一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域，更具体地说，涉及一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置。
背景技术
光纤光栅本质上是对光纤纤芯折射率周期性调制而形成的一种无源滤波器。光纤布拉格光栅具有以下优点：抗电磁干扰能力强，光纤在传输过程中不会受到电磁波的干扰；体积小，光纤光栅兼容于光纤；传输距离远、精度高，光纤光栅测量精度不受光强的影响，具有易于组网测量与集成等特点，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。
煤炭资源作为我国能源生产和供应体系战略的一个重要组成部分，为我国工业的长足发展做出了巨大贡献。《中国能源大数据报告(2019)》近十年能源消费数据表明：煤炭资源目前占比仍然可达到我国一次能源消费总量的60%以上。煤矿作为煤炭资源最大的开采单位，其安全事故带来的经济损失数以亿计，因此对于引起塌方事故的煤岩界面稳定性检测尤为重要。
锚杆广泛应用于煤巷支护、边坡加固、隧道支护等岩土工程领域，对其进行受力监测，对改进施工技术、优化设计参数有重要意义，但传统的锚杆由于分布地质复杂，存在轴向应力与周围应力的交叉敏感等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置，具有区分多方向应变、便于拆卸、测量精度高，抗干扰能力强等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置，包括：
轴向压力计，轴向压力计为柱状盒体，一侧底面中心固定连接一光纤支撑机构的一端，光纤支撑机构为柱状体，外侧边缘对称设置4个容纳光纤的光纤槽，4个光纤槽内部分别容纳第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4；第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4上的指定位置分别接入多个光纤光栅应变传感器；其中，轴向压力计包括设置于一盒体内的压力弹片、压力传递柱、光纤光栅固定柱和四个光纤光栅应变片，压力弹片封闭盒体一侧开口，四个光纤光栅应变片在盒体内依序呈90°放置，每一光纤光栅应变片连接两个光纤光栅固定柱的一端，光纤光栅固定柱的另一端固定于盒体底部，以实现光纤光栅应变片的固定；压力传递柱设置在压力弹片与光纤光栅应变片之间，且与压力弹片固定连接；盒体底部设置设配光纤支撑机构截面的通孔，以使光纤支撑机构伸入盒体内部进行固定，同时四个光纤光栅应变片通过串联接入第一光纤F1；
光纤支撑机构的另一端连接外接光缆保护壳，第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4穿入外接光缆保护壳，在外接光缆保护壳内通过法兰连接至外部光缆的一端，外部光缆的另一端通过光电探测器连接至光纤光栅解调仪。
区别于现有技术，本发明的光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置，涉及轴向压力计、锚杆、光纤光栅应变传感器、光纤光栅应变片、外接光缆保护壳、光缆、光电探测器和光纤光栅解调仪。轴向压力计包括压力弹片、光纤光栅应变片、压力传递柱，当压力弹片收到轴向压力时通过压力传递柱传递到光纤光栅应变片，四个串联的光纤光栅应变片通过串联接入锚杆的第一光纤通道。锚杆四周装有四根光纤，每根光纤接入七个光纤光栅应变传感器，感知周围应变，四根光纤与外部光缆通过法兰在外接光缆保护壳中连接，压力信号通过光缆经光电探测器输入光纤光栅解调仪进行解调，实时监测煤岩界面稳定性。通过本发明，解决了传统锚杆难以分辨轴向应力与周围应力的问题，应用光纤光栅应变传感器作为测量元件，相比传统锚杆测力技术具有更高的测量精度，且抗干扰能力强、本征安全安装简单且易于操作。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置的结构示意图。
图2是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置前端部分的结构示意图。
图3是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置的轴向压力计的结构示意图。
图4是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置的外接光缆保护壳的结构示意图。
图5是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置的轴向压力计的俯视示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1，本发明提供了一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置，包括：
轴向压力计1，轴向压力计1为柱状盒体，一侧底面中心固定连接一光纤支撑机构2的一端，光纤支撑机构2为柱状体，外侧边缘对称设置4个容纳光纤的光纤槽10，4个光纤槽10内部分别容纳第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4；第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4上的指定位置分别接入多个光纤光栅应变传感器；其中，轴向压力计1包括设置于一盒体18内的压力弹片6、压力传递柱7、光纤光栅固定柱8和四个光纤光栅应变片9，压力弹片6封闭盒体18一侧开口，四个光纤光栅应变片9在盒体18内依序呈90°放置，每一光纤光栅应变片9连接两个光纤光栅固定柱8的一端，光纤光栅固定柱8的另一端固定于盒体18底部，以实现光纤光栅应变片9的固定；压力传递柱7设置在压力弹片6与光纤光栅应变片9之间，且与压力弹片6固定连接；盒体18底部设置设配光纤支撑机构2截面的通孔，以使光纤支撑机构2伸入盒体18内部进行固定，同时四个光纤光栅应变片9通过串联接入第一光纤F1；
光纤支撑机构2的另一端连接外接光缆保护壳11，第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4穿入外接光缆保护壳11，在外接光缆保护壳11内通过四个法兰14连接至外部光缆15的一端，外部光缆15的另一端通过光电探测器16连接至光纤光栅解调仪17。前端轴向压力计1、光纤支撑机构2及外接光缆保护壳11的结构如图2所示。轴向压力计1的结构如图3所示，外接光缆保护壳11的结构如图4所示，轴向压力计1内部设置的俯视图如图5所示。
其中，光纤支撑机构2使用锚杆或同类棍型物体，光纤支撑机构2外侧设置黏着剂13，使光纤支撑机构2及轴向压力计1伸入至煤岩界面内部并与之接触。
其中，第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4上的指定位置分别接入7个光纤光栅应变传感器，其中，第一光纤的光纤光栅应变传感器A1- A7，第二光纤的光纤光栅应变传感器B1- B7，第三光纤的光纤光栅应变传感器C1- C7，第四光纤的光纤光栅应变传感器D1- D7。
装置工作时，轴向压力计1中的压力弹片6受到轴向压力，通过压力传递柱7将压力传递给已施加预应变的四个光纤光栅应变片9，此时光纤光栅波长发生改变，四个光纤光栅应变片9通过光纤串联接入布设在的光纤支撑机构2上的第一光纤F1，并通过第一光纤F1传递轴向压力引起的波长变化信号；在光纤支撑机构四周布设有第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3、第四光纤F4，每根光纤中都接入七个光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器在铺设时施加预应力，使应力变化与波长变化处于线性区，光纤支撑机构四周共有二十八个光纤光栅应变传感器感知周围压力，当光纤支撑机构周围应力改变，引起光纤光栅应变传感器波长改变并通过光纤及外部光缆15将信号传递到光电探测器16，光电探测器16将探测到的波长变化信号输入光纤光栅解调仪17，对光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置感知的波长变化进行解调，进而计算出该结构周围应力变化，从而检测煤岩界面稳定性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
