巷道矿压数字化监测及顶板实时预警系统

16
2.2 光纤光栅监测系统
井上、井下组成
井上 井下
数据接收计算机 光纤收发器
光栅信号处理器
……
温
顶
顶
测
度
板
板
力
传
压
离
锚
感
力
层
杆
器
传
传
传
感
感
感
器
器
器
矿
渗
瓦
振
压
斯
传
传
传
感
感
感
器
器
器
17
2.3 几种传感器
（1）光纤温度传感器
用于煤矿巷道、煤层环境温度及设备温度监测，预警 煤矿温度方面的灾害隐患。
波长nm
机械式液压表
无线传输载荷压力计
光纤光栅压力计
23
2.3 几种传感器 锚杆索受力-托锚力
（3）光纤压力计
矿使用一个承压环来变送外 界压力。当作用在承压环上的外 界压力变化时，压力通过弹簧管 和拉绳结构将压力量传递到悬臂 梁上，引起悬臂梁应力变化。悬 臂梁上粘贴的光纤光栅感受到悬 臂梁应力的变化，传导到光栅上 应力的变化改变光纤光栅反射波 长值。
传统
新型
观测仪器：电阻应变片测力锚杆 观测仪器：光栅光纤测力锚杆
特点：测试锚杆在受力过程中若 特点：测试锚杆在受力过程中
干点的应变值变化
全长范围内的应变、温度变化
电阻应变片测力锚杆
1
2
3
4
5
光栅光纤测力锚杆
20
2.3 几种传感器
（2）光栅光纤测力锚杆
矿用测力锚杆传感器原理
波长 nm
26
2.3 几种传感器
（4）光纤离层仪
围岩深部位移
传统
观测仪器：机械式多点位移计 原理：通过不同深度若干点相
对位置变化测量离层值
新型
观测仪器：光纤离层仪等 原理：声波探测、光信号测量、
钻孔窥视
多点位移计
光纤离层仪
钻孔窥视仪
27
2.3 几种传感器
（5）光纤气体检测仪
仪器：光纤气体检测仪
4
1.1 工程背景
全国煤矿顶板灾害事故相对突出，日益受到关注，已超过瓦斯 灾害事故死亡人数，居煤矿各类灾害事故之首。
以2009年为例：
顶板事故起数805起，占总数的49.8%；死亡人数939人， 占总数的35.7%；
瓦斯事故起数157起，占总数的9.7%；死亡人数755人， 占总数的28.7%。
传输：把受外界信号调制的光波传输到光探测器中进行 检测，并将外界信号从光波中提取出来。
12
2.2 光纤光栅监测系统
2）光纤传感器的基本原理：
光波在光纤中传播时，其特征参量（振动、相位、偏振 态和波长等）会随外界因素（如温度、压力、磁场、电场、 核辐射等）而改变，可用于多种物理量的监测，如应变、温 度、振动、位移、压力、声、流量、粘度、光强以及其它化 学、生物医学和电流、电压参量等。
9
2 监测系统架构
10
2.1 系统组成
11
2.2 光纤光栅监测系统
1）光纤传感技术
20世纪70年代伴随着光纤通信技术的发展而出现并迅速 发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界 信号（被测量）的新型传感技术。它包含对外界信号(被测 量)的感知和传输两种功能。
感知：把外界物理量的变化规律转化为光纤中传输的光 波的物理特征参量；
100
温度℃
原理：使用传温金属底板，使温度尽快传导到光纤光栅上，
光纤光栅反射波长随温度的变化呈线性对应关系。
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2.3 几种传感器
（1）光纤温度传感器
矿用温度传感器应用
巷道火灾监测 电气设备温度监测 巷道环境温度监测
采空区温度监测 其他光栅传感器温度补偿数据
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2.3 几种传感器
（2）光栅光纤测力锚杆
液压式托锚力压力盒
钢弦压力盒
电阻应变片测力锚杆
6
1.3 监测技术存在的突出问题
煤矿矿压监测技术相对传统、进步有限
时间上：采用人工间断观测和采集，监测结果滞后且数据误
差较大；
空间上：测站断点式分布，不连续，不能反映整条巷道的变
换信息；
信息传输：没有数字显示度，不能实现实时在线监测； 数据处理：监测数据利用程度低，难以后续挖掘和再处理； 系统装置：传感元件寿命短、测量易受环境影响、不能进行
neff
为Bragg波长 为有效纤芯的折射率
为Bragg传感器光栅的栅距
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2.2 光纤光栅监测系统
3）FBG传感器工作原理
当光栅所在处的光纤产生轴向应变ε时，栅距Λ变为 Λ’：
(1 )
此时Bragg波长λB产生相应的变化△λ，它满足：
/ B
(1 P ) e
巷道矿压 数字化监测及顶板实时预警系统
张农
中国矿业大学
2113年1月13日
1
汇报提纲 提 纲
一、工程技术背景 二、监测系统架构 三、煤巷应用案例 四、技术发展趋势
2
1 工程技术背景
3
1.1 工程背景
煤矿科技快速发展，已经形成了一大批标志性的安全
高效技术，从采矿方法看实现了三次技术革命。
综合机械化开采技术 煤巷树脂锚杆支护技术 无煤柱煤与瓦斯共采技术
功能：文件传输、访问和管理功能、电子邮件功能、虚拟终 端功能、目录服务功能、远程作业录入功能、图形功能、信 息通信功能。
目的：利用监测数据信息巷道围岩稳定性判别预警、支护材 料性能评判预警、环境指数超标预警、动态修改支护形式及 参数等。
31
2.6 软件开发及研制
软件的研发主要通过X.25协议、综合业务数据（ISDN）、异步传 输模式（ATM）及网际互连原理与实现。
15
2.2 光纤光栅监测系统
4）光纤光栅监测系统的特点、优势
现场传感器无源工作，本质安全防爆； 信号光纤传输，防电磁干扰； 信号传输距离远，测量覆盖范围广； 系统容量大，单台设备可同时监测1000多测点； 多参量同时监测，多种物理量传感器可混合连接； 传感器无任何电子元件，在严苛环境中可靠性高。
目前已研制成功百余种光纤传感器。
13
2.2 光纤光栅监测系统
3）FBG传感器工作原理
输入光信号
反射光信号
入射光谱
透射光谱1
FBG传感器 1 反射光谱1
FBG传感器2 反射光谱2
FBG传感器 3
输出光信号
反射光谱 3
当光纤的入射光波的波长 满足Bragg衍射条件时：
B 2neff
其中：B
隔爆型光纤光栅信号处理器
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2.4 系统网络层
功能：将感知层中所获取的信息，集中汇总到井上的控制中心 ，经过处理获得传感器所测量到的井巷围岩变形动态数据，实 现采集数据处理、监测数据显示、系统控制管理与维护。汇总 分析后留待应用层的访问。
传输方式
采集器收集：将感知层获取的信息由采集器进行收集，暂时 存储，根据采集方式的不同又分为有线和无线传输两种；
目的：采集数据处理、监测数据显示、数据挖掘处理、安全评估 等。
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2.6 软件开发及研制
系统软件界面友好，操作简单，用户能方便地实时观察到巷道中
锚杆的受力情况。
● 实时显示功能 ● 采集数据保存功能
● 预警功能
● 局域网阅览功能
软件系统界面
33
3 煤巷应用案例
34
3.1 工程概况
煤矿数字化巷道矿压实时监测系统成功在淮南矿业集团朱集 煤矿1111（1）首采工作面运输顺槽现场实施。
电话（缆）线传输：将获取的信息以电信号传输； 光纤传输：井下防爆式数码解调仪及终端数据信息中心，结
合矿光缆传输系统； 无线传输：无线+ 宽带传输，是未来发展的趋势之一。
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2.5 应用层
定义：在开放系统互连(OSI)模型中的最高层，为应用程序 提供服务以保证通信。由后台计算机和信息交互网络构成。
21
2.3 几种传感器
（2）光栅光纤测力锚杆
监测锚杆工作状态时杆体全长范围内的应变（张力）及 锚杆应力分布等数据。
22
2.3 几种传感器
（3）光纤压力计
传统
观测仪器：机械式液压表 原理：通过测定液压枕在
受压状态下的油压计算得 到托锚力
新型
观测仪器：无线传输载荷压力计、 光纤压力计
原理：将压力传感器或光纤光栅 受压信号转变为电信号，对载荷 连续监测并存储
分布测量。
7
1.4 巷道矿压数字化监测概念
应用现代高新技术手段感知变形、围岩应力、载荷等巷道 矿压和环境信息，引入现代传感和计算机处理技术，实现 巷道矿压信息的远程、实时、连续监测，从而对巷道支护 状态进行分析、评估和预警。
揭示规律，发展巷道围岩稳定性控制理论 持续创新，提供高能效的支护技术 信息反馈，优化支护方案和参数设计 实时预警，保障巷道顶板安全
1544.6 1544.4 1544.2 1544.0 1543.8 1543.6 1543.4 1543.2 1543.0
-60
y = 0.00001173 x2 + 0.00896398 x + 1543.59488476 R2 = 0.99999104
光纤温度传感器
-40
-20
0
20
40
60
80
800 800 800 3000
800 800 800
巷道实照
2000
5000
巷道支护图
35
3.2 监测系统
。
井 下 光 纤 系 统
井 上 光 纤 系 统
36
3.3 监测结果
监测数据表明锚杆杆体拉应力分布在巷道围岩中表现为多样 性，其分布特征与围岩岩性、钻孔质量及锚固效果等有关系。
轴向拉应力分布曲线：增长型、降低型和波浪型。杆体内拉应 力分布曲线推断围岩体内杆体的弯曲方向。
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2.3 几种传感器
（3）光纤压力计
棚式载荷监测
传统
观测仪器：钢弦压力盒 特点：人工采集数据，间断监
测，数据不能存储
新型
观测仪器：光栅光纤压力计 特点：实时采集数据，连续监
测并存储
钢弦压力盒
光纤光栅压力计
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2.3 几种传感器
（4）光纤离层仪
矿用顶板离层传感器原理
当锚固点发生位移时，顶板离层传感器拉绳和弹簧 结构将位移量传递到悬臂梁上，引起悬臂梁应力变化。 悬臂梁上粘贴的光纤光栅感受到悬臂梁应力的变化，传 导到光栅上应力的变化改变光纤光栅反射波长值。
原理：光源发出的光经传输光缆传送到现场传感装置，有甲 烷、CO气体时，光强发生变化，经同一传输光缆回送到系统 的调制解调器进行解调，通过检测光强的变化，便确定现场 的瓦斯及CO浓度值。
光纤气体检测仪
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隔爆型光纤光栅信号处理器
原理：不间断提供光源，由光源发出宽带光谱，通过传 输光缆送到光纤光栅传感器，传感器反射特定的中心波 长返回到信号处理器中，由光信号采集模块解调出传感 器的中心波长，最后光纤光栅信号处理器将传感器数据 显示并通过光纤收发器由光纤传输到地面接收设备。
现场条件：顺槽长度约1800m，主采煤层为11-2煤，平均煤 厚为1.31m，煤层倾角2~3°，瓦斯含量1.60m～7.25m3/t， △p=6~10；突出综合指标k=9.52~17.86。
Ф21.8-6300锚索
Ф22-M24-2800锚杆
2800 6300
Ф22-M24-2000锚杆
750 750 750 750 750 750
1554.0 1553.5 1553.0
1552.5 1552.0 1551.5 1551.0
-2800 -2400 -2000 -1600 -1200 -800 应变 με
光纤光栅反射波 长随外部作用应 变变化呈线性对 应关系
-400 0
在锚杆杆体内置杆梁，杆梁上粘贴光纤光栅，当锚杆受到外 界作用力时，锚杆应力通过杆梁传导到光纤光栅，传导到光 栅上应力的变化改变光纤光栅反射波长值。
温度变化会引起光纤折射率的变化，同时也会引起栅距的变化，当 温度变化为△T时，将引起布Bragg波长λB产生移动△λ ，表示为：
/ B ( ) T
考虑应变与温度变化，所引起的波长移动△λ ：
/ B (1 Pe ) ( ) T
其中 ：Pe为有效光弹系数；α为光纤的热膨胀系数；ζ为光纤的热光系数
由温度变化带来的光纤光栅测力锚杆拉应力补偿可以忽略。
8
1.5 目标
建立GCM系统： 针对深井高地应力动压巷道，以详细的工程地质力学
信息库（Geology）为基础，在强化围岩控制理论的指导 下，采用以高性能预拉力锚杆为核心的主动式控制技术 （Control），开展支护设计；并通过现代矿压数字化信息 监测（Monitor）实时反馈巷道支护状态，优化支护设计的 系统性巷道围岩控制方法。
1000 750 500 250 0
939
805
755
285 319
157
97 97
45 75
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
顶板 瓦斯 机电 运输 爆破
事故起数/起 死亡人数/人
166 47
水害
176 249 4 31 火灾 其他
5
1.2 监测技术现状
现有矿压监测技术不能满足煤矿生产安全要求。 监测内容：以位移为主，岩体应力、变形和载荷测试较少； 监测方式：以机械式为主；主要监测常规内容，精度低。