光纤煤矿安全监测系统

发布时间：2020/06/17 10:09:38

人气：

来源：未知

案例介绍

1. 系统介绍

随着我国煤矿开采深度的增加，以及开采条件越来越复杂，我国的冲击矿压现象越来越多，危害也越来越大，聚积在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放，在井巷发生爆炸性事故，动力会将煤岩抛向巷道，同时发出强烈声响，造成煤岩体振动和煤岩体破坏，支架与设备损坏，人员伤亡，部分巷道塌落破坏，还会引发或可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等。当冲击矿压发生时会对井下巷道、矿工以及地表建筑物造成影响。

传统的煤矿顶板的位移，水位和渗压传感监测系统主要基于电子式和机械式传感器，机械式传感器存在不可靠，不能实时在线显示，而电子式容易受到环境温度，湿度和电磁干扰，易漂移，重复性和长期稳定性很差。因此我们采用目前比较先进的光纤光栅传感技术实现煤矿底板的安全检测。目前光纤光栅传感器用于大型结构的健康监测已经在很多方面开展了研究，例如大桥、大坝、高楼等，这方面的研究也已经有很多。但是煤矿底板与上述建筑物有很大差异。因此，在借鉴水利及高边坡工程中的监测技术时，为了实现对于煤矿顶板安全检测，我们进行了大量的研究工作，完成了基于光纤传感技术的顶板综合监测系统。

1.1 系统特点

多点位移、矿压实时在线监测；

测量精度更精确；

监测传感器无需供电，本质安全；

信息通过光信号传输，不受电磁干扰，防潮湿；

校准周期长，节约人力物力成本；

系统运行稳定、可靠，容易扩展。

1.2 系统软件功能介绍

显示功能：立体流程画面的显示功能；具有多种类型图表、系统图、曲线图、棒图等，用户界面更加直观。

分析功能：历史趋势显示，对未来趋势进行评估，提供检修参考信息；

报警功能：根据实际情况设定不同地点的报警级别及地理位置名称；系统可设置声音报警功能；

上传功能：实时数据网络上传，轻松实现无人值守。

自检功能：系统中某一个传感器出现故障，能够通过软件甄别出故障传感器。

表格定制：用户可定制各种表格：实时数据表、历史数据及统计报表、报警一览表等。

查询功能：可以在系统图上直接查询设备信息、运行历史数据等。

1.3系统技术参数

系统参数：

指标参数

单通道传感器 5-18(根据传感器量程定)

通道数量 1-64

测温范围 -40℃～+200℃

测温精度 ±0.5℃

测温分辨率 0.1℃

应变量程 ±1000 με(可定制±2000με、±3000με)

应变分辨率 0.05% F.S.

应变精度 1% F.S.

位移量程 0-100 mm (可定制)

位移分辨率 0.05% F.S.

位移精度 0.5% F.S.

压力量程 0-100 MPa (可定制)

压力分辨率 0.05% F.S.

压力精度 0.5 % F.S.

供电方式 AC220V /50Hz

通讯接口 RS232/10M以太网

系统软件基于Windows操作系统

光纤顶板离层传感器：

测量点数（个） 2

最大量程(mm) 200

读数精度（mm） 1

安装锚孔直径（mm） Ф28、Ф42

位移的要求

光纤矿压传感器：

量程： 0～60MPa

分辨率： 0.1%（F.S.）Mpa

精度： ±1%（F.S.）

测量点数： 2点

引压孔： Φ10mm（KJ10国标）

2. 总体结构方案

2.1 系统结构

煤矿井下顶板监测系统主要由微型计算机、监测仪主机、传输电缆、连接光缆、接续盒和传感器等组成。监测仪主机主要对采集的光学数据进行分析，并按照通信协议标准提供具体监测数据给微型计算机，连接光缆（无源）主要用来传输光信号；探测器为我公司具有独立技术产权的特殊检测设备，能够对顶板离层信息、矿压信息进行检测。具体系统结构如下图1所示：

2.2 光纤顶板离层传感器

顶板离层监测的目的在于及早发现顶板失稳冒落的征兆，及时采取加固及预防措施，避免顶板安全事故发生，同时顶板离层的观测值也是对锚杆支护设计校合的重要依据。顶板离层监测是通过光纤顶板离层监测系统来实现的。该系统结构简单、显示直观、本质安全、集中监控，最大量程200mm，分辨率1mm。

光纤顶板离层传感器是将外界位移对光纤的作用，引起光纤光栅反射波长发生变化。只要测出这些参数随外界因素的变化关系，就可以通过光纤光栅波长的变化来检测外界位移变化，这就是光纤顶板离层传感器的基本工作原理。

光纤顶板离层传感器根据实际设计，安装到监测平面，顶板离层传感器测量到的信号通过光缆沿着固定管传输，几个位移传感器通过光缆并接起来，连接到测量系统主机，完成信号的解调和数据显示。

光纤顶板离层传感器主要由锚爪、测绳、底座、位移计A、位移B、尾纤组成。锚爪安设在顶板钻孔中，钻孔直径一般为 28～43/mm，深6～8 m。深锚爪送至孔底，通过测绳与底座上的位移计A相联；浅锚爪设在预定深度，通过测绳与底座上的传感器B相联，底座固定在孔口。当锚固范围内有离层时，通过传感器A与传感器B的差值获得。传感器尾纤通过不锈钢软管保护，同时与主光缆进行连接。

2.3 光纤矿压传感器

光纤矿压传感器是我公司研发的新一代煤矿安全监测传感器，该传感器基于光纤光栅传感技术，用于监测煤矿环境下巷道顶板来压大小、煤壁压力、支护油压。传感器基于光纤光栅技术，利用光纤光栅调制解调仪对传感器工作需要的光信号进行调制和解调。可以实现了测量现场的无电检测。传感器反射光功率低于50mW，可以提供并满足井下工作的传感器不带电，特别适用于煤矿井下﹑石油化工﹑高压电力﹑危险品仓库等易燃﹑易爆﹑强电磁干扰的环境下的光纤光栅传感器的工作。

2.4 顶板监测主机

FBGI001型多通道光纤光栅分析仪是高精度、高灵敏度、多通道、多测量的测量分析仪，为光纤光栅传感测量系统提供了完善可靠的解决方案。内置嵌入式计算机，通过对光纤光栅波长分析，得出外界物理量的变化，实现外界环境实时有效的监测。目前该系统广泛的适用于电力、建筑、石化、交通、煤矿等特殊场合的温度、应力、应变、压力等监测。

3. 系统安装

3.1光纤顶板离层传感器的安装

光纤顶板离层传感器使用方法如图所示:

用风钻在巷道顶板上打孔，钻孔深度根据现场情况确定，一般打6～8m。

用风钻在巷道顶板上打安装孔，安装孔直径200mm，深600mm。

用安装杆将锚爪3推至钻孔顶端，轻拉一下钢丝绳，确认锚固器已锚固。

用安装杆将锚爪4推至钻孔预定位置，轻拉一下钢丝绳，确认锚固器已锚固。

将钢丝绳分别固定在位移A和B顶端，将位移传感器调到合适测量位置，然后将其固定在底座上，然后剪下多余的钢丝即可。

将位移计A和B用固定夹具固定在保护壳中，固定时确保传感器处于预拉伸状态。