无电传感技术在煤矿安全监控系统中.doc

煤矿安全实时监测技术的新突破 --------无电传感新技术在煤矿安全生产中的应用 汤树成 张杰 张恒 周枫 上海启鹏工程材料科技有限公司 摘 要 介绍了无电传感新技术---光纤光栅传感技术在煤矿行业中的一些典型应用。该技术是目前国内外最先进成熟的无电检测技术，本质安全，监测范围广，是煤矿安全监测集成化、智能化、数字化、网络化核心技术的基础平台。光纤光栅无电传感技术系统是集波分复用技术、精密波长控制技术、光信息传输定位技术、宽带光谱传输技术，大容量系统集成技术、光信号同步传输控制技术为一体的综合数据采集、传输、控制分析系统，为矿业安全监测集成化、智能化、数字化、网络化的实现提供了坚强的技术保证，在煤矿安全生产、科学采掘和科学管理中具有广泛的应用前景。 关键词 光纤光栅，无电传感，煤矿安全，安全监测 一、引言 安全监测系统集成化、智能化、数字化、网络化是我国煤矿安全生产建设的主要发展方向，目前由于技术因素、观念原因，我国许多煤矿还是采用传统的产品，由于传统产品的缺陷，很难做到安全监测系统的数字化、智能化、集成化、网络化，导致在实际使用中效率低下，准确性不高，难以在安全生产中起到很好的预警作用，尽管各企业投入大量人力物力，但是各类安全事故仍频繁发生，因此，如何进一步减少事故发生的概率，除了加强管理外，积极采用国内外最新科技成果，提高对灾害的预知预警的技术能力非常关键。 传统传感器大多以电信号为主，电信号传感器的缺陷众所周知，而目前煤矿安全监测采用的仍是以电信号传感器为主，这也是煤矿安全监测无法进一步提升的主要技术原因。随着光纤传感技术的发展，无电传感技术开始脱颖而出，从而为传感技术的新发展奠定了良好的基础，其中以光纤光栅传感技术表现得更为成熟，已在桥梁、隧道、石化、电力等行业广泛应用。 基于光纤光栅原理制造的传感器通过测量光的波长来测量外界物理量的，具有不怕恶劣环境、抗电磁干扰、精度高、灵敏度高、易于传输、无源本质安全、准分布式测量等优点。光纤光栅优越的内在特性使其在煤矿井下阴暗潮湿、振动、电磁干扰、存在易燃易爆气体等环境下能够稳定工作。因此光纤光栅传感技术引入到煤矿安全监测中将具有广泛的应用前景[1]。 二、光纤光栅传感原理 光纤光栅是在光纤的纤芯中通过紫外刻蚀方式形成周期性折射率变化的一段光纤。这样的结构将会反射特定波长的光谱，所反射的中心波长为 其中， 是被反射的波长， 是光纤光栅的有效折射率，为光栅周期。 图1 光纤光栅示意图 通过拉伸或压缩光纤光栅，或者改变温度可以达到改变光纤光栅的周期和有效折射率从而达到改变光纤光栅的反射波长的目的。而且光纤光栅的中心波长的变化量和和应变、温度的变化量成线性关系。根据这样的特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、加速度、位移等多种传感器。由上分析可知基于光纤光栅原理制造的传感器通过测量光的波长来测量外界物理量的，具有不怕恶劣环境、抗电磁干扰、易于传输、无源本质安全、分布式测量等优点。 光纤光栅信号处理器用于实时采集各光纤光栅传感器的波长值，通过光栅传感器波长变化量的大小推算出相应物理量（温度、应力等）的改变大小。这样就实现了物理量传感检测的目的。 图2 光纤光栅传感系统 三、光纤光栅传感系统技术优势 基于布拉格光纤光栅（FBG）的传感器相对于传统的电子传感器技术具有很多重大优势，具体表现在 1、适用于严苛环境。 布拉格光纤光栅传感器完全无源，没有使用任何电子元件。因此，它们可以工作在从低温到几百度的高温的极端温度下，并可在电子传感器及仪表无法工作的地方长期工作。另外，由于无源，因此它们是本质安全防爆，可工作各种危险易爆环境下。 2、抗电磁干扰。 布拉格光纤光栅传感器的无源特性的另一个好处就是它们不受到静电、电磁及无线电频率源的干扰。所以它们可以安装在电厂、矿井等具有严重电子干扰源的场所。 3、传输距离远。由于光纤光栅实质是光纤的一部分，光纤是一个效率非常高的信号传输载体。在不用任何中继的情况下，光纤光栅传感器可以覆盖10Km范围的现场状态监测。 这种长距离传输可以很好解决传感器现场供电难的问题。 4、长期稳定性。 布拉格光纤光栅传感器的另一个优点是其对于远程监控具有长期的稳定性。作为无源传感器，布拉格光纤光栅具有零漂移的特性，因而可以使用很多年而不需要重新标定。这大大增加了这种传感器的经济优势。 5、系统容量大。 一条光纤可以串行接入很多布拉格光栅，而一台多通道解调设备又可同时解调几十甚至上百条光纤，单套设备可同时监测数千个测点。与每个传感器都需有一个专有通道的传统电传感技术相比，系统成本低，性价比高。 6、多参量传感。 目前基于光纤光栅技术可实现的传感有温度、位移、应力、压力、加速度、沉降、渗压、振动、倾斜等等多种物理量。而且一套系统可以对上述物理量同时进行实时监测。 图3 光纤光栅传感技术在煤矿中实现多参量同时监测 四、光纤光栅传感技术在煤矿安全监控中的应用 根据煤矿应用需求，光纤光栅传感技术能够监测的温度、位移、应力、压力、加速度、沉降、渗压、振动、倾斜等等多种物理量，根据矿井现场情况可设计出各种满足矿井应用需求的传感器。煤矿光纤光栅安全监控系统实现对上述多种物理参量的在线实时监测。同时要求系统具有可扩充性，以保证在后期技术逐步成熟的光纤光栅其他物理量传感器能够无缝、无差异地接入本系统。 4.1 煤矿顶板压力监测[2] 煤岩应力（压力）变化是巷道顶板支护发生灾难事故前的重要特征。掌握煤岩应力应变规律是预防煤矿巷道灾难事故的最根本方法之一。 光纤光栅锚杆压力传感器用于监测锚杆在工作状态下对岩壁的承托载荷，压力传感器安装在锚杆托盘与紧固螺母之间，当锚杆受力发生变化时，在锚杆托盘与紧固螺母之间压力传感器计上光纤光栅受力发生相应改变，引起光纤光栅波长的变化。通过光纤光栅信号处理器的检测即可换算出锚杆上压力变化大小。顶板压力传感器监测顶板对锚固托盘的作用力，分析锚杆荷载程度以及围岩稳定性，为煤矿工程技术人员和检测人员优化锚杆抗拉强度，了解所使用锚杆的合理性、经济性提供科学依据。 图4 光纤光栅煤矿顶板压力监测 4.2 煤矿顶板离层监测[3] 掌握煤岩离层运动及其运动趋势是预防煤矿巷道灾难事故的最直接方法。 光纤光栅顶板离层传感器应用光纤传感技术原理实现的一种顶板离层监测传感器，它由锚头、锚绳以及。当岩光纤光栅受力支架组成。安装时将锚头固定在稳定的岩层中，通过锚绳连接光纤光栅受力支架。当巷道顶板有离层现象发生时，支架拉动锚绳向下移动时，锚绳上的拉力引起光纤光栅波长的变化。通过光纤光栅信号处理器的检测即可换算出位移量的大小。光纤光栅顶板离层传感器可以监测顶板离层的全过程。可有效防止顶板坍塌事故的发生，确保煤矿安全生产。 图5 光纤光栅煤矿顶板离层监测 4.3 煤矿渗压监测[4] 矿井巷道生产过程中，地面悬湖、悬河以及地下暗河水可通过裂隙、断层、塌陷区等各种通道涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，极易发生透水事故。因此对巷道岩层渗压进行实时在线监测具有现实重要意义。 光纤光栅渗压计采用独有的压力弹性元件作为传感基底，专为精确测量完全饱和或者部分饱和土壤和岩石中的小孔水压而设计。将光纤光栅渗压计通过钻孔方式安装在巷道岩层深处。当岩石水系增大时，压动弹性元件引起光纤光栅波长的变化。通过光纤光栅信号处理器的检测即可换算出水压的大小。 图6 光纤光栅煤矿渗压监测 4.4 煤矿采空区温度监测[5] 图7 光纤光栅煤矿采空区温度监测 我国煤矿自然发火占总矿井火灾的90％以上。因此，自然发火是矿井防灭火工作中的治理重点。绝大部分自然发火发生在采空区、巷帮破碎煤柱及充填工作面采空区内。采空区一旦自燃，所造成的经济损失非常大。同时采空区温度监测是防治瓦斯事故的重要手段，是预报预防瓦斯发生、发展的有效手段。 光纤光栅温度传感器可有效解决煤矿采空区温度监测难题。2025支光纤光栅温度传感器间隔10m左右可串成1路。穿入钢管沿回采工作面铺设一条，随着工作面的推进，每隔25m左右放置一条温度监测链路，这样在采空区形成一套温度监测分布式网络。温度传感器信号通过巷道传输到信号处理器。 4.5 煤矿电气设备温度监测[6] 井下许多电气设备需要进行温度监测。如井下高爆开关断路器会因插接触头接触不良、接触电阻增大、出现的触头温升从而影响设备安全；井下各类电力电缆和动力电缆超负荷工作比较普遍，电缆本体、电缆接头、电缆终端经常发热，严重时会引起电缆火灾；井下其他动力设备如大功率电动机、风机、输煤皮带机等等关键部位均需要温度监测。 光纤光栅温度监测技术是无电测温技术，有极强的抗强电干扰能力，是电力测温技术重大突破直接实时监测开关柜内部触头、母线排、变压器内部绕组、油温、高压电缆部、外部或接头、人工不便于靠近或对人有害场所。精确、安全、对被测设备无任何副作用。如图XX是井下高压电力开关柜温度监测拓扑结构，系统中将微小的光纤光栅温度传感器安装在电力开关柜动、静触头内部，光纤光栅温度传感器精确测量开关柜触头温度且不受开关柜内部电磁干扰。 a 开关柜温度监测 b 电缆/电缆接头温度监测 c 母线排温度监测 b 电力变压器油温/绕组温度监测 图8 光纤光栅在煤矿电气设备温度监测中的应用 4.6 竖井结构健康监测[7] 由于矿井所处地层条件、井壁受力状况复杂多变，因此，在井壁的应力、应变状态进行现场实时监测就显得非常重要。目前，这项工作往往都是由人工方式来完成，这样一方面不利于随时掌握井壁变形、受力信息，另一方面受人为因素影响比较大，极有可能漏采具有代表性的数据，从而给井壁的受力状况分析带来困难，甚至会发生危险。因此，建立一套能完成实时监测和超载预警功能的监测系统就非常必要。 煤矿竖井结构健康监测可采用光纤光栅埋入式应变（表按式应变）、钢筋计、倾斜仪、离层仪、光电收敛计等等传感器进行综合监测。光纤光栅传感技术在包括桥梁、隧道、基坑等土木工程领域的健康监测已经广泛使用。这些健康监测的成熟技术可以无缝移植到煤矿竖井井壁结构健康监测中来。 图9 光纤光栅在竖井结构健康监测中的应用 4.7 露天矿边坡移动监测[8] 露天矿山和废石堆边坡管理是安全生产管理的重点之一, 一旦发生滑坡等地质灾害将给社会、矿山工程建设和生产带来极大影响, 甚至造成生命财产的巨大损失 。利用光纤光栅离层仪和压力环技术可实现对露天矿边坡移动监测。达到及时、高效、准确预防地质灾害事故发生的目的。 光纤光栅离层仪初始安装时，锚头浇铸到边坡内部的稳定层中，滑坡后测绳被拉伸并改变方向，测绳的位移变化量传递至传感器内的光纤光栅上，光纤光栅的信息通过传输光缆传输到远端的信号处理器中实现检测、显示、报警。同时边坡支护锚杆压力环也可辅助验证边坡滑移造成的应力变化情况。 图10 光纤光栅实现对露天矿边坡移动监测 4.8 综采工作面矿压监测[9] 综采工作面矿压监测一直是煤矿开采中一项非常重要的工作。综采工作面矿压监测通常观察分析支架初撑力、来压规律、来压大小、最大工作阻力等基本量进行监测。综采工作面矿压监测能得出工作面矿压活动的规律，为以后的控顶设计及支护质量管理提供经验依据。 光纤光栅综采工作面矿压监测可以采用常规的油压监测方式，改造渗压计接口，导入高压液压油管，测量油压。通过高压油管将液压支架的油压连接到光纤光栅的渗压计上，通过油压来推算液压支架上承受的煤岩压力。光纤光栅传感技术还可以直接在液压支架的前梁、主梁以及掩护梁类等部位直接安装应变传感器，直接测量支撑梁上的应力。 图11 光纤光栅综采工作面矿压监测 五、结束语 （1）基于光纤光栅传感技术的煤矿安全监测系统由于传感器现场数据采集和传递全过程通过光波来完成，因此传感器具有无源本质安全特性； （2）通过对光纤光栅的不同封装，其所能实现应变、应力、温度、位移、压强等物理量的监测，物理量监测可能够覆盖煤矿巷道安全监测所需种类； （3）光纤光栅传感技术具有不怕恶劣环境、抗电磁干扰、易于传输、测量精确和准分布式测量等优点。 （4）光纤光栅传感技术在煤矿防治煤岩动力灾害、矿井火灾、水灾等事故中具有广泛的应用前景和重大的社会、经济效益。 参考文献 [1] 刘文水. 光纤bragg光栅在煤矿安全中的应用探讨. 工矿自动化. 2011（2） 26-29. 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