專利名稱：一種用于煤礦頂板應力監(jiān)測的單元結(jié)構(gòu)的制作方法
一種用于煤礦頂板應力監(jiān)測的單元結(jié)構(gòu)
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及巖層信號監(jiān)測儀器儀表和傳感器及電路設計領域，具體涉及一種低成本、可以密集布局監(jiān)測點的煤礦冒頂前兆實時監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
煤礦開采時，礦區(qū)煤層頂板往往比較堅硬且不易垮塌，因此，礦區(qū)采空區(qū)往往呈現(xiàn)大面積的懸頂現(xiàn)象，有些采空區(qū)的懸頂面積甚至有幾個足球場那么大。由于采空了堅硬的頂板下的煤層，而造成了礦區(qū)煤層頂板壓力集中現(xiàn)象，當集中應力的強度超過巖石強度時，會發(fā)生頂板巖層斷裂、垮塌現(xiàn)象，通常被稱作“冒頂”。這種冒頂落下的巖石，填充了采空區(qū)，壓縮采空區(qū)的空氣，形成暴風。這種順勢的暴風能量和威力極大，暴風形成的沖擊波能將數(shù)噸重的井下設備掀起幾十米，甚至將井下礦車壓縮成一團廢鐵。頂板巖層斷裂、垮塌現(xiàn)象的發(fā)生，給礦山造成災難性的人員傷亡、財產(chǎn)損失。巖層頂板發(fā)生斷裂、垮塌的前提是巖層的強度已經(jīng)不能夠支撐巖層的負重，這是一個力量導致物體形變的過程，監(jiān)測巖層的形變是預測冒頂最直接的手段。整個巖層的形態(tài)不易獲得，因為整體巖層的深埋于地下，沒有很好的手段對其綜合測量形變。但是，對于局部巖層的形變，我們可以通過應力監(jiān)測手段獲得。如果在采空區(qū)巷道內(nèi)密集安裝能夠臨測頂板應力變化的傳感器，也就可以獲得我們關心的巖層的形變情況，對冒頂作出預測和分析。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的就是解決現(xiàn)有技術(shù)中沒有解決的問題，提供一種實時監(jiān)測煤礦頂板巖層應力的單元結(jié)構(gòu)，具有低成本、易安裝維護的特性，適合大區(qū)域密集分布。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開一種實時監(jiān)測煤礦頂板巖層應力變化的監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于包括至少一個共聚物壓電巖層應力傳感單元，一個處理單元。所述共聚物壓電巖層應力傳感單元與處理單元互聯(lián)，共聚物壓電巖層應力傳感單元實時獲得巖層應力的信號，通過無源電纜(比如，超強韌性高密度聚乙烯、可在直埋時防水、低電容、可達IOOm 或更長)連接到處理單元，處理單元完成信號采樣數(shù)字化等預處理并將處理后的數(shù)據(jù)再通過無線或有線廣域通信網(wǎng)發(fā)送出去。本發(fā)明公開的監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)需要安裝在錨桿受力部分，當錨桿和頂板巖層充分接觸且固定后，監(jiān)測單元能夠?qū)崟r連續(xù)臨測所處位置的巖層應力信號的變化。監(jiān)測單元能夠固定在錨桿表面，通過監(jiān)測錨桿的應力變化判斷頂板巖層的應力變化。監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)可以實時連續(xù)監(jiān)測的時間精度和間隔(從毫秒到秒到分)和采樣精度(16位到貨M位)等均可由用戶設置。監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)具有較低成本，能夠大區(qū)域、高密集布局，易于安裝維護的優(yōu)勢和特
點ο共聚物壓電巖層應力傳感單元的感知或檢測原理是
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壓電材料是一種經(jīng)特殊加工后能將動能轉(zhuǎn)化成電能的材料。一些聚合體材料，例如共聚物P (VDF-TrFE)使這一特性有了很大提高。壓電材料在受機械沖擊或振動時產(chǎn)生電荷。在原子層，偶極子(氫-氟偶對)的排列順序被打亂，并試圖使其恢復原來的狀態(tài)。這個偶極子被打亂的結(jié)果就是有一個電子流形成。就像海綿中的水，當你擠壓一塊濕海綿時， 水會從海綿中流出來，當你松開時，水又被吸回去，這同壓電應力變化傳感單元十分相似。 當行應力施加到傳感單元上時，就產(chǎn)生了電荷(電壓)，而當去掉負載時，就會產(chǎn)生一個相反極性的信號。它產(chǎn)生的電壓可以相當高，但傳感單元產(chǎn)生的電流卻比較小。共聚物壓電巖層應力傳感單元的檢測原理就是如此，頂板巖層處于正常狀態(tài)，即巖層強度高于巖層承載力時，幾乎沒有巖層應力信號產(chǎn)生；頂板巖層處于危險狀態(tài)，即巖層強度接近于巖層承載力時，巖層有明顯可監(jiān)測到的應力信號產(chǎn)生；頂板巖層處于冒頂前，就會產(chǎn)生大量高強度的可檢測到巖層應力信號，一次作為冒頂預報和分析。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用一種共聚物壓電巖層應力傳感單元和處理單元，完成煤礦頂板巖層應力信號變化的實時監(jiān)測，成本低，結(jié)構(gòu)可靠，安裝維護容易，適宜大區(qū)域高密集度的建立巖層應力的實時監(jiān)測點，從而能夠有助于煤礦冒頂?shù)姆治龊皖A報。同時，本發(fā)明的實時監(jiān)測巖層應力的監(jiān)測單元，能夠通過有線通信網(wǎng)，將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送出去，這樣可以在任何地方建立監(jiān)測中心，接收任意大區(qū)域的監(jiān)測單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，形成一個大區(qū)域的巖層應力變化圖像，進行煤礦冒頂分析和預報。
具體實施方式
和

本申請的特征及優(yōu)點將通過實施例進行補充說明。圖1是一個層狀監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)示意圖，包括一個多層結(jié)構(gòu)的壓電薄膜傳感器，從上到下分別為保護層、電極片、共聚物壓電薄膜、電極片、保護層。保護層采用硬質(zhì)厚金屬制成，能夠防止巖石突發(fā)應力對壓電薄膜片的不可恢復性損傷。圖2是一個層狀應力監(jiān)測單元安裝示意圖，層狀的傳感器固定在錨桿頂端，隨著錨桿完成安裝，錨桿頂部的傳感器和錨桿一起作為承載機構(gòu)支撐頂板。當頂板巖層強度小于頂板承重時，頂板即有向下的趨勢，層狀應力臨測單元和錨桿承受應力陡增，該應力信號通過無源電纜送入信號處理單元，完成信號處理、發(fā)送或報警。圖3是一個用于錨桿側(cè)壁安裝的應力監(jiān)測傳感器，該傳感器從上到下分別是保護層、電極片、共聚物壓電薄膜、電極片、彈性結(jié)構(gòu)層。彈性結(jié)構(gòu)層采用具有一定剛性，同時具有一定柔性的彈性金屬材料制成。該結(jié)構(gòu)有助于將未受頂板應力影響的共聚物壓電薄膜維持在一個穩(wěn)定的水平，從而對受應力影響引起的突變保持敏感。圖4是一個層狀監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)在錨桿上的安裝示意圖，錨桿錨入巖層頂板并同定完成，帶有彈性片的層狀監(jiān)測單元沿錨桿壁安裝，無源電纜連接傳感器和處理單元。這種安裝方式靈活、簡易、環(huán)境適應性好。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種實時監(jiān)測煤礦頂板巖層應力變化的監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于包括至少一個共聚物壓電巖層應力傳感單元，一個處理單元。所述共聚物壓電巖層應力傳感單元與處理單元互聯(lián)，共聚物壓電巖層應力傳感單元實時獲得巖層應力的信號，通過無源電纜(比如， 超強韌性高密度聚乙烯、可在直埋時防水、低電容、可達IOOm或更長)連接到處理單元，處理單元完成信號采樣數(shù)字化等預處理并將處理后的數(shù)據(jù)再通過無線或有線廣域通信網(wǎng)發(fā)送出去ο
2.如權(quán)利要求1所述的共聚物壓電巖層應力傳感單元結(jié)構(gòu)，其特征在于能夠根據(jù)需要安裝在錨桿受力部分，當錨桿和頂板巖層充分接觸且固定后，監(jiān)測單元能夠?qū)崟r連續(xù)監(jiān)測所處位置的巖層應力信號的變化。
3.如權(quán)利要求1所述的共聚物壓電巖層應力傳感單元結(jié)構(gòu)，其特征在于能夠固定在錨桿表面，通過監(jiān)測錨桿的應力變化判斷頂板巖層的應力變化。
4.如權(quán)利要求2所述的共聚物壓電巖層應力傳感單元結(jié)構(gòu)，其特征在于實時連續(xù)監(jiān)測的時間精度和間隔(從毫秒到秒到分)和采樣精度(16位到貨對位)等均可由用戶設置。
5.如權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)測地應力變化的監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)，其特征在于具有較低成本，能夠大區(qū)域、高密集布局，易于安裝維護。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于煤礦頂板巖層應力監(jiān)測的單元結(jié)構(gòu)，包括至少一個共聚物壓電巖層應力傳感單元，一個處理單元。傳感單元獲得煤礦頂板巖層應力信號強度的變化，經(jīng)過無源電纜(比如，超強韌性高密度聚乙烯、可在直埋時防水、低電容、可達100m或更長)連接到處理單元，一個處理單元可以連接多個傳感單元。傳感單元實時獲得地頂板巖層應力信號，處理單元進行信號采集、預處理，并將預處理的數(shù)據(jù)通過無線或有線方式傳輸出去。本發(fā)明具有采樣周期、采樣精度、傳輸數(shù)據(jù)時間間隔可配置、可編程的靈活性，安裝操作簡便并具有良好的煤礦巷道惡劣條件適應性，能夠支撐大區(qū)域的密集安裝。
文檔編號E21D21/00GK102182510SQ201110008220
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者馮曉星, 王新安, 王金泊, 葛彬杰 申請人:深圳思量微系統(tǒng)有限公司