光纤光栅煤矿安全监测系统
 
作者:系统管理员 更新时间:2014/11/8 16:00:01
1 系统简介

光纤光栅煤矿安全在线监测系统是方新秋教授课题组针对目前我国煤矿矿压监测水平低、事故突发频繁等现状,以“科学采矿”理念为指导,结合中国矿业大学多年来形成的矿压监测与支护质量检测理论、技术、软件仪器基础,以矿山压力与围岩控制、煤矿安全高效开采、开采智能监测为知识背景,引进光纤光栅传感技术进行集成创新,建立起来的新型煤矿安全在线监测系统。此系统将计算机技术、光纤通信与数据处理技术、传感器技术和煤矿安全保障技术融为一体,通过各种不同功能的光纤光栅传感器,将被测的各种形式的物理量(如应力、应变、位移、温度等)转变成便于传输及再处理的光信号,再通过光纤光栅解调仪器将光信号解调为数字信号上传至监控主机,引入专家系统进行数据分析处理,构成针对煤矿巷道矿压、工作面矿压、采空区温度、设备健康等内容的智能化煤矿安全监测系统。
1.1 系统功能
本系统主要分为光纤光栅煤矿巷道安全监测系统、光纤光栅煤矿工作面安全监测系统和光纤光栅煤矿设备监测系统,内置传感子系统、数据采集与传输子系统、数据管理及存储子系统,可以实现多种功能:
1巷道安全多参量在线监测,包括锚杆(索)受力特征、顶板离层量与离层速度特征、巷道围岩应力分布特征、沿空留巷充填体应力分布以及巷道空间温度分布等;
2煤矿工作面安全在线监测,包括工作面液压支架工作阻力、超前支承压力分布以及采空区自燃分布式温度监测;
3煤矿设备健康在线监测,包括机电设备、胶带输送机温度以及矿区高压电气线路分布式温度监测;
4)数据自动存储,可以实现历史查询以及数据信息共享;
5)监测数据的井上计算机在线动态显示以及智能化分析处理、超限预警。
1.2 技术优势
1)本系统的煤矿井下信息采集和传输全部通过光纤实现,不带电工作,本质安全,特别适合高瓦斯矿井;
2)较于现有监测系统,本系统支持多参数监测和分析,具有灵活的配置模式,覆盖范围广、容量大,单台设备可同时监测超过1000个测点,实现一根光纤联通整个矿山,系统最大传输距离达到30km以上;
3)光纤光栅传感及信号传输均以光信号的形式进行,抗电磁干扰,受恶劣环境的影响小,传输过程损耗低、监测精度高,适应煤矿井下复杂生产环境;
4)将光纤光栅传感技术与煤矿安全监测技术相结合,充分发挥光纤光栅传感技术的优势,实现煤矿井下矿压或温度的(准)分布式测量,系统动态、连续监测数据,可靠性高;
5)通过对光纤光栅解调信号处理软件进行二次开发,编写出实用便捷的可在Windows环境下工作的监测软件及专家系统,可多通道、高频率实时动态显示井下各监测点状态,监测结果不滞后,实现煤矿井下信息智能化分析处理、超限预警;
6)矿山灾害受地质、采动、通风、支护等多种因素影响,基于光纤光栅传感技术的煤矿安全监测系统解决了传统的单一参数监测系统的局限性,为建立矿井整体统一的灾害监测预警系统提供了技术可行性。
 
2 光纤光栅煤矿安全监测系统结构

光纤光栅煤矿安全监测系统内置传感子系统、数据采集与传输子系统、数据管理与存储子系统,采用三层管理,感知层利用光纤传感器感知影响煤矿安全的离层、压力、温度、环境等物理参数;数据层利用光纤光栅信号处理器、传感光缆和配套设备对感知层的数据进行自动采集,同时将数据传输至信息层;信息层将所有的数据汇总到监测站数据服务器内,进行数据处理及存储。系统在感知层主要包括光纤光栅煤矿巷道安全监测系统光纤光栅煤矿工作面安全监测系统光纤光栅煤矿设备监测系统等三类子系统,可实现巷道安全(顶板离层、锚杆载荷、围岩应力)、煤矿工作面安全(液压支架工作阻力、采空区温度分布式监测)和煤矿设备健康在线监测等功能。

软件采用多模块化管理,创建登录及用户权限管理模块、传感器配置管理模块、监测界面显示模块、历史曲线查询模块、报警管理模块、统计报表生成模块。可以采集数据并及时处理,动态显示监测数据,实现预测预警和安全评估户需求设,最终达到系统控制和维护。系统软件具有良好的中文人机交互界面,操作简单,可以根据用置个性化的命令,从而方便快捷的观察煤矿井下安全监测参数状态。
           

3 光纤光栅煤矿巷道安全监测系统

本系统主要通过研发的光纤光栅顶板离层仪、光纤光栅测力锚杆、光纤光栅锚杆测力计、光纤光栅锚索测力计、光纤光栅钻孔应力计等传感仪器,实现巷道安全,如顶板离层、锚杆(索)载荷、围岩应力、温度等功能的监测。
1)巷道锚杆(索)受力在线监测系统
由光纤光栅测力锚杆、光纤光栅锚杆测力计、光纤光栅锚索测力计三种传感器实现巷道锚杆(索)的受力监测。
       光纤光栅测力锚杆       

  标准量程:60MPa   测量精度:<1%F·S
    测量段数:3段   工作温度: -10℃-80℃
  波长范围:1520nm-1580nm   测量时间:<1s
  封装形式:环氧树脂封装      出纤形式:单端双芯出纤
   接头类型:FC/APC
外尺寸:φ22mm*2000mm (可定制)
  安全等级:本安级      防护等级:IP68
光纤光栅测力锚杆由锚杆杆体、光纤光栅、光纤尾纤组成。测量精度高,抗震性能好,工作稳定可靠。用于煤矿顶板应力监测和巷道支护参数设计和优化。
        光纤光栅锚杆测力计            

  标准量程:60MPa (可定制)   测量精度:<1%F·S
  波长范围:1520nm-1580nm   测量时间:<1s
  封装形式:不锈钢材质封装   工作温度: -10℃-80℃
  出纤形式:单端单芯出纤   外尺寸: φ108*45*400(mm)
  接头类型:FC/APC   防护等级:IP67
  安全等级:本安级  
光纤光栅锚杆测力计采用中空结构,主要由三通阀、压力表、光纤光栅压力传感装置组成。结构简单,监测连续,同时实现现场观测和在线传输。用于监测锚杆、锚索预紧力和所受载荷的变化情况。

                光纤光栅锚索测力计        
  标准量程:60MPa (可定制)   测量精度:<1%F·S
  测量时间:<1s   波长范围:1520nm-1580nm
  封装形式:不锈钢封装   工作温度:-10℃-80℃
  出纤形式:单芯出纤   外尺寸: φ120*50(mm)
  安全等级:本安级   防护等级:IP67
 光纤光栅锚索测力计采用中空结构,由光纤光栅测力传感装置组成。结构简单,安装方便。用于监测锚杆、锚索所受载荷和预应力的变化情况。
2)巷道顶板离层在线监测系统
由光纤光栅顶板离层仪实现巷道顶板离层在线监测。 
       光纤光栅顶板离层仪           
  标准量:300mm (可订制)   测量精度:<1%F·S
  测量点数: 2   工作温度: -10℃-80℃
  波长范围: 1520nm-1580nm   测量时间: <1s
  封装形式:不锈钢材质   出纤形式:两端单芯出纤
  接头类型: FC/APC   尺寸:395*306*34mm
  安全等级:本安级   防护等级: IP65
光纤光栅顶板离层仪由锚固爪、钢丝绳、底座、光纤组成。测量数据精确、灵敏,可靠性高。用于监测巷道顶板的离层量和离层速度。
3)巷道围岩应力在线监测系统
由光纤光栅钻孔应力计实现巷道围岩应力在线监测。   
      光纤光栅钻孔应力计        
  标准量程:60MPa(可订制)   测量精度:<1%F·S
  波长范围:1520nm-1580nm   测量时间:<1s
  封装形式:采用金属封装   工作温度:-10℃-80℃
  出纤形式:单端单芯出纤   外尺寸:φ40mm*460mm
  接头类型:FC/APC   防护等级:IP67
  安全等级:本安级  
 孔应力计由光纤光栅和金属封装组成,不受电磁干扰,测量范围广,精度高。用于测量巷道围岩钻孔周围煤岩体应力大小。
4)沿空留巷充填体应力在线监测系统
由光纤光栅充填体压力传感器实现沿空留巷充填体应力在线监测。
光纤光栅充填体压力传感器技术参数:
  标准量程:60MPa   测量精度:<1%F·S
  波长范围:1510nm-1590nm   测量时间:<1s
  封装形式:采用金属封装   工作温度:-20℃-60℃
  出纤形式:两端单芯出纤   外尺寸:φ160mm*30mm
  接头类型:FC/APC   防护等级:IP67
  安全等级:本安级   安装方式:埋入式安装
光纤光栅充填体压力传感器由两块平板和光纤光栅压力传感器组成。用于测量充填体的压力大小。
5)光纤光栅煤矿温度监测系统
由光纤光栅温度传感器实现煤矿温度在线监测。
 
光纤光栅温度传感器技术参数: 
  标准量程: 150℃   测量精度:0.5℃
  测量点数: 2   工作温度: -50℃-150℃
  波长范围: 1520nm-1580nm   测量时间: <1s
  封装形式:金属外壳   安全等级:本安级
  接头类型: FC/APC  
光纤光栅温度传感器采用金属外壳封装,不受电磁干扰,电气绝缘好,耐腐蚀,可以在易燃易爆环境中测量温度。用于巷道温度监测和温度补偿。

4 光纤光栅工作面安全监测系统

主要由综采工作面液压支架工作阻力在线监测、超前支承压力在线监测、采空区自燃分布式测温在线监测三个方面来监测综采工作面的安全,并进行灾害预警。
1)综采工作面液压支架工作阻力在线监测系统
由光纤光栅液压支架压力表实现煤矿综采工作面液压支架工作阻力在线监测。

       光纤光栅液压支架压力表         
  标准量程: 60MPa   测量精度:<1%F·S
  波长范围: 1520nm-1580nm   工作温度: -10-80
  测量时间: <1s   出纤形式:单芯出纤
  接头类型: FC/APC   尺寸:160*120*40mm
  安全等级:本安级   防护等级: IP65
光纤光栅液压支架压力表由光纤光栅、敏感膜盒、导压孔组成,内置温补光栅,测量精度高,耐腐蚀。用于综采工作面液压支架压力的测量。
2)综采工作面超前支承压力在线监测系统
由光纤光栅钻孔应力计实现煤矿综采工作面超前支承压力在线监测。
                                      
在工作面前方布置钻孔应力计,连接光纤,组网测量构成支承压力监测系统。用于综采工作面超前支承压力分布特征的测量。
3)采空区自燃分布式测温在线监测系统
采用瑞利散射解调技术,将分布式测温光缆埋入采空区中,实现采空区温度的分布式监测与温度异常点的定位。
         
4)光纤水害在线监测系统
由光纤光栅水压传感器实现煤矿水害的在线监测。
标准量程:60MPa 测量精度:<1%F·S
波长范围:1520nm-1580nm 测量时间:<1s
封装形式:采用金属封装 工作温度:-20-60
出纤形式:单端单芯出纤 外尺寸:φ40mm*150mm
接头类型:FC/APC 防护等级:IP65
安全等级:本安级 安装方式:埋入式安装
光纤光栅水压传感器由灵敏的不锈钢膜片和光纤光栅组成,用于煤矿水压的监测。主要部件用特殊钢材制造,有足够的强度,满足各种恶劣环境安装使用。

5 光纤光栅煤矿设备监测系统

1)机电设备健康状态在线监测系统
利用感温光缆监测机电设备的健康状态,实时掌握高温设备运行状况,及时发现和定位故障点,避免重大事故发生。可用于监测开关柜触点、变压器表面温度、电机表面温度等并智能定位温度异常点。

 
2)高压电气线路全程温度在线监测系统
利用感温光缆监测电缆、电缆接头、电缆桥架等煤矿矿区高压电气线路的全程温度,避免火灾的发生。
                          
     

用于监测煤矿矿区35kV及以上高压电缆表面温度、电缆接头温度、电缆桥架中电缆温度,避免重大火灾的发生。

3)带式输送机温度在线监测系统

利用感温光缆监测带式输送机系统组成元件的温度变化,及时发现和定位温度异常点,避免井下重大火灾事故的发生。

 

6 应用现状与前景:

光纤光栅煤矿巷道安全监测系统已在山西焦煤集团旗下某煤矿进行现场应用,共监测巷道内顶板离层、锚杆(索)载荷、围岩应力三方面内容,来进行巷道安全监测与灾害预警。
巷道测站布置图: 
系统需要设备清单:
序号 设备及材料             用        途  数 量  单 位 详细说明
1 计算机  接收、显示监测数据 1  内嵌分析处理软件,含有多个模块功能
2 光纤光栅解调仪  光信号解调为电信号 1   安设在井上或井下(井下须有工业以太环网)
3 服务器  网络传输、中转功能 1   通过服务器发布数据,实现数据共享
4 光纤光栅钻孔应力计  监测煤岩体应力、
 工作面超前支承压力
20    2个综合测站,每个测站内布置8套钻孔应力计,则整条巷道共布置16套。(含备用4套)
5 光纤光栅顶板离层仪  监测巷道顶板离层 25    试验巷道内每50m布置1套,则整条巷道共布置20套。(含备用5套)
6 光纤光栅锚杆()测力计  监测锚杆(索)载荷 16    2个综合测站,每个测站内布置6套光纤光栅锚杆(索)测力计,则整条巷道共布置12套。(含备用4套)
7 光纤光栅测力锚杆  监测锚杆杆体应力
      分布特征
10   2个综合测站,每个测站内布置4套光纤光栅测力锚杆,则整条巷道共布置8套。(含备用2套)
8 矿用传输光缆  高效传输监测数据 5 千米   单模、有MA认证,根据现场需要调整单模、有MA认证,根据现场需要调整
9 光纤接线盒    连接光纤与光纤 若干  

应用前景

目前,可以保障煤矿安全的煤矿巷道矿压、工作面矿压、采空区温度、设备健康等内容的监测仍采用传统的、常规的机械式、液压式或电磁式方法,人工巡检,主观性误差大,不能实现在线实时监测和预警;而现阶段应用较多的电式监测系统虽然发挥了重要的作用,但由于传感器是电式工作器件、防水性能差、长期稳定性能与抗腐蚀性能较差,并且电式系统传输距离近,三级网络结构复杂,容量小,已不能满足煤矿安全监测的技术要求。
光纤光栅煤矿安全监测系统以可靠性、先进性、经济性、实用性和扩展性为原则,引入光纤光栅传感技术,开发出各类新型的光纤光栅传感器与数据处理的专家软件系统,可以在线大容量、多参数实时监测煤矿井下顶板离层、锚杆受力、液压支架工作阻力、煤柱及围岩应力、采空区温度、设备运行温度等内容,本质安全,大容量,(准)分布式测量,监测结果及时准确,可以实现动态连续智能化监测,并突破传统单一参数监测系统的局限性,为建立矿井整体统一的灾害监测预警系统提供了技术可行性,适应煤矿安全高效绿色开采的趋势,有广阔的发展前景。

负责人:方新秋教授                地址:江苏省徐州市大学路1号中国矿业大学矿业工程学院
电 话:0516-83590577            传真:0516-83590567                      QQ:44970659    
 
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