基于FBG傳感器網絡的煤礦巷道在線監測系統設計*

王 濤， 李 川， 倪建明， 陳 貴， 劉文革， 田 馳

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.淮北礦業股份有限公司，安徽 淮北 235000；3.淮北礦業股份有限公司 朱仙莊煤礦，安徽 宿州 234111；4.廣東羅爾科技有限公司，廣東 東莞 523120)

0 引 言

煤礦巷道的掘進、支護和長期使用中，由于采煤作業，導致巷道圍巖受力情況變得復雜，巷道變形速度加快，使用壽命減少，嚴重的甚至會造成塌方等災害，不但影響煤礦的正常生產，而且會造成人員傷亡和設備損壞[1]。進行巷道圍巖實時監測，并及時采取相應措施，對阻止頂板失穩、避免突發性破壞的發生具有重要意義[2～4]。目前，對煤礦巷道圍巖壓力和離層位移的監測多采用機械式頂板離層儀和礦壓觀測儀，由技術人員現場觀測，手動記錄監測數據，這種方式觀測不方便，誤差比較大，數據實時性差，同時對監測人員產生安全風險[5～7]。因此，研制煤礦巷道離層位移、圍巖壓力和溫度變化的在線監測系統，將巷道的運行狀況實時傳輸到地面數據中心，可對圍巖和離層變化嚴重的區域及早進行加護，避免嚴重災害的發生。

光纖Bragg光柵(fiber-optic Bragg grating,FBG)傳感器為本質安全型傳感器，施工現場只有光信號進入，可滿足井下工程較高的防爆要求[8～11]。本文設計了一種基于FBG傳感器網絡的在線監測系統，對安徽淮北礦業朱仙莊煤礦南二風井巷道掘進區域的離層位移、圍巖壓力和巷道溫度的變化情況進行遠程在線監測。

1 煤礦巷道在線監測系統設計

安徽淮北礦業朱仙莊煤礦位于安徽省宿州市東12 km處，在宿東煤田向斜盆地的北段和中段，兩翼分別有石炭系和奧陶系組成，東翼由于F4斷層逆沖的影響，底層產狀邊陡，底層缺失而不完整，處于斷裂多、破碎帶的地帶。項目選擇朱仙莊煤礦南二風井某一掘進中巷道作為研究試點，南二風井處于地質結構比較復雜的斷裂層帶，井下巷道所受壓力較大，巷道變形速度快。自南二風井建成投產以來，多處巷道發生嚴重的變形和掉頂。

建立監測網，井下700 m數據采集，地面數據存儲；瀏覽器/服務器(B/S)結構，實現工業以太網和辦公局域網2種網絡環境的融合。巷道掘進區域的FBG傳感器通過井下匯總光纜，接入泵房內。泵房內光開關和解調儀解調FBG傳感器反射的光波長信號和通道信號，通過井下工業以太網將數據存入地面服務器的數據中心。數據中心完成對波長數據的處理，并通過Web服務器發布，地面工作人員通過接入辦公局域網各主機完成對井下巷道的監測。具體系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 煤礦巷道在線監測系統的應用

2.1 位移監測

根據井下巷道的掘進情況，分4個斷面，每個斷面拱頂處安裝1只差動式FBG位移傳感器，差動式FBG位移傳感器通過雙光柵結構排除溫度對光柵的影響。差動式FBG位移傳感器的相對位移與FBG的Bragg波長移位的數學模型為

ΔL=K[(λ1-λ10)-(λ2-λ20)]×1 000,

(1)

式中 ΔL為位移，mm；K為位移傳感器的位移系數，mm/nm；λ1為位移光柵一測量波長，pm；λ10為位移光柵一初始波長，pm；λ2為位移光柵二測量波長，pm；λ20為位移光柵二初始波長，pm。

每次數據采集之后，數據中心自動完成數據的處理。監測界面每5 s更新監測值，若監測值超過報警閾值，系統發出報警，提交報警記錄存入數據中心，工作人員接到報警信號查看監測區域是否發生異常情況，并及時采取相應措施。監測界面可看到斷面1～斷面4的實時監測值，如圖2所示，斷面1監測值為加粗線，此時斷面1監測值超過報警閾值。

圖2 位移監測界面

2013年1月21日，2時和21時，井下發生爆破掘進，離層位移發生2次較大抖動，系統發出報警。爆破時離層位移發生突變，爆破結束后，離層位移逐漸趨于平緩，報警結束。圖3為斷面1和斷面2的時序趨勢圖，斷面1更靠近爆破點，且斷面1比斷面2位移量大，說明越靠近爆破點，離層位移量越大。

圖3 位移時序趨勢變化圖

2.2 壓力監測

在煤礦巷道斷面2和斷面3之間的拱頂左45°和右60°4個位置安裝4只FBG土壓力傳感器。FBG土壓力傳感器的壓力與FBG的Bragg波長移位的數學模型為

p=K1(λ1-λ2)×1 000,

(2)

式中p為壓力，kPa；K1為土體壓力傳感器的壓力系數，kPa/nm；λ1為土體壓力光柵測量波長，pm；λ2為土體壓力光柵初始波長，pm。

系統由式(2)計算得到圍巖壓力值，自動存儲數據，每5 s更新壓力值，當壓力值超過報警閾值，監測數據變為紅色，并發出報警且提交報警記錄。監測界面如圖4所示，可看到4只土壓力傳感器的位置和監測值。

圖4 壓力監測界面

圖5為2013年1月21日，右1位置和右2位置傳感器的時序趨勢圖，時序趨勢圖表明：當天2次爆破對圍巖壓力產生影響，壓力變化發生突變，產生報警，爆破結束后，壓力變化趨于平緩，報警結束，監測值逐漸返回原監測水平；巷道拱頂45°位置承受壓力較60°位置大。

圖5 壓力時序趨勢變化圖

2.3 溫度監測

在巷道每個斷面拱頂安裝一只FBG溫度傳感器，FBG溫度傳感器的監測溫度與FBG的Bragg波長移位的數學模型為

T=K2(λ1-λ2)×1 000,

(3)

式中T為溫度，℃；K2為溫度傳感器的溫度系數，℃/nm；λ1為溫度光柵測量波長，pm；λ2為溫度光柵初始波長，pm。

FBG溫度傳感器也安裝在每個斷面拱頂處，系統每5 s更新溫度值，溫度超過報警閾值時，提交報警信號并存入數據中心。溫度監測界面如圖6所示。

圖6 溫度監測界面

井下發生爆破掘進時，巷道溫度未發生較大波動，4只溫度傳感器監測值始終保持在23 ℃左右。監測區域處于南二風井，井下通風狀況良好，爆破后產生的熱量迅速通過風門被排出，井下溫度基本保持恒定。溫度時序趨勢變化情況如圖7所示。

圖7 溫度時序趨勢變化圖

3 結 論

煤礦巷道在線監測系統采用FBG傳感器，在易燃易爆環境中，實現本質安全的在線監測；數據采集和數據處理分析分開進行，井下采集、井上處理分析。該系統為煤礦巷道全壽命周期提供監測、預警和分析，為巷道的正常運營提供安全保障。

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