一种石膏矿塌陷监测系统及组建方法

技术领域

本发明涉及石膏矿塌陷监测的技术领域，尤其涉及一种石膏矿塌陷监测系统及组建方法。

背景技术

石膏是一种用途广泛的工业和建筑原料，多赋存于地下，中国石膏矿资源非常丰富，分布广泛，总保有储量576多亿吨，居世界首位。随着我国城市化的推进，建筑业和装饰业迅速发展，给石膏工业提供了广阔的发展空间，市场容量不断扩大。石膏矿的大量开采，在带来经济效益的同时，也留下了严重的采空地面塌陷隐患。因此，开展石膏矿采空区的监测工作具有重要的现实意义。

传统的采空区土体变形监测采用经纬仪、水准仪、钢尺、支距尺和全站仪或GPS等方法，这些方法的实时性都较差，均是对地表已经塌陷这一既有现象进行结果监测，难以满足采空区监测超前预报、长期和实时在线的要求，所以无法根据采空塌陷区域的变形和移动对采空区稳定性变化规律及其发展趋势进行评定和预测，以达到防治采空塌陷区灾害的目的。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是：提供一种石膏矿塌陷监测系统及组建方法，能够进行长期稳定性监测，并发出预判报警和现场报警。

为了解决上述的主要技术问题采取以下技术方案实现：

一种石膏矿塌陷监测系统，包括钻孔、监测传感器、解调设备、监测平台、蜂鸣器；多个所述钻孔独立布设在采空区各个监测位置；所述监测传感器布设在一钻孔内；所述解调设备布设在安全区且与钻孔一一对应；多个所述解调设备与监测传感器通过跳线对应相连且将各个监测点的监测数据均上传至监测平台的监测软件，以便于进行对比分析，并发出各个监测点独立的预判报警；所述蜂鸣器安装在监测点地表位置且与解调设备一一对应相连；其中，所述监测传感器包括光纤光栅位移计、光纤光栅渗压计、地质灾害报警器、地震检波器；若干所述光纤光栅位移计沿着钻孔轴向串联连接且形成U型回路结构；若干所述地震检波器并联连接且高低错落分布在钻孔内；所述蜂鸣器能够根据地质灾害报警器传至解调设备的信号发出现场报警。

优选地，所述钻孔底部下沉有配重块；所述配重块与光纤光栅位移计、光纤光栅渗压计、地质灾害报警器、地震检波器的底部光纤光缆固定连接。

优选地，所述解调设备通过太阳能供电系统提供电力。

优选地，所述U型回路结构包括并联的两个。

优选地，所述监测传感器还包括用于对光纤光栅渗压计进行温度补偿的光纤光栅温度计；所述光纤光栅温度计与光纤光栅渗压计所在钻孔深度一致。

优选地，所述解调设备内设置有无线传输模组。

优选地，所述预判报警包括竖直沉降报警、地下水位报警、地面塌陷振动报警。

一种石膏矿塌陷监测系统的组建方法，包括下列步骤：

S1:根据石膏矿采空区周边预先确定的各个监测位置，均打一钻孔，钻孔深度为高于基岩1m处；在钻孔处附近的安全区域布设与钻孔一一对应的解调设备，在钻孔所在的采空区附近布设与钻孔一一对应的蜂鸣器；

S2：选择合适配重、材质的配重块，并确保配重块与所述钻孔内径相适配；将若干光纤光栅位移计通过串联熔接为U型回路结构，并将所述U型回路结构的最低位置固定在所述配重块顶面；将所述光纤光栅渗压计用纱布包裹后与配重块固定连接；将所述地震检波器、地质灾害报警器与配重块固定连接；

S3：将安装有监测传感器的配重块下放至钻孔底部的端面并保证配重块自身的水平稳定；

S4：保持光纤光栅位移计、光纤光栅渗压计、地质灾害报警器、地震检波器所在的光纤光缆竖直处于紧绷状态，将石膏矿周围的细沙回填至钻孔内，并保证钻孔回填紧实；

S5：将监测传感器顶部伸出钻孔的光线光栅与解调设备通过跳线连接，并将伸出钻孔的光线光栅进行地表埋地敷设；

S6：将解调设备与太阳能供电系统进行电性连接；将解调设备与蜂鸣器通过跳线进行连接，并对跳线进行地表埋地敷设；

S7：启动监测，并以有效的初始监测值作为监测基准；在后续连续监测中，以初始监测值作为参考来进行分析；监测平台将分析的监测试图、数据等显示，并及时发出预判报警。

优选地，S3步骤中，所述监测传感器包括光纤光栅温度计；所述光纤光栅温度计所在钻孔深度与光纤光栅渗压计所在钻孔深度一致；所述光纤光栅温度计所在光纤光栅的底部与配重块相连，顶部伸出钻孔的光线光栅与解调设备熔接。

与现有技术相比，本发明应用于石膏矿塌陷的监测具备下列优点：

基于光纤传感技术的监测，具有成本低、精度高、抗干扰、耐腐蚀的优势；同时借助光纤光栅位移计、光纤光栅渗压计、地震检波器能够对采空区地质的变形、水位、孔隙水压力、温度及振动等多参量进行监测，采集数据全面，实现了全方位的监测，确保整个监测预警的数据能够相互辅助，同时实行自动化的远程在线监测和预判报警，能够帮助操作人员快速针对危险地质情况做出及时的应对措施；地质灾害报警器控制现场的蜂鸣器，进行报警，能够实现对周围的警示作用，从而实现现场报警、预判报警的高度结合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图做简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的整体结构的构成示意图。

图中：1为钻孔，2为解调设备，3为监测平台，4为光纤光栅位移计，5为光纤光栅渗压计，6为地质灾害报警器，7为地震检波器，8为光纤光栅温度计，9为太阳能供电系统，10为蜂鸣器，11为跳线，12为配重块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。

请参阅图1所示，一种石膏矿塌陷监测系统，包括钻孔1、监测传感器、解调设备2、监测平台3、蜂鸣器10。

多个所述钻孔1独立布设在采空区各个监测位置，监测位置的选择以能够减轻损失为准；相邻的钻孔1之间间隔距离在500m-1000m之间；所述监测传感器布设在一钻孔1内，监测传感器主要用于监测采空区地下各个深度的情况；

解调设备2布设在安全区且与钻孔1一一对应，解调设备2自身具有无线传输模块和GPS定位模块，能够将解调出的信号传输进监测平台3，为了使解调设备2更加的节能且保证电力充足，所述解调设备2与太阳能供电系统9相连；多个所述解调设备2与监测传感器通过跳线11以及接线盒对应相连，即一个监测传感器安装在一钻孔1内，且与一个解调设备2相连；解调设备2内置快速可调谐激光光源模块，通过改变可调谐光源的输出波长，监测出监测传感器的中心波长，进而得到各光纤光栅传感器物理数值，而后远程组网传输上传至监测平台3的监测软件中；监测平台3的监测软件能够对数据进行对比分析、数据趋势查看、波长测量等；监测软件还可根据各个监测点的数据趋势分析，预判报警，根据各个监测点的实时在线数据，可判断即将发生塌陷的中心点以及将发生塌陷的范围；预判报警的类型包括竖直沉降报警、地下水位报警、地面塌陷振动报警，预判报警的类型主要依据监测传感器信号类型决定。

监测传感器是布拉格光纤光栅(FBG)传感器，即均是通过改变光纤芯区折射率，使其产生小的周期性调制而形成；当温度或应力发生改变时，光纤产生轴向应变，应变使得光栅周期变大，同时光纤芯层和包层半径变小，通过光弹性效应改变了光纤的折射率，从而引起光栅波长偏移；利用应变与光栅波长偏移量的线性关系，通过计算得出被测结构应变量；FBG的波长解调精度达到1pm，对应的其应变测试精度约1个微应变，温度解调精度为0.1℃；监测传感器包括光纤光栅位移计4、光纤光栅渗压计5、地质灾害报警器6、地震检波器7；若干所述光纤光栅位移计4沿着钻孔1轴向串联连接且形成U型回路结构，为了避免当一个光纤光栅位移计4损坏时，导致整个U型回路结构不能监测数据，所述U型回路结构包括并联的两个(图中未表示)；当两个U型回路结构在均正常工作状态时，两者互相修正，以确保数据准确，在其中任一U型回路结构出现故障后，进行备用使用，以确保数据正常；利用光纤光栅位移计4加螺杆引标的方式实现长标距在线实时监测指定长度范围内岩土体的位移变化量。

光纤光栅渗压计5主要用于监测地下水位，为了避免光纤光栅渗压计5因温度差异造成参数过大改变；所述监测传感器还包括有用于对光纤光栅渗压计5进行温度补偿的光纤光栅温度计8；所述光纤光栅温度计8与光纤光栅渗压计5所在钻孔1深度一致。

地质灾害报警器6仅受地层拉伸等影响，不受温度和水等外界条件影响，地质灾害报警器6将信号传至解调设备2，解调设备2将此信号传递给蜂鸣器10，使蜂鸣器10发出尖锐的报警声，从而进行现场报警；同时地质灾害报警器6为了对地质灾害的严重性进行区分，地质灾害报警器6可以分为多个报警等级，并使蜂鸣器10发出不同声音或者不同强度的现场报警；通常情况下，报警等级设置有三级，三级可以针对具体地质条件自定义。

为了方便安装，所述钻孔1底部下沉有配重块12，配重块12通常选择铁质的圆柱体，配重块12的外径与钻孔1的内径相适配，即配重块12能够下沉至钻孔1底部，同时不会发生水平的晃动；所述配重块12与光纤光栅位移计4、光纤光栅渗压计5、地质灾害报警器6、地震检波器7的底部光纤光缆固定连接，从而保证光纤光栅位移计4、光纤光栅渗压计5、地质灾害报警器6、地震检波器7在钻孔1回填的过程中始终保持竖直状态。

本发明的组建过程为：第一步：根据石膏矿采空区周边预先确定的各个监测位置，然后在每个监测位置均打一钻孔1，钻孔1深度为高于基岩1m处，通常情况下钻孔1深度为30m；在钻孔1处附近的安全区域(非采空区域)布设与钻孔1一一对应的解调设备2，在钻孔1所在的采空区附近(需进行警示作用的位置)布设与钻孔1一一对应的蜂鸣器10；

第二步：选择合适配重、材质的配重块12，并确保配重块12与所述钻孔1内径相适配；将若干光纤光栅位移计4通过串联熔接为U型回路结构，并将所述U型回路结构的最低位置固定在所述配重块12顶面，为了保证监测准确性，所述U型回路结构设置有两个；将所述光纤光栅渗压计5用纱布包裹后与配重块12固定连接，并确定光纤光栅渗压计5的下沉位置准确；将所述地震检波器7、地质灾害报警器6与配重块12固定连接，并接入采集器；将光纤光栅温度计8所在的光纤光栅的底部也与配重块12固定连接，光纤光栅温度计8下沉的深度与光纤光栅渗压计5所在的下沉深度一致；

第三步：将安装有监测传感器的配重块12下放至钻孔1底部的端面并保证配重块12自身的水平稳定；

第四步：保持光纤光栅位移计4、光纤光栅渗压计5、地质灾害报警器6、地震检波器7、光纤光栅温度计8所在的光纤光缆竖直处于紧绷状态，将石膏矿周围的细沙回填至钻孔1内，并保证钻孔1回填紧实；

第五步：将监测传感器顶部伸出钻孔1的光线光栅与解调设备2进行跳线11连接，并将伸出钻孔1的光线光栅进行地表埋地敷设；

第六步：将解调设备2与太阳能供电系统9进行电性连接；将解调设备2与蜂鸣器10通过跳线11进行连接，并对跳线11进行地表埋地敷设；

第七步：启动监测，并以有效的初始监测值作为监测基准；在后续连续监测中，以初始监测值作为参考来进行分析；监测平台3将分析的监测试图、数据等显示，并及时发出预判报警。

需要说明的是，本发明中的“上、下、左、右、内、外”是以图中零部件的相对位置为基准定义的，只是为了描述技术方案的清楚及方便，应当理解，此方位词的应用对本申请的保护范围不构成限制。

以上所述的实施方式为优选实施方式而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特性进行等同替换，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。