礦用頂板無源光纖智能遠程監測系統應用研究

范軍平，張靖，盧迪，仇晉忠，倪懷華，吳鵬亮，安哲

（華陽新材料科技集團有限公司，山西陽泉 045000）

0 引言

隨著煤礦開采逐步向深度拓展，礦壓、沖擊地壓、瓦斯突出等災害愈加嚴重；隨著煤礦機械化、自動化程度的逐步提升，由于機電設備運行故障引發的發火等安全隱患及次生災害增加的趨勢也十分明顯[1]，因此對重大災害的監測及預警尤為重要。目前煤礦重大災害監測預警技術水平與安全生產要求之間還存在著較大差距，主要表現在檢測技術落后，傳感器可靠性差、維護工作量大、監控系統在信號采集及傳輸線路中受電磁場干擾嚴重，而且由于現在的傳感器都需要供電，在諸如煤礦采空區等危險源或密閉區域難以布設，造成煤礦安全監控盲區，而光纖傳感器具有不帶電且體積小、重量輕、檢測分辨率高、靈敏度高、抗干擾能力強等優勢，明顯優于傳統傳感器。煤礦各部門所使用的儀器種類繁多、相互獨立，各種災害監測子系統之間的數據沒有充分融合，導致實現煤礦災害隱患監控預警所需要的信息量不足，對礦山重大災害隱患的預警能力差[2]。且國內裝備存在著通用性差、兼容性差、智能程度低等問題[3]。因此有必要研究高可靠性的安全監控及應急信息系統。

我國煤礦科技工作者對光纖監測煤礦礦壓方面進行了大量研究工作，蘭建功提出了一種基于光纖光柵傳感器，采用信號波分-空分混合復用技術的巷道礦壓監測方法來提升傳感網絡傳輸效率與抗風險能力[4]；李虎威基于光纖光柵傳感原理設計了頂板離層監測系統，在華晉焦煤沙曲礦14301 軌道巷的應用表明，與傳統的測量方法相比，該系統不僅安全性提高、數據更加精確，且更適應于井下惡劣環境[5]；李麗君提出并實現了一種適用于煤/巖層埋入和液壓支架等壓力測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煤礦壓力進行精確測量[6]；侯公羽在試驗室建立4200 mm×250 mm×1600 mm（長×寬×高） 的采場覆巖模型，通過預埋于模型內部的4 條水平傳感光纖和5 條垂直傳感光纖，對模型開挖過程中的覆巖變形特征進行測試，試驗結果表明分布式光纖測試技術在現場監測煤礦上覆巖層“兩帶”變形提供了理論依據與試驗保障[7]。

隨著光學、光子學、材料學、微納米及半導體等理論與技術的飛速發展，光纖傳感器作為新型傳感器技術的典型代表，近年來在我國得到了迅速的發展[8]。光纖傳感器已經能夠對應力、壓力、位移、振動等物理量進行測定，同時利用激光光譜分析原理，監測發展空間相當廣闊[9]。國外目前已有光纖光柵在工程上的商業應用，但是仍存在著只針對某一監控對象、缺乏統一標準、上層軟件對下層軟件的依賴性較大、難以通過簡單的操作實現多方面監控等問題。礦用光纖大量程可視化離層傳感器的研發，突破了傳感器本身不帶電，且能滿足煤礦監測現場就地顯示的標準要求，目前光纖離層傳感器主流供應商的研發能力最大量程為200 mm。

本文研發的礦用頂板無源光纖智能遠程監測系統利用光學傳感技術實現對頂板離層、錨桿應力、圍巖應力的實時監測，實現在煤礦井下斷電情況下的應急通信及信息采集。在華陽新景礦3109 輔助進風巷展開試驗應用。對頂板離層、錨桿應力、煤體內部應力進行實時監測，得到并分析了監測結果，揭示了巷道的頂板離層及礦壓顯現規律。

1 概況

華陽新景礦3109 輔助進風掘進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，設計長度1574 m，坡度2°～10°，平均7°。預計服務年限4 a。華陽新景礦3109 工作面回風巷平面布置如圖1 所示。

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

2 礦用頂板無源光纖智能遠程監測系統

系統內的頂板離層傳感器、錨桿（索） 應力傳感器、鉆孔應力傳感器等都是基于光纖光柵測量原理（FBG）[11]。

外線干涉條紋照射一段10 mm 長的裸光纖，在纖芯產生折射率周期調制，在布拉格波長上，在光波導內傳播的前向導模會耦合到后向反射模式，形成布拉格反射。對于特定的空間折射率調制周期（Λ） 和纖芯折射率（n），布拉格波長為：

由式（1） 可以看出，n 與Λ 的改變均會引起反射光波長的改變。因此，通過一定的封裝設計，使能外界移動、應力和壓力的變化導致n與Λ發生改變，即可使FBG 達到對其敏感的目的。

FBG 中心波長與壓力變化的關系為

式中：ΔλB為壓力變化引起的反射光中心波長的改變；ΔP 為壓力的變化量；ξ 為光纖的熱光系數。在1550 nm 波段，FBG 對壓力的敏感系數為10 pm/Pa。

為了能夠實現對物理量的準確分布式測量，需要采用復用技術將光纖光柵傳感器形成傳感網絡。系統由地面服務器、井下解調主機、通訊光纜、礦用無源光纖頂板離層傳感器、礦用無源光纖錨桿（索） 應力傳感器、礦用無源光纖鉆孔應力傳感器、智能化系統平臺軟件等組成，如圖2 所示。

圖2 系統框架Fig.2 System framework

當井下礦壓數據發生變化時，傳感器通過礦用傳輸光纖將信號傳輸到解調儀，經處理后傳輸到地面服務器，最終由電腦端智能化系統平臺軟件顯示井下數據，且有預警功能。

光纖光柵解調儀響應時間＜30 s，傳輸距離20 km，支持通道數32 個，傳感器技術參數詳見表1。

表1 光纖傳感器技術指標參數Table 1 Technical parameters of optical fiber sensor

3 監測方案

新景礦實施監測區域為3109 輔助進風巷600 m 的距離，主要監測工作面圍巖應力、錨桿應力以及巷道頂板離層情況。在距離主機2350 m，距離回采面100 m 左右位置開始安裝第一組（1 號傳感器） 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，設備安裝如圖3 所示。

圖3 華陽新景礦3109 輔助進風巷井下設備安裝示意Fig.3 Installation of underground equipment in 3109 auxiliary air intake roadway of Huayang Xinjing Mine

4 應用情況及監測結果分析

通過礦用頂板無源光纖智能遠程監測系統實時監測得到的圍巖應力、錨桿應力以及頂板離層曲線分別如圖4 ～圖6 所示。

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

由圖4 可知，在工作面推進過程中，隨著采動位置離測點越來越近，各個測點在距離采動位置100 m 時圍巖應力呈現出了逐漸增大的趨勢，這可能是由于前方采空區越來越近，巷道圍巖受到了來自頂板和底板的應力影響。大部分測點圍巖應力增長速度基本恒定，圍巖應力與距工作面距離成反比。開采到距離4 測點60 m 左右及臨近4 測點時，4 測點處圍巖應力出現了跳躍式增長，可能是由于此時工作面推進速度過快導致應力無法充分釋放或者此處采用的支護措施不當使圍巖應力得不到有效的緩解。應力曲線中出現的最大應力值為23.3 MPa，出現在工作面推進到4 測點所在位置時，且圍巖應力分布不太均勻，存在應力集中的情況，需要采取相應的支護措施或控制開采速度來減輕圍巖的應力集中，保障圍巖的穩定性。

由圖5 可知，在采動位置距各測點100～50 m范圍內，頂板錨桿所受的拉力較小，受力曲線呈現出平穩或緩慢增長的狀態。這是由于工作面還未推進到頂板受到應力較大的區域。隨后工作面推進過程中，頂板錨桿所受的拉力上升速度明顯增大，呈現出快速上升的趨勢。這是由于隨著工作面的推進，頂板受到的應力逐漸增大，需要錨桿來支撐和穩定頂板。當工作面推進到臨近測點時，到達高應力區，頂板錨桿所受的拉力達到峰值，受力曲線出現明顯的拐點。這是由于高應力區頂板受到的應力最大，需要更多的錨桿支撐和穩定頂板。

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

在工作面推進到距3 測點49～40 m 時，桿受力出現了突然減小的情況，可能是由于此時工作面后方采空區上覆巖層發生破斷，導致測點處頂板受力突然減小。

在工作面推進到距5 測點7 m 時，達到所有錨桿最大受力81 kN，小于錨桿最大承載能力，錨桿工作狀態良好且處于安全狀態。結合圖6 頂板離層監測分析曲線可知，頂板離層深基點最大值僅40 mm，說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，隨著測點距工作面采動位置距離越來越近，從100 m 開始，測點處頂板離層深部基點和淺部基點的離層值逐漸增大，離層曲線呈現出逐漸上升的趨勢。所以采動過程中應至少提前100 m 做好頂板支護，以確保頂板的穩定。

由圖6 中（a）、（b） 可知，隨著工作面推進，采空區逐漸增加，從1 測點至10 測點的曲線總體呈現逐步向上移動的趨勢，離層值逐漸增大，且距離測點越近時越明顯，例如工作面推進至10 測點位置時，深部基點離層值達到圖中最大值40 mm，明顯大于其他測點，采動過程中應逐步加強對頂板的控制。部分測點如5、9 測點深部基點離層值出現小于其前方測點的情況，結合圖5 中的錨桿受力情況可知，距離這些測點位置較近時錨桿受力明顯大于其他測點，說明由于這些測點位置的錨桿支護效果明顯，有效抑制了頂板離層導致頂板離層值偏小。

華陽新景礦3109 輔助進風巷沿工作面推進方向上頂板離層變化量不大，離層值也較小，遠遠小于預警值，說明工作面推進時，巷道頂板處于穩定狀態，沒有發生明顯破壞，無垮塌風險。

5 結語

本文研究了光纖光柵智能感知、傳感特性，設計開發礦用頂板無源光纖智能遠程監測系統，達到了傳感器本身不帶電且能滿足煤礦監測現場就地顯示的標準要求，實現了監測數據可視化，為礦壓數據分析預測提供了有效的數據支撐。對監測系統現場應用得到的井下礦壓實時監測數據進行分析，得出了巷道的頂板離層及礦壓顯現規律，達到了預期監測效果，驗證了礦用頂板無源光纖智能監測系統的可靠性和有效性，為煤礦的智能遠程監測提供了技術借鑒。