光纤传感器在煤矿救援系统中的应用

TheapplicationofopticalfibersensorsincoalminemonitoringandrescuingsystemYingnaLI1,2,ZhaoYANG,YunfeiYANG1,2,XingOUYANG1,2,ChuanLI1,21.YunnanKeyLabofComputerTechnologyApplication,Kunming,China2.FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,ChinaEmail:[e-mail]:Basedonresearchingthestatusofcoalminemonitoringandrescuesystem,thispaperanalyzesthecharacteristicsofopticalfibersensor,andit’sapplicationincoalminemonitoringandrescuingsystem.ByusingFBGtechnologytomonitortheparametersofmineroadway,roofseparationandanchoretc.,suchastemperature,displacementandfillingpressure,thispapermainlydiscussesthelocationandrescuingofun-dergroundworkersbyusingthebuttonpressuresensingdeviceforhelp,whichisourlaboratory’sresearchfindings.Keywords:FiberBragggrating;Monitorsystem;Minerescue;Personnelpositioning光纤传感器在煤矿监控救援系统中的应用李英娜1，2，杨钊1，2，杨云飞1，2，欧阳鑫1，2，李川1，21.云南计算机重点实验室，昆明，中国，6505002.昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明，中国，650500Email:[e-mail]摘要：本文在了解煤矿监控救援系统现状的基础上，分析了光纤传感的特点，并讨论了在煤矿监控救援系统中的相关应用。利用FBG技术实现对煤矿巷道、顶板离层、锚杆等有关温度、位移、充填应力等参数的监测，利用实验室研制的按钮式压力求救传感装置实现井下人员求救定位的研究。关键词：光纤Bragg光栅;检测监控系统;井下救援;人员定位1引言近年来，我国工业的快速发展推动了对能源需求的不断上涨，在这样的经济形势下，煤炭工业也得到很大发展。伴随发展而来的是煤矿高危险作业环境下的安全生产问题，近几年来煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。国务院要求各行业坚持“安全第一、预防为主、综合治理”的方针，全面加强企业安全管理，健全规章制度，完善安全标准，提高企业技术水平，夯实安全生产基础[1]，是煤矿等行业发展日程上最为重要的一个环节。国家安全生产监督管理总局于2010年确定了建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的时间表。六大系统包括：监测监控系统，人员定位系统，紧急避险系统，压风自救系统，供水施救系统和通信联络系统[2]。由此可见煤矿监测监控和人员定位救援系统在煤矿安全生产中的重要性。事故发生后，如可在第一时间准确判定井下生产作业人员的受困位置、井下的环境情况，对于及时准确地制定救援方案是十分重要的，也是十分紧迫的任务。现代通信技术发展迅速，无线传感器、光通信、ZigBee、WiFi、GPRS等技术已经在很多行业领域中得到广泛应用，然而在煤矿生产中的应用却仍然十分有限。光纤传感器由于自身的特点能够适应井下作业、巷道等灰尘、潮湿、强电磁、断电等极端环境，可实现远距离（20Km）多条巷道的同时检测，检测数据易于与煤矿安全生产监控系统相结合，为煤矿安全生产提供有效技术保障。2现有井下信号传输关键技术2.1井下信号传输距离我国煤矿井下地质条件非常复杂，矿井巷道长度不一：回采巷道一般2000米以内，是皮带运输能力和通风能力决定的，宽度为两米至四点四米，是由采煤工资助信息：本论文由昆明理工大学光纤传感器技术核心课程建设项目资助艺决定的。高度是1.6至3.5米，前者是煤矿规定的最低高度，后者是进综采设备最大的高度。均是矩形巷道。准备巷道一般为矿井的井田面积的全长，200m-10Km，宽为3.8-6.2m，高度为2.2m-4.2m，由矿井的生产规模、井田面积、运输方式决定。一般为半圆拱断面，系岩巷或半煤岩巷道。2.2几种无线通信技术及局限目前，煤矿井下定位及救援系统大多采用无线通信技术，以ZigBee、WIFI、GPRS为例：ZigBee有效距离为80-100米，增加功放芯片(如TI的2591)，可以扩展到1km以外。WIFI信号如果没有遮拦，室外可以到达100米，在有遮拦的情况下，有效距离明显减小，有时候仅隔一堵水泥墙，WIFI信号就无法传输，信号与发射天线等紧密相关。GPRS传输距离较远，但必须用于有手机信号覆盖的位置。上述技术有的成本较较高，有的功耗相对较大，还有的抗干扰能力相对较差等，在很大程度上阻碍了在矿业行业推广应用[3]。且无线信号普遍存在穿透性较差、抗干扰能力差的问题，在进行井下人员定位和数据传输时有一定限制。在正常工作情况下对于井下人员作业、位置分布情况能很好进行监测，但一旦发生事故，如冒顶等很可能导致无线信号中断，这对于井下事故救援十分不利。2.3井下使用光纤技术的优势与传统技术相比，光纤Bragg光栅(FBG)技术在煤矿工业应用中有许多突出优点：一是光纤传输，现场无需供电；二是完全电绝缘，不受电磁干扰及核辐射的影响；光纤传感器测量精度和分辨率高，例如测温精度为0.5℃，测温分率辨为0.1℃，位移达到1毫米，应力达到一个微应变；速度快，1秒钟内可完成多至万个监测点的数据采集与传输；三是可长期应用于高温、高湿、煤尘及存在化学侵蚀等的恶劣环境；四是绝对量测量，无零漂，光源衰减和线路损耗不影响测量精度；五是可远程传输，距离可达数公里至数十公里，易于组网；六是长寿命，易安装，维护简便等[4]。只要有光纤通过，任何位置都可以测量。本文利用光纤传感技术的优势，搭建一个集光纤传感定位网络及救援监控软件的系统。3总体方案及关键技术3.1井下救援方案针对煤矿安全生产工作的需求，利用光纤Bragg光栅传感器对煤矿巷道安全相关的巷道温度、顶板位移、围岩充填应力等井下环境参量进行检测，并利用本实验室自行研制按钮式压力求救传感装置实现井下人员定位。传感检测参量信息通过光纤骨干网进行传输，研发对应的救援监控系统软件实时显示采集到的巷道、工作面等环境温度、顶板离层位移情况、锚杆应力变形、围岩充填应力等重要参数，设置相关参量的预警阀值，将监控数据保存到本地或远程的数据中心，实现检测数据的实时在线访问。救援系统的构成情况参见图1。Figure1thecompositionofminerescuesystem图1井下救援系统的构成光纤主干网采用波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing）方式完成对所采集信号的传输，在1个通道（1根光纤）上可承载多个波长，利用各个工作波长互不干扰的特点，在单通道上同时传输工作在不同波长段的传感器信号，以提高光纤的传输容量[5]。以上海森珀光电科技有限公司SPA01系列光纤传感分析仪为例，可以同时接入最多64个通道，通道上可同时承载20个波长，波长间距0.4nm，单通道采样频率50HZ，一个光纤分析仪可同时传输上千个波长信息，满足对多个监测点实时监测的需求。3.2光纤传感关键技术3.2.1巷道顶板离层位移检测利用光纤光栅位移传感器，将传感器的探头固定在一根10mm的钢筋上，钻孔安装到顶板的待测点，孔口参照测点和孔内的固定测点预留一定的拉伸量，安装参见图2所示，当顶板或围岩离层发生位移，传感器两个探头的光栅相对值发生变化，通过对传感数据的测算标定可以实时计算出离层变化的情况，以便于判断顶板及两帮破坏范围，对巷道稳定性进行识别，对巷道所处的安全等级进行评价[6]。Figure2Roofseparationdetectionsensorinstallation图2顶板离层检测位移传感器安装示意图位移传感器测量范围在0~300mm，误差1mm，通过对位移量预警阀值的确定可以实现顶板离层的实时预警。3.2.2顶板等充填应力检测充填应力检测主要用于煤矿井下煤层或岩层应力作用，例如工作面前方煤层超前支撑应力，预留煤柱的支撑应力等。充填应力监测是测量因采动影响煤层或岩层内部应力场的变化，是研究采场动压作用规律的重要手段之一，可用于采场冲击地压初期预测和趋势分析[7]。这里采用埋入式压力传感器，由于作用力与压力呈线性关系，可利用加力设备的力学参数与光纤光栅埋入式应力传感器的测量值进行对比印证。以北京品傲公司的BGK-FBG-4800SGT-5MPa土体压力计为例，进行压力响应测试：BGK-FBG-4800SGT-5MPa传感器的压力公式为：01101ttKP（1）传感器的对应参数带入式（1），可得BGK-FBG-4800SGT-5MPa埋入式应力传感器对周边应力的响应曲线，参见图3。Figure3Thesensorresponsestostress图3BGK-FBG-4800SGT-5MPa传感器对压力的响应3.2.3按钮式压力求救传感器本实验室采应变传感器研制了按钮式求救传感装置，装置结构参见图4。在韧性钢制悬梁上下两面各粘贴一个表面应力传感器，上表面的拉伸应变为ε，下表面的拉伸应变为-ε，光栅应变信号与悬臂梁下降度的关系为：d=hdlSTTBB222),(),(（2）其中d是悬臂梁的下降量，l为悬臂梁的长度，h为悬臂梁的宽度。Figure4.Buttontypepressuresensorprinciplediagram图4按钮式压力求救传感器原理图为了安全起见装置安装在玻璃盖下，平时处于静默状态，在紧急情况下敲碎玻璃盖，按下呼救按钮，悬梁臂下降扣在底座上，应变传感器应力波长改变，监控系统检测到求救装置信号变化产生报警信号，依据装置波长范围定位到相应的安装位置，以此判定求救信息的发出方位，及时确定井下遇险人员的地点。该装置可依据巷道情况每5m左右安装一个，特别是可以安装在救生舱内。因为监测到的信息通过光信号传播，断电时仍然可以正常工作，且具有抗电磁干扰能力（EMI）和在易燃易爆场合的本征安全性，可以与无线定位系统互补作为井下救援系统的重要环节。4井下救援监控系统实现利用.NET平台、采用B/S结构研发基于光纤传感网络的数据采集及信息集成，实现实时监控救援系统，完成人机交互。系统主要功能：传感器数据库建立，包括传感器公式及出厂参数定义、传感器安装位置与传输通道管理等；将从传感分析仪中采集到的不同类别传感器的数据计算转换为相关测量值；顶板离层、充填应力等关键预警阈值参数的深入研究，实现故障分析与定位，对能反映巷道早期安全隐患的信号测试数据展开诊断研究；建立实时监控数据报表，为进一步实现预警报告、趋势分析等功能做好准备；绘制井下工作巷道拓扑图并与实时监控系统界面一一对应，能直观显示井下参数情况。软件开发的同时，考虑系统的可扩展性。对实时监测数据采用ODBC数据源进行规范和备份，实现系统的可二次性开发及与其他煤矿系统的对接。软件系统业务功能参见图5。波长提取目标参量计算实时监控人机界面及分析目标数据传感参数修正传感器1传感器3传感器2目标状态参量目标温补参量低层处理高层处理目标状态数据库Figure5.Minerescuemonitoringsystembusinessfunction图5井下救援监控系统业务功能5结束语光纤Bragg光栅传感检测精