矿山安全光纤传感

1. 光纤微结构 － 创新矿用物理量传感器系列产品
1） 核心器件 - 光纤光栅
Illumination b Reflection

Optical fibre
Transmission

光纤光栅是光纤纤芯内部沿轴向周期性反射微结构（1mm
长度含有约1000个等间距微型反射镜），是一个反射型的窄 带滤波器。
2001年全国煤矿死亡事故按事故性质统计所占比例
瓦斯和顶板事故死 亡人数占75%以上； 随着煤炭往深部开
放炮1.20%
水害8.00%
火灾1.00%
其它3.10%
采，冲击地压灾害
逐年增加； 机电设备故障可导
机电1.70%
运输 8.70%
顶板 33.10%
致火灾、爆炸等次
生灾害。
瓦斯 42.96%
纤光栅型传感器，当水位变化
时，传感器底部的弹性膜片受 压力变化，该形变转化为光纤 光栅波长的变化。 采用双光栅设计实现对水位、 温度两个参数的测量。
1. 光纤光栅物理量传感器
7） 光纤无源声音传感器 光纤麦克风利用声波对传感
器反射光强度的调制实现对
声音的检测；
灵敏度高，抗电磁干扰；
可用于应急人员定位和无外 接电源应急通信。
煤炭生产依然属于高危行业 ！
煤炭事故死亡人数
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1949 1954 1959 1964 1969 1974 1979 1984 1989 1994 1999 2004 2009 2014
一、煤矿安全行业背景
死亡率居高不下的原因和条件 煤矿存在瓦斯、顶板、水、火、粉尘等主要灾害：
三、矿山安全光纤传感监控预警解决方案
1、光纤无源传感 － 消除矿山灾害监测盲区，提升安全 预警能力 2、光纤多参数传感 － 提升瓦斯安全标本综合监控预警
3、光纤多参数 － 矿山微震、矿压综合监测预警 4、光纤超大容量 － 实现设备状态监测预警 5、光纤传感网络 － 创新矿山断电应急决策支持能力 6、光纤传感无电 － 提升尾矿库坝安全监测抗雷击能力
压风机正常运行（左图）及故障状态（右图）振动时频图
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光纤矿山机电设备安全状态监测系统
光纤温度、振动监测网络
皮带机光纤分布式温度、振动监测 • 铠装光缆敷设在皮带托滚下、或槽钢内
槽钢
滚筒 轴承
5、光纤传感网络 － 创新矿山断电应急决策支持能力 首创了以井下光纤温度、有害气体、语音等传感器为基 础的应急信息决策支持系统；实现了在井下断电情况下对灾 情信息的实时监测，为科学高效组织施救提供了技术支撑。
矿山安全光纤传感 综合监测预警系统
刘统玉
山 东 省 科 学 院 山东微感光电子有限公司
汇报提纲
1 煤矿安全行业背景
2 2
3 4
6 5
矿用光纤传感器技术创新
矿山安全光纤传感监测预警解决方案 总结
一、煤矿安全行业背景
煤炭是我国最主要的一次能源，约占电能总额70％； 2012年煤炭产量36.5亿吨，占世界总产量的45％以上；
3、当煤矿井下发生灾变、监控分站及传感器断电时，安全监控系
统瘫痪，影响科学快速施救。
因此，迫切需要传感器技术创、矿山安全监控技术升 级！
一、煤矿安全行业背景
光纤传感器使用光纤作为传感元件，光纤不但用来传输信息
而且采集信息。
在光纤内传输的激光其特性受外部温度、压力、气体等影响
而发生改变，通过测量激光波长等参数，实现对多种物理、化
根据多个被测气体的吸收光
谱，优化光源组合。
采用同一个传输光纤和探头
结构，实现对CO、O2、 CO2,乙烯、乙烷、乙炔等 多种气体检测。
多种气体检测仪器
4. 微小光信号检测 － 创新分布式温度、应变监测
散射效应－可检测数十公里内铠装光缆上各个 点的温度、应变
测温主机
测温光缆
分布式温度检测
当其温度、应变等发生变化时，反射波长发生改变。
1. 光纤光栅物理量传感器
2）矿用光纤温度传感器
矿用光纤温度传感器，可用于
供电设备、电缆接头、机电装 备状态在线监测预警； 铠装光缆、钢桶型温度传感器 可用于采空区温度在线监测。 技术优能力。
兖矿集团兴隆庄煤矿光纤微 震监测波形
光纤微震监测震源定位与 能量图示
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4、光纤超大容量 － 实现设备状态监测预警
光纤温度、振动传感网络实现煤矿机电设备（压风、水
泵、运输、供电等）状态监测系统；通过温度、振动频谱 及烈度特征分析，实现了设备故障预警。
山能新汶赵官煤矿压风机光纤 振动传感器安装图
1. 光纤光栅物理量传感器
5）光纤矿压传感器
光纤矿压传感器基于光纤光栅原 理设计，通过悬臂梁结构，将矿 压转化为光纤光栅波长的变化。 技术优势： 采用温度补偿技术，提高了 稳定性。
.
光纤矿压传感器
光纤锚杆应力传感器
1. 光纤光栅物理量传感器
6）矿用光纤水压传感器 矿用光纤水位传感器是一种光
利用激光替代电流电压，光缆替代电缆，光纤传感替代电子 传感技术变革， 减少了煤矿监测盲区；全面提升了对瓦斯、煤炭发火、顶 板、冲地地压、设备故障等主要安全隐患监控能力，实现重大 技术跨越！
四. 总结
矿山安全光纤传感综合监测预警技术已在兖矿集 团、山能集团、中煤、同煤、龙煤、平煤、陕煤、 焦煤、吉煤、开滦等能源集团50多个煤矿和100多
煤矿死亡人数事故分类统计
4
一、煤矿安全行业背景
我国煤矿生产条件极其复杂，
灾害监测预警是世界难题，
安全监测监控是重要手段，
传感器技术是关键 !
一、煤矿安全行业背景
目前煤矿安全监控主要存在以下问题：
1、瓦斯传感器可靠性差、标校周期短，响应时间长，受电磁场干 扰，导致系统误报； 2、由于传感器需要供电，对采空区等主要危险源存在监测盲区；
2. 激光波长精密检测 － 创新大容量安全监控分站
矿用光纤光栅传感器井下分站
后反射 镜 相位 增益 光 输出 分束器 耦合器 耦合器 耦合器 探 测器

宽带光源 DBR
控制 电路 /波 长监测 信号 处理
可连接近300个不同的光纤传感器（温度、位
采空区分布式温度监测数据。
2 多参数传感 － 光纤瓦斯压力、瓦斯涌出量、矿压、温度 综合监测预警 对于高瓦斯、瓦斯突出矿井通过对巷道瓦斯涌出量、环
境温度、煤层瓦斯压力、矿压实时综合监测及变化趋势分
析，建立瓦斯监测预警系统。
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3 多参数传感 － 光纤微震、矿压综合监测预警 光纤微震传感器实现矿区全覆盖，提升冲击地压灾害监
成功地消除了温度、应变等环境 因素影响。
光纤振动／微震 传感器
1. 光纤光栅物理量传感器
4）矿用光纤顶板离层仪
矿用光纤顶板离层仪通过内部精
密的机械结构将位移转化为光纤 光栅传感敏感元件波长的变化， 从而进行位移的监测。 技术优势： 漂移小、长期稳定； 可用于实时在线监测。
光纤顶板离层仪
移、水位、振动等），覆盖10km以上。
传统电子分站最多连接16个传感器，仅覆盖 2km。
3. 光纤／激光光谱分析 － 创新气体传感器
光纤甲烷气体传感器
1.5 1.4 1.3
幅值
0.20% 0.50% 1% 3% 0% 不同浓度吸收归一化图
1.2 1.1 1
L
0.9
1653.55 1653.60 1653.65 1653.70 1653.75 1653.80 1653.85
光纤甲烷 传感器 光纤电 话
应急信息及通信系统拓扑结构 光纤无源瓦斯、语音传感器用于避难硐室
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6、光纤传感 － 提升尾矿库坝安全监测抗雷击能力
基于光纤渗压、位移、库水位、干滩长度传感器建立尾矿库综 合监测预警系统。
四. 总结
矿用光纤传感技术创新，实现了无电源、本质安全、远程、
多参数、分布式、高精度、高可靠测量；
激光经过气室发射后，产生气 体吸收光谱； 由于不存在化学反应，气体浓 度测量精确稳定，无须频繁标 校。
3. 光纤／激光光谱分析 － 创新气体传感器
光纤甲烷气体传感器 － 连续三年稳定运行无维护
创新解决了电子传感器可靠性差瓶颈！
3. 光纤／激光光谱分析 － 创新气体传感器
多种气体传感器
光纤温度传感器
1. 光纤光栅物理量传感器
3） 矿用光纤振动传感器
采用窄带半导体激光器频率跟
Output signal (v)
4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 0 20 40 60 Time (ms ) 80 100
踪技术进行解调。
在实现高检测灵敏度的同时，
个非煤矿山尾矿库推广应用，有效保障了矿井的安
全高效生产，取得了较大的社会和经济效益。 光纤传感也将有力拉动智慧矿山及信息化与矿山安 全生产融合，为产业技术提升提供重要技术支撑。
煤炭年产量/百万吨
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1948 1958 1968 1978 1988 1998 2008
一、煤矿安全行业背景
近年来实施科技兴安战略，煤矿安全生产持续好转，事故和
死亡人数逐年下降；然而，2012年依然死亡1300余人；
学量的精确检测。具有下列独特优势：
不带电、本质安全，不受电磁场干扰，长期稳定、可靠
性高；
容量大，便于多点、多参数、远距离在线监测；
性价比高，维护成本低。
二、 矿用光纤传感技术创新
1、光纤微结构 － 创新矿用物理量传感器系列产品
2、激光波长精密检测 － 创新大容量安全监控分站 3、光纤／激光光谱分析 － 创新多种气体传感器 4、微小光信号检测 － 创新分布式温度、应变监测
1 光纤无源传感 － 消除煤炭发火采空区监控盲区
基于光纤分布式温度和标志性气体在线监测，建立了
煤炭自燃预测预报系统。 煤 柱
CH4、CO 传感器组 CH4、CO 传感器组 光纤温度、 气体监测分 站
回风
CH4、CO 传感器组
工作面
以太网 交换机
分布式测 温分站
多模测温光缆
进风
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兖矿集团东滩煤矿1305工作面采空区温度监测