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

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1、28煤矿支护2013年第4期石家庄中煤杯参评论文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郁尚奇唐艳汤树成张恒徐巧。张杰[1一上海工程技术大学，上海201620；2一上海启鹏工程材料科技有限公司，上海201209]摘要基于光纤光栅传感技术，在煤矿井筒结构安全监测系统中的潜在应用进行了探讨，井筒结构安全监测内容可涵盖井筒井壁应力应变、井筒环境温度、井筒变形、罐道间隙、井筒地下水位等。多个基于光纤光栅测点的传感器串接成一个传感网络，对井筒结构进行准分布式检测，有效监测井壁应力应变变化以及井筒变形等情况，为及时评价井筒安全状

2、况与运行状态提供依据，确保井筒井壁的安全运行。关键词光纤光栅传感技术煤矿井筒安全监测测产品，具有集成化、智能化、数字化、网刖昌络化等特点。光纤光栅传感是通过被测外界物理量的立井井筒是煤矿的咽喉要道，其安全运变化来拉伸或压缩光纤光栅，从而达到改变营是煤矿生产顺利进行的重要保障。自光纤光栅的反射波长的目的。光纤光栅的中1987年以来，徐州、大屯、兖州、永夏、心波长的变化量和被测物理量的变化量成线淮北等矿区100多个煤矿不仅出现了岩层和性关系，根据这些特性，基于光纤光栅原理地表的移动，同时立井井筒及其采矿设施也制造的传感器通过测量光

3、的波长来测量外界产生了不同程度的破坏和变形l_lJ。为了防止物理量。其突发性破坏造成巨大的经济损失以及带来光纤光栅信号处理器用于实时采集各光的生命安全隐患，建立井筒的安全监测显得纤光栅传感器的波长值，通过光纤光栅传感尤为重要。监测系统实时监测井筒损伤过器波长变化量的大小推算出相应物理量(温程，并进行预警，可以随时掌握井筒在运营度、应力等)的改变大小。这样就实现了物期间的安全状态及其发展趋势，分析诊断病理量传感检测的目的。光纤光栅传感系统如态井壁，及时采取措施处理，杜绝重大安全图1所示。事故的发生。本文基于光纤光栅传感器的工作原

4、理，介绍了光纤光栅技术在煤矿井筒应力应变、环境温度、破裂、变形以及井筒地下水位等方面的典型监测应用。光纾光栅信号处理器FBGFBG2FBG3⋯⋯FBG1监测系统组成及工作原理图1光纤光栅传感系统针对井筒安全监测对象的不同，分别在光纤光栅井筒结构安全传感系统包括：不同监测点布设相应的光纤光栅传感器，同光纤光栅传感器、传输光缆、光纤光栅信号时将多个传感器串接成一个传感网络，对井处理器、计算机。较之传统煤矿井筒安全监筒结构进行自动测量、数据存储，通过光缆2013年第4期煤矿支护29远距离传输，实现自动无人实时观测、定时根据井壁受力特

5、性，在井壁基岩段及以上表观测、自动存储数据、浏览查询图表输出以土层部位布设测试水平，其中表土层相距及井壁安全状态预测预警等多种功能。同时30m左右设置一个测试水平(还可根据表结合相应分析软件对监测数据进行分析处土层的厚度、土质情况酌情设置测试水平的理，继而判断井壁在周围地压、自重、竖直个数)，井壁风化基岩段设置一个测试水平。附加力、井筒温度、开采等因素作用下的完每个测试水平布设4个测点，测试水平传感全稳定状态及发展趋势。其系统监测拓扑图器布设位置如图3、图4所示。测点沿环向如图2所示。均布，每个测点在竖向和横向方向分别布设一个

6、光纤光栅应变传感器，同时在1、3或2、4测试点上对称布设两个光纤光栅温度传感器，一是监测井筒环境温度，一是对光纤光栅应变传感器进行温度补偿。温度应力在井壁变形过程中其作用类似于自重应力，本质不会引起井壁的破坏，但温度的存在会加剧或缩短井壁破坏进程。对温度进行监测试测，剥离出温度应变，以便得到井壁径向、水平环向应变随时间的逐步累积及变化趋势，为后期的安全分析提供依据。图2监测系统拓扑结构图飞2井壁应力以及井筒环境温度监测1、2、3、4-测点(埋入式)；5-井壁多年的研究实践表明，已建井壁的受力，主要有不随时间变化的井壁自重、井塔

7、图3新建井筒安全监测传感器布设示意图井筒装备附加于井壁上的荷载、地层压力等恒荷载，还有随时间变化的井壁竖直附加力’和温度应力。鉴于光纤光栅传感器自身具有性能长期、≈稳定、观测精度良好、仪器结构牢固、防潮密封性好、本质无源，能在很大温度变幅范1、2、3、4-测点(表按式)：5-井擘围内正常工作的特性。选择光纤光栅应变传图4已建井筒安全监测传感器布设示意图感器和光纤光栅温度传感器对井壁应力和井筒环境温度进行监测，可以满足井简安全监3井筒变形监测测需工期长、测试仪器稳定可靠、精度高等要求。开采引起井筒变形或破坏都会对矿井的为了测试井

8、壁中随时间变化的附加力，安全生产造成严重影响。针对井筒变形，国已建井筒井壁可以选择表面安装式光纤光栅内外也相继出现了很多监测方法，比如井筒应变传感器(见图3)，扩建、新建井筒井三维变形监测法、钢丝基准线法、井筒变形壁可以选择埋入式光纤光栅应变传感器，用GPS监测法等]。本文主