一种基于光纤光栅的充填体多参数集成监测系统及其布设方法

本发明属于金属矿山安全监测，具体涉及一种基于光纤光栅的充填体多参数集成监测系统及其布设方法。

背景技术：

1、在金属矿山嗣后充填法开采中，充填体需承受爆破振动、地压、温度变化等多重荷载的耦合作用，其内部应变、温度、压力与动态响应特性的变化直接影响充填体的整体稳定性及二步骤回采作业安全。目前，针对充填体稳定性的监测手段尚不完善，缺乏有效的集成化监测方案，导致无法全面评估井下充填体的动态变化状态，极易引发安全事故。

2、目前，主要采用分散安装的电阻应变片、振动传感器等仪器进行单一参数的有线数据监测。此类方法存在以下不足：

3、（1）各参数监测相互独立，无法同步获取多维信息，难以实现多场耦合作用下充填体状态的综合分析；

4、（2）井下有线布设复杂，线路易因充填体垮塌振动而断裂失效，可靠性差；

5、（3）无线信号受充填体信号阻隔作用无法长距离传输，存在数据与监测装置具体位置关联性差。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种能够实时、同步在线监测充填体内部压力、温度、应变及加速度信息并能够多参数集成耦合监测准确、无线信号长距离传输畅通、监测装置易布设定位的一种基于光纤光栅的充填体多参数集成监测系统及其布设方法。

2、本发明采取的技术方案如下：

3、一种基于光纤光栅的充填体多参数集成监测系统，包括：

4、多个监测装置，设置于充填体内部，用于同步监测充填体的压力、温度、应变和加速度；

5、无线数据接收处理单元，与所述监测装置通信连接，用于接收并处理监测数据；以及布设系统，用于将所述监测装置定位于充填体内的预定位置；

6、所述监测装置包括装置主体、分别与装置主体连接的压力与温度监测单元、应变监测单元和加速度监测单元；所述压力与温度监测单元、应变监测单元、加速度监测单元分别通过光缆和/或数据线与装置主体连接；

7、所述压力与温度监测单元内设有压力敏感元件和温度敏感元件，用于同步感知外部压力和温度；

8、所述应变监测单元内设有应变敏感元件，用于感知外部应变；

9、所述加速度监测单元内设有加速度敏感元件，用于感知外部加速度；

10、所述布设系统包括若干根首尾串联的可降解杆件，所述监测装置固定于可降解杆件上，所述可降解杆件在充填体固化过程中可降解，以使各监测装置独立分布于充填体内。

11、进一步地，所述压力与温度监测单元采用同心球壳结构，包括同心套设的第一球形内壳与第一球形外壳，所述压力敏感元件包括填充于第一球形内壳与第一球形外壳形成的空腔内的导热增敏材料，所述导热增敏材料内埋设有第一光纤光栅；所述温度敏感元件包括填充在第一球形内壳内的导热油，所述导热油内设有毛细玻璃管，所述毛细玻璃管内设有第二光纤光栅，第二光纤光栅的光纤穿出毛细玻璃管通过光纤41固定于第一球形内壳的内壁上。

12、进一步地，所述第一球形内壳内壁上固定有正反转微型转动电机，其输出轴与毛细玻璃管一端连接，且毛细玻璃管的另一端为自由端。所述压力与温度监测单元还上可以设有电机温升补偿模块，用于对正反转微型转动电机工作过程中产生的附加温升进行补偿修正，以减小电机发热对第二光纤光栅温度监测结果的影响，提高温度测量的准确性。

13、进一步地，所述应变监测单元包括第二球形壳体，设置于第二球形壳体内的应变敏感元件，所述应变敏感元件包括呈十字架结构的钢管，所述钢管的多个端头分别通过基座挡板紧贴至第二球形壳体的内壁，所述钢管内设有第三光纤光栅。

14、进一步地，所述加速度监测单元包括第三球形壳体、设置于第三球形壳体内的加速度敏感元件，所述加速度敏感元件包括均布于第三球形壳体内壁的4个管状的配重块，各配重块的外端固定于第三球形壳体内壁，内端指向球心，所述配重块沿轴向对称设置圆形凹槽、所述圆形凹槽上固设有第四光纤光栅。

15、进一步地，所述无线数据接收处理单元还包括设置于地面的集成数据采集仪、无线信号集成接收器和通过传输数据线36与无线信号集成接收器连接的数据处理系统；所述监测装置的中继器通过高增益定向天线与相邻监测装置的中继器或无线信号集成接收器进行多级接力无线通信。

16、进一步地，所述可降解杆件为遇水崩解的聚乙烯醇可降解杆件，其表面设有螺纹，相邻两根可降解杆件通过固定螺母串联连接；所述监测装置通过扎带固定于可降解杆件的中心位置。

17、进一步地，包括装置主体、分别与装置主体连接的压力与温度监测单元、应变监测单元和加速度监测单元；

18、所述压力与温度监测单元内设有压力敏感元件和温度敏感元件，用于同步感知外部压力和温度；

19、所述应变监测单元内设有应变敏感元件，用于感知外部应变；

20、所述加速度监测单元内设有加速度敏感元件，用于感知外部加速度；

21、所述装置主体内设有电源和中继器，用于将各传感光纤光栅的波长信号处理后无线发送；

22、所述压力与温度监测单元、应变监测单元、加速度监测单元分别通过光缆和/或数据线4与装置主体连接。

23、本发明一种充填体多参数集成监测装置的布设方法，采用本发明所述的系统，包括以下步骤：

24、步骤一、根据充填体的设计尺寸和监测需求，确定监测装置的数量和布设间距；

25、步骤二、布设前检查各监测装置的供电状态和信号传输功能，确认正常后，将多根可降解杆件首尾串联，并在每根可降解杆件的预定位置固定一个所述监测装置；

26、步骤三、将串联后的整体结构运送至采空区，并在充填料浆灌注过程中，将所述整体结构按设计方位布设于充填体内；

27、步骤四、充填完成后，所述可降解杆件在充填体水分作用下崩解，各监测装置独立悬浮分布于充填体内使各监测装置解除刚性连接并独立埋设于充填体内；

28、步骤五、各监测装置实时采集参数数据，并通过无线方式传输至地面数据处理系统。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果：

30、1、本发明通过集成的监测装置同时实现充填体压力、温度、应变、加速度四个参数的同步监测，四个功能单元分别采集信号后汇聚于同一装置主体统一发送，克服了现有技术中需多套独立设备分别布设、数据不同步、监测点位不重合的缺陷。

31、2、本发明采用高强非金属复合材料外壳配合内置高增益定向天线与中继器，通过多级中继接力方式实现充填体深处至地面的长距离无线数据传输，摆脱对井下有线布设的依赖，有效解决充填体对无线信号的阻隔、无线信号长距离传输存在数据与监测装置具体位置关联性差以及监测数据与监测装置位置难以准确关联的问题。

32、3、本发明采用遇水崩解的聚乙烯醇材料作为可降解杆件，充填完成后可降解杆件崩解，各监测装置独立分布于充填体内，避免因局部垮塌通过硬性连接牵拉其他区域监测装置导致数据失真，保障未垮塌区域监测数据的真实性和可靠性。

33、4、本发明的各监测单元均采用密闭球形壳体结构，外部压力均匀分散至整个表面，避免应力集中，有效保护内部精密光纤光栅传感元件，提高监测装置在高压环境中的存活率。

34、5、本发明通过聚乙烯醇可降解杆件、固定螺母和扎带的配合，实现多个监测装置的串联式快速布设，操作简便高效，提高井下作业效率。