大海则煤矿光纤光栅井壁安全监测系统研究

尤　峰　姬虎平　马怀加

(中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿，陕西 榆林　719000)



大海则煤矿光纤光栅井壁安全监测系统研究

尤峰姬虎平马怀加

(中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿，陕西 榆林719000)

介绍了大海则煤矿立井井壁结构光纤光栅安全监测系统的组成，论述了监测系统中传感器的工作原理，探讨了该监测系统的软件功能及诊断流程，指出光纤光栅安全监测系统具有结构简单、精度高、复用性强等优点。

煤矿，立井井壁，传感器，监测系统

随着浅煤层的不断开发和矿井产量的不断提升，煤矿的开采深度不断增加，井筒深度及断面随之增大，这些深大井筒结构的安全成为煤矿安全生产的重点。为掌握井筒在运营期间的安全状态及其发展趋势，及时采取措施处理，杜绝重大安全事故的发生。光纤光栅传感技术近年来在地质、岩土和土木工程中得到了广泛应用[1-3]，但在立井井壁的监测中应用研究还较少。

1　大海则立井井壁结构光纤光栅安全监测系统结构

立井井壁结构安全动态监测系统由感知层、网络层、应用层三个部分构成，如图1所示。

图1　立井井壁结构安全在线远程监测系统框架

1)感知层。

感知层主要由以下传感器组成：光纤光栅钢筋计、光纤光栅应变计、光纤光栅温度计、光纤光栅渗压计；传感元件被埋设在指定位置，监测立井井壁结构中的不同对象，形成相对独立的监测系统。

2)网络层。

网络层包含数据收集系统、通信系统、数据分析和处理系统。网络层接收由传输光缆传来的感知层数据，集中汇总到井上的控制中心，经由光纤接线盒和FBG信号解调仪转换成计算机语言进行分析、处理。将分析、处理后形成海量数据库存放在硬盘矩阵中，留待应用层的访问。

3)应用层。

应用层由计算机与其内部运行的组态软件构成。用户通过人、机对话，对网络层存储器上的数据进行访问。让用户实时观察到当前现场监测数据，了解井壁所处的应力状态。

2　监测系统中传感器的工作原理

立井井壁结构安全动态监测系统，由非电本征防爆抗电磁干扰的光纤光栅传感器作为现场的测试元件，由解调模块中的光源发出的光束通过光缆注入光栅传感器，每个光栅传感器将反射特定的光信号，每个光信号携带不同波长的光信号，这些波长与各自传感器所测应力成线性关系。通过光纤信号解调模块进行波长解调计算出每个传感器的测量应力值，所测应力值通过标准的通讯接口实时上传给监控上位机，进行信号显示、故障诊断、事件记录、报警控制等。传感器工作原理如图2所示。

图2　FBG传感器工作原理图

3　监测系统软件功能

3.1软件功能

监测系统软件界面友好，操作简单，用户能方便地实时观察到立井井壁结构中各种传感器的实时监测数据。

1)实时显示功能。软件组态界面示意图显示了立井井壁结构中各种传感器在立井中的截面位置，以及在监测截面的具体位置。它可以实时显示监测数据(刷新时间为1 s)。通过监测截面的颜色变化可以显示该监测截面所处状态。通过点击可进入某个具体监测截面的人机界面，该界面上显示该监测点上各个传感器的具体数值、报警状态及其实时变化趋势。

2)采集数据保存功能。提供井壁内各种传感器数据储存(储存时间间隔可设置)，并且可以打印传感器的历史数据，导出数据表格文件功能。

3)预报警功能。提供井壁内各种传感器二级安全状态指示，传感器预警、报警可定位到具体监测截面以及具体传感器，并通过颜色加以区别。

3.2系统组成及分析诊断流程

大海则超大直径深立井井壁结构光纤光栅传感监测和诊断可视化系统根据其不同功能，可分为以下几个模块：

1)感知模块。感知模块包括各类光栅传感器，主要用于监测井壁在煤矿生产过程中的物理量变化，该模块的传感器主要包括温度传感器、应变传感器、钢筋计、渗压传感器等。传感器子系统安装工程前期工作应与大海则竖井施工同步。

2)信号传输和采集模块。信号传输和采集模块主要包括传感信号传输线路、信号解调和放大设备、信号转换等设备。该模块将传感器所采集的模拟信号传输到监控中心，通过信号解调和信号放大设备进行模拟信号的解调和放大，并通过信号转换设备转变成数字信号进行数据的采集。本项目数据采集设备安装在临时监控机房；传输系统统一采用光缆传输，一条光缆连接井下各监测层面传感器。

3)数据处理和管理模块。数据处理和管理模块主要进行信号的预处理，并将预处理的数据进行分类数据储存。该模块的功能还包括数据的后处理、归档、显示等其他功能。

4)结构安全评估模块。结构安全评估模块主要将经过数据预处理并存储在数据库的数据进行自动分析和评定，以确定结构所处的安全状况，在结构发生异常和结构监测信号超过规定的安全阈值时，自动进行安全预警。

软件数据采集线程框图和数据处理流程如图3所示。

图3　数据采集线及数据处理流程框图

4　结语

本文介绍了大海则煤矿立井井壁结构光纤光栅安全监测系统，该系统由感知层、网络层、应用层三个部分构成，同时介绍了光纤光栅传感器的基本工作原理，与监测系统配套的软件系统由传感系统功能模块、信号传输和数据采集模块、数据处理和数据管理模块及结构安全评估模块构成，该软件有可实时显示功能、数据保存分析功能和预报警功能，相比传统的井壁结构安全监测手段，该技术具备结构简单、稳定及复用性等特点，可实现对井壁结构的及时、精确、稳定、自动化、长期动态监测，可为我国立井井壁结构安全监测提供借鉴和参考。

[1]徐国权，熊代余.光纤光栅传感技术在工程中的应用[J].中国光学，2013,6(3)：306-317.

[2]汤树成，张杰，张恒，等.光纤光栅传感器技术在煤矿安全监测系统中的应用[J].工矿自动化，2014,40(7):41-44.

[3]郁尚奇，唐艳，汤树成，等.光纤光栅传感技术在煤矿井筒安全智能监测系统中的应用[J].煤矿支护,2013(4)：63.

Study on FBG shaft lining safety monitoring system of Dahaize coal mine

You FengJi HupingMa Huaijia

(DahaizeCoalMine,ChinaMineShannxiYulinEnergyResourcesandChemicalIndustryCo.,Ltd,Yulin719000,China)

The paper introduces FBG safety monitoring system components of Dahaize coal mine shaft lining structure, discusses the sensor working principles of the monitoring system, explores software functions and diagnostic procedures of the monitoring system, and finally points out advantages of FBG safety monitoring system, such as simple structure, high accuracy and strong complexity and so on.

coal mine, vertical shaft lining, sensor, monitoring system

1009-6825(2016)21-0055-02

2016-05-13

尤峰(1977- )，男，助理工程师

TD265.32

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