一种基于分布式光纤传感技术的导水裂隙带高度监测装置

1.本实用新型涉及导水裂隙带监测技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感技术的导水裂隙带高度监测装置。


背景技术：

2.煤层开采以后，采动影响的覆岩不仅会发生变形甚至会发生大范围的破裂，直至地表沉陷。煤矿井下覆岩采动变化，形成竖向三带分区：冒落带、裂缝带和弯曲下沉带。冒落带和裂隙带组成导水裂隙带，这是流体，包括水和瓦斯等的运移通道和富集区域。导水裂隙带是造成煤矿瓦斯爆炸事故和井下突水淹井事故的主要原因。当前导水裂隙带高度发育规律预测是煤矿防治瓦斯事故和水害治理的前提，也是主要的手段之一。因为煤矿事故严重阻碍了煤矿的安全生产，一方面造成人员伤亡和财产损失；另一方面停工停产甚至报废工作面，造成极大的煤炭资源浪费，采取措施预防煤矿事故发生是当今煤矿工作者面临的一个挑战。瓦斯爆炸、煤矿突水事故、煤尘爆炸、井下火灾，煤尘和瓦斯涌出六大煤矿严重事故，都与煤层采动覆岩破坏变形有关。导水裂隙带是煤矿井下岩层内瓦斯和水体运移的通道和富集的场所，导水裂隙带高度的监测对于防治煤矿瓦斯爆炸事故和井下突水淹井事故起着至关重要的作用。
3.目前常用的导水裂隙带测试方法主要有“钻孔冲洗液法、井下仰孔注水测漏法、钻孔深部基点法、超声成像及数字测井法、超声波穿透法、电法、微震探测、钻孔电视法等。但是这些传统的导水裂隙带高度的监测方法在实际应用中存在几个实质性缺陷，如定量程度低、严重依赖个人主观判断、都是点式观测方式等难以反映实际现场采矿引起的上覆岩体变形和破坏和准确预测导水裂隙带高度。特别是，这些方法不能准确、动态地反映开采过程中上覆岩层应变变化、变形和破坏的整个过程。传统的监测技术和方法的上述缺陷严重阻碍了人们对覆岩变形破坏导致的导水裂隙带高度的准确监测，影响了人们对矿山地质灾害的正确判断和防控措施的实施。


技术实现要素：

4.针对上述的问题，本实用新型提出一种基于分布式光纤传感技术的导水裂隙带高度监测装置，该装置能够准确监测煤矿井下采煤过程中导水裂隙带发育的动态高度，进行导水裂隙带随工作面开采的动态高度发育规律预测，为有效实施防治瓦斯和水害事故提供有效的基础数据。为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。
5.一种基于分布式光纤传感技术的导水裂隙带高度监测装置，包括：光缆线、导向管和全分布式光纤应变分析仪。其中：所述光缆线是由一根光缆弯折成的倒“u”型结构，从而使光缆线分为左部光缆、弯曲部光缆和右部光缆。所述导向管位于该倒“u”型结构中，其左部光缆和右部光缆分别位于导向管的两侧管壁上且沿着管壁的长度方向分布，所述弯曲部光缆位于导向管的顶端端部，且光缆线与导向管连接为整体后共同导入并固定在钻孔中，所述钻孔为一条沿着覆岩垮落线开设的倾斜仰孔。所述光缆线的两端均与全分布式光纤应
变分析仪连接。
6.进一步地，所述钻孔的倾角小于垮落线的垮落角3～5
°
。
7.进一步地，所述光缆线通过捆绑部件绑扎在导向管上，以防止光缆线从导向管上脱落。
8.进一步地，所述导向管与钻孔之间通过注浆材料填充，以便于保证钻孔中的光缆线与上覆岩层同步耦合变形。
9.进一步地，所述导向管的顶端固定有一个锥形头，以便光缆成为u型弯折，防止光损过大现象发生。
10.进一步地，所述光缆线为钢绞线光缆，这种光缆线具有更好的强度，便于安装在钻孔中。
11.进一步地，所述光缆线的两端分别与钻孔外部的两根普通通信光缆熔接在一起，所述两根普通通信光缆均与全分布式光纤应变分析仪连接。
12.进一步地，所述钻孔的下端口位于采煤工作面的进风巷中，进风巷是新鲜风流吹入的通道，方便光纤的布设以及实际监测操作。
13.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
14.(1)本实用新型的监测装置根据煤层采出以后，上覆岩层在采空区垮落形成的垮落线布设光缆沿着垮落线进行钻孔打设，再将光缆布设到钻孔中，这样保证光缆一方面可以实时测试导水裂隙带的发育高度，另一方面光缆不会受到岩层垮落而破断的影响，从而可以准确监测煤矿井下采煤过程中导水裂隙带发育的动态高度，进行导水裂隙带随工作面开采的动态高度发育规律预测，为有效实施防治瓦斯和水害事故提供有效的基础数据。
15.(2)采用本实用新型的这种监测装置可以简单地从应变峰值和应变平台拐点来判别冒落带和导水列带的高度。测量精度可达0.05m，且该技术位置标定准确，对于导水裂隙带高度的预测更加准确，而且这种监测方案操作简便易行，易于推广应用。
附图说明
16.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
17.图1为本实用新型实施例中钻孔的分布示意图。
18.图2为本实用新型实施例中基于分布式光纤传感技术的导水裂隙带高度监测装置的结构示意图。
19.图3为本实用新型实施例中光缆线和导向管的结构示意图。
20.图中标记代表：1-光缆线、2-导向管、3-钻孔、4-全分布式光纤应变分析仪、5-捆绑部件、6-锥形头、7-进风巷、k-垮落线。
具体实施方式
21.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本实用新型使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
22.参考图1至图3，以采煤过程中导水裂隙带高度监测为例，详细说明本实用新型的这基于分布式光纤传感技术的导水裂隙带高度监测装置，其包括：光缆线1、导向管2和全分布式光纤应变分析仪。其中：所述光缆线1为钢绞线光缆，这种光缆线具有更好的强度，便于安装在钻孔3中。
23.参考图3，所述光缆线1是由一根光缆弯折成的倒“u”型结构，从而使光缆线1分为左部光缆、弯曲部光缆和右部光缆。所述导向管2位于该倒“u”型结构中，其左部光缆和右部光缆分别位于导向管2的两侧管壁上且沿着管壁的长度方向分布，所述弯曲部光缆位于导向管2的顶端端部。所述导向管2为pvc管，
24.参考图1，所述钻孔3为一条沿着覆岩垮落线k开设的倾斜仰孔。所述钻孔3的下端口位于采煤工作面的进风巷7中，进风巷7是新鲜风流吹入的通道，方便光纤的布设以及实际监测操作。钻孔的打设由进风巷的顶板仰孔向上，并向覆岩内延伸。钻孔的垂直投影高度需要超过导水裂隙带高度的计算数值。
25.参考图2，所述光缆线1通过捆绑部件5绑扎在导向管2上形成整体后共同导入并固定在钻孔3中，且光缆线1一直延伸至钻孔3的孔底处。所述导向管2与钻孔3之间通过注浆材料填充，以便于保证钻孔3中的光缆线1与上覆岩层同步耦合变形，注浆时对钻孔3进行封孔。所述光缆线1的两端分别与钻孔3外部的两根普通通信光缆熔接在一起，所述两根普通通信光缆均与全分布式光纤应变分析仪连接4。
26.在另一优选的实施例中，所述钻孔3的倾角小于垮落线k的垮落角3-5度，这样就使钻孔3的下半部分在采空区的覆岩垮落带以外，不会直接受覆岩垮落的直接作用，有助于现场监测的顺利实施。垮落角可以由煤矿生产单位根据实际生产实践提供。
27.继续参考图3，在另一优选的实施例中，所述导向管2的顶端固定有一个锥形头6，以便光缆成为u型弯折，防止光损过大现象发生。
28.采用本实用新型的这种监测装置时，只需要沿着覆岩垮落线打设一个钻孔，借助导向管2将光缆线1布设到钻孔3中，采用全分布式光纤应变分析仪连接4(如botdrav6419)进行应变分布监测即可，通过botdr实时监测钻孔中光缆随工作面采煤而形成的覆岩采动变形，进而通过光纤应变曲线分布实时判断导水裂隙带高度的动态发育过程。这样随着工作面采煤不断采出，工作面不断向前推进逐渐接近钻孔、通过钻孔和远离钻孔。这时采空区覆岩层从下向上逐渐垮落、断裂和出现裂缝，导致钻孔中的光缆出现峰值和台阶分布的应变变化曲线，据钻孔中光纤的应变曲线，根据光纤应变峰值的位置可以得到覆岩冒落带高度的位置；根据应变台阶转折位置可以得到导水裂隙带高度的位置。将光缆应变曲线和岩层位置对应起来，可以准确判别导水裂隙带高度随着采煤工作面的不断推进，其高度在不同岩层上不断向上发展的动态发育规律，并可以实时得到不同时刻导水裂隙带的动态高度，从而实现了连续分布式的实时监测导水裂隙带发育的动态高度，对于煤矿进行采煤生产设计、进行瓦斯抽放和水害治理具有重要的帮助作用。
29.最后，需要说明的是，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。