礦用頂板無(wú)源光纖智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

范軍平，張靖，盧迪，仇晉忠，倪懷華，吳鵬亮，安哲

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

隨著煤礦開采逐步向深度拓展，礦壓、沖擊地壓、瓦斯突出等災(zāi)害愈加嚴(yán)重；隨著煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化程度的逐步提升，由于機(jī)電設(shè)備運(yùn)行故障引發(fā)的發(fā)火等安全隱患及次生災(zāi)害增加的趨勢(shì)也十分明顯[1]，因此對(duì)重大災(zāi)害的監(jiān)測(cè)及預(yù)警尤為重要。目前煤礦重大災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)水平與安全生產(chǎn)要求之間還存在著較大差距，主要表現(xiàn)在檢測(cè)技術(shù)落后，傳感器可靠性差、維護(hù)工作量大、監(jiān)控系統(tǒng)在信號(hào)采集及傳輸線路中受電磁場(chǎng)干擾嚴(yán)重，而且由于現(xiàn)在的傳感器都需要供電，在諸如煤礦采空區(qū)等危險(xiǎn)源或密閉區(qū)域難以布設(shè)，造成煤礦安全監(jiān)控盲區(qū)，而光纖傳感器具有不帶電且體積小、重量輕、檢測(cè)分辨率高、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器。煤礦各部門所使用的儀器種類繁多、相互獨(dú)立，各種災(zāi)害監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)沒有充分融合，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)煤礦災(zāi)害隱患監(jiān)控預(yù)警所需要的信息量不足，對(duì)礦山重大災(zāi)害隱患的預(yù)警能力差[2]。且國(guó)內(nèi)裝備存在著通用性差、兼容性差、智能程度低等問(wèn)題[3]。因此有必要研究高可靠性的安全監(jiān)控及應(yīng)急信息系統(tǒng)。

我國(guó)煤礦科技工作者對(duì)光纖監(jiān)測(cè)煤礦礦壓方面進(jìn)行了大量研究工作，蘭建功提出了一種基于光纖光柵傳感器，采用信號(hào)波分-空分混合復(fù)用技術(shù)的巷道礦壓監(jiān)測(cè)方法來(lái)提升傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸效率與抗風(fēng)險(xiǎn)能力[4]；李虎威基于光纖光柵傳感原理設(shè)計(jì)了頂板離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在華晉焦煤沙曲礦14301 軌道巷的應(yīng)用表明，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，該系統(tǒng)不僅安全性提高、數(shù)據(jù)更加精確，且更適應(yīng)于井下惡劣環(huán)境[5]；李麗君提出并實(shí)現(xiàn)了一種適用于煤/巖層埋入和液壓支架等壓力測(cè)量的光纖光柵礦壓傳感器，可以用于替代其他各電子類壓力傳感器對(duì)煤礦壓力進(jìn)行精確測(cè)量[6]；侯公羽在試驗(yàn)室建立4200 mm×250 mm×1600 mm（長(zhǎng)×寬×高） 的采場(chǎng)覆巖模型，通過(guò)預(yù)埋于模型內(nèi)部的4 條水平傳感光纖和5 條垂直傳感光纖，對(duì)模型開挖過(guò)程中的覆巖變形特征進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明分布式光纖測(cè)試技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)煤礦上覆巖層“兩帶”變形提供了理論依據(jù)與試驗(yàn)保障[7]。

隨著光學(xué)、光子學(xué)、材料學(xué)、微納米及半導(dǎo)體等理論與技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖傳感器作為新型傳感器技術(shù)的典型代表，近年來(lái)在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展[8]。光纖傳感器已經(jīng)能夠?qū)?yīng)力、壓力、位移、振動(dòng)等物理量進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)利用激光光譜分析原理，監(jiān)測(cè)發(fā)展空間相當(dāng)廣闊[9]。國(guó)外目前已有光纖光柵在工程上的商業(yè)應(yīng)用，但是仍存在著只針對(duì)某一監(jiān)控對(duì)象、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、上層軟件對(duì)下層軟件的依賴性較大、難以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)多方面監(jiān)控等問(wèn)題。礦用光纖大量程可視化離層傳感器的研發(fā)，突破了傳感器本身不帶電，且能滿足煤礦監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)就地顯示的標(biāo)準(zhǔn)要求，目前光纖離層傳感器主流供應(yīng)商的研發(fā)能力最大量程為200 mm。

本文研發(fā)的礦用頂板無(wú)源光纖智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用光學(xué)傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板離層、錨桿應(yīng)力、圍巖應(yīng)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在煤礦井下斷電情況下的應(yīng)急通信及信息采集。在華陽(yáng)新景礦3109 輔助進(jìn)風(fēng)巷展開試驗(yàn)應(yīng)用。對(duì)頂板離層、錨桿應(yīng)力、煤體內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到并分析了監(jiān)測(cè)結(jié)果，揭示了巷道的頂板離層及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 概況

華陽(yáng)新景礦3109 輔助進(jìn)風(fēng)掘進(jìn)工作面地表位于西溝河以東，東西畛及屹駝村西南，趙北溝以西，高嶺村東北，兩巷北中部地表為擔(dān)山梁，南部地表為麻黃山，屬山坡山梁溝谷地段。頂板為硬度較高巖石，兩幫為煤，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1574 m，坡度2°～10°，平均7°。預(yù)計(jì)服務(wù)年限4 a。華陽(yáng)新景礦3109 工作面回風(fēng)巷平面布置如圖1 所示。

圖1 華陽(yáng)新景礦3109 工作面回風(fēng)巷平面布置Fig.1 Plane layout of return airway in 3109 working face of Huayang Xinjing Mine

2 礦用頂板無(wú)源光纖智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)內(nèi)的頂板離層傳感器、錨桿（索） 應(yīng)力傳感器、鉆孔應(yīng)力傳感器等都是基于光纖光柵測(cè)量原理（FBG）[11]。

外線干涉條紋照射一段10 mm 長(zhǎng)的裸光纖，在纖芯產(chǎn)生折射率周期調(diào)制，在布拉格波長(zhǎng)上，在光波導(dǎo)內(nèi)傳播的前向?qū)?huì)耦合到后向反射模式，形成布拉格反射。對(duì)于特定的空間折射率調(diào)制周期（Λ） 和纖芯折射率（n），布拉格波長(zhǎng)為：

由式（1） 可以看出，n 與Λ 的改變均會(huì)引起反射光波長(zhǎng)的改變。因此，通過(guò)一定的封裝設(shè)計(jì)，使能外界移動(dòng)、應(yīng)力和壓力的變化導(dǎo)致n與Λ發(fā)生改變，即可使FBG 達(dá)到對(duì)其敏感的目的。

FBG 中心波長(zhǎng)與壓力變化的關(guān)系為

式中：ΔλB為壓力變化引起的反射光中心波長(zhǎng)的改變；ΔP 為壓力的變化量；ξ 為光纖的熱光系數(shù)。在1550 nm 波段，F(xiàn)BG 對(duì)壓力的敏感系數(shù)為10 pm/Pa。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理量的準(zhǔn)確分布式測(cè)量，需要采用復(fù)用技術(shù)將光纖光柵傳感器形成傳感網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)由地面服務(wù)器、井下解調(diào)主機(jī)、通訊光纜、礦用無(wú)源光纖頂板離層傳感器、礦用無(wú)源光纖錨桿（索） 應(yīng)力傳感器、礦用無(wú)源光纖鉆孔應(yīng)力傳感器、智能化系統(tǒng)平臺(tái)軟件等組成，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)框架Fig.2 System framework

當(dāng)井下礦壓數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，傳感器通過(guò)礦用傳輸光纖將信號(hào)傳輸?shù)浇庹{(diào)儀，經(jīng)處理后傳輸?shù)降孛娣?wù)器，最終由電腦端智能化系統(tǒng)平臺(tái)軟件顯示井下數(shù)據(jù)，且有預(yù)警功能。

光纖光柵解調(diào)儀響應(yīng)時(shí)間＜30 s，傳輸距離20 km，支持通道數(shù)32 個(gè)，傳感器技術(shù)參數(shù)詳見表1。

表1 光纖傳感器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)Table 1 Technical parameters of optical fiber sensor

3 監(jiān)測(cè)方案

新景礦實(shí)施監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)?109 輔助進(jìn)風(fēng)巷600 m 的距離，主要監(jiān)測(cè)工作面圍巖應(yīng)力、錨桿應(yīng)力以及巷道頂板離層情況。在距離主機(jī)2350 m，距離回采面100 m 左右位置開始安裝第一組（1 號(hào)傳感器） 傳感器，此后大約距離50 m 左右安裝1 組，方向是主巷道方向，設(shè)備安裝如圖3 所示。

圖3 華陽(yáng)新景礦3109 輔助進(jìn)風(fēng)巷井下設(shè)備安裝示意Fig.3 Installation of underground equipment in 3109 auxiliary air intake roadway of Huayang Xinjing Mine

4 應(yīng)用情況及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)礦用頂板無(wú)源光纖智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的圍巖應(yīng)力、錨桿應(yīng)力以及頂板離層曲線分別如圖4 ～圖6 所示。

圖4 圍巖應(yīng)力變形曲線Fig.4 Stress deformation curve of surrounding rock

由圖4 可知，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，隨著采動(dòng)位置離測(cè)點(diǎn)越來(lái)越近，各個(gè)測(cè)點(diǎn)在距離采動(dòng)位置100 m 時(shí)圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)出了逐漸增大的趨勢(shì)，這可能是由于前方采空區(qū)越來(lái)越近，巷道圍巖受到了來(lái)自頂板和底板的應(yīng)力影響。大部分測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力增長(zhǎng)速度基本恒定，圍巖應(yīng)力與距工作面距離成反比。開采到距離4 測(cè)點(diǎn)60 m 左右及臨近4 測(cè)點(diǎn)時(shí)，4 測(cè)點(diǎn)處圍巖應(yīng)力出現(xiàn)了跳躍式增長(zhǎng)，可能是由于此時(shí)工作面推進(jìn)速度過(guò)快導(dǎo)致應(yīng)力無(wú)法充分釋放或者此處采用的支護(hù)措施不當(dāng)使圍巖應(yīng)力得不到有效的緩解。應(yīng)力曲線中出現(xiàn)的最大應(yīng)力值為23.3 MPa，出現(xiàn)在工作面推進(jìn)到4 測(cè)點(diǎn)所在位置時(shí)，且圍巖應(yīng)力分布不太均勻，存在應(yīng)力集中的情況，需要采取相應(yīng)的支護(hù)措施或控制開采速度來(lái)減輕圍巖的應(yīng)力集中，保障圍巖的穩(wěn)定性。

由圖5 可知，在采動(dòng)位置距各測(cè)點(diǎn)100～50 m范圍內(nèi)，頂板錨桿所受的拉力較小，受力曲線呈現(xiàn)出平穩(wěn)或緩慢增長(zhǎng)的狀態(tài)。這是由于工作面還未推進(jìn)到頂板受到應(yīng)力較大的區(qū)域。隨后工作面推進(jìn)過(guò)程中，頂板錨桿所受的拉力上升速度明顯增大，呈現(xiàn)出快速上升的趨勢(shì)。這是由于隨著工作面的推進(jìn)，頂板受到的應(yīng)力逐漸增大，需要錨桿來(lái)支撐和穩(wěn)定頂板。當(dāng)工作面推進(jìn)到臨近測(cè)點(diǎn)時(shí)，到達(dá)高應(yīng)力區(qū)，頂板錨桿所受的拉力達(dá)到峰值，受力曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。這是由于高應(yīng)力區(qū)頂板受到的應(yīng)力最大，需要更多的錨桿支撐和穩(wěn)定頂板。

圖5 頂板錨桿受力曲線Fig.5 Stress curve of roof bolt

在工作面推進(jìn)到距3 測(cè)點(diǎn)49～40 m 時(shí)，桿受力出現(xiàn)了突然減小的情況，可能是由于此時(shí)工作面后方采空區(qū)上覆巖層發(fā)生破斷，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)處頂板受力突然減小。

在工作面推進(jìn)到距5 測(cè)點(diǎn)7 m 時(shí)，達(dá)到所有錨桿最大受力81 kN，小于錨桿最大承載能力，錨桿工作狀態(tài)良好且處于安全狀態(tài)。結(jié)合圖6 頂板離層監(jiān)測(cè)分析曲線可知，頂板離層深基點(diǎn)最大值僅40 mm，說(shuō)明錨桿可以成功抑制頂板離層。

圖6 頂板離層曲線Fig.6 Roof separation curve

由圖6 可知，隨著測(cè)點(diǎn)距工作面采動(dòng)位置距離越來(lái)越近，從100 m 開始，測(cè)點(diǎn)處頂板離層深部基點(diǎn)和淺部基點(diǎn)的離層值逐漸增大，離層曲線呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)。所以采動(dòng)過(guò)程中應(yīng)至少提前100 m 做好頂板支護(hù)，以確保頂板的穩(wěn)定。

由圖6 中（a）、（b） 可知，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)逐漸增加，從1 測(cè)點(diǎn)至10 測(cè)點(diǎn)的曲線總體呈現(xiàn)逐步向上移動(dòng)的趨勢(shì)，離層值逐漸增大，且距離測(cè)點(diǎn)越近時(shí)越明顯，例如工作面推進(jìn)至10 測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，深部基點(diǎn)離層值達(dá)到圖中最大值40 mm，明顯大于其他測(cè)點(diǎn)，采動(dòng)過(guò)程中應(yīng)逐步加強(qiáng)對(duì)頂板的控制。部分測(cè)點(diǎn)如5、9 測(cè)點(diǎn)深部基點(diǎn)離層值出現(xiàn)小于其前方測(cè)點(diǎn)的情況，結(jié)合圖5 中的錨桿受力情況可知，距離這些測(cè)點(diǎn)位置較近時(shí)錨桿受力明顯大于其他測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明由于這些測(cè)點(diǎn)位置的錨桿支護(hù)效果明顯，有效抑制了頂板離層導(dǎo)致頂板離層值偏小。

華陽(yáng)新景礦3109 輔助進(jìn)風(fēng)巷沿工作面推進(jìn)方向上頂板離層變化量不大，離層值也較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)警值，說(shuō)明工作面推進(jìn)時(shí)，巷道頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生明顯破壞，無(wú)垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了光纖光柵智能感知、傳感特性，設(shè)計(jì)開發(fā)礦用頂板無(wú)源光纖智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到了傳感器本身不帶電且能滿足煤礦監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)就地顯示的標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化，為礦壓數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得到的井下礦壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了巷道的頂板離層及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，達(dá)到了預(yù)期監(jiān)測(cè)效果，驗(yàn)證了礦用頂板無(wú)源光纖智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和有效性，為煤礦的智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)借鑒。