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基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统Intelligentsensingsystemofcoalminebasedonopticalfibersensingtechnology中国矿业大学二〇一九年五月1方新秋教授xinqiufang@163.com13912040883中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室智能开采研究团队简介团队专注于研究解决煤炭资源开采过程中的智能开采关键技术问题，包括智能工作面开采技术、采煤机姿态感知技术、智能支架、刮板机调直技术、光纤智能监测技术、大数据挖掘及信息融合技术、专家远程故障诊断技术、采动灾害监测预警技术等。研究方向（1）煤矿智能开采；（2）矿山智能监测与大数据平台；（3）矿山压力与岩层控制。团队首席方新秋：采矿工程博士，东南大学控制工程博士后，教授，博士生导师。现为中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室副主任。入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科学技术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师。主持完成国家“863计划”项目子课题、国家自然科学基金项目及企业委托项目60余项，具有较深厚的研究工作积累。以第一作者和通讯作者发表论文被SCI、EI收录30篇，ISTP收录2篇，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文领跑者F5000论文3篇，正式出版专著4部；共申请国家发明专利40多项，已获授权国家发明专利23项，另授权国际发明专利10项；软件著作权授权5项；相关研究成果获中国煤炭工业协会一等奖一项（排名第一）、省部级科技进步二等奖4项（其中2项排名第一）。中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室目录2020年7月14日星期二1.2.研究背景光纤传感式煤矿智能感知系统3.煤矿智能感知系统子系统介绍4.煤矿应用案例5.总结与展望中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1研究背景中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1.1研究背景◆能源是人类生存和发展的基础，目前中国“富煤缺油少气”的资源状况，保证煤炭资源在中长期仍是中国化石能源的主体。2017年中国能源消费结构图煤炭在一次能源结构中的比例数据来源：中国统计年鉴中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1.1研究背景◆近年来，我国煤矿安全已取得了长足进步，但安全生产形势依然严峻。目前，影响我国安全生产的灾害事故主要为顶板事故和瓦斯事故，占事故伤亡总人数的70%左右。另外，机电事故、运输事故、水害事故、火灾事故等群死群伤事故也已成为影响煤矿安全生产的重灾区。研究表明，解决问题的根本在于推动煤矿智能化、无人化进程。2017年度煤矿安全事故统计日期死亡人数事故简况2017-02-279贵州六盘水市钟山区，贵州水城矿业（集团）公司大河边煤矿发生电机爆炸事故，造成9人死亡。2017-03-284湖南郴州市宜章县，荣福煤矿发生顶板事故，造成4人死亡。2017-07-0517新疆大黄山豫新煤业有限责任公司一号井发生重大瓦斯爆炸事故，事故造成17人死亡，3人重伤。2017-08-1416黑龙江省鸡西市城子河区安之顺煤矿发生老空区积水透水事故，事故造成16人死亡。中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1.1研究背景◆国家《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》指出：要全面建成安全绿色、高效智能矿山技术体系。◆国家煤矿安全监察局发布的2019年第1号公告关于《煤矿机器人重点研发目录》中，提出重点研发应用掘进、采煤、运输、安控和救援5类、38种煤矿机器人。◆随着国家加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系、信息化与工业化的深度融合和“互联网＋”的迅猛发展，煤炭开采智能化已成为煤炭工业发展的需求和必然方向。中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1.2煤矿安全智能感知现状煤矿安全智能感知技术的研究基础在于监测手段的升级，但现有监测技术手段落后，远不能有效满足煤矿生产安全要求。液压式托锚力压力盒顶板离层仪机械式、液压式监测传感器——特点：价格便宜、精度低、现场读数、数据滞后。钢弦式压力盒中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1.2煤矿安全智能感知现状电阻应变式测力锚杆钻孔应力计数显式综采支架测压表电磁式监测传感器——特点：精度低、人工巡检，费时费工。中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二在线式监测系统——特点：有源系统，抗干扰能力弱，传输距离短，误差大。有线无线1.2煤矿安全智能感知现状中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1.3煤矿安全智能感知存在的问题人工采集在线传输2、定期到井下采集数据，上井后传入计算机，采用专用软件进行分析；3、测量数据少且离散，误差大，不能如实反映煤矿安全参数的连续性和实时性，不能迅速的预测灾害。1、传感器自动监测，通过有线或无线的方式传输数据；3、井下布置监测分站，并采用单片机处理数据，效率不高；4、传感器现场带电工作，抗干扰能力差，工作不可靠，安全性低。1、采用钻孔方式安装和人工观察记录；2、布置电缆线和油压管路线困难、传输距离较短；光纤传感式煤矿智能感知系统中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1.4智能工作面技术难点及研究方向光纤传感式煤矿智能感知系统序列难点问题描述研究方向1工作面自动调直基于光纤捷联惯导技术的刮板机调直技术不能实现刮板机形态的实时调整，且成本较高，在国内推广难。低成本、高精度、基于光纤传感技术的工作面调直技术2液压支架姿态协同控制目前自动化及控制技术仅能实现对单架液压支架姿态控制，无法实现协同控制。建立工作面倾角监测系统，实现协同控制3采煤机精准定位现有采煤机定位与姿态调整方法准确性差、抗干扰能力差。基于光纤捷联惯导的采煤机定位与姿态调整技术中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1.5光纤传感技术研究现状光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。它包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。感知：把外界物理量的变化规律转化为光纤中传输的光波的物理特征参量；传输：把受外界信号调制的光波传输到光探测器中进行检测，并将外界信号从光波中提取出来。目前主要进行光纤光栅传感器、光纤光栅传感技术和分布式传感技术等方面研究。中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1）光纤光栅及传感原理光纤光栅是利用特殊的方法（如激光雕刻）使光纤沿纤芯轴向形成一种折射率周期性分布的结构。当入射光在光纤纤芯中传播时，一部分光谱将沿纤芯反射，其余的光谱将继续沿着光纤纤芯传播，形成透射光谱，且波长会随外界因素（如温度、压力、磁场、电场等）而改变。IIIλλλ反射光谱入射光谱透射光谱λBⅤ1.5光纤传感技术研究现状中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二反射光波的峰值波长称为布拉格波长，在单模光纤中，布拉格波长为：2nBeffeffn式中：为光栅的周期。为纤芯的有效折射率，①当光栅所在处的光纤产生轴向应变时，栅距变为：此时布拉格波长产生相应的变化，它满足：B1BeBpBeP（为光栅的弹光系数，约为0.22）②温度变化为△T时，将引起布拉格波长产生移动，表示为：BBBBT式中：α为光纤的热膨胀系数；ζ为光纤的热光系数。'1'1.5光纤传感技术研究现状中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二2）分布式传感技术激光脉冲从光纤中的一端进入，在向前传播的过程中，发生多种类型的散射现象，产生与入射光相反的背向散射光。包括：瑞利(Rayleigh)散射信号、布里渊(Brillouin)散射信号、拉曼(Raman)散射信号。根据传感光纤区域内散射光波随时间和空间的变化，实现被测量的全线长距离、大范围的分布参量。1.5光纤传感技术研究现状中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二分布式传感技术定位原理—光时域反射技术：当光纤中发生散射现象时，背向散射光向后传播至光脉冲的注入端，由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点，因此，根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置。L2ctLn其中：c是光在真空中的速度；t是信号发射后到接收到信号的时间；n是光纤折射率。通过采集和分析光纤内传播时产生的背向散射光的时间和强度信息，进而得知每一点的应变、温度和位置信息后，即可得到整根光纤不同位置的应变、温度曲线。1.5光纤传感技术研究现状中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二3）光纤传感器的优点光纤传感器无源工作，本质安全防爆；信号通过光纤传输，抗电磁干扰能力强；传输距离远，测量范围广，系统容量大；可进行多种参数同时测量和分析；4123可进行多种参数同时测量和分析4光纤传输准确度高，可靠性高，稳定性好；51.5光纤传感技术研究现状中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二1.6研究的目的及意义目的及意义1、针对现有煤矿安全监测技术手段落后，监测效果不理想，与现代煤矿生产安全要求甚为不符，因此利用先进的传感技术进行监测是必然趋势。2、基于光纤传感技术，进行煤矿安全智能监测与智能工作面设备姿态与工况监测，应用现代高新技术手段感知煤矿灾害风险、感知设备姿态、感知煤矿设备工作健康状况，对于指导煤矿安生生产、保障设备安全稳定运行、保障人民生命财产安全具有重大的现实意义和深远的历史意义。3、建立起基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统，不仅为煤矿安全高效开采提供可靠的技术保障，而且为矿山智能化建设提供了技术支撑。中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二2光纤传感式煤矿智能感知系统中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二2.1煤矿智能感知系统理论基础基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统是以“科学采矿”、“智能精准开采”理念为指导，以中国矿业大学多年来形成的矿压监测与支护质量检测理论、技术、软件、仪器为基础，以矿山压力与围岩控制、煤矿安全高效开采、开采智能监测为知识背景，依托中国矿业大学矿业工程双一流学科的有利资源，结合光纤传感技术，建立起来的新型矿用顶板安全、围岩应力、锚杆受力、锚索受力、支架工作阻力、瓦斯浓度、水压水位、采空区温度、机电设备健康状态、液压支架姿态、采煤机姿态、刮板输送机直线度等实时在线监测系统。通过本系统不仅可以实时掌握巷道围岩与采场顶板状态及其他工况环境煤矿安全状态监测，实现对煤矿安全事故的预测预警，为巷道围岩及采场顶板的稳定程度、环境灾害危险性和机电设备安全性评估提供科学依据，而且也能够有效解决智能工作面液压支架姿态协同控制、采煤机精准定位、刮板输送机直线度监测等关键技术问题。中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室2020年7月14日星期二基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统源于军工思想、矿业工程“基于光纤光栅传感技术的应力应变测试系统”江苏省优势学科项目建设，是矿业学科一个新的研究方向，目前已完成实验室仪器设备的搭建和系统相关试验的测试，深入研究了井下光纤传感器的监测理论和传感技术。在研究矿压监测的基础上，将光纤光栅传感技术创新性地与煤矿安全监测、智能开采理论相结合，进行集成创新研究，并取得了突破性的研究成果，近5年