基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测

袁应吉　刘洪洋　韩江豪

摘要：随着科学技术的不断进步，煤炭开采方式大不同于以往，现阶段，随着煤炭开采进度越来越快以及煤炭开采量越来越大，使得煤炭开采深度越来越深，给煤矿安全带来极大隐患，煤矿坍塌事件频发，煤矿工人的生命安全遭到威胁。煤矿的安全事故主要包括巷道顶板离层、煤矿矿压失衡等。基于此，本文主要针对巷道顶板离层状态，从煤矿巷道顶板的概念入手，分析FBG传感器的工作原理，旨在通过FBG传感器对巷道顶板离层状态的智能监测进行分析，以期减少在釆煤过程中所出现的安全事故，增加安全生产的可靠性。

关键词：FBG传感器;煤矿巷道;顶板离层;智能监测

当前，我国正处于技术革新时代，煤炭作为很多化工产品的原材料，随着工业发展，其需求量也会越来越高，同时煤炭开采所带来的生产问题也越来越受到关注。目前，由于开采深度的增加，国内煤矿在开采过程中往往面临“三高一扰动”的问题，从而导致巷道顶板离层、脱落等现象越来越严重，对煤矿工人的生命安全带来极大隐患。在煤矿监测中应用光纤传感技术，可有效借助光纤本质特点，达到煤矿安全要求的防爆性能。

1煤矿巷道顶板概述

煤矿井下位于煤层上方的岩层称为顶板，可分为伪顶、直接顶和老顶三类。伪顶较为薄弱，是指随着掘进或回踩随即掉落的岩石;直接顶岩层较为薄弱，极易发生坍塌事故，须在采空区暂时由支架支撑，防止坍塌;老顶是最上层的岩层带，在伪顶或直接顶之上，老顶有较大的岩层密度，通常情况下不会出现垮塌现象。不同的巷道顶板部分，煤矿岩层厚度不同，伪顶岩层厚度大约在0～0.7米，直接顶岩层厚度大概在9～10米，而老顶岩层厚度则在8～9米以上，岩层相对较后，不容易出现垮塌现象。

2FBG传感器的工作原理

2.1FBG位移传感器工作原理

FBG位移传感器的工作原理如下：（1）金属杆产生位移时，会带动弹黃产生相应的位移;（2）弹簧产生位移后，促使等强度悬臂梁的自由端产生相应变化，由于光纤光栅粘貼于等强度的悬臂梁上，因此，在等强度悬臂梁自由端产生变化时，光纤光栅的波长也会相应产生移位。此时可以结合光缆和调制解调器的作用，对移位现象进行在线测量。

2.2FBG压力传感器的工作原理

FBG压力传感器主要是压力的传递，对压力进行实时监测的过程，其工作原理如下：（1）传感器通过压力作用，使一次膜片感受到压力，并将该压力通过传压油腔和圆球均勾传递到等强度悬臂梁的自由端，与FBG位移传感器工作原理相似，待该压力传递到等强度悬臂梁自由端之后，使粘贴在等悬臂梁中心轴线上的光纤光栅波长产生移位，之后再进行下一步操作;（2）借助智能监测系统对光纤光栅波长的移位和压力进行实时监测，经检测并计算得出该传感器的分辨率为0.002MPa。

3基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测

3.1监测方案制定

根据当前煤矿工程发展现状，煤矿事故频发，现阶段对煤矿安全生产管理工作关注度越来越高，煤矿生产安全不仅关系着煤矿工程的顺利进行，更关系着煤矿工人的生命安全，因此，针对煤矿安全生产要求，利用光纤光栅传感器对与煤矿巷道顶板安全相关的温度、位移等参量进行实时监测，实时了解煤矿工作进程、煤矿内部工作面及巷道顶板温度、压力等。监测到的信息借助传感器中光纤骨干网进行传输，通过研发对应的检测系统软件对光栅信息进行转换，并将监测到的信息保存到远程数据中心，实现数据的实时传输。

3.2实时监测设计与实现

实时监测是FBG传感器检测系统的主要功能，具有即时性，能对煤矿里的状况进行实时监控，使外界人员能随时随地了解煤矿情况，通过实时监测系统可以提供给用户最为直观的界面，通过该监测系统，用户可以更加方便的进行报警工作，通过向检测器提交实时监测请求后，检测器会检查传感器的信息，进而找到实时监测数据。如果用户确实需要提交报警信息，则需根据上述流程进行报警操作，待显示器现实处理已完成，说明整个实测交互时间关系已完成。

4结果与讨论

随着社会经济发展，以及科学技术的进步，越来越多的企业开始大规模建立，尤其是化工企业的发展如日中天，煤炭作为化工企业的主要原材料，企业的快速发展预示着煤炭资源将供不应求，大规模的煤炭开采亟待进行，对煤矿的安全生产带来极大隐患。煤矿在开挖过程中，巷道围岩会在自身的重力作用下产生一种应力场，随着煤矿开挖深度的加深，这种应力场作用会增大，进而破坏巷道围岩的受力平衡，如果不及时支护或支护不合理，极有可能会出现开挖区域的围岩脱落现象，造成顶板离层乃至冒顶事故。煤矿巷道顶板离层作为巷道变形的直观反应，实现对离层值的实时监测对维护煤矿巷道的顶板稳定有着重要的意义。

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