用于巷道顶板状态监测的光纤传感器技术研究.pdf

分类号 U D C 密级 学位论文 用于巷道顶板状态监测的光纤传感器技术研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业名称 论文提交日期 学位授予日期 评阅人 董跃 赵勇教授 东北大学信息科学与工程学院 硕士学科类别工学 测试计量技术及仪器 2 0 1 4 年6 月论文答辩日期2 0 1 4 年6 月 2 0 1 4 年7 月答辩委员黜李新光教授 王琦副教授柳强教授 东北大学 2 0 1 4 年6 月 万方数据 AT h e s i si nM e a s u r i n ga n dT e s t i n g T e c h n o l o g i e sa n dI n s t r u m e n t s l | HH l l l l l l l l l l ll l l l l l lU f R e s e a r c ho nC o n d i t i o nM o n i t o r i n g 。o n 丽面瓣 一Y 2 9 9 5 14 2 R o o fB a s e do nO p t i c a lF i b e rS e n s o r T e c h n o l o g y B yD o n g Y u e S u p e r v i s o r P r o f e s s o rZ h a oY o n g N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y J u n e2 0 1 4 万方数据 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导F 完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名奄羰 j o 一√ ＼ 日 期伊f 铲．厂砰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年口一年半口两年／ 学位论文作者签名垩移久 签字日期砂f 午．，。1f f ／0 力芝午 天，、时 一缓∥ 名 期 签 日 师 字 导 签 万方数据 东北大学硕士学位论文 摘要 用于巷道顶板状态监测的光纤传感器技术研究 摘要 煤矿巷道顶板坍塌问题十分普遍，而且破坏十分严重，严重危及人们的生命和财产 安全，因此很有必要对巷道顶板结构的健康状态进行监测，实现坍塌事故的早期预报。 光纤传感技术近些年来发展迅速、应用也比较广泛，具有灵敏度高、本质安全、耐高温、 耐腐蚀、抗电磁干扰、性能稳定等优点，可以测量压力、温度、位移、加速度、湿度等 物理量，这些显著的优点使其非常适合煤矿井下的安全监测，因此日益受到煤矿安全监 测领域的广泛关注。基于上述讨论和分析，本文以光纤光栅传感技术为基础，设计制作 了一种新型的大量程顶板离层位移传感器，并且建立了一套巷道顶板状态监测系统，通 过监测巷道顶板离层位移量，进而对顶板稳定性进行安全预警和评估，预防煤矿巷道顶 板事故的发生，本课题的研究对煤矿安全生产具有非常重要的现实意义。 本文通过理论与实验对基于光纤光栅传感技术的巷道顶板状态监测系统进行了研 究。主要研究内容包括 1 对巷道顶板事故的特征与机理进行了理论研究和数学模型分析，采用有限元 软件建立不同类型的矿井巷道模型，并对巷道顶板的应力和变形规律进行模拟分析，研 究巷道顶板变形的机理，确定出巷道顶板受力和变形最大点的分布。 2 针对光纤传感基本理论进行研究，提出适合矿井巷道用的新型光纤传感方法。 设计了一种基于光纤光栅的大量程项板离层位移传感器，研究传感器关键部分的结构参 数及其对传感器性能的影响，进而确定传感器的结构和形式。 3 设计了巷道顶板实验模型，在实验室条件下近似模拟实际煤矿巷道项板情况。 设计了巷道顶板状态监测上位机软件，实现远程监控与测量。 4 设计并搭建了巷道顶板状态监测系统，将监测系统应用到设计的巷道项板实 验模型中，在此基础上进行了顶板离层位移测量实验，并对传感特性进行了分析与处理。 最终系统的测量范围为5 0 m m ，分辨力为l m m ，灵敏度为2 3 ．1 p m ／m m 。 本文设计的巷道顶板状态监测系统达到了预期的设计要求，可以对巷道顶板状态进 行实时有效地监测，为巷道顶板事故的预测提供了一种切实可行的方法。下一步研究中 应考虑将本文设计的监测系统应用到实际工程场合，并进行现场检测，促进其实用化， 以期为实际工程中巷道顶板事故的实时监测与预测提供有效的技术手段和方法。 关键词光纤传感技术；巷道顶板；状态监测；大量程；离层位移 ．1 1 I ． 万方数据 查 查兰堡主学住论文 A b s 仃a c t R e s e a r c ho nC o n d i t i o nM o n i t o r i n go f R o a d w a yR o o fB a s e do n O p t i c a lF i b e rSe n s o rT e c h n o l o g y A b s t r a c t T h ec o a lm i n er o a d w a y c o l l a p s ep r o b l e mi sv e r yc o m m o na n di t sd a m a g ei sv e r ys e r i o u s I ta l s os e r i o u s l ye n d a n g e r s p e o p l e ’sl i v e sa n dp r o p e r t ys a f e t y ．T h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yf o r t h e h e a l t hm o n i t o r i n go fc o a tm i n er o a d w a yr o o ft oa c h i e v ee a r l yc o l l a p s ew a r n i n g ．O p t i c a lf i b e r s e n s i n gt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r sa n di t sa p p l i c a t i o ni sm o r ew i d e l y ．I t h a ss e v e r a ls i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs e n s i t i v i t y , i n t r i n s i cs a f e t y , h i g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，a n t i - e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，s t a b l ep e r f o r m a n c e ，e t c ．I t c a nb eu s e dt om e a s u r ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，d i s p l a c e m e n t ，a c c e l e r a t i o n ，h m n i d i t ya n do t h e r p h y s i c a lq u a n t i t i e s ．I t si n t r i n s i ca d v a n t a g e sa l s om a k ei tm o r es u i t a b l ef o rs a f e t ym o n i t o r i n go f c o a lm i n e ．I th a sa t t r a c t e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n si n c o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gf i e l d ．B a s e do n t h ea b o v ed i s c u s s i o na n da n a l y s i s ，an e w t y p er o o fs e p a r a t i o nd i s p l a c e m e n ts e n s o rw i t hl a r g e r a n g ew a sd e s i g na n dar o a d w a yr o o fm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nf i b e rg r a t i n gt e c h n o l o g y w a se s t a b l i s hi nt h i st h e s i s ，w h i c hc o u l db eu s e dt oa c h i e v ee a r l ys t a b i l i t ys a f e t yw a r n i n ga n d p r e v e n tt h ea c c i d e n t so fc o a lm i n er o a d w a yc o l l a p s eb ym o n i t o r i n gt h ed i s p l a c e m e n to f r o a d w a yr o o f ．I th a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o n ． I nt h i st h e s i s ，t h er o a d w a yr o o fm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nf i b e rg r a t i n gt e c h n o l o g yi s s t u d i e dt h r o u g ht h e o r ya n de x p e r i m e n t s ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d i n g 1 T h e o r e t i c a ls t u d i e sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i sa r ec o n d u c to nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d m e c h a n i s mo fr o a d w a yr o o fa c c i d e n t s ．T h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ew a su s e dt ob u i l dd i f f e r e n t t y p e so fm i n er o a d w a ym o d e l sa n da n a l y s i st h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fr o a d w a yr o o fb y s i m u l a t i o n ．T h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fr o a d w a yr o o fc a nb ef o u n dt h r o u g ht h e s er e s e a r c h 。 I tc a na l s os h o wt h em a x i m u mf o r c ea n dd e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o np o i n to ft h er o a d w a yr o o f ． 2 An e ws e n s i n gm e t h o ds u i t a b l ef o rm i n er o a d w a yi sp r o p o s e db a s e do nt h eb a s i c t h e o r yo fo p t i c a lf i b e rs e n s i n g ．Al a r g er a n g er o o fs e p a r a t i o nd i s p l a c e m e n ts e n s o ri sd e s i g n e d b a s e do nF B GT h ek e yp a r ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fs e n s o ra n dt h e i ri m p a c to ns e n s o r p e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e dt od e t e r m i n et h es t r u c t u r ea n df o r mo ft h es e n s o r ． 3 T h er o a d w a yr o o fe x p e r i m e n t a lm o d e lw a sd e s i g n e d ，w h i c hc a nb eu s e dt os i m u l a t e t h ea c t u a lc i r c u m s t a n c e so fc o a lm i n er o a d w a yr o o fu n d e rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ．T h eP C ．V ． 万方数据 s o f t w a r ef o rr o a d w a yr o o fc o n d i t i o nm o n i t o r i n gw a sd e s i g n e d ，w h i c hc a r lb eu s e dt oa c h i e v e r e m o t em o n i t o r i n ga n dm e a s u r e m e n t ． 4 T h er o a d w a y r o o fc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nf i b e rg r a t i n gt e c h n o l o g yi s d e s i g n e da n db u i l t ．T h em o n i t o r i n gs y s t e mi sa p p l i e dt ot h ed e s i g ne x p e r i m e n t a lm o d e lo f r o a d w a yr o o f ．T h ee x p e r i m e n t st om e a s u r et h er o o fs e p a r a t i o nd i s p l a c e m e n ta r ec a r r i e do u t ． B yc a l c u l a t i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h es e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d ．T h ef i n a l d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tr a n g ei s5 0 m m ，t h er e s o l u t i o ni s lm ma n dt h es e n s i t i v i t yo f s y s t e mi su p t o2 3 ．1 p m ／m m ． T h er o a d w a yr o o fc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e md e s i g ni nt h i st h e s i sa c h i e v e st h ed e s i r e d d e s i g nr e q u i r e m e n t s ．I tc a l lm o n i t o rt h es t a t u so fr o a d w a yr o o fe f f e c t i v e l yi nr e a lt i m e ．I ta l s o p r o v i d e sap r a c t i c a la p p r o a c ht op r e d i c tt h er o a d w a yr o o fa c c i d e n t ．T h er o a d w a yr o o f c o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n e di nt h i st h e s i ss h o u l db ec o n s i d e r e dt oa p p l y i n gi n p r a c t i c a le n g i n e e r i n go c c a s i o ni nf u t u r er e s e a r c h ．P r o m o t ei t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o nt oa c h i e v e l a r g e s c a l ep r o d u c t i o na n df i e l dt e s t i n g ，w h i c hC a np r o v i d et e c h n o l o g ya n dm e t h o d sf o r r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n df o r e c a s t i n go f r o a d w a yr o o fa c c i d e n ti nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g ． K e yw o r d s o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y ；r o a d w a yr o o f ；c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ；l a r g er a n g e ； s e p a r a t i o nd i s p l a c e m e n t 万方数据 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I A b s t r a c t ⋯⋯⋯．．⋯．．．．，⋯．．．．⋯．⋯．⋯⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯V 第l 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 课题研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 巷道顶板状态监测的方法及国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 巷道顶板状态监测的方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．2 巷道项板状态监测的国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 光纤位移传感器的优点及发展方向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 第2 章巷道顶板事故的特征与机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 巷道顶板事故的相关概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．1 巷道顶板分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 ．2 巷道顶板活动规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 巷道顶板事故的防治技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 巷道顶板的破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．2 巷道顶板事故产生的原因及预防措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 矿井巷道模型的建立与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．1 圆形巷道模型的建立及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．2 拱形巷道模型的建立及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．3 矩形巷道模型的建立及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 第3 章基于F B G 的大量程顶板离层位移传感器的设计与分析⋯⋯2 1 3 ．1 光纤光栅的基本传感原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．1 ．1 光纤光栅的温度、应变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 ．2 光纤光栅的温度与应变交叉敏感⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 传感器的结构和工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 ．V T I ． 万方数据 东北大学硕士学位论文 目录 3 ．3 传感器关键部分设计与实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．1 等强度悬臂梁结构参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．2 弹簧和光纤光栅的设计与制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．3 ．3 波纹膜片的设计与制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 3 ．4 传感器的总装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 ．1 粘贴剂的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．4 ．2 光纤光栅的粘贴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 第4 章巷道顶板状态监测系统实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 巷道顶板状态监测系统总体设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 ．1 监测系统整体结构图及其工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 ．2 巷道顶板实验模型和上位机界面的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．1 ．3 监测系统主要器件及选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．2 位移测量实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．2 ．I 悬臂梁性能测量实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．2 ．2 顶板离层位移测量实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．3 实验系统性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 1 3 ．1 线性度和非线性误差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．3 ．2 灵敏度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 4 ．3 ．3 分辨力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 l 4 ．3 ．4 迟滞⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．3 ．5 重复性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 ．3 ．6 稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 3 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 第5 章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 。V T T T ． 万方数据 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 课题研究背景及意义 我国煤炭储量丰富，产量居世界之首，是世界最大的煤炭生产和消费国。煤炭作为 能源主体的格局在近段时间内不会发生改变，据预测，到2 0 2 0 年国内煤炭占一次能源 消费的比重为6 3 ％，即使到2 0 5 0 年这一比重仍将达到5 0 ％以上[ 。我国煤炭资源储存 条件复杂，开采条件受到很多条件的约束，另外相关的监测分析手段比较落后，因此煤 矿灾害事故频发，我国煤矿事故和死亡人数占到了世界总数的8 0 ％左右。进入上世纪 9 0 年代以来，我国煤炭科学技术取得了很多重大性突破，发展比较迅速，煤矿安全状况 已得到根本好转，但仍然存在很多不足，总体水平落后于其他发达国家，煤矿安全问题 一直制约着煤炭工业的发展。近年来，煤矿事故频繁发生，煤矿安全问题日益引起了人 们的广泛关注，成为了一件关系国计民生的大问题[ 2 】。 一 根据1 9 5 0 年～2 0 0 3 年我国煤矿各类事故统计结果，煤矿顶板事故发生次数占事故总 数的2 3 ．5 ％，伤亡人数占总伤亡人数的8 ．8 l ％【3 1 。由此可见，煤矿顶板事故占事故总量 的比重比较大，在煤矿安全生产中必须重视煤矿项板事故的防治。另外对国家煤矿安全 监察局公布的自2 0 0 1 年～2 0 0 8 年期间全国煤矿安全事故报告资料进行统计分析1 4 1 ，按照 煤矿事故类别统计，2 0 0 1 年～2 0 0 8 年各年度煤矿事故死亡人数统计结果见表1 ．1 ，煤矿 事故发生频次统计结果见表1 ．2 。从表1 ．1 和表1 ．2 的统计数据可知，在2 0 0 1 年～2 0 0 8 年期间共发生9 0 3 7 次煤矿事故，死亡2 3 4 1 8 人，其中煤矿冒顶事故发生频次最高，4 6 5 3 次，居各类事故之首，煤冒顶事故死亡人数也处于第二位，达6 1 7 3 人。据不完全统计， 在各类煤矿事故中，项板事故死亡人数占煤矿总死亡人数的比例始终保持在3 0 ％ - 4 0 ％ 左右，在矿井事故中的位次居高不下。 表1 ．1 煤矿事故死亡人数统计表 人 一一一． 鲨l 旦． ． 垒曼垡曼型垒 Q 坠堡 i 箜旦 鱼旦垒 翌i 旦 坚 i 堕 翌堡 巳呈堕Q 堕 事故类别 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 合计 万方数据 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 表1 ．2 煤矿事故发生频次统计表 次 垒 曼 呈 垫曼竺鱼 坚 竺垒 驾竺竺翌型 璺垒 i 竺 里旦垒 里i 翌 呈竺曼i 垡皇翌 f 婴曼1 2 事故类别 2 0 0 12 0 0 22 0 0 3 2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8合计 之所以造成上述状况，一方面是由于煤炭资源储存条件和采矿工程条件的复杂性， 另一方面是由于在煤矿开采过程中，破坏了原始岩层的应力平衡状态，引起各种矿山压 力显现，对工程设施及人员造成不同程度的危害，这是造成煤矿顶板事故的根本原因【5 1 5 。 煤矿顶板事故严重威胁国家和人民的生命和财产安全，因此，采取相应的监测预警 手段对巷道顶板状态进行监测，对煤矿安全生产具有非常重要的现实意义【6 1 。通过分析 可知，顶板事故主要还是由于对顶板活动规律、受力情况不清楚所造成的。在煤矿生产 过程中，需要随时监测巷道顶板离层位移信息，实时掌握顶板的变化情况，研究其变化 规律，用于判断巷道项板是否处于稳定状态，预防顶板事故的发生，这仍然是煤矿安全 生产的紧迫任务。因此，研究设计一套巷道项板状态实时监测系统是很有必要的【7 ，8 1 。 然而，煤矿顶板灾害事故一般都比较复杂，比较隐蔽，也比较突发，为此对传感检 测技术的要求也比较高。传统的对巷道顶板健康状况监测往往是由人工操作完成，主要 采用机械式顶板离层仪对巷道顶板离层位移进行监测，但由于煤矿巷道顶板受力状况复 杂多变，人工操作不便于随时对巷道顶板的位移和受力情况进行掌握。传统的机械传感 技术主要缺点如下观测不方便，数据实时性差，误差比较大。近年来随着电子信息技 术的发展，电子传感器技术已经日趋成熟，在巷道顶板离层位移监测中也通常选用电子 类位移传感器，但是电子类传感器本身的特性决定了它受环境的影响比较大，抗干扰能 力差，不适合用于长期稳定的监测。 光纤传感技术近些年来发展迅速、应用也比较广泛，具有灵敏度高、本质安全、耐 高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、性能稳定，可以测量压力、温度、位移、加速度、湿度等 物理量，这些显著的优点使其非常适合煤矿井下的安全监测，因此日益受到煤矿安全监 测领域的广泛关注1 9 - 1 3 ] 。但是目前光纤光栅传感技术尚不成熟，还存在着一系列关键性 难题光纤光栅有效信号的提取方面；光纤光栅传感器研制方面光纤传感网络及应用 方面【l4 1 。 一2 ． 万方数据 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 基于上述讨论和分析，本文以光纤光栅传感理论为基础，研究设计了一种新型的大 量程顶板离层位移传感器，建立了巷道顶板灾害实时监测系统，本文的研究煤矿安全生 产具有非常重要的理论和现实意义。 1 ．2 巷道顶板状态监测的方法及国内外研究现状 巷道顶板状态监测是以矿山压力理论为指导，采用一定的测试仪器对巷道顶板离层 位移和顶板压力进行监测，之后对监测到的位移和压力信息进行分析处理，总结出巷道 顶板受力和变形规律，避免巷道顶板事故的发生，将各种监测系统进行集成，并实时显 示巷道顶板的状态信息，为煤矿的安全生产提供有效的指导和保障[ 1 5 ，阚。 1 ．2 ．1 巷道顶板状态监测的方法 巷道顶板灾害事故是由于采矿过程中，巷道顶板在采掘引起的集中应力作用下产生 力学效应，最终导致巷道顶板灾害事故的发生。为此，人们想方设法采用一定的方法和 手段来监测巷道项板状态信息，进而分析巷道顶板的变形规律，并用来指导生产实践。 顶板状态监测的主要方法有 1 位移法主要就是把巷道顶板的变形量通过监测 仪器测量出来，并实时显示，主要的仪器有顶板离层仪。 2 压力法主要就是把巷道 顶板的压力通过监测仪器测量出来，预防巷道顶板灾害事故的发生，提前做好预防措施。 3 声发射法主要就是通过监测巷道顶板岩体发射出的声音信号，对顶板稳定性进 行预测，进而预防巷道顶板事故的发生。 4 电磁辐射法【1 7 1 主要就是监测煤岩电磁辐 射强度和脉冲数，监测巷道顶板应力的集中程度，对顶板稳定性进行预测，进而预防巷 道顶板事故的发生。 声发射法和电磁辐射法监测精度比较高、可以长期远程监测、容易实现自动化，但 测量距离比较小。位移法和压力法结构简单、工作性能稳定，但精度不高、不能长期远 程监测[ t 8 ，，9 】。为探寻巷道顶板的变形规律，防止巷道顶板灾害事故发生，本文研究采用 光纤光栅设计一种新型的巷道顶板监测方法，通过监测巷道顶板离层位移量来分析和预 测巷道顶板的状态，观测巷道的变形，预防巷道事故的发生。 1 ．2 ．2 巷道顶板状态监测的国内外研究现状 矿山压力理论是煤矿安全生产和技术研发的前提和基础。因此，国外学者提出了许 多关于矿山压力的假说【2 0 1 ，如悬臂梁假说由德国的K ．S t o c k 于1 9 1 6 年提出。1 9 2 8 年， 德国人哈克 W ．H a c k 和吉果策尔 GG i l i c e r 提出了压力拱假说。铰接岩块假说由 苏联的r - H ．库兹涅佐夫于1 9 5 0 年～1 9 5 4 年提出。2 0 世纪5 0 年代，我国学者提出了具有 中国特色的矿山压力理论体系，主要有“砌体梁矿山压力理论”和“实用矿山压力理论”。 ．3 ． 万方数据 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着科技的发展，国内对煤矿巷道顶板状态监测系统的研制发展主要经历了以下四 个阶段【2 ，1 6 1 。 1 简易机械式测量仪表阶段。该阶段主要以简易机械式测量仪表为主，工艺比 较粗糙，测量准确度较低。目前国内主要有以下两种产品。 a L B Y ZI l l 型顶板离层位移指示仪，是一种检测顶板岩层移动的专用监测仪器。 为煤矿工程技术人员和监测工作人员提供确定锚杆的长度、抗拉强度，了解所使用锚杆 的合理性、经济性而需要的科学依据，从而预防巷道顶板事故的发生，确保煤矿安全生 产。顶板离层指示仪结构如图1 ．1 所示【2 1 1 。 焱7 ‘ ’嘎譬 图1 ．1L B Y ZI I I 型顶板离层位移指示仪 F i g ．1 ．1L B Y Z I l lt y p er o o fs e p a r a t i o nd i s p l a c e m e n ti n d i c a t o r b D L Z ．2 型顶板离层位移指示仪【2 2 1 。该指示仪由位移传动器、孔内测点固定器 及孔口测数器组成，系统结构如图1 ．2 所示。 l 一孔内测点固定器2 一位移传动器3 一孔口测数器 图1 ．2D L Z ．2 型项板离层位移指示仪 F i g ．1 ．2D L Z 一2t y p er o o fs e p a r a t i o nd i s p l a c e m e n ti n d i c a t o r 2 电子测量仪表阶段。该阶段开始应用电子传感器，以C M O S 数字电路为主进 行位移检测。电子式检测仪表稳定性差、智能化程度比较低。 3 智能化检测仪器阶段。该阶段主要采用智能化检测仪表将位移信息转变为相 应的电信号，再进行分析与处理，还可以完成数据的存储与通信功能。目前国内主要有 以下几种代表性产品G D Y - 3 0 6 型矿用顶板位移传感器；济南科泰测控技术有限公司和 济南奥科矿山技术有限公司联合开发研制的K Z L ．3 0 0 巷道顶板离层监测报警系统【2 3 】； 一4 一 ≮∥ N 衫 万方数据 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 中国矿业大学工程力学测试技术研究所开发研制的光栅位移监测系统等【2 4 1 。 4 嵌入式和以太网技术检测阶段。该阶段以嵌入式技术为基础，可以使检测仪 表具备P C 的部分功能。另