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1、(10)申请公布号 CN 103743357 A (43)申请公布日 2014.04.23 CN 103743357 A (21)申请号 201410033068.X (22)申请日 2014.01.24 G01B 11/16(2006.01) (71)申请人 西安科技大学 地址 710054 陕西省西安市雁塔区雁塔路中 段 58 号 (72)发明人 李毅 柴敬 袁强 王帅 陈若跃 张桂花 (74)专利代理机构 西安西达专利代理有限责任 公司 61202 代理人 刘华 (54) 发明名称 一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置 (57) 摘要 本发明公开了一种监测岩石顶板变形的光纤 光栅离层装。
2、置。在巷道或隧道岩石顶板上方打一 个穿过多个层位的钻孔， 钻孔内安装不同深度的 锚头， 锚头一端由细钢丝引导至孔外， 另一端从顶 板离层仪的底座穿入， 穿过等强度梁后， 从底座的 另一端穿出， 再穿入导管内置的弹簧以及弹簧端 部连接的导向装置和绳卡锁紧装置， 然后从导管 穿出。 离层仪底座与导管通过外螺纹连接， 底座内 腔安装等强度梁， 并在其上粘贴有一个光纤光栅 传感器， 光纤上串联温度传感器， 尾纤与传输光缆 连接， 通过传输光缆与解调仪和电子计算机连接， 体积小、 灵敏度高、 频带宽、 耐高温、 耐腐蚀、 抗电 磁干扰、 远距离传输， 顶板离层全天候在线监测。 广泛用于隧道、 开拓巷道和。
3、回采巷道当中监测。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103743357 A CN 103743357 A 1/1 页 2 1. 一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置， 该离层装置由锚头、 钢丝绳、 光纤光栅 测量机构、 传输光缆、 解调仪、 网络服务器和计算机组成， 其特征在于在巷道或隧道岩石顶 板上方打一个穿过多个层位的钻孔， 在钻孔内安装至少三个不同深度的第一锚头 （A） 、 第二 锚头 （B） 和第三锚头 （C） ， 所述。
4、第一锚头 （A） 、 第二锚头 （B） 和第三锚头 （C） 一端分别用不 同长度的细钢丝一端连接并引导至孔外， 所述细钢丝另一端与钻孔外的记录装置连接， 每 个记录装置的内部分别安装有一个结构相同的光纤光栅测量机构， 所述光纤光栅顶板离层 仪由三套并行的测量机构组成， 每一个测量机构由同一个底座与其相应的一个导管一端连 接， 钢丝与任意一个锚头连接， 并穿过测量机构的底座与导管， 所述底座内腔连接一个等强 度梁， 所述等强度梁上粘贴有光纤光栅位移传感器， 所述位移传感器上的尾纤与传输光缆 一端连接， 所述传输光缆另一端与 FBG 解调仪连接， 所述 FBG 解调仪与计算机连接， 并可通 过网络。
5、上传至网络服务器。 2. 根据权利要求 1 所述一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层监测装置， 其特征在于 所述导管数量根据实际要求进行增加或减少。 3. 根据权利要求 1 所述一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层监测装置， 其特征在于 所述离层装置的量程超过 20cm 后， 可以通过拆卸绳卡重新校零。 权 利 要 求 书 CN 103743357 A 2 1/3 页 3 一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置 技术领域 0001 本发明涉及煤矿巷道顶板离层监测领域， 具体涉及一种监测岩石顶板变形的光纤 光栅离层装置。 背景技术 0002 巷道冒顶是煤矿中最常见的事故， 给煤矿的正常生产和工人生命。
6、安全带来严重的 威胁。 随着回采工作面防治顶板事故的技术和装备逐步提高， 工作面顶板事故率逐步下降。 但由于巷道锚杆支护技术装备的投入以及理论研究相对较弱， 特别是随着矿井开采深度的 增加， 地应力的加大， 巷道顶板事故发生率存在一直居高不下的问题。 0003 实践证明， 巷道顶板事故的发生基本上是有规律的， 只要能用正确的理论和手段 对顶板进行监测， 掌握其活动规律， 把顶板管理建立在科学的基础上， 顶板事故是可以预防 的。因此， 监测巷道顶板离层以及采取必要的应对手段和措施对预防事故的发生和保证安 全生产具有重大的意义。 0004 而传统机械式顶板离层监测仪器， 虽然结构较简单， 但存在测。
7、量精度往往较低、 量 程有限、 易锈蚀失灵、 无法实现顶板离层的实时动态监测等缺陷。因此， 发明了一种新型的 岩石顶板离层监测仪器。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种体积小、 灵敏度高、 频带宽、 耐高温、 耐腐蚀、 抗电磁干 扰、 可远距离传输， 在煤矿井下易燃、 易爆环境下可以安全工作， 实现顶板离层的全天 24 小 时在线监测的一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置。 0006 为了克服现有技术的不足， 本发明的技术方案是这样解决的 ： 一种监测岩石顶板 变形的光纤光栅离层装置， 该离层装置由锚头、 钢丝绳、 顶板离层仪、 传输光缆、 解调仪、 网 络服务器和计算机组成， 本发。
8、明的特殊之处在于在巷道或隧道岩石顶板上方打一个穿过多 个层位的钻孔， 在钻孔内安装至少三个不同深度的第一锚头、 第二锚头和第三锚头， 所述第 一锚头、 第二锚头和第三锚头一端分别用不同长度的细钢丝一端连接并引导至孔外， 所述 细钢丝另一端与钻孔外的记录装置连接， 每个记录装置的内部分别安装有一个结构相同的 光纤光栅测量机构， 所述光纤光栅顶板离层仪由三套并行的测量机构组成， 每一个测量机 构由同一个底座与其相应的一个导管一端连接， 钢丝与任意一个锚头连接， 并穿过测量机 构的底座与导管， 所述底座内腔连接一个等强度梁， 所述等强度梁上粘贴有光纤光栅位移 传感器， 所述位移传感器上的尾纤与传输光。
9、缆一端连接， 所述传输光缆另一端与 FBG 解调 仪连接， 所述 FBG 解调仪与计算机连接， 并可通过网络上传至网络服务器。 0007 所述导管数量根据实际要求进行增加或减少。 0008 所述离层装置的量程超过 20cm 后， 可以通过拆卸绳卡重新校零。 0009 本发明与现有技术相比， 具有体积小、 灵敏度高、 频带宽、 耐高温、 耐腐蚀、 抗电磁 干扰、 可远距离传输， 在煤矿井下易燃、 易爆环境下可以安全工作， 实现顶板离层的全天 24 说 明 书 CN 103743357 A 3 2/3 页 4 小时在线监测的特点， 经过解调仪处理的数据传输到计算机， 通过计算机就可以直观的了 解顶。
10、板离层量的信息。 同时， 还可以将解调仪接受的数据通过网络上传到网络服务器， 实现 信息的共享。可广泛用于隧道、 矿山开拓巷道和回采巷道的围岩内部离层变化。 附图说明 0010 图 1 为本发明的结构示意图 ； 图 2 为图 1 的顶板离层仪主视结构示意图 ； 图 3 为图 2 的俯视结构示意图 ； 图 4 为图 1 的力学传递关系简图 ； 图 5 为图 1 的离层仪标定实验曲线图。 具体实施方式 0011 附图为本发明的实施例。 0012 下面结合附图对发明内容作进一步说明 ： 参照图 1 图 3 所示， 一种监测岩石顶板变形的光纤光栅离层装置， 该离层装置由锚 头、 钢丝绳、 顶板离层仪、。
11、 传输光缆、 解调仪、 网络服务器和计算机组成， 在巷道或隧道岩石 顶板上方打一个穿过多个层位的钻孔， 在钻孔内安装至少三个不同深度的第一锚头 A、 第二 锚头 B 和第三锚头 C， 所述第一锚头 A、 第二锚头 B 和第三锚头 C 一端分别用不同长度的细 钢丝一端连接并引导至孔外， 所述细钢丝另一端与钻孔外的记录装置连接， 每个记录装置 的内部分别安装有一个结构相同的光纤光栅测量机构， 所述光纤光栅顶板离层仪由三套并 行的测量机构组成， 每一个测量机构由同一个底座与其相应的一个导管一端连接， 钢丝与 任意一个锚头连接， 并穿过测量机构的底座与导管， 所述底座内腔连接一个等强度梁， 所述 等强。
12、度梁上粘贴有光纤光栅位移传感器， 所述位移传感器上的尾纤与传输光缆一端连接， 所述传输光缆另一端与FBG解调仪连接， 所述FBG解调仪与计算机连接， 并可通过网络上传 至网络服务器。 0013 所述导管数量根据实际要求进行增加或减少。 0014 所述离层装置的量程超过 20cm 后， 可以通过拆卸绳卡重新校零， 位移传感器测量 长度的范围为 0-20cm， 精度可达 0.1cm。当测量长度大于传感器的测量范围 20cm 时， 可以 拆除钢丝绳的绳卡， 重新安装并改变零点位置。 重新设定零点后， 这样就可以实现多次分段 测量， 达到增大量程的目的。在测量现场如果要改变测量位置时， 可以将钢丝绳切。
13、断， 方便 快捷的回收该仪器， 并且能够最大限度的节约成本。 0015 实施例 1 本装置原理及结构是通过巷道顶板打一个穿过多个层位的钻孔， 在这个钻孔的孔内安 装三个不同深度的锚头 A、 B 和 C， 分别用不同长度的细钢丝引导至孔外， 在钻孔外有三个相 同的记录装置， 每个装置的内部分别安装有一个性能相同的光纤光栅位移传感器。整个顶 板离层仪高为 32-38cm， 底座直径为 15cm-18cm， 钢丝采用仪器专用钢丝绳， 钢丝绳断 面直径为 0.8mm， 每根钢丝绳由 49 条细钢丝编织而成， 满足使用的强度要求。 0016 图 4 所示， 该装置的结构紧凑布局合理， 受力变形呈线性变化。
14、， 准确记录了由于岩 层发生离层， 引起该层位锚头连接的钢丝绳长度发生的变化。钢丝绳将位移传递给与之相 说 明 书 CN 103743357 A 4 3/3 页 5 连的弹簧上， 使弹簧发生压缩并将力传递到等强度梁上， 造成等强度梁上粘贴的光纤光栅 的中心波长发生变化。 0017 本发明除实现顶板离层的在线监测以外， 还可以在井下通过人工读数的方法进行 顶板离层量的监测， 当顶板发生离层后， 位于离层上方的锚头所连接的钢丝被拉长， 致使导 管内的弹簧被压缩变形， 工人可以通过观察导管内弹簧端部所处的位置， 进行读数， 与上一 次读数进行对比， 就可以随时了解顶板的离层情况。 0018 另外为了。
15、克服温度的影响， 专门在圆盘底座里面粘贴一个不受力的光纤光栅， 如 果光纤光栅的中心波长仍旧有变化， 就应该是温度的变化造成的。在测量的过程中可以通 过温度补偿的方式， 排除温度对光纤光栅测量的影响。 0019 图 5 所示， 本发明完成后， 对其样机三个并行测量机构进行了标定实验， 结果如图 5 所示。通过实验结果我们可以看出， 光纤光栅波长漂移量与顶板离层量呈现良好的线性 关系， 达到了设计要求， 完全满足设计初衷。 说明本装置可以对岩石顶板离层量进行有效监 测。 0020 综上所述， 整个光纤光栅顶板离层装置监测系统如图 1 所示。顶板离层监测系统 主要由三部分构成 ： FBG 顶板离层仪监测顶板离层矿用光缆传输信号FBG 解调仪 进行光信号的处理。经过解调仪处理的数据传输到计算机， 通过计算机就可以直观的了解 顶板离层量的信息。 同时， 还可以将解调仪接受的数据通过网络上传到网络服务器， 实现信 息的共享。 说 明 书 CN 103743357 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103743357 A 6 2/2 页 7 图 5 说 明 书 附 图 CN 103743357 A 7 。