一种矿柱-顶板支撑体系的监测系统和监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于分布式光纤复合多向应力格栅的矿柱

【技术实现步骤摘要】
一种矿柱
‑
顶板支撑体系的监测系统和监测方法


[0001]本专利技术涉及地下矿山开采过程中遗留矿柱
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顶板体系的稳定控制与监测方法，具体是一种基于分布式光纤传感器复合多向应力格栅的矿柱
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顶板体系稳定控制与监测方法。

技术介绍

[0002]地下矿山开采需留设大量的矿柱作为支撑，矿柱与相邻顶板形成协同支撑体系保障采矿区域安全回采作业，小至采场内凿岩硐室，大至采空区，均需矿柱
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顶板体系维持其采矿过程中的稳定性。但据统计，地下矿山一半的事故均源于矿柱
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顶板支撑体系的失稳破坏，且在深部高地应力矿井中更为突显。当前，大面积采空区周围矿柱或顶板主要采用微震监测技术，但其传感器为点式分布的内部监测，即仅在指定多个位置进行钻孔，并在每个孔内安装一个传感器，将剩余空间采用混凝土浇筑使传感器固定于周围岩体便于实现微震监测。
[0003]上述监测方法带来的弊端是1.传感器只单个布置于岩体内部，从而无法及时反馈矿柱或顶板的破裂滑动行为，且无法预警首先发生破坏的岩体表面行为。2.钻孔数量较少，导致监测的辐射区域小，如果关键监测点未被监测，则可能导致数据偏差变大，降低了参考性，数据受噪声影响大，后续需人工分析处理，常出现误判、难以有效预警的现象。3.危险矿山区域需尽量减少钻孔数量，因此难以平衡监测准确度和操作安全性。4.安装、系统化应用成本高。
[0004]因此，至今缺少一种体系化、高精度、韧性可靠、低成本、适用于矿柱复杂形状的矿柱r/>‑
顶板柔性监测方法，对于地下矿山安全开采具有重要意义和应用价值。
[0005]近年来，随着计算机和通讯技术的发展，光纤传感器监测、分布式光纤监测等得到快速推广和应用。例如，专利CN106092304A提供了一种用于监测爆破振动的分布式光纤传感器系统，将传感器以阵列式排布于铝板上监测爆破振动的短持时波形曲线；专利CN113932944A提供了一种用于监测土地内部位移、应变和温度的系统及方法，采用双层土工格栅外表面捆绑光纤传感器方式并埋入一定深度土体内部，以实现滑坡等地质灾害的长期监测与预警；专利CN114017121A提供了一种基于应变场的冲击地压实时监测系统及预警方法，在煤体中钻凿一排平行炮孔，孔内加装内置光纤传感器的金属套管并一一串联，以实现冲击地压应变监测和预警。
[0006]以上监测方法，存在以下缺陷：
[0007]1.单一的阵列式光纤(光栅)排布或将光纤(光栅)传感器附着于阵列式土木格栅外侧的监测方式，目的在于实现传感器的阵列布置，且仅能利用“井”字形土工格栅的外形，由于上述方法记载了需要利用土工格栅的平面结构和立体结构增强了土工格栅与土体的摩擦强度和抗滑能力(参见CN113932944的26段)，因此其是无法变形的，因此上述光栅排布无法利用土工格栅的自有承载作用。
[0008]2.现有微震监测仅能实现岩体内部的多点监测，即使采用钻凿平行孔，也是采用
光纤传感器替代传统内部点源传感器，并结合套管实现内部监测，仍然只是进行了内部监测；微震监测目前还无外部岩体表面监测技术，主要受限于岩体表面监测传感器不仅要适应矿柱和顶板几何形态紧密贴合要求才能监测到表面数据，还要求支护材料具有足够的承载力保证表面岩体的稳定性。虽已有表面柔性分布式光纤应用于监测爆破振动等情景，然而在监测爆破振动的过程中其测量数据不受柔性分布承载力的影响，即其测量数据和测量结果并未利用柔性分布的柔性功能，且监测的数据和产生的实验目的均不同，因此无技术启示。而矿柱或顶板是具有稳定性本质要求的工程条件，因此无法类推。此外，在一些现有技术中，内部或外部单一的监测方式无法系统反馈矿柱群体系的表面破坏、剥落过程和内部应力变化，无法实现内外部实时动态协同监测，导致当前预警系统往往存在延迟预报的问题。
[0009]3.无论传统的微震监测系统，还是已提出的光纤相关的监测系统，均需单独架整套监测系统，包括传感器、独立的数据线路、数据存储和分析硬软件平台、数据预警平台，这种独立建设的方式适用于简单、近距离工程情景，但应用于地下矿山时，特别是当前越来越多的矿山开采深度已超过1000m，传统的微震监测系统需要在竖向井筒、巷道中布置长距离线路，才能实现地下矿井中矿柱
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顶板稳定性的地表管控、预警和调度，且这种长距离线路的检修复杂、费时，特别是重要井筒中的检修不仅需要停止井筒罐笼等设备的正常运行，而且人员在检修过程中危险作业，导致当前矿山虽架设了独立线路，但由于其检修影响正常生产，对微震系统的应用率并不高，导致矿柱
‑
顶板失稳破坏导致的事故仍居高不下。因此，在深部矿井中独立建设微震系统存在成本高、检修难、正常运行时长短等问题。
[0010]因此，亟需一种适用矿山大范围矿柱群体系稳定性控制和监测的新方法，并实现内外部实时动态协同监测。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是为实现地下矿山安全开采过程中矿柱
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顶板支撑体系的稳定控制和监测预警，提供一种低成本、体系化、高精度、韧性可靠、适用于矿柱复杂形状的柔性支护和监测方法。
[0012]本专利技术采用如下监测技术方案实现：
[0013]一种矿柱
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顶板支撑体系的监测系统，包括矿用安全监控子站、连接光缆、柔性分布式光纤传感器，其特征在于，还包括柔性多向应力格栅和预应力锚杆；
[0014]所述柔性多向应力格栅铺设于矿柱的表面和/或被矿柱支撑的顶板的壁表面；所述柔性多向应力格栅包括多根相交的空心肋条，所述肋条为柔性，所述肋条包括横肋、纵肋、和斜肋，横肋、纵肋、和斜肋在相交处内部空心互相连通，所述横肋、纵肋、和斜肋中设置有柔性分布式光纤传感器，所述肋条中的柔性分布式光纤传感器通过格栅传感器光缆总线与矿用安全监控子站连接；
[0015]所述预应力锚杆设置于矿柱的内部和/或顶板的内部；所述预应力锚杆内侧沿轴线布设对称的柔性分布式光纤传感器，从而保证柔性分布式光纤传感器随锚杆轴向应力同步变化，所述预应力锚杆中的柔性分布式光纤传感器通过连接光缆连接于矿用安全监控子站；
[0016]所述矿用安全监控子站同时采集柔性多向应力格栅和预应力锚杆中的监测数据，
将数据传送至地表调度平台，用于预警矿柱
‑
顶板支撑体系的稳定性。
[0017]当地表调度平台判定以下公式成立时，判定为矿柱
‑
顶板支撑体系发出预警：
[0018][0019][0020]式中：ε
i
为柔性多向应力格栅单点的应变值，通过进行计算；λ
B
为柔性多向应力格栅中心波长；
△
λ
B
为柔性多向应力格栅中心波长改变量；为光纤热膨胀系数；Λ为布拉格光栅周期；为光纤的热光系数；为光纤的有效弹光系数；n
eff
为光纤芯区有效折射率；
△
T为温度变化量；E
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矿柱
‑
顶板支撑体系的监测系统，包括矿用安全监控子站、连接光缆，其特征在于，还包括柔性多向应力格栅和预应力锚杆；所述柔性多向应力格栅铺设于矿柱的表面和/或被矿柱支撑的顶板的壁表面；所述柔性多向应力格栅包括多根相交的空心肋条，所述肋条为柔性，所述肋条包括横肋、纵肋、和斜肋，横肋、纵肋、和斜肋在相交处内部空心互相连通，所述横肋、纵肋、和斜肋中设置有柔性分布式光纤传感器，所述肋条中的柔性分布式光纤传感器通过格栅传感器光缆总线与矿用安全监控子站连接；所述预应力锚杆设置于矿柱的内部和/或顶板的内部；所述预应力锚杆内侧沿轴线布设对称的柔性分布式光纤传感器，从而保证柔性分布式光纤传感器随锚杆轴向应力同步变化，所述预应力锚杆中的柔性分布式光纤传感器通过连接光缆连接于矿用安全监控子站；所述矿用安全监控子站同时采集柔性多向应力格栅和预应力锚杆中的监测数据，将数据传送至地表调度平台，用于预警矿柱
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顶板支撑体系的稳定性。2.根据权利要求1所述的监测系统，当地表调度平台判定以下公式成立时，判定为矿柱
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顶板支撑体系发出预警：顶板支撑体系发出预警：式中：ε
i
为柔性多向应力格栅单点的应变值，通过进行计算；λ
B
为柔性多向应力格栅中心波长；
△
λ
B
为柔性多向应力格栅中心波长改变量；为光纤热膨胀系数；Λ为布拉格光栅周期；为光纤的热光系数；为光纤的有效弹光系数；n
eff
为光纤芯区有效折射率；
△
T为温度变化量；E
B
为对应的光纤材料杨氏模量；S
外
为岩体表面铺设光纤应变的修正系数；P0为光纤安装完成后的预拉力；N是为计算某一位置应变的光纤段测点选取数量；δ
d
为矿柱
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顶板支撑体系所在地的岩体的动态抗拉强度，岩体的失稳破坏以岩体所受应力超过岩体的动态抗拉强度为准则。3.根据权利要求2所述的监测系统，每根光纤在到达矿用安全监控子站前在光纤外侧配接温度补偿组件，温度补偿组件套设于光纤外，以实现校正监测微震数据。4.根据权利要求3所述的监测系统，所述矿用安全监控子站监测的参数包括矿柱和/或顶板内部和壁表面位移、速度、加速度、应力、应变、温度中的一个或多个；所述矿用安全监控子站包括光纤调制解调模板、CPU、存储器、光纤数据输出端口、供电电源和指示灯模块。5.根据权利要求1所述的监测系统，多向应力的格栅在矿柱和顶板的壁表面的固定也采用预应力锚...

【专利技术属性】
技术研发人员：苟永刚，拾立振，叶明珠，陈育民，冀昆，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：