03：光纤顶板动态监测系统

1、实现矿井深部巷道变形实时监测。通过对采煤工作面两巷顶 板进行连续实时监测,不仅能够得到顶板离层的准确信息,还可以 推断预测出各种顶板条件下的顶板周期来压规律,及早发现顶板 失稳的征兆等不安全隐患,采取加强支护等措施,避免冒顶事故的 发生。 2、推进采煤工作面沿空留巷及超前支护改革，以全注浆锚索超 前支护代替了传统的超前液压单体支护，有利于减轻工人劳动强 度，提高采煤效率。 3、建立了多工作面顶板数据管理体系，形成了工作面超前管控 数据信息管理平台，改变了巷道变形监测手段，简化了监测流程， 需用人员大量减少，有利于提高生产效率。
测技术 造成传感器使用寿命短；信号数据传输易受电磁干扰，量程范围大、本质安全，特别适合
导致跳数、误报等问题。
在易燃易爆、高温、高压、潮湿、
各种基于有线总线式网络传输的离层监测系统相继 强电磁场、腐蚀性等极端条件下的
有线总 出现，在煤矿也得到了广泛应用，但由于有线网络检 测量，并能实时本地显示及远程实
光纤顶板动态数字化在线监测系
人工观 上得到广泛应用；但精度低，需要专员定期巡检记录，
测技术 无法实时监测，随着智能化矿井建设的推进被逐渐淘 统，其特点概括为系统无分站、传
汰。
感器不带电。该系统涉及的矿用光
传统的电子类顶板离层传感器其原理简单，多数 纤传感ห้องสมุดไป่ตู้提供一种现场安装方便、
电子监 是单片机加ADC采集单元，容易受淋水及粉尘腐蚀， 现场可视、无源监测、测量精度高、
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应用案例1：光纤传感技术与传统监测数据对比
山东能源新巨龙煤矿8301工作面，安装长度1100m。
顶板离层传感器安装60天，通过10 个观测点，与传统的离层观测尺数 据对比。10个监测点深基点位移变 化值在0-23.01，平均变化量为 10.08mm；巷道顶板锚索锚固范围 内（浅基点监测值）的离层值在 0.18～3.26mm之间，10个监测点 平均值为1.99mm。在同一监测区 域，采用机械式人工监测的顶板离 层仪观测数据一般深基点变化值在 0～22mm，平均10.9mm；浅基点 0～20mm，平均2.48mm。通过对 比表明该系统监测数据与传统的人 工观测数据基本一致。
矿井应设置矿压监测系统，监测采掘工作面及受采动 影响巷道顶板和围岩的位移、应力分布和松动范围。 对顶板危险事件、冲击地压等进行预测和报警。
2019年8月申报国家第四批煤矿安全生产先进适用技术装备推广目录
开01发政背策引景导2：地方政府政策法规
2019年9月19日，山西省应急管理厅、山西省地方煤矿安监局联合以“晋应 急发【2019】299号文”印发《山西省煤矿顶板安全管理规定》。
光纤钻孔应力传感器
光纤锚杆（索）压力传感器
光纤液压支架压力传感器
多参数智能锚索:锚索 内部应力、离层量，定 位离层点。
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KJ1068光纤顶板动态监测传感器技术参数
类别 光纤离层传感器 锚杆（索）应力传感器 钻孔压力传感器 液压支架压力传感器
量程
0-500mm
分辨率
0.1mm
0-600KN 0.1%F.S
实行生产安全事故责任追究制度，追究生产 安全事故责任人员的法律责任 鼓励和支持安全生产科学技术研究和安全生 产先进技术的推广应用，提高安全生产水平
掘进工作面每掘进一定距离设置顶底板动态仪和顶板离
层仪，对顶底板移近量和顶板离层情况进行定期观测。
当煤层埋藏深度超过800米时，厚煤层沿底托顶煤掘进 的巷道，以及遇顶板破碎、淋水、过断层、过老空区、 高应力区的巷道应当采用锚杆锚索和可缩支架复合支 护形式，加强支护并进行顶板位移（离层）监测。
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顶板动态光纤监测系统架构
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顶板动态光纤监测系统原理图
光纤光栅是一个反射型的窄带滤波器。 当温度、应变等发生变化时，反射波长发生改变。通过对波长的精确测量可以
获得被测信息。
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光纤顶板动态监测系统与传统监测手段比较
现有传统顶板灾害监测手段
光纤传感技术顶板监测技术
机械式顶板离层仪结构简单，价格低廉，在煤矿
自检功能：系统中某一个传感器 出现故障，能够通过软件甄别出故 障传感器。
表格定制：满足用户可定制各种 表格：实时数据表、历史数据及统 计报表、报警一览表等。
查询功能：满足在系统图上直接 查询设备信息、运行历史数据等。
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光纤监测系统软件显示界面
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系统软件功能显示界面
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四、 顶板事件治理措施
显示功能：满足多种类型图表、 系统图、曲线图、棒图等显示要求 。
分析功能：根据监测数据，对未 来趋势进行分析，提供参考信息；
报警功能：可自行设置顶板参数 预警值、报警级别 及地理位置名称 ；系统可设置声音报警功能；
打印功能：具备各种报表的打印 功能；
上传功能：满足实时数据网络上 传，轻松实现无人值守。
线式监测 技术
测分站和中继分站多、供电繁琐、施工安装和维护不 方便、灵活性和扩展性也不足，造成系统稳定性差等
时监控预警预报；该系统涉及矿用
缺点。
隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主
机提供兼容矿井大部分电源从
无线传
无线类传感器克服有线总线式传感器大部分缺点， 但由于考虑传感器的功耗，数据多数采用定时传输、
127V~1140V,无需考虑接电难问题，
第117条
• 作业规程必须对顶板离层、锚杆锚索压力、采煤工作面压力观测仪器 仪表的安装观测进行明确规定；
第121条 掘进巷道施工应进行顶板离层、顶底板和两帮移近量监测，为掘进工作面 顶板管理提供可靠的基础资料；
锚杆、锚索、锚喷、锚网喷等支护的巷道必须安装顶板离层仪，煤及半煤岩 第122条 巷道离层仪安设间距不大于50m，岩巷不大于100m，巷道开口及交叉处应
矿用光纤顶板动态 监测系统与综合治理技术应用
山东道宽智能科技有限公司
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1 光纤顶板动态监测系统 2 监测系统硬件产品
CONTENTS 目 录
3 监测系统软件功能
4 顶板事件治理措施
5 项目成果及应用案例
一.光纤顶板动态监测系统
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开01发政背策引景导1：国家政策引导
2019年5月8日发改能源〔2019〕764号文 《中华人民共和国安全生产法》
感敏感元件波长的变化，从而进行位移的监测。
矿用光纤大量程可视化离层传感器是我公司最新研制新型传感器，量程
500mm，为国内首创。本安无源设计，并能满足现场就地显示与远程终端 同步显示。
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矿用光纤应力传感器
光纤传感器基于光纤光栅原理设计，通过悬臂梁结构，将顶板位移、围岩应 力、压力转化为光纤光栅波长的变化。并采用温度补偿技术，监测运行更加 稳定。
DBR
控制电路/波长监测
光输出 分束器
耦合器 耦合器 耦合器
信号处理
探测器
可以连接32芯光纤，200个不同的光纤光栅传 感器（温度、位移、压力、应力、水位、振动 等）。
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KJ1068光纤顶板动态监测主机技术参数
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
项目 工作方式 显示方式 通讯端口 传感器接口 响应时间 传输距离 单通道容量 支持通道数 传感器工作环境 系统主机供电
0-40MPa 0.2%F.S
0-60MPa 0.1%F.S
测量精度
±1mm
环境温度 相对湿度 大气压力
0.5%F.S
0-40℃ 45%-90% 80-106KPa
1%F.S
0.5%F.S
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三、 光纤顶板监测系统软件功能
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光纤监测系统软件功能概述
分析
显示
上传
光纤顶
打印
板监测
查询
系统
自检
报表
报警
第127条
采煤工作面必须每天进行支护质量及顶板监测，工作面回采结束后，一个月 内必须完成工作面矿压观测总结报告。
开发背景3：煤矿安全所需
2017年，顶板事故占据全国煤矿事故之首，占比高达33.06%，死亡人数 占比24.05%；
迫切需要建设测量精度高、传输距离远、运行稳定、能够满足煤矿恶劣环境 的新型顶板动态监测系统；
输监测技 而且电池使用寿命短、维护工作量大；受井下复杂环 系统单台主机涉及容量大，物理通
术
境影响，其传输距离有限，系统需要大量通讯基站及 道数不少32个，单机可接入160支
中继站，导致系统结构复杂、稳定性差。
离层传感器
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二.光纤顶板动态监测系统硬件
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KJ1068矿用光纤顶板动态监测系统主机
后反射镜 相位 增益
内径Ø 7.5mm，外径Ø 10mm ≥5.0 30 2.8-12
1000～1500 4.0 ~6.0
备注
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注浆锚索支护效果对比图
铁 棚 支 护
注 浆 锚 索 支 护
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五、 项目成果及应用案例
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项目主要创新点
首次将激光/光纤技术广泛应用于煤矿顶板动态监测，实时在线监测；是目 前国内唯一一家取得光纤顶板动态监测系统煤安认证的系统厂家。 光纤离层传感器量程是目前国内唯一达到500mm以上并实现可视化，是 目前国内唯一满足现场就地显示的无源光学传感器，并已申请发明专利； 多源数据融合建库标准，分布式数据采集、传输入库软件功能国内领先。 首次利用大数据分析技术，实现矿井地质灾害综合分析预警； 顶板动态监测大数据管理系统融合地理空间、模拟图、三维信息，实现可 视化云图展现，实现专家分析及风险评估功能。 顶板动态监测与治理措施相结合，不仅精确掌握顶板动态变化规律，并对 顶板事件进行有效治理，该工艺经煤炭工业协会鉴定为“国际先进”。
增设顶板离层仪。
第124条 第126条
当煤层埋藏深度超过800米时，厚煤层沿底托顶煤掘进
受采动影响范围内的硐室，必须安设顶板离的巷层道，仪以及，遇顶加板破强碎、顶淋水板、过监断层测、过；老空区、 高应力区的巷道应当采用锚杆锚索和可缩支架复合支 护形式，加强支护并进行顶板位移（离层）监测。
采煤工作面应明确专门技术员采集数据，工作面顺槽巷道要对掘进期间安 装的顶板离层仪、锚杆（索）测力仪进行观测，并定期将工作面压力数据 报送生产技术部门。
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项目成果及客户反馈
经济效益
通过对顶板动态的远程实时在线监测，实现了监测现场无人值守，减少了人力、物力 和财力，按照普通顶板离层仪、每个采掘工作面每周巡查2次计算，共节省人力 52×2×10×180=18.72万元；回采工作面取消超前支柱、顶梁等，节省租赁费、材料费 共计367.74万元，共减少人工费用6×3×365×220=144.54万元。总经济效益：531万元。
安全效益
实现对煤矿顶板动态的实时监测，及时把握顶板变化趋势，将顶板灾害消除在萌芽阶 段，真正做到防患于未然。通过取消超前单体支护，取消了上下端头回撤支柱的工序，减 少了施工人员，确保了安全生产。
社会效益
通过光纤监测系统，实现对煤矿工作面顶板的安全监测，集中展示了光纤通讯技术给 煤矿安全监测新技术装备体系的应用潜力，符合国家智慧矿山建设政策，具有重大的创新 价值和推广应用价值。
单位
s km 个 个 ℃ V
参数 连续监测 液晶显示 RS232、网口 采用标准SC/APC接口
<30 20 5 32 0～40 127/660/1140V
矿用光纤大量程离层传感器
本地与远 程同步显
示
量程大 精度高
技术 特点
可重复 利用
矿用光纤顶板离层传感器通过内部精密的机械结构将位移转化为光纤光栅传
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全注浆锚索特点
多层组合拱结构支护体系，扩大了支护结构的有效承载范围。
防风化水侵，防止围岩被地下水侵蚀而降低围岩的自身强度。
将松散破碎的围岩胶结成整体，提高围岩自身支护体强度。
全长锚固，提高支护结构的整体强度和平衡性。
支护体受力平衡，避免应力集中导致局部破坏。
注浆锚索和注浆胶结相结合，实现机械与物理双重加固。
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项目成果及客户反馈 煤炭工业协会成果鉴定报告摘录：
山东能源孙村煤矿在2223采煤工作面、21121采煤工作面、2215采煤工作 面实施顶板动态监测系统，以全注浆锚索支护代替了液压支架超前支护，实现了 沿空留巷。项目实施后，2019年2月26日报煤炭工业协会申请项目鉴定，初步鉴
定意见为“国际先进水平”。
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全注浆锚索技术参数
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
9 10
型号 锚索索体直径（mm） 钢绞线公称直径（mm）
抗拉强度（Mpa） 破断力（KN） 中空注浆管规格 延伸率（%）
适应安装孔径（mm） 长度（m）
树脂锚固长度（mm） 注浆压力（Mpa）
SKZ22-1/1770/1860 22 6
最小1770/1860 ≥375
2018年5月2日煤安监技装（2018）8号文 2019年5月17日煤安监技装（2019）21号 GB/T51272-2018《煤炭工业智能化矿井设计标准》
煤矿企业与科研院所，坚持问题导向，推进冲 击地压基础理论研究和关键技术攻关，提升冲 击地压监测预警、煤矿智能化开采等技术装备 水平；发挥中央预算内投资引领带动作用，支 持煤矿安全技术改造和冲击地压等重大灾害治 理。