基于FBG傳感器的巷道頂板離層狀態(tài)智能監(jiān)測

袁應(yīng)吉　劉洪洋　韓江豪

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，煤炭開采方式大不同于以往，現(xiàn)階段，隨著煤炭開采進度越來越快以及煤炭開采量越來越大，使得煤炭開采深度越來越深，給煤礦安全帶來極大隱患，煤礦坍塌事件頻發(fā)，煤礦工人的生命安全遭到威脅。煤礦的安全事故主要包括巷道頂板離層、煤礦礦壓失衡等?；诖耍疚闹饕槍ο锏理敯咫x層狀態(tài)，從煤礦巷道頂板的概念入手，分析FBG傳感器的工作原理，旨在通過FBG傳感器對巷道頂板離層狀態(tài)的智能監(jiān)測進行分析，以期減少在釆煤過程中所出現(xiàn)的安全事故，增加安全生產(chǎn)的可靠性。

關(guān)鍵詞：FBG傳感器;煤礦巷道;頂板離層;智能監(jiān)測

當(dāng)前，我國正處于技術(shù)革新時代，煤炭作為很多化工產(chǎn)品的原材料，隨著工業(yè)發(fā)展，其需求量也會越來越高，同時煤炭開采所帶來的生產(chǎn)問題也越來越受到關(guān)注。目前，由于開采深度的增加，國內(nèi)煤礦在開采過程中往往面臨“三高一擾動”的問題，從而導(dǎo)致巷道頂板離層、脫落等現(xiàn)象越來越嚴重，對煤礦工人的生命安全帶來極大隱患。在煤礦監(jiān)測中應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，可有效借助光纖本質(zhì)特點，達到煤礦安全要求的防爆性能。

1煤礦巷道頂板概述

煤礦井下位于煤層上方的巖層稱為頂板，可分為偽頂、直接頂和老頂三類。偽頂較為薄弱，是指隨著掘進或回踩隨即掉落的巖石;直接頂巖層較為薄弱，極易發(fā)生坍塌事故，須在采空區(qū)暫時由支架支撐，防止坍塌;老頂是最上層的巖層帶，在偽頂或直接頂之上，老頂有較大的巖層密度，通常情況下不會出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。不同的巷道頂板部分，煤礦巖層厚度不同，偽頂巖層厚度大約在0～0.7米，直接頂巖層厚度大概在9～10米，而老頂巖層厚度則在8～9米以上，巖層相對較后，不容易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象。

2FBG傳感器的工作原理

2.1FBG位移傳感器工作原理

FBG位移傳感器的工作原理如下：（1）金屬桿產(chǎn)生位移時，會帶動彈黃產(chǎn)生相應(yīng)的位移;（2）彈簧產(chǎn)生位移后，促使等強度懸臂梁的自由端產(chǎn)生相應(yīng)變化，由于光纖光柵粘貼于等強度的懸臂梁上，因此，在等強度懸臂梁自由端產(chǎn)生變化時，光纖光柵的波長也會相應(yīng)產(chǎn)生移位。此時可以結(jié)合光纜和調(diào)制解調(diào)器的作用，對移位現(xiàn)象進行在線測量。

2.2FBG壓力傳感器的工作原理

FBG壓力傳感器主要是壓力的傳遞，對壓力進行實時監(jiān)測的過程，其工作原理如下：（1）傳感器通過壓力作用，使一次膜片感受到壓力，并將該壓力通過傳壓油腔和圓球均勾傳遞到等強度懸臂梁的自由端，與FBG位移傳感器工作原理相似，待該壓力傳遞到等強度懸臂梁自由端之后，使粘貼在等懸臂梁中心軸線上的光纖光柵波長產(chǎn)生移位，之后再進行下一步操作;（2）借助智能監(jiān)測系統(tǒng)對光纖光柵波長的移位和壓力進行實時監(jiān)測，經(jīng)檢測并計算得出該傳感器的分辨率為0.002MPa。

3基于FBG傳感器的巷道頂板離層狀態(tài)智能監(jiān)測

3.1監(jiān)測方案制定

根據(jù)當(dāng)前煤礦工程發(fā)展現(xiàn)狀，煤礦事故頻發(fā)，現(xiàn)階段對煤礦安全生產(chǎn)管理工作關(guān)注度越來越高，煤礦生產(chǎn)安全不僅關(guān)系著煤礦工程的順利進行，更關(guān)系著煤礦工人的生命安全，因此，針對煤礦安全生產(chǎn)要求，利用光纖光柵傳感器對與煤礦巷道頂板安全相關(guān)的溫度、位移等參量進行實時監(jiān)測，實時了解煤礦工作進程、煤礦內(nèi)部工作面及巷道頂板溫度、壓力等。監(jiān)測到的信息借助傳感器中光纖骨干網(wǎng)進行傳輸，通過研發(fā)對應(yīng)的檢測系統(tǒng)軟件對光柵信息進行轉(zhuǎn)換，并將監(jiān)測到的信息保存到遠程數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。

3.2實時監(jiān)測設(shè)計與實現(xiàn)

實時監(jiān)測是FBG傳感器檢測系統(tǒng)的主要功能，具有即時性，能對煤礦里的狀況進行實時監(jiān)控，使外界人員能隨時隨地了解煤礦情況，通過實時監(jiān)測系統(tǒng)可以提供給用戶最為直觀的界面，通過該監(jiān)測系統(tǒng)，用戶可以更加方便的進行報警工作，通過向檢測器提交實時監(jiān)測請求后，檢測器會檢查傳感器的信息，進而找到實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。如果用戶確實需要提交報警信息，則需根據(jù)上述流程進行報警操作，待顯示器現(xiàn)實處理已完成，說明整個實測交互時間關(guān)系已完成。

4結(jié)果與討論

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，以及科學(xué)技術(shù)的進步，越來越多的企業(yè)開始大規(guī)模建立，尤其是化工企業(yè)的發(fā)展如日中天，煤炭作為化工企業(yè)的主要原材料，企業(yè)的快速發(fā)展預(yù)示著煤炭資源將供不應(yīng)求，大規(guī)模的煤炭開采亟待進行，對煤礦的安全生產(chǎn)帶來極大隱患。煤礦在開挖過程中，巷道圍巖會在自身的重力作用下產(chǎn)生一種應(yīng)力場，隨著煤礦開挖深度的加深，這種應(yīng)力場作用會增大，進而破壞巷道圍巖的受力平衡，如果不及時支護或支護不合理，極有可能會出現(xiàn)開挖區(qū)域的圍巖脫落現(xiàn)象，造成頂板離層乃至冒頂事故。煤礦巷道頂板離層作為巷道變形的直觀反應(yīng)，實現(xiàn)對離層值的實時監(jiān)測對維護煤礦巷道的頂板穩(wěn)定有著重要的意義。

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