光纤光栅煤矿安全监测系统

LOGO光纤光栅煤矿安全监测系统方新秋[e-mail]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1.2.煤矿安全监测概述光纤光栅煤矿安全监测系统成果展示3.工程应用光纤光栅煤矿安全监测系统总结与展望煤矿安全监测的目的与意义2015年8月31日星期一1.1煤矿安全监测的目的、意义与必要性在当前“减矿、减产、减面、减人、减事故”的严峻形势下，虽然煤炭行业仍是国民经济的基础行业，但是时常发生的煤矿事故灾害还是制约着煤炭行业的长期发展，作为减少事故发生的良药，煤矿安全监测已经受到普遍关注。为了实时掌握煤矿井下生产状态，监控井下应力、温度、瓦斯等参数的变化情况，预测预警灾害的发生，煤炭企业和相关科研单位必定会加大力度研究新型的监测技术，煤矿安全监测技术也一定可以在“实现推动煤矿企业扭亏脱困、煤炭行业转型升级、煤矿安全治本攻坚，让更多的煤矿实现全年‘零死亡’目标”方面发挥不可替代的作用。煤矿安全监测的必要性2015年8月31日星期一煤矿安全监测的目的、意义与必要性煤矿安全监测技术是保障煤矿安全生产的必备措施，鉴于其重要性，不仅国家从立法上强制执行，煤矿在生产技术法规上也严令要求，更重要的是无数血淋淋的事故告诉我们煤矿监测势在必行。◆2014年《煤矿安全规程》第一百五十八条规定：所有矿井必须装备矿井安全监控系统。矿井安全监控系统的安装、使用和维护必须符合本规程和相关规定的要求。◆《煤炭工业技术政策》第34条矿井技术改造中规定：改善安全生产设施，配备安全生产监测、监控装备。2015年8月31日星期一煤矿安全监测的目的、意义与必要性事故教训：①2014年11月29日晚，山西吕梁中阳县付家焉煤矿发生一起井下局部冒顶事故，死亡1人。②2015年1月19日10时10分，平煤集团天安煤业十矿发生一起冒顶事故，造成2人死亡，4人受伤。③2014年12月12日中午陕西澄城煤矿发生火灾事故，5名工人被困。④2014年11月27日3时52分，贵州省六盘水市盘县松林煤矿发生一起重大瓦斯爆炸事故，造成11人死亡、8人受伤，4名责任人被刑拘。⑤2014年11月26日2时35分，辽宁省阜新矿业（集团）有限责任公司恒大煤业公司综采放顶煤工作面发生一起重大煤尘爆炸燃烧事故。截止12月1日，已造成28人死亡、50人受伤。⑥2015年4月19日18时50分左右，同煤集团姜家湾煤矿8446工作面发生透水事故，21人遇难。第一代：机械式、液压式传感器第二代：电磁式传感器及监测系统第三代：在线式监测系统煤矿安全监测技术是20世纪60年代开始发展起来的，随着信息传输方式的不断进步，至今已有三代产品。煤矿安全监测的现状1.2煤矿安全监测的现状与存在的问题2015年8月31日星期一现有监测技术手段落后，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。钢弦式压力盒煤矿安全监测的现状与存在的问题2015年8月31日星期一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。煤矿安全监测的现状与存在的问题2015年8月31日星期一在线式监测系统——特点：有源系统，抗干扰能力弱，传输距离短，误差大。有线无线煤矿安全监测的现状与存在的问题2015年8月31日星期一人工采集在线传输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；煤矿安全监测的现状与存在的问题煤矿安全监测存在的问题2015年8月31日星期一1.3煤矿安全监测发展趋势目前影响煤矿安全因素的监测手段仍采用传统的、常规的机械式或电感式方法，大部分靠人工观测，劳动量大且精度较低，不能实现在线实时监测和预警。另外随着计算机和通讯技术的飞速发展，也出现了远程全自动的监测系统，但这些方法普遍存在着测试系统复杂、测试精度低、需带电工作、易受到施工干扰、长期稳定性差等各个方面的问题，难以适应现代化工程监测的要求。与此同时煤矿一直存在井下环境阴暗潮湿、空间有限、电磁干扰严重、瓦斯涌出等顽疾，现有的监测系统一直无法进行根治，导致煤矿安全监测水平处于停滞状态，这就迫切要求出现一种现代化、信息化、智能化的煤矿安全监测系统——光纤光栅煤矿安全监测系统。2.煤矿安全监测概述光纤光栅煤矿安全监测系统成果展示3.工程应用光纤光栅煤矿安全监测系统总结与展望2.2015年8月31日星期一2.1什么是光纤光栅光纤光栅是一种近玻璃丝状的高精度传感元件，利用特殊的方法（如激光雕刻、紫外曝光）将入射光的相干场图形写入纤芯，沿纤芯轴向形成一种折射率周期性分布的结构，使其产生周期性调制，从而在单模光纤的纤芯内形成永久性空间相位光栅。光纤光栅传感技术是伴随着光纤通信技术的发展而出现并迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号（被测量）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。2015年8月31日星期一1992年加拿大Hill等人发现了光纤的光敏性，制作出世界上第一支光纤光栅。1978年1989年美国Meltz等人发明了紫外光侧面写入光纤光栅的技术。促进了光纤光栅的制作技术。1993年Ball等人发现光纤光栅波长随轴向应力呈线性关系，促进了光纤光栅波长解调技术的发展。Jackson等人提出了光纤光栅的拓扑结构，促进了光纤光栅复用技术的研究及发展。2000年之后国内外研发了不同种类的光纤光栅传感器，在多种工程中成功应用，进一步促进光纤光栅的发展。2.2光纤光栅的发展历史起步略晚，但发展迅速，主要应用在航空航天、石油化工、土木建筑、材料工业、岩土隧道、水利电力等领域。目前已尝试应用到矿井井壁监测中，并取得了令人满意的结果，有望今后在煤矿其他方面获得进一步推广应用。2015年8月31日星期一研究始于20世纪70年代末，技术比较成熟，主要应用在大型结构工程（如桥梁、大坝、隧道、高层建筑）、电力、航空航天、核工业、石油勘探以及军事武器装备等领域；国外国内2.3光纤光栅的研究现状2015年8月31日星期一2.4光纤光栅的结构光纤光栅主要由纤芯、包层、涂覆层（即保护层）、增强纤维和保护套组成。其中纤芯和包层是光纤的主体，直径约为125μm左右，对光波的传输起决定性作用。涂覆层、增强纤维和保护套主要起隔离杂光、提高光纤强度和保护作用。光纤的基本结构如图所示：保护套增强纤维涂覆层包层纤芯2015年8月31日星期一2.5光纤光栅传感原理光纤光栅的传感原理基于光的全反射现象，光在纤芯内传播，由于纤芯折射率大于包层折射率，则当满足全反射条件时，入射光将不发生折射，全部沿着纤芯反射向前传播。而光纤光栅利用紫外光改变光纤纤芯的结构，使得光纤纤芯的折射率在光波导的作用下发生周期性的变化，在纤芯内形成一个类似于反射镜的装置，传输光波的时候其特性就具有光栅效应，满足Bragg光栅波长条件的光被反射回来而成为反射光，其余的光成为透射光，如图所示：2015年8月31日星期一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：2nBeffeffn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𝜀时，栅距𝛬变为：𝛬′此时布拉格波长𝜆𝐵产生相应的变化𝛥𝜆𝐵，它满足：1BeBpeP（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𝜆𝐵产生移动𝛥𝜆𝐵，表示为：BBT式中：α为光纤的热膨胀系数；ζ为光纤的热光系数。'1光纤光栅传感原理2015年8月31日星期一光纤光栅传感原理③当温度和应变同时发生变化时，光栅周期𝛬和折射率𝑛𝑒𝑓𝑓会发生变化，从而引起反射光波长𝜆𝐵发生漂移𝛥𝜆𝐵，表示为：2+2Beffeffnn由上述光纤光栅的基本方程可以看出，光栅中心波长的漂移量取决于有效折射率和光栅周期，任何改变这两个参量的因素（应力、应变、温度）都将引起波长的漂移，通过对波长漂移量的检测即可得到外界参量的变化。2015年8月31日星期一2.6岩体变形光纤光栅应变传递机理采用光纤光栅传感技术对岩体变形进行检测时，检测方法主要分为埋入法和粘贴法，而在实际应变测量过程中，采用这两种方法不可避免的要受到光纤光栅保护层和粘贴层等材料的干扰，使得光纤光栅所测得的应变实际上为保护层内表面的应变，与实际的岩体应变不同，因此，为求得实际岩体应变，需要分析光纤光栅、保护层及岩体之间的力学关系。在柱坐标系下，取长度为dx的光纤体（纤芯和包层）微元体进行分析，受力状态如图所示。保护层rXσa(x)σa(x)+dσa(x)τp(x,rp)τp(x,rp)σrσrrprg光纤体保护层光纤体dxσr(a)轴向(b)径向2015年8月31日星期一岩体变形光纤光栅应变传递机理式中：𝑟𝑝为光纤体和保护层半径；𝜏𝑝𝑥,𝑟𝑝为光纤保护层与岩体之间的剪切力；𝜎𝑎𝑥为光纤体与保护层沿轴向总的正应力；𝜎𝑟为光纤体与保护层沿径向的应力（岩体对光纤的挤压力）。𝜋𝑟𝑝2𝜎𝑎𝑥+𝑑𝜎𝑎𝑥+2𝜋𝑟𝑝𝑑𝑥⋅𝜏𝑝𝑥,𝑟𝑝−𝜋𝑟𝑝2𝜎𝑎𝑥=0保护层rXσa(x)σa(x)+dσa(x)τp(x,rp)τp(x,rp)σrσrrprg光纤体保护层光纤体dxσr(a)轴向(b)径向在柱坐标系下，取长度为dx的光纤体（纤芯和包层）微元体进行分析，受力状态如图所示。建立水平方向的平衡方程：2015年8月31日星期一岩体变形光纤光栅应变传递机理经过力学推导，可以得到光纤光栅轴向应变（应力）与岩体沿轴向的应变（应力）之间关系的表达式：𝜀g(𝑥)=𝜀𝑟1−cosh𝑘𝑥cosh𝑘𝐿式中：𝜀g(𝑥)为光纤光栅轴向应变；𝜀𝑟为岩体轴向应变；𝐿为光纤光栅有效长度；𝑘为与中间层介质（保护层、粘贴层）的厚度、弹性模量及泊松比有关的系数。从上述关系式可以看出，影响光纤光栅应变传递效率的因素主要有：光纤光栅有效长度、中间层介质的厚度、中间层介质的弹性模量、泊松比等。因此，合理控制这些因素的大小即可提高光纤光栅的应变传递效率。光纤光栅煤矿安全监测系统是在当前煤矿绿色、高效、安全生产的形势下基于光纤光栅传感技术进行集成创新，将计算机技术、光纤通信与数据处理技术、传感器技术和煤矿安全技术融为一体而研发的新型“光纤光栅+”监测体系。系统可以通过一系列光纤光栅传感器对煤矿井下巷道顶板离层、液压支架压力、围岩应力、冲击矿压、锚杆载荷、采空区温度等各类相关参数进行实时监测，通过光信号将井下动态参数传输到井上计算机监测网络，借助分析软件进行智能化综合分析，实现在线监测和安全预警，减少和避免煤矿安全事故，特别适应于高瓦斯环境和冲击危险的应力监测。具有实时在线多点监测、本质安全、大容量、长距离传输、高灵敏度、不受电磁干扰等优点。现已申请国家发明专利30余项（已授权11项，其余全部公开），已获得实用新型专利12项，软件著作权3项，成功搭建了实验室光纤光栅传感器测试系统，并作为示范工程在华晋焦煤沙曲矿成功应用。2.7光纤光栅煤矿安全监测系统2015年8月31日星期一2015年8月31日星期一1整体架构2015年8月31日星期一光纤光栅煤矿安全监测系统整体架构光纤光栅煤矿安全监测系统由传感子系统、数据采集与传输子系统和数据处理与存储子系统三部分组成。2015年