一种煤层底板偏应力监测方法、系统及装置

1.本发明公开涉及采矿相似模拟实验监测技术领域，具体地，涉及一种煤层底板偏应力监测方法、系统及装置。


背景技术：

2.相似模拟是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，并借助测试仪器观测模型内的力学参数及其分布规律，利用在相似模型上的研究结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及压力分布规律，从而解决工程生产中的实际问题。目前，在煤层底板受力监测的研究过程中，利用相似模拟材料来建立缩放一定的比例的相似模型，通过对模型作出相应的开挖来模拟工程活动，进而反演工程活动所产生的现象，借助位移和应力监测装置可定量研究工程活动过程中产生的位移和应力变化，是当前较为热门的研究手段。但是，煤层开采过程中煤柱载荷引起底板应力的变化应包括多方面的变化，如垂直应力、水平应力、剪应力。而以往的监测装置多关注垂直应力的变化，而对其他方面则关注较少。为此，在研究煤层底板偏应力变化时，需要掌握煤层开采过程中工作面前方以及巷道的偏应力大小和方向，来解决由于偏应力方向改变或偏应力值偏大引起的巷道底鼓及煤壁片帮等问题。


技术实现要素：

3.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开提供一种煤层底板偏应力监测方法、系统及装置。
4.根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种煤层底板偏应力监测方法，所述煤层底板偏应力监测方法应用于煤层底板偏应力监测系统，所述系统包括：煤层底板模拟实验台、分布式光纤传感器、呈长方体形状的硅胶块、光频域分析仪和处理器，所述分布式光纤传感器按照预设的分布方式布设于所述硅胶块内部，所述硅胶块设置于所述煤层底板模拟实验台内部，所述煤层底板模拟实验台内部包含煤层底板相似模拟材料，所述硅胶块位于所述煤层底板相似模拟材料底部，所述分布式光纤传感器的输出端与所述光频域分析仪的输入端相连，所述分布式光纤传感器的输入端与所述光频域分析仪的输出端相连，所述光频域分析仪与所述处理器相连；所述方法包括：
5.在所述煤层底板模拟实验台内的煤层底板相似模拟材料被施加模拟矿井下煤层底板受到的偏应力的过程中，通过所述光频域分析仪的输出端向所述分布式光纤传感器的输入端发送输入光信号；
6.通过所述光频域分析仪的输入端接收所述分布式光纤传感器的输出端发送的输出光信号；
7.通过所述光频域分析仪根据所述输出光信号获取应变值；
8.通过所述处理器对所述应变值进行分析，根据预设的应变值分析策略，获取所述相似模拟材料受到的偏应力大小和偏应力方向。
9.可选的，所述分布式光纤传感器包括：第一分布式传感器、第二分布式传感器和第三分布式传感器，所述第一分布式传感器、第二分布式传感器和第三分布式传感器嵌入所述硅胶块内部，在所述硅胶块的任一横截面中形成顶角为120
°
的等腰三角形，所述通过所述光频域分析仪根据所述输出光信号获取应变值，包括：
10.根据所述第一分布式传感器的输出端发送的第一输出光信号，确定第一应变值；
11.根据所述第二分布式传感器的输出端发送的第二输出光信号，确定第二应变值；
12.根据所述第三分布式传感器的输出端发送的第三输出光信号，确定第三应变值。
13.可选的，所述应变值分析策略包括：偏应力方向确定策略和偏应力大小确定策略，所述通过所述处理器对所述应变值进行分析，根据预设的应变值分析策略，获取所述相似模拟材料受到的偏应力大小和偏应力方向，包括：
14.根据所述第一应变值、第二应变值和第三应变值，通过所述偏应力方向确定策略，确定所述偏应力方向；
15.确定所述第一分布式传感器的第一敏感系数、第二分布式传感器的第二敏感系数和第三分布式传感器的第三敏感系数；
16.根据所述的第一敏感系数、第二敏感系数、第三敏感系数、第一应变值、第二应变值和第三应变值，通过所述偏应力大小确定策略，确定所述偏应力大小。
17.可选的，所述偏应力方向确定策略通过公式(1)表示，公式(1)为：
[0018][0019]
其中，θ为偏应力方向，ε1为第一应变值，ε2为第二应变值，ε3为第三应变值。
[0020]
可选的，所述偏应力大小确定策略通过公式(2)和公式(3)表示，公式(2)为：
[0021][0022]
其中，ε1′
为偏应变值，ε1为第一应变值，ε2为第二应变值，ε3为第三应变值；公式(3)为：
[0023][0024]
其中，p为偏应力大小，c1为第一敏感系数，c2为第二敏感系数，c3为第三敏感系数。
[0025]
根据本发明公开实施例的第二方面，提供一种煤层底板偏应力监测系统，其特征在于，所述系统包括：煤层底板模拟实验台、分布式光纤传感器、呈长方体形状的硅胶块、光频域分析仪和处理器，所述分布式光纤传感器按照预设的分布方式布设于所述硅胶块内部，所述硅胶块设置于所述煤层底板模拟实验台内部，所述煤层底板模拟实验台内部包含煤层底板相似模拟材料，所述硅胶块位于所述煤层底板相似模拟材料底部，所述分布式光纤传感器的输出端与所述光频域分析仪的输入端相连，所述分布式光纤传感器的输入端与所述光频域分析仪的输出端相连，所述光频域分析仪与所述处理器相连。
[0026]
可选的，所述分布式光纤传感器包括：第一分布式传感器、第二分布式传感器和第三分布式传感器，所述第一分布式传感器、第二分布式传感器和第三分布式传感器嵌入所述硅胶块内部，在所述硅胶块的任一横截面中形成顶角为120
°
的等腰三角形。
[0027]
根据本发明公开实施例的第三方面，提供一种煤层底板偏应力监测装置，所述装置应用于煤层底板偏应力监测系统，所述系统包括：煤层底板模拟实验台、分布式光纤传感器、呈长方体形状的硅胶块、光频域分析仪和处理器，所述分布式光纤传感器按照预设的分布方式布设于所述硅胶块内部，所述硅胶块设置于所述煤层底板模拟实验台内部，所述煤层底板模拟实验台内部包含煤层底板相似模拟材料，所述硅胶块位于所述煤层底板相似模拟材料底部，所述分布式光纤传感器的输出端与所述光频域分析仪的输入端相连，所述分布式光纤传感器的输入端与所述光频域分析仪的输出端相连，所述光频域分析仪与所述处理器相连；所述装置包括：
[0028]
光信号输入模块，在所述煤层底板模拟实验台内的煤层底板相似模拟材料被施加模拟矿井下煤层底板受到的偏应力的过程中，通过所述光频域分析仪的输出端向所述分布式光纤传感器的输入端发送输入光信号；
[0029]
光信号输出模块，与所述光信号输入模块相连，通过所述光频域分析仪的输入端接收所述分布式光纤传感器的输出端发送的输出光信号；
[0030]
光信号分析模块，与所述光信号输出模块相连，通过所述光频域分析仪根据所述输出光信号获取应变值；
[0031]
偏应力监测模块，与所述光信号分析模块相连，通过所述处理器对所述应变值进行分析，根据预设的应变值分析策略，获取所述相似模拟材料受到的偏应力大小和偏应力方向。
[0032]
可选的，所述分布式光纤传感器包括：第一分布式传感器、第二分布式传感器和第三分布式传感器，所述第一分布式传感器、第二分布式传感器和第三分布式传感器嵌入所述硅胶块内部，在所述硅胶块的任一横截面中形成顶角为120
°
的等腰三角形，所述光信号分析模块，包括：
[0033]
第一分析单元，根据所述第一分布式传感器的输出端发送的第一输出光信号，确定第一应变值；
[0034]
第二分析单元，与所述第一分析单元相连，根据所述第二分布式传感器的输出端发送的第二输出光信号，确定第二应变值；
[0035]
第三分析单元，与所述第二分析单元相连，根据所述第三分布式传感器的输出端发送的第三输出光信号，确定第三应变值。
[0036]
可选的，所述应变值分析策略包括：偏应力方向确定策略和偏应力大小确定策略，所述偏应力监测模块，包括：
[0037]
方向确定单元，根据所述第一应变值、第二应变值和第三应变值，通过所述偏应力方向确定策略，确定所述偏应力方向；
[0038]
敏感系数确定单元，与所述方向确定单元相连，确定所述第一分布式传感器的第一敏感系数、第二分布式传感器的第二敏感系数和第三分布式传感器的第三敏感系数；
[0039]
大小确定单元，与所述敏感系数确定单元相连，根据所述的第一敏感系数、第二敏感系数、第三敏感系数、第一应变值、第二应变值和第三应变值，通过所述偏应力大小确定策略，确定所述偏应力大小。
[0040]
综上所述，本发明公开涉及一种煤层底板偏应力监测方法、系统及装置，该方法应用于煤层底板偏应力监测系统，包括：在煤层底板模拟实验台内的煤层底板相似模拟材料
被施加模拟矿井下煤层底板受到的偏应力的过程中，通过光频域分析仪向分布式光纤传感器发送输入光信号并接收分布式光纤传感器发送的输出光信号；通过光频域分析仪根据输出光信号获取应变值；通过处理器根据预设的应变值分析策略，获取相似模拟材料受到的偏应力大小和方向。能够通过在煤层底板偏应力系统上施加模拟矿井下煤层底板收到的偏应力以及通过光频域分析仪采集，分析光纤传感器发出的光信号，获取偏应力的大小和方向，通过对偏应力的研究解决煤层开采过程中巷道底鼓及煤壁片帮等问题。
[0041]
本发明公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0042]
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
[0043]
图1是根据一示例性实施例示出的煤层底板偏应力监测方法的流程图；
[0044]
图2是根据一示例性实施例示出的煤层底板偏应力监测系统的结构示意图；
[0045]
图3是根据图2示出一种硅胶块内分布式光纤传感器的布设结构示意图；
[0046]
图4是是根据一示例性实施例示出的煤层底板偏应力监测装置的结构框图；
[0047]
图5是根据图4示出的一种光信号分析模块的结构框图；
[0048]
图6是根据图4示出的一种偏应力监测模块的结构框图。
具体实施方式
[0049]
以下结合附图对本发明公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
[0050]
图1是根据一示例性实施例示出的煤层底板偏应力监测方法的流程图，如图1所示，该方法应用于煤层底板偏应力监测系统，该系统如图2所示，包括：煤层底板模拟实验台210、分布式光纤传感器220、呈长方体形状的硅胶块230、光频域分析仪240和处理器250，该分布式光纤传感器按照预设的分布方式布设于该硅胶块内部，该硅胶块设置于该煤层底板模拟实验台内部，该煤层底板模拟实验台内部包含煤层底板相似模拟材料260，该硅胶块230位于该煤层底板相似模拟材料260底部，该分布式光纤传感器220的输出端与该光频域分析仪240的输入端相连，该分布式光纤传感器220的输入端与该光频域分析仪240的输出端相连，该光频域分析仪240与该处理器250相连；其中，该光频域分析仪240为nbx
‑
6055型号的光频域分析仪，该硅胶块230的长
×
宽
×
高分别为：900mm
×
40mm
×
20mm。该方法包括：
[0051]
在步骤101中，在该煤层底板模拟实验台内的煤层底板相似模拟材料被施加模拟矿井下煤层底板受到的偏应力的过程中，通过该光频域分析仪的输出端向该分布式光纤传感器的输入端发送输入光信号。
[0052]
示例地，在本发明公开实施例中，对煤层底板模拟实验台中的煤层底板相似模拟材料进行模拟煤层开扢，使得煤层底板模拟实验台原有的偏应力场发生变化，位于煤层底板相似模拟材料底部的硅胶块受力发生形变，从而影响到分布式光纤传感器向光频域分析仪发送的输出光信号。该输出光信号即可作为分析煤层底板模拟实验台内受到的偏应力大小的依据。
[0053]
在步骤102中，通过该光频域分析仪的输入端接收该分布式光纤传感器的输出端
发送的输出光信号。
[0054]
示例地，本发明公开实施例中光频域分析仪的输入端和输出端分别与分布式光纤传感器的两端(输入端和输出端)连接，光频域分析仪的输出端向光纤传感器发送用于测量的输入光信号，该输入光信号在光纤传感器内传递后形成输出光信号，并通过分布式光纤传感器的输出端传输至光频域分析仪中。
[0055]
在步骤103中，通过该光频域分析仪根据该输出光信号获取应变值。
[0056]
示例地，如图3所示，分布式光纤传感器220包括：第一分布式传感器l1、第二分布式传感器l2和第三分布式传感器l3，该第一分布式传感器l1、第二分布式传感器l2和第三分布式传感器l3嵌入该硅胶块230内部，在该硅胶块230的任一横截面中形成顶角为120
°
的等腰三角形。在硅胶块230内a、b和c点开矩形凹槽，槽内尺寸为120cm
×
0.2cm
×
2cm(长
×
宽
×
高)，将l1、l2和l3嵌入其中，该矩形凹槽长度为呈长方体形状的硅胶块的长度(即长方体的长度)，并在胶块中点o处，以顺时针方向彼此成120
°
的三角形排列，能够保证传感光纤之间的最大间距，进而将分布式光纤传感器定位和处理存在误差而造成的测量噪声降低到最小。该步骤103具体包括：根据该第一分布式传感器l1的输出端发送的第一输出光信号，确定第一应变值；根据该第二分布式传感器l2的输出端发送的第二输出光信号，确定第二应变值；根据该第三分布式传感l3器的输出端发送的第三输出光信号，确定第三应变值。
[0057]
另外，硅胶块采用705硅橡胶材料，能够将分布式光纤传感器封装于该硅胶块的凹槽中，该粘合剂(705硅橡胶材料)既能将传感器与硅胶块粘合，又能提供保护屏障。此外，热塑管为分布式光纤传感器提供保护外壳，以连接后续传感光纤。
[0058]
需要说明的是，本实验中将分布式光纤传感器(即l1、l2和l3)嵌入硅胶块内的具体步骤包括：(1)制作模具：本文以nbx
‑
6055光时域分析仪的最小空间分辨率为基准，制作封装标距为200mm硅橡胶偏应力传感器(即包含l1、l2和l3的硅胶块)。所以定制了一个长
×
宽
×
高为900mm
×
40mm
×
20mm的亚克力板模具，为了便于脱模在封装光纤偏应力传感器之前必须在模具的各个壁面上均匀的涂抹一薄层凡士林。(2)处理光纤：使用酒精对l1、l2和l3的表面进行擦洗，确保l1、l2和l3表面清洁，以加强l1、l2和l3与硅橡胶的粘合程度。(3)封装光纤：液体705硅橡胶总共分5次倒入模具，每次倒入模具的高度为4mm。其中，由于硅橡胶的固化依赖于空气中的水份，当倒入模具的高度较大时，距离表面深处的硅橡胶难以与空气中的水分接触，会直接影响其固化的时间和固化质量，甚至不会凝固。其中每连续两次的时间间隔为8小时。(4)脱模：待705硅橡胶完全固化之后，将其小心从模具中取出。(5)在矩形硅胶块的a、b和c点开矩形凹槽，槽内尺寸为120cm
×
0.2cm
×
2cm(长
×
宽
×
高)，将l1、l2和l3嵌入其中，该矩形凹槽长度为矩形硅胶块的整个长度，并在矩形硅胶块中点o处，以顺时针方向彼此成120
°
。将擦拭干净的l1、l2和l3放在模具的中轴处，并对l1、l2和l3施加一定的预应力，其目的是使其绷直，以免后续实验过程由于其没有绷直而对实验造成一定的误差。l1、l2和l3使用705硅橡胶封装在凹槽中，该粘合剂既能将传感器与矩形硅胶块粘合，又能提供保护屏障。此外，热塑管为l1、l2和l3提供保护外壳，以连接后续分布式光纤传感器。(6)后处理：刚制成的偏应力传感器整体较软，还需对其进行老化，待其老化结束后。使用光纤熔接机将光纤与带有fc
‑
apc接头的跳线进行熔接，以便进行标定实验与性能研究时使用。
[0059]
在步骤104中，通过该处理器对该应变值进行分析，根据预设的应变值分析策略，
获取该相似模拟材料受到的偏应力大小和偏应力方向。
[0060]
示例地，根据该第一应变值、第二应变值和第三应变值，通过该偏应力方向确定策略，确定该偏应力方向；确定该第一分布式传感器的第一敏感系数、第二分布式传感器的第二敏感系数和第三分布式传感器的第三敏感系数；根据该的第一敏感系数、第二敏感系数、第三敏感系数、第一应变值、第二应变值和第三应变值，通过该偏应力大小确定策略，确定该偏应力大小。
[0061]
其中，该偏应力方向确定策略通过公式(1)表示，公式(1)为：
[0062][0063]
其中，θ为偏应力方向，ε1为第一应变值，ε2为第二应变值，ε3为第三应变值。
[0064]
该偏应力大小确定策略通过公式(2)和公式(3)表示，公式(2)为：
[0065][0066]
其中，ε1′
为偏应变值，ε1为第一应变值，ε2为第二应变值，ε3为第三应变值；公式(3)为：
[0067][0068]
其中，p为偏应力大小，c1为第一敏感系数，c2为第二敏感系数，c3为第三敏感系数。
[0069]
另外，该系统还包括：数据存储分析仪；该数据存储分析仪与该处理器相连。该数据存储分析仪包括存储运行器、键盘、鼠标和显示器；该存储运行器分别与该处理器、键盘、鼠标和显示器相连。获取偏应力的大小和偏应力的方向后，还可以通过存储器对该偏应力的大小和方向以及对应的时间戳进行储存，当工作人员需要获取某一时间段内相似模拟材料受到的偏应力时，可直接通过数据读取器对存储器内的偏应力进行读取，获取表格形式或图表形式的偏应力变化过程。
[0070]
需要说明的是，获取第一敏感系数、第二敏感系数和第三敏感系数的具体步骤，包括：首先将分布式光纤传感器(即l1、l2和l3)通过光纤跳线连接到nbx
‑
6055光频域分析仪，经校准后，需运用水浴加热法对分布式光纤传感器的关键部位进行空间定位，并将空载时分布式光纤传感器的测试结果作为初始值保存下来。分布式光纤传感器进行偏应力测试时，要求对分布式光纤传感器能够提供均匀、稳定的径向偏应力，故本实验选用质地均匀的铁砖对其进行分级加载。首先在不记录数据的情况下对传感器施加至少3次预压，其次每次增加6.25kpa，共加载6次，加载到最大载荷37.5kpa，开始以相同的步距进行卸载。每级荷载加载完成后须稳载5min，以确保载荷处于稳定状态，然后使用nbx
‑
6055光纳仪进行数据采集。为了避免偶然性并减小测试误差，需对上述试验过程重复3次，最终选取三次测量结果的平均值作为测试的结果。根据每级荷载作用下三种不同厚度传感器测得的应变数据，然后对受压段的应变取平均值，可得到不同厚度下偏应力与应变之间的变化曲线图，其斜率即为偏应力与应变之间的灵敏度系数。
[0071]
图4是是根据一示例性实施例示出的煤层底板偏应力监测装置的结构框图，如图4所示，该装置应用于煤层底板偏应力监测系统，该系统包括：煤层底板模拟实验台、分布式
光纤传感器、呈长方体形状的硅胶块、光频域分析仪和处理器，该分布式光纤传感器按照预设的分布方式布设于该硅胶块内部，该硅胶块设置于该煤层底板模拟实验台内部，该煤层底板模拟实验台内部包含煤层底板相似模拟材料，该硅胶块位于该煤层底板相似模拟材料底部，该分布式光纤传感器的输出端与该光频域分析仪的输入端相连，该分布式光纤传感器的输入端与该光频域分析仪的输出端相连，该光频域分析仪与该处理器相连；该装置包括：
[0072]
光信号输入模块410，在该煤层底板模拟实验台内的煤层底板相似模拟材料被施加模拟矿井下煤层底板受到的偏应力的过程中，通过该光频域分析仪的输出端向该分布式光纤传感器的输入端发送输入光信号；
[0073]
光信号输出模块420，与该光信号输入模块410相连，通过该光频域分析仪的输入端接收该分布式光纤传感器的输出端发送的输出光信号；
[0074]
光信号分析模块430，与该光信号输出模块420相连，通过该光频域分析仪根据该输出光信号获取应变值；
[0075]
偏应力监测模块440，与该光信号分析模块430相连，通过该处理器对该应变值进行分析，根据预设的应变值分析策略，获取该相似模拟材料受到的偏应力大小和偏应力方向。
[0076]
图5是根据图4示出的一种光信号分析模块的结构框图，如图5所示，该分布式光纤传感器包括：第一分布式传感器、第二分布式传感器和第三分布式传感器，该第一分布式传感器、第二分布式传感器和第三分布式传感器嵌入该硅胶块内部，在该硅胶块的任一横截面中形成顶角为120
°
的等腰三角形，该光信号分析模块430，包括：
[0077]
第一分析单元431，根据该第一分布式传感器的输出端发送的第一输出光信号，确定第一应变值；
[0078]
第二分析单元432，与该第一分析单元431相连，根据该第二分布式传感器的输出端发送的第二输出光信号，确定第二应变值；
[0079]
第三分析单元433，与该第二分析单元432相连，根据该第三分布式传感器的输出端发送的第三输出光信号，确定第三应变值。
[0080]
图6是根据图4示出的一种偏应力监测模块的结构框图，如图6所示，该应变值分析策略包括：偏应力方向确定策略和偏应力大小确定策略，该偏应力监测模块440，包括：
[0081]
方向确定单元441，根据该第一应变值、第二应变值和第三应变值，通过该偏应力方向确定策略，确定该偏应力方向；
[0082]
敏感系数确定单元442，与该方向确定单元441相连，确定该第一分布式传感器的第一敏感系数、第二分布式传感器的第二敏感系数和第三分布式传感器的第三敏感系数；
[0083]
大小确定单元443，与该敏感系数确定单元442相连，根据该的第一敏感系数、第二敏感系数、第三敏感系数、第一应变值、第二应变值和第三应变值，通过该偏应力大小确定策略，确定该偏应力大小。
[0084]
综上所述，本发明公开涉及一种煤层底板偏应力监测方法、系统及装置，该方法应用于煤层底板偏应力监测系统，包括：在煤层底板模拟实验台内的煤层底板相似模拟材料被施加模拟矿井下煤层底板受到的偏应力的过程中，通过光频域分析仪向分布式光纤传感器发送输入光信号并接收分布式光纤传感器发送的输出光信号；通过光频域分析仪根据输
出光信号获取应变值；通过处理器根据预设的应变值分析策略，获取相似模拟材料受到的偏应力大小和方向。能够通过在煤层底板偏应力系统上施加模拟矿井下煤层底板收到的偏应力以及通过光频域分析仪采集，分析光纤传感器发出的光信号，获取偏应力的大小和方向，通过对偏应力的研究解决煤层开采过程中巷道底鼓及煤壁片帮等问题。实现偏应力数据的实时显示，并能计算出某时刻的偏应力场的偏应力等高线以及偏应力场，能够反映出煤层开采过程中，煤层底板受开采扰动形成的应力变化规律，从偏应力场角度研究相似模拟中开采扰动产生的各种灾害，在矿山安全与治理方面应用前景广阔。另外，整个实验系统采用模块化组装方式，方便拆卸与安装，操作稳定，可重复性较强。
[0085]
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
[0086]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0087]
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。