基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统及方法
技术领域
1.本发明涉及矿山安全监测技术领域，尤其是一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统及方法。
背景技术：2.煤矿顶板灾害是矿井地下开采中顶板岩石失稳冒落引发的灾害，由于其事故发生频率高、事故总量占比大，严重制约煤矿安全生产，因此顶板灾害防治非常必要。对顶板岩层运动的实时监测是防治顶板失稳关键手段之一，通过顶板岩层运动监测数据分析对可能出现的灾害进行预警，对于保障煤矿安全高效生产具有重要意义。
3.现有技术中，对于巷道顶板岩层运动的监测方法有很多，比如利用自动全站仪结合计算机组成巷道围岩变形量测及分析系统，使围岩变形非接触监测具有更好的可靠性和精度；三维激光扫描变形监测，具有快速性、动态性、数字化等特性，但是以上方法只能通过观测巷道围岩变形而无法监测顶板岩层内部运动过程；随着光纤传感技术的发展，分布式光纤变形监测系统凭借其具有分布式、长距离和实时性等优点，成为巷道围岩稳定性监测的研究重点，但由于光纤光栅自身材料特性，当巷道围岩或顶板产生较大位移时，容易发生断裂。另外现有的监测方式也无法实现对岩层位移及含水层水温水压变化的综合监测。为了实现大范围的岩层位移及含水层的综合监测，需要对现有的监测系统及监测方法做进一步的改进。
技术实现要素：4.为了实现大范围顶板岩层位移以及含水层的实时智能监测，本发明采用分布式同轴电缆法布里-珀罗干涉(coaxial cable fabry-perot interferometer，ccfpi)传感器，其本质是一定间隔分布的n个(n≥2)阻抗不连续点，作为电磁波反射点，其中任意两个反射点组成同轴电缆法布里-珀罗(f-p)单元，当两个反射点间距发生变化时，导致波谷发生频移。根据频移与应变关系，计算得到反射点间的应变值，并根据反射点间距得到反射点间位移值，从而确定顶板岩层沿钻孔轴线的应变和轴向位移的分布情况。本发明提供了一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统及方法。具体的技术方案如下。
5.一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，包括应变传感器、温度传感器、水压传感器、固定套管、终端负载、矢量网络分析仪、服务器和远程监测装置，所述应变传感器使用同轴电缆应变传感器，应变传感器端部连接终端负载和矢量网络分析仪，所述服务器接收应变传感器的特征频率并确定位移数据，远程监测装置根据监测的位移数据确定岩层的应变情况；多个应变传感器分别不同的方位布置，每个应变传感器分别连接矢量网络分析仪，各个矢量网络分析仪接入服务器，服务器整合不同方位的岩层应变信息；温度传感器、水压传感器配置在应变传感器上，应变传感器配置在固定套管内，固定套管通过浇筑固定在钻孔内。
6.优选的是，应变传感器包括公头连接器、接头压合器和同轴电缆，所述接头压合器
通过压线钳接入同轴电缆。
7.优选的是，同轴电缆在接头压合器处形成阻抗不连续点，在不连续点发生电磁波反射。
8.优选的是，固定套管包括直型套管和伸缩式套管，直型套管和伸缩式套管依次连接，同轴电缆黏贴在保护套管内。
9.优选的是，固定套管上还设置有活动锚钉、弹簧、限位器、牵引绳、拉环和吊环，活动锚钉尾端与弹簧相连接，多个活动锚钉分别穿过直型套管上的活动孔，活动锚钉的尾端还通过牵引绳串联。
10.优选的是，拉环设置在固定套管的端部，吊环设置在固定套管另一端的内部，牵引绳穿过吊环并与限位器相连，牵引绳通过拉环调节在固定套管内的长度。
11.优选的是，轴向应变εa计算式为：
12.εa＝αεf＝α(ε
f-ε
t
)
13.其中，εf为同轴电缆上的应变，ε
′f为电缆受力和温度综合作用产生的应变，ε
t
温度补偿传感测测得的应变值，α为应变传递系数。
14.一种基于ccfpi电缆应变传感器的岩层监测方法，利用上述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，步骤包括：
15.s1.根据地质条件和开采条件确定钻孔的长度和间隔；
16.s2.装配应变传感器、温度传感器、水压传感器和固定套管，确定温度传感器和水压传感器的位置；
17.s3.在采煤工作面上方施工布置钻孔，将固定套管安装入钻孔内，并调整活动锚钉插入钻孔的围岩中，向固定套管和钻孔之间的空隙注入水泥浆；在具有含水层分布的钻孔内，将固定套管端部限位器与地面或回采工作面固定，不需要向固定套管和钻孔间空隙注入水泥浆。
18.s4.将同轴电缆连接矢量网络分析仪，设置矢量网络分析仪的参数；
19.s5.重复步骤s3-4在多个钻孔分别进行监测，监测多个方向上的岩层位移监测多个方向上的岩层位移和含水层的水温、水压。
20.s6.将含水层位置钻孔内根据含水层位置，将固定套管安装入钻孔内，并调整活动锚钉插入钻孔的围岩中，监测多个方向上的岩层位移和含水层的水温、水压。
21.进一步优选的是，钻孔的直径大于固定套筒的直径，所述矢量网络200mhz，终止采用频率为6.0ghz；所述岩层发生位移，应变传感器的两个反射点间距随之发生变化，波谷同时发生频移，矢量网络分析仪得到反射点之间的应变。
22.进一步优选的是，在岩层中沿不同方向分别钻孔，远程监测装置对多个方向的岩层位移进行监测；温度传感器和水压传感器对含水层所在的区域进行监测。
23.本发明提供的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统及方法有益效果是，通过利用同轴电缆并分别设置终端负载和适配器，从而保证了各个监测线路独立，不会存在未被接入的同轴端口，也不会发生信号泄露和邻近设备信号介入干扰的问题；通过设置固定套管并进行注浆固定，使应变传感器与岩层形成变形协调整体，利用变传感器良好的延展性对大范围内的岩层变形进行有效监测；另外该系统还通过将终端负载与传输线之间的阻抗匹配，使所有的电磁能量全部吸收而无反射，既保证了信号的阻抗匹配，又
极大程度的减少了空置端口的信号泄露。
附图说明
24.图1是基于ccfpi电缆应变传感器的岩层位移监测方法流程图；
25.图2是电缆应变传感器的结构示意图；
26.图3是固定套管内部结构示意图；
27.图4是活动锚钉结构的放大图；
28.图5是活动锚钉调节的原理示意图；
29.图6是应变电缆和固定套管的结构示意图；
30.图7是电缆应变传感器向上钻孔布置方式示意图；
31.图8是电缆应变传感器向上钻孔布置方式平面图；
32.图9是电缆应变传感器向下钻孔布置方式示意图；
33.图10是电缆应变传感器向下钻孔布置方式平面图；
34.图11是电缆应变传感器测量岩层位移曲线示意图。
35.图中：1-公头连接器，2-接头压合器，3-应变传感器，4-温度传感器，5-密封塞，6-终端负载，7-同轴电缆，8-粘贴剂，9-直型套管，10-伸缩式套管，11-同轴电缆位移监测装置，12-矢量网络分析仪，13-服务器，14-远程监测中心，15-水泥砂浆，16-钻孔，17-地面，18-回采工作面，19-巷道，20-采空区，21-水压传感器，101-拉环，102-限位器，103-牵引绳，104-活动锚钉，105-密封孔，106-弹簧结构，107-吊环，201-岩层实际位移曲线，202-倾斜布置传感器监测位移曲线。
具体实施方式
36.结合图1至图11所示，对本发明提供的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统及方法的具体实施方式进行说明。
37.一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，包括应变传感器、温度传感器、水压传感器、固定套管、终端负载、矢量网络分析仪、服务器和远程监测装置。应变传感器和温度传感器相互配合实现对顶板岩层的监测，终端负载和矢量网络分析仪独立配合应变传感器避免信号泄露和干扰，服务器和远程监测装置能够对大范围的顶板监测数据进行处理，确定顶板岩层情况。
38.其中，应变传感器为同轴电缆应变传感器，应变传感器端部连接终端负载和矢量网络分析仪，服务器接收应变传感器的特征频率监测位移数据，远程监测装置根据监测位移数据确定岩层的应变情况。多个应变传感器分别沿水平方位布置，每个应变传感器分别连接矢量网络分析仪，各个矢量网络分析仪接入服务器，服务器整合不同方位的岩层应变信息，远程监测装置通过互联网实时读取服务器的监测数据，并获取处理顶板的监测信息。温度补偿传感器与应变传感器串联，应变传感器外部设置有保护套管。当顶板岩层发生沿钻孔轴向的位移时，ccpfi电缆应变传感器的两个反射点间距发生变化，导致波谷发生频移。根据频移与应变关系，通过矢量网络分析仪计算得到反射点间的应变值，根基反射点间距可以得到反射点间位移值，根据多个反射点间的位移值来确定顶板岩层沿钻孔轴线的应变和轴向位移的分布情况。
39.应变传感器包括公头连接器、接头压合器和同轴电缆，接头压合器通过压线钳接入同轴电缆。同轴电缆在接头压合器处形成阻抗不连续点，在不连续点发生电磁波反射，构成法布里-珀罗干涉腔，形成一个同轴电缆ccfpi应变传感单元。
40.保护套管包括直型套管和伸缩式套管，直型套管和伸缩式套管依次连接，同轴电缆黏贴在保护套管内。保护套管端部设置有密封塞，保护套管和同轴电缆安装在钻孔内。伸缩式套管可以选用橡胶材料等，或者是褶皱形波纹伸缩套管，对直型套管进行连接固定，还可以选用其他方便伸缩的结构。固定套管上还设置有活动锚钉、弹簧、限位器、牵引绳、拉环和吊环，活动锚钉尾端与弹簧相连接，多个活动锚钉分别穿过直型套管上的活动孔，活动锚钉的尾端还通过牵引绳串联。拉环设置在固定套管的端部，吊环设置在固定套管另一端的内部，牵引绳穿过吊环并与限位器相连，牵引绳通过拉环调节在固定套管内的长度。电缆应变传感器粘贴在固定套管上时，要施加0.1kn左右的预紧力，使电缆的初始状态保持在大约0.05％-0.1％的正应变。
41.一种基于ccfpi电缆应变传感器的岩层智能监测方法，利用上述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，步骤包括：
42.s1.根据地质条件和开采条件确定钻孔的长度和间隔；地质条件和开采条件包括工作面参数和钻孔柱状图等，根据工作面、埋深、采高、走向倾向长度以及覆岩特征预估采动影响覆岩变形范围，根据钻孔柱状图大致确定含水层的位置。
43.s2.装配应变传感器、温度传感器、水压传感器和固定套管，确定温度传感器和水压传感器的位置。
44.s3.在采煤工作面上方施工布置钻孔，将固定套管安装入钻孔内，并调整活动锚钉插入钻孔的围岩中，向固定套管和钻孔之间的空隙注入水泥浆；在具有含水层分布的钻孔内，将固定套管端部限位器与地面或回采工作面固定，不需要向固定套管和钻孔间空隙注入水泥浆。
45.s4.将同轴线缆连接矢量网络分析仪，设置矢量网络分析仪的参数。
46.s5.重复步骤s3-4在多个钻孔分别进行监测，监测多个方向上的岩层位移和含水层的水温、水压。
47.①
岩层位移监测
48.将同轴电缆位移监测装置通过sma连接器与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪将监测到的顶板位移监测数据通过总线连接到服务器，通过对不同监测方位的监测数据进行分析得到大区域的顶板岩层位移监测状况，远程监测中心通过互联网实时读取云端服务器的监测数据，并实时发布监测信息。
49.轴向应变εa计算式为：
50.εa＝αεf＝α(ε
f-ε
t
)
51.其中，εf为同轴电缆上的应变，ε
′f为电缆受力和温度综合作用产生的应变，ε
t
温度补偿传感测测得的应变值，α为应变传递系数。
52.测量时考虑温度影响下相对应变，实现温度补偿功能。
53.其中，钻孔方式根据监测范围需要可以分为以下两种：一是由地面向回采工作面顶板间自上而下钻孔，沿工作面回采方向每隔20～50m布置一个钻孔，每个钻孔布置在不同深度的岩层中，监测不同深度处岩层位移量，实现在地面实时监测不同位置处岩层的下沉
位移量；二是由巷道断面自下而上钻孔，每隔20～50m布置一个钻孔，钻孔方向与竖直平行或呈β角，钻孔深度为巷道上方破碎岩层区至稳定岩层区的理论计算高度，当钻孔与竖直方向平行时，根据电缆应变传感装置感测到的应变值，确定岩层位移区域，当钻孔与竖直方向呈β角时，根据s＝l
×
cosβ确定岩层位移区域，l为钻孔中岩层位移量。
54.②
含水层温度监测
55.不同深度岩层及含水层温度有一定差别，所采用的含温度传感器的电缆应变传感器，可根据不同深度温度变化判定含水层所在位置。因含水层间隔厚岩层，四季水温相对稳定，故将初次监测到的水层温度作为监测点水位的常温固定值c，当含水层发生破坏导致水源流失时，温度传感器监测为岩层或中间离层的温度。因此，当电缆中的温度传感器监测到的水温相较于常温固定值c产生变化时，说明含水层产生位移且可能发生破坏，在监测过程中，采取多点钻孔进行实时大范围监测，通过多个传感器监测的温度变化值，准确反演含水层温度变化范围。
56.③
含水层压力监测
57.当水压变化时,引起电缆应变传感器底部的弹性膜片受压力变化,压力不同引起弹性膜片形变量不同。经过传动机构，将弹性膜片的形变转化为电缆的形变,并最终转变为波谷频移。只要测出频移与水压变化之间的关系,就可以通过电磁波特性参量的变化来实时测量水压值。当水压值超出既定范围，立即向监测中心发送预警信息。
58.当任何一个测量的动态测量参数超出规定的阈值时，服务器接受到监测的动态参数信号，立刻通过互联网传递给远程控制中心，远程控制中心根据多个方位钻孔测量到的含水层动态参数，从而获取含水层破坏的程度和影响范围，以此降低发生突水等严重灾害的风险。
59.将安装好固定套管的应变传感器安装至不同深度的钻孔内，每个钻孔端部连接一个矢量网络分析仪，矢量网络分析仪通过分析同轴电缆监测的数据，得到不同深度处位移传感器所得到的相应位移的大小，实现在地面实时观测井下巷道顶板不同位置处的下沉量，继而将监测到不同位置岩层的下沉量作为评判巷道顶板岩层是否离层的标准。
60.其中钻孔的直径大于保护套筒的直径，矢量网络200mhz，终止采用频率为6.0ghz。顶板的岩层发生位移，应变传感器的两个反射点间距随之发生变化，波谷同时发生频移，矢量网络分析仪得到反射点之间的应变。在矢量网络分析仪上保存初始状态下特征波谷对应的频率值，在之后的每次测量时，直接连接上矢量网络分析仪，进行上述参数设置，保存此时的对应的特征波谷的频率值。
61.在顶板沿不同方向分别钻孔，远程监测装置对多个方向的顶板位移进行监测。电缆应变传感器可以对顶板的各个岩层进行监测，利用其延展性，且不会发生断裂，同轴线缆能够承受较大的应变，不会因为岩层发生体较大位移而发生失效。
62.该系统通过利用同轴电缆并分别设置终端负载和适配器，从而保证了各个监测线路独立，不会存在未被接入的同轴端口，也不会发生信号泄露和邻近设备信号介入干扰的问题；将终端负载与传输线之间的阻抗匹配，使所有的电磁能量全部吸收而无反射，既保证了信号的阻抗匹配，又极大程度的减少了空置端口的信号泄露。
63.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的
保护范围。
技术特征：1.一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，其特征在于，包括应变传感器、温度传感器、水压传感器、固定套管、终端负载、矢量网络分析仪、服务器和远程监测装置，所述应变传感器使用同轴电缆应变传感器，应变传感器端部连接终端负载和矢量网络分析仪，所述服务器接收应变传感器的特征频率并确定位移数据，远程监测装置根据监测的位移数据确定岩层的应变情况；多个应变传感器分别不同的方位布置，每个应变传感器分别连接矢量网络分析仪，各个矢量网络分析仪接入服务器，服务器整合不同方位的岩层应变信息；温度传感器、水压传感器配置在应变传感器上，应变传感器配置在固定套管内，固定套管通过浇筑固定在钻孔内。2.根据权利要求1所述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，其特征在于，所述应变传感器包括公头连接器、接头压合器和同轴电缆，所述接头压合器通过压线钳接入同轴电缆。3.根据权利要求2所述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，其特征在于，所述同轴电缆在接头压合器处形成阻抗不连续点，在不连续点发生电磁波反射。4.根据权利要求1所述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，其特征在于，所述固定套管包括直型套管和伸缩式套管，直型套管和伸缩式套管依次连接，同轴电缆黏贴在保护套管内。5.根据权利要求4所述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，其特征在于，所述固定套管上还设置有活动锚钉、弹簧、限位器、牵引绳、拉环和吊环，活动锚钉尾端与弹簧相连接，多个活动锚钉分别穿过直型套管上的活动孔，活动锚钉的尾端还通过牵引绳串联。6.根据权利要求4所述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，其特征在于，所述拉环设置在固定套管的端部，吊环设置在固定套管另一端的内部，牵引绳穿过吊环并与限位器相连，牵引绳通过拉环调节在固定套管内的长度。7.根据权利要求1所述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，其特征在于，轴向应变为ε
a
，计算式为：ε
a
＝αε
f
＝α(ε
′
f-ε
t
)其中，ε
f
为同轴电缆上的应变，ε
′
f
为电缆受力和温度综合作用产生的应变，ε
t
为温度补偿传感测测得的应变值，α为应变传递系数。8.一种基于ccfpi电缆应变传感器的岩层监测方法，利用权利要求1-7任一项所述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统，其特征在于，步骤包括：s1.根据地质条件和开采条件确定钻孔的长度和间隔；s2.装配应变传感器、温度传感器、水压传感器和固定套管，确定温度传感器和水压传感器的位置；s3.在采煤工作面上方施工布置钻孔，将固定套管安装入钻孔内，并调整活动锚钉插入钻孔的围岩中，向固定套管和钻孔之间的空隙注入水泥浆；s4.将同轴线缆连接矢量网络分析仪，设置矢量网络分析仪的参数；s5.重复步骤s3-4在多个钻孔分别进行监测，监测多个方向上的岩层位移和含水层的水温、水压。9.根据权利要求8所述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的岩层监测方法，其特征在
于，所述钻孔的直径大于固定套筒的直径，所述矢量网络200mhz，终止采用频率为6.0ghz；所述岩层发生位移，应变传感器的两个反射点间距随之发生变化，波谷同时发生频移，矢量网络分析仪得到反射点之间的应变。10.根据权利要求8所述的一种基于ccfpi电缆应变传感器的智能顶板位移监测方法，其特征在于，所述在岩层中沿不同方向分别钻孔，远程监测装置对多个方向的岩层位移进行监测；温度传感器和水压传感器对含水层所在的区域进行监测。
技术总结本发明提供了一种基于CCFPI电缆应变传感器的顶板岩层智能监测系统及方法，涉及矿山安全监测技术领域。该系统包括应变传感器、温度传感器、水压传感器、固定套管、终端负载、矢量网络分析仪、服务器和远程监测装置，应变传感器使用同轴电缆应变传感器，应变传感器端部连接终端负载和矢量网络分析仪，服务器接收应变传感器的特征频率监测位移数据，并分析确定岩层的应变情况及含水层的变化情况。布置该监测系统可以实现大范围的围岩位移监测，分别沿不同的方位布置钻孔，服务器整合不同方位的岩层应变信息、含水层的水温和水压变化，实现实时监测。该监测系统及方法可以实现大范围岩层位移及含水层水温水压的综合监测。移及含水层水温水压的综合监测。移及含水层水温水压的综合监测。
技术研发人员：赵同彬 王晓皓 谭彦 陈玏昕 郭伟耀
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
