监测系统，该监测系统在工作面回采巷道布置测站，在工作面回采巷道顶板钻垂直的顶板钻孔至隔水层，在钻孔顶端布置光纤光栅压力传感器，在位于隔水层与其下方岩层之间的钻孔高度处装设光纤光栅顶板离层仪，将光纤连接头引出钻孔的外部与光纤尾纤连接从而接入光纤分路器，通过通讯光纤连接到光纤终端盒，由矿用光缆连接至地面控制室的光纤解调仪，解调后信号传输至监控服务器，通过监控服务器对信号进行处理，通过矿井局域网将数据处理结果共享于客户端，通过计算机显示器实时监测隔水层的稳定状况，当所受应力接近隔水层承受上限且隔水层与其下方的上覆岩层出现离层时，及时进行预警。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿顶板隔水层稳定性监测系统及方法，具体是一种基于光纤光栅的 煤矿顶板隔水层稳定性监测系统及方法。

背景技术

我国煤矿多分布在缺水的北方和西北地区，许多矿区水资源短缺。开采实践证明，采 用造成的上覆岩层的运动，引起隔水层失稳，导致大量地下水资源流失，严重破坏了矿区 的生态环境。对此，我国学者进行了大量的研究实践，提出了实现可持续发展的保水开采， 即确保采动过程中隔水层的稳定性，使采区上方水体不流失。

目前，对隔水层稳定性的监测尚没有成形的方法，保水开采的成功与否，通过采空区 顶板漏水程度来进行预测，误差大，且不能及时反应隔水层的稳定性，错过了采取措施保 证隔水层稳定性的时机。

发明内容

技术问题：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种监测误差小、能够及时反应 隔水层稳定性的基于光纤光栅传感的煤矿顶板隔水层稳定性在线监测系统及方法。

技术方案：本发明通过如下技术方案实现：一种基于光纤光栅的煤矿顶板隔水层稳定 性监测系统，包括光纤解调仪、监控服务器、矿用光缆、光纤光栅压力传感器、光纤光栅 顶板离层仪、光纤尾纤、光纤终端盒、通讯光纤、光纤分路器；在工作面回采巷道布置监 测测站，所述的监测测站包括光纤光栅压力传感器和光纤光栅顶板离层仪；在顶板钻孔顶 端布置光纤光栅压力传感器，在顶板钻孔高度处，装设光纤光栅顶板离层仪；将光纤光栅 压力传感器与光纤光栅顶板离层仪的光纤连接头引出钻孔的外部并与光纤尾纤连接，光纤 尾纤接入光纤分路器，通过通讯光纤连接到光纤终端盒，到光纤终端盒通过矿用光缆连接 至地面控制室的光纤解调仪，光纤解调仪与监控服务器连接，监控服务器有计算机显示器。

所述的监控服务器内嵌有数据接收、数据处理，结果实时画面显示、列表显示、数据 存储、历史数据查询、临界应力值预警模块；同时该系统内嵌基于光纤光栅传感的隔水层 稳定性监测的软件系统。

监测系统的方法步骤如下：

（1）、在工作面回采巷道中每隔50m安装一个布置监测测站，在采煤工作面的回采 过后，监测采空区隔水层的稳定性；

（2）、在工作面回采巷道顶板钻垂直的顶板钻孔至隔水层，在钻孔顶端布置光纤光栅 压力传感器，在位于隔水层与其下方岩层之间的钻孔高度处，装设光纤光栅顶板离层仪；

（3）将光纤光栅压力传感器与光纤光栅顶板离层仪的光纤连接头引出钻孔的外部并 与光纤尾纤连接，光纤尾纤接入光纤分路器，通过通讯光纤连接到光纤终端盒，由矿用光 缆连接至地面控制室的光纤解调仪，将光信号传递至地面光纤解调仪，解调后信号传输至 监控服务器，通过监控服务器对信号进行处理，通过矿井局域网将数据处理结果共享于客 户端，通过计算机显示器实时监测隔水层的稳定状况，当所受应力接近隔水层承受上限且 隔水层与其下方的上覆岩层出现离层时，及时进行预警。

有益效果，由于采用了上述方案，将隔水层的光纤光栅应力测定情况及光纤光栅离层 仪的测定结果通过光纤尾纤连接到光纤终端盒，然后用矿用光缆连接到地面控制室的光纤 解调仪，然后将光信号通过监控服务器将数据传输至客户端，实现对巷道顶板隔水层的稳 定性监测，保证矿井的安全开采，达到绿色、保水开采的目的，解决了目前对隔水层稳定 性的监测误差大，不能及时反应隔水层稳定性的问题。

顶板隔水层将要失稳的判定方法是隔水层所受应力接近或超过隔水层承受应力上限 且隔水层与其下方的上覆岩层出现离层；该光纤光栅监测系统具有实时性，能够及时反映 顶板隔水层的稳定情况，若隔水层即将失稳，就要及时调整工作面及采空区的支护方案， 保证隔水层的稳定性，达到绿色、保水开采的目的；该监测系统的监测结果可通过局域网 实现多终端实时监测。

本发明具有以下优点：

1、方法系统、全面，便于实现，设备安装简单，使用寿命长，适于普遍推广应用；

2、井下不需供电，不存在电信号和电子器件，保证了现场安全；

3、采用全光测量和光纤传输，可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响；

4、能及时准确地提供隔水层稳定性监测结果，利于指导现场工作。

附图说明

图1为本发明的监测系统整体结构布置示意图。

图中，1、地面控制室；2、控制台；3、计算机显示器；4、光纤解调仪；5、监控 服务器；6、矿井局域网；7、煤矿科室终端；8、矿用光缆；9、监测测站；10、光纤 光栅压力传感器；11、光纤光栅顶板离层仪；12、顶板钻孔；13、钻孔封装粘结剂；14、 光纤尾纤；15、光纤终端盒；16、通讯光纤；17、光纤分路器；18、采空区；19、上覆 岩层；20、隔水层；21、含水层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

实施例1：一种基于光纤光栅传感的煤矿顶板隔水层稳定性在线监测系统，包括光纤 解调仪4、监控服务器5、矿用光缆8、光纤光栅压力传感器10、光纤光栅顶板离层仪11、 光纤尾纤14、光纤终端盒15、通讯光纤16、光纤分路器17；在工作面回采巷道布置监测 测站9，所述的监测测站9包括光纤光栅压力传感器10和光纤光栅顶板离层仪11；在顶 板钻孔12顶端布置光纤光栅压力传感器10，在顶板钻孔12高度处，装设光纤光栅顶板 离层仪11；将光纤光栅压力传感器10与光纤光栅顶板离层仪11的光纤连接头引出钻孔的 外部并与光纤尾纤14连接，光纤尾纤14接入光纤分路器17，通过通讯光纤16连接到光 纤终端盒15，到光纤终端盒15通过矿用光缆8连接至地面控制室1的光纤解调仪4，光 纤解调仪4与监控服务器5连接，监控服务器5有计算机显示器3。

所述的监控服务器内嵌有数据接收、数据处理，结果实时画面显示、列表显示、数据 存储、历史数据查询、临界应力值预警模块；同时该系统内嵌基于光纤光栅传感的隔水层 稳定性监测的软件系统。

监测系统的方法步骤如下：

（1）、在工作面回采巷道中每隔50m安装一个布置监测测站9，在采煤工作面的回采 过后，监测采空区18隔水层20的稳定性；

（2）、在工作面回采巷道顶板钻垂直的顶板钻孔12至隔水层20，在钻孔12顶端布 置光纤光栅压力传感器10，在位于隔水层与其下方岩层之间的钻孔12高度处，装设光纤 光栅顶板离层仪11；

（3）将光纤光栅压力传感器10与光纤光栅顶板离层仪11的光纤连接头引出钻孔的 外部并与光纤尾纤4连接，光纤尾纤4接入光纤分路器17，通过通讯光纤16连接到光纤 终端盒15，由矿用光缆8连接至地面控制室1的光纤解调仪4，将光信号传递至地面光纤 解调仪4，解调后信号传输至监控服务器5，通过监控服务器5对信号进行处理，通过矿 井局域网6将数据处理结果共享于客户端，通过计算机显示器3实时监测隔水层20的稳 定状况，当所受应力接近隔水层20承受上限且隔水层20与其下方的上覆岩层19出现离 层时，及时进行预警。

所述的光纤光栅压力传感器10、光线光栅顶板离层仪11和通讯光纤7串联在一起的 连接方式为光纤尾纤8通过光纤熔接机熔接连接在一起。

所述的监控服务器内嵌有数据接收、数据处理，结果实时画面显示、列表显示、数据 存储、历史数据查询、临界应力值预警模块；同时该系统内嵌基于光纤光栅传感的隔水层 稳定性监测的软件系统。

顶板隔水层将要失稳的判定方法是隔水层20所受应力接近或超过隔水层承受应力上 限且隔水层20与其下方的上覆岩层19出现离层；该光纤光栅监测系统具有实时性，能够 及时反映顶板隔水层的稳定情况，若隔水层即将失稳，就要及时调整工作面及采空区的支 护方案，保证隔水层的稳定性，达到绿色、保水开采的目的；该监测系统的监测结果可通 过局域网实现多终端实时监测。