基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统及方法与流程

1.本发明涉及地下矿山充填采矿技术领域，特别涉及基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统及方法。


背景技术：

2.由于充填采矿法兼具采场稳定性控制、提高资源回采率、地表固废处置等安全、环保、技术与经济功能，受到国家政策鼓励，多部门发文明确要求新建地下矿山首先要选用充填采矿法，不能采用的要经过设计单位或专家论证，并出具论证材料，因此，充填采矿法已成为非煤矿山主体采矿方法。作为充填采矿法的最主要功能，控制采场顶板、上覆岩层与地表沉降和变形的效果主要取决于充填能否接顶。由于工程原因，充填采矿法不可能实现百分之百的接顶充填，但应尽量提高接顶充填率，因为接顶充填率越高、地压控制效果越好，因此，各充填法矿山高度重视充填接顶状况，希望能够准确掌握各采场的充填接顶率，以便有针对性地采取相应措施。然而，由于进入接顶充填阶段，空间有限，肉眼无法实际观测，也难以布置仪器进行监测，而且充填料浆需要脱水，加之脱水后充填体存在二次沉缩，造成充填接顶状况时刻处于变化中，接顶充填率准确监测一直没有得到解决。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统及方法，通过提前吊挂分布式光纤应力传感器，可实现充填接顶状况的实时监测，最小监测点距仅为1m，确保接顶率监测结果的精准度，通过沿途光纤压力变化，可确定不同位置的接顶状况，进而计算出整个采空区接顶率指标，不仅实现了充填过程中接顶率的实施监测，而且对后期因充填体二次沉缩造成的充填接顶率变化也可实现动态监测，提高了接顶充填率监测的精准度和实效性，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统，包括顶板、填充体和填充泌水部，所述顶板的设置在填充体的顶部，填充体与顶板连接处设有填充泌水部，顶板的下表面设有光纤，光纤沿顶板的长度和宽度方向设置，光纤上设有若干分布式光纤应力传感器，分布式光纤应力传感器通过无线传输模块与监测系统连接，监测系统与外部显示器连接，监测系统用于监测充填料浆泌水接顶和固化后充填体接顶条件下光纤的应力值，并计算接顶填充率。
6.进一步地，所述分布式光纤应力传感器沿光纤布置的方向设置，每个分布式光纤应力传感器之间的距离为5～10m。
7.进一步地，所述监测系统包括数据采集模块、分析模块、显示模块和计算模块，数据采集模块收集记录分布式光纤应力传感器所采集的充填料浆泌水接顶和固化后充填体接顶条件下光纤的应力值，并将收集的数据传输至分析模块。
8.进一步地，所述分析模块根据数据采集模块所采集的数据对固体充填料在两个方
向上接顶连续长度、充填区域总长度和充填区域总面积的数值进行分析，分析完成后将数值传输至计算模块进行计算。
9.进一步地，所述计算模块用来计算只布置一个方向的分布式光纤应力传感器时的接顶充填率n1和布置两个方向的分布式光纤应力传感器时的充填率n2，计算完成后将计算的结果传输至显示模块显示在外部显示器上。
10.进一步地，所述接顶充填率n1的计算公式如下：
11.n1＝lj/l
t
×
100％
12.其中，lj为只布置一个方向的分布式光纤应力传感器时固体充填料接顶连续长度，l
t
为充填区域总长度。
13.进一步地，所述接顶充填率n2的计算公式如下：
14.n2＝lj×bj
/a
×
100％
15.其中，lj和bj为长度和宽度方向均设置分布式光纤应力传感器时固体充填料的接顶连续长度，a为充填区域总面积。
16.本发明提供另一种方案：基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：
17.步骤一：通过室内试验，确定光纤的初始应力值，以及充填料浆泌水接顶和固化后充填体接顶条件下光纤的应力值。
18.步骤二：在待充填采场或采空区的顶板下表面沿长度和宽度方向预先吊挂若干分布式光纤应力传感器，并设置应力监测点为p0、p1、p2、p3、
…
、pn，应力监测点距起始点距离分别为0、p1、p2、p3、
…
、pn。
19.步骤三：根据未接顶、泌水水接顶、固体充填料接顶的应力值，确定达到固体充填料接顶的点位和连续长度后进行接顶填充，接顶充填开始后，开启分布式光纤应力传感器6，直至接顶充填结束。
20.步骤四：当只布置一个方向的分布式光纤应力传感器时，根据固体充填料接顶连续长度lj和充填区域总长度l
t
的比值，计算接顶充填率n1，当在长度和宽度方向均布置分布式光纤应力传感器时，根据固体充填料在两个方向上接顶连续长度的乘积lj×bj
和充填区域总面积a的比值，计算接顶充填率n2，根据固化后充填体接顶长度，计算接顶充填率达到85％。
21.步骤五：进路充填结束个月后，重新启动分布式光纤应力传感器和监测系统，对接顶填充率进行再次计算，计算出接顶充填率略微降低到82％。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.1、本发明的基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统及方法，通过提前吊挂分布式光纤应力传感器，可实现充填接顶状况的实时监测，最小监测点距仅为1m，确保接顶率监测结果的精准度，在采空区顶部的最高位置提前布设分布式光纤，通过沿途光纤压力变化，可确定不同位置的接顶状况，进而计算出整个采空区接顶率指标，解决了采场充填接顶状况难以监测、评价的问题。
24.2、本发明的基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统及方法，通过设置分布式光纤应力传感器，不仅实现了充填过程中接顶率的实施监测，而且对后期因充填体二次沉缩造成的充填接顶率变化也可实现动态监测，提高了接顶充填率监测的精准度和实效
性。
附图说明
25.图1为本发明的基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统监测点位布置图；
26.图2为本发明的基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统模块连接；
27.图3为本发明的基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统的监测方法图。
28.图中：1、顶板；2、光纤；3、填充体；4、填充泌水部；5、监测系统；51、数据采集模块；52、分析模块；53、显示模块；54、计算模块；6、分布式光纤应力传感器。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.为了解决现有的矿山在进行接顶充填时，由于进入接顶充填阶段，空间有限，肉眼无法实际观测，也难以布置仪器进行监测，而且充填料浆需要脱水，加之脱水后充填体存在二次沉缩，造成充填接顶状况时刻处于变化中，接顶充填率准确监测一直没有得到解决的技术问题，请参阅图1-图3，本实施例提供以下技术方案：
31.基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统，包括顶板1、填充体3和填充泌水部4，顶板1的设置在填充体3的顶部，填充体3与顶板1连接处设有填充泌水部4，顶板1的下表面设有光纤2，光纤2沿顶板1的长度和宽度方向设置，光纤2上设有若干分布式光纤应力传感器6，分布式光纤应力传感器6沿光纤2布置的方向设置，每个分布式光纤应力传感器6之间的距离为5～10m，分布式光纤应力传感器6通过无线传输模块与监测系统5连接，监测系统5与外部显示器连接，监测系统5用于监测充填料浆泌水接顶和固化后充填体接顶条件下光纤2的应力值，并计算接顶填充率，进路充填结束3个月后，重新启动分布式光纤应力传感器6和监测系统5，对接顶填充率进行再次计算，计算出接顶充填率略微降低到82％。
32.具体的，通过提前吊挂分布式光纤应力传感器6，可实现充填接顶状况的实时监测，且分布式光纤应力传感器6设置多个，通过沿途光纤2压力的变化，可确定不同位置的接顶状况，进而计算出整个采空区接顶率指标，最小监测点距仅为1m，确保了接顶率监测结果的精准度，不仅实现了充填过程中接顶率的实施监测，而且对后期因充填体二次沉缩造成的充填接顶率变化也可实现动态监测，监测完成后将监测的结果通过外部显示器进行显示，使得用户能够清楚直观的了解充填接顶率，简单方便。
33.监测系统5包括数据采集模块51、分析模块52、显示模块53和计算模块54，数据采集模块51收集记录分布式光纤应力传感器6所采集的充填料浆泌水接顶和固化后充填体接顶条件下光纤2的应力值，并将收集的数据传输至分析模块52，分析模块52根据数据采集模块51所采集的数据对固体充填料在两个方向上接顶连续长度、充填区域总长度和充填区域总面积的数值进行分析，分析完成后将数值传输至计算模块54进行计算，计算模块54用来计算只布置一个方向的分布式光纤应力传感器6时的接顶充填率n1和布置两个方向的分布
式光纤应力传感器6时的充填率n2，当只布置一个方向的分布式光纤应力传感器6时，根据固体充填料接顶连续长度lj和充填区域总长度l
t
的比值，计算接顶充填率n1，当在长度和宽度方向均布置分布式光纤应力传感器6时，根据固体充填料在两个方向上接顶连续长度的乘积lj×bj
和充填区域总面积a的比值，计算接顶充填率n2，根据固化后充填体接顶长度，计算接顶充填率达到85％，进一步提高了接顶率监测结果侧准确性，计算完成后将计算的结果传输至显示模块53显示在外部显示器上。
34.接顶充填率n1的计算公式如下：
35.n1＝lj/l
t
×
100％
36.其中，lj为只布置一个方向的分布式光纤应力传感器6时固体充填料接顶连续长度，l
t
为充填区域总长度。
37.接顶充填率n2的计算公式如下：
38.n2＝lj×bj
/a
×
100％
39.其中，lj和bj为长度和宽度方向均设置分布式光纤应力传感器6时固体充填料的接顶连续长度，a为充填区域总面积。
40.为了更好的能够实现基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：
41.步骤一：通过室内试验，确定光纤2的初始应力值，以及充填料浆泌水接顶和固化后充填体接顶条件下光纤2的应力值。
42.步骤二：在待充填采场或采空区的顶板1下表面沿长度和宽度方向预先吊挂若干分布式光纤应力传感器6，并设置应力监测点为p0、p1、p2、p3、
…
、pn，应力监测点距起始点距离分别为0、p1、p2、p3、
…
、pn。
43.步骤三：根据未接顶、泌水水接顶、固体充填料接顶的应力值，确定达到固体充填料接顶的点位和连续长度后进行接顶填充，接顶充填开始后，开启分布式光纤应力传感器6，直至接顶充填结束。
44.步骤四：当只布置一个方向的分布式光纤应力传感器6时，根据固体充填料接顶连续长度lj和充填区域总长度l
t
的比值，计算接顶充填率n1，当在长度和宽度方向均布置分布式光纤应力传感器6时，根据固体充填料在两个方向上接顶连续长度的乘积lj×bj
和充填区域总面积a的比值，计算接顶充填率n2，根据固化后充填体接顶长度，计算接顶充填率达到85％。
45.步骤五：进路充填结束3个月后，重新启动分布式光纤应力传感器6和监测系统5，对接顶填充率进行再次计算，计算出接顶充填率略微降低到82％。
46.综上所述，本发明的基于光纤应力传感技术的接顶充填在线监测系统及方法，通过提前吊挂分布式光纤应力传感器6，对接顶充填时的充填料浆泌水接顶和固化后充填体接顶条件下光纤2的应力值进行监测，然后传输至数据采集模块51进行收集记录，然后将收集的数据传输至分析模块52，分析模块52根据数据采集模块51所采集的数据对固体充填料在两个方向上接顶连续长度、充填区域总长度和充填区域总面积的数值进行分析，分析完成后将数值传输至计算模块54进行计算，可实现充填接顶状况的实时监测，且最小监测点距仅为1m，确保了接顶率监测结果的精准度，在采空区顶部的最高位置提前布设分布式光纤2，通过沿途光纤2压力的变化，可确定不同位置的接顶状况，进而计算出整个采空区接顶
率指标，解决了采场充填接顶状况难以监测、评价的问题，通过分布式光纤应力传感技术，不仅实现了充填过程中接顶率的实施监测，而且对后期因充填体二次沉缩造成的充填接顶率变化也可实现动态监测，提高了接顶充填率监测的精准度和实效性。
47.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。