基于FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦巷道在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 濤， 李 川， 倪建明， 陳 貴， 劉文革， 田 馳

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北 235000；3.淮北礦業(yè)股份有限公司 朱仙莊煤礦，安徽 宿州 234111；4.廣東羅爾科技有限公司，廣東 東莞 523120)

0 引 言

煤礦巷道的掘進(jìn)、支護(hù)和長(zhǎng)期使用中，由于采煤作業(yè)，導(dǎo)致巷道圍巖受力情況變得復(fù)雜，巷道變形速度加快，使用壽命減少，嚴(yán)重的甚至?xí)斐伤降葹?zāi)害，不但影響煤礦的正常生產(chǎn)，而且會(huì)造成人員傷亡和設(shè)備損壞[1]。進(jìn)行巷道圍巖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)采取相應(yīng)措施，對(duì)阻止頂板失穩(wěn)、避免突發(fā)性破壞的發(fā)生具有重要意義[2～4]。目前，對(duì)煤礦巷道圍巖壓力和離層位移的監(jiān)測(cè)多采用機(jī)械式頂板離層儀和礦壓觀測(cè)儀，由技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，手動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這種方式觀測(cè)不方便，誤差比較大，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)人員產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)[5～7]。因此，研制煤礦巷道離層位移、圍巖壓力和溫度變化的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將巷道的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心，可對(duì)圍巖和離層變化嚴(yán)重的區(qū)域及早進(jìn)行加護(hù)，避免嚴(yán)重災(zāi)害的發(fā)生。

光纖Bragg光柵(fiber-optic Bragg grating,FBG)傳感器為本質(zhì)安全型傳感器，施工現(xiàn)場(chǎng)只有光信號(hào)進(jìn)入，可滿足井下工程較高的防爆要求[8～11]。本文設(shè)計(jì)了一種基于FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)安徽淮北礦業(yè)朱仙莊煤礦南二風(fēng)井巷道掘進(jìn)區(qū)域的離層位移、圍巖壓力和巷道溫度的變化情況進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。

1 煤礦巷道在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽淮北礦業(yè)朱仙莊煤礦位于安徽省宿州市東12 km處，在宿東煤田向斜盆地的北段和中段，兩翼分別有石炭系和奧陶系組成，東翼由于F4斷層逆沖的影響，底層產(chǎn)狀邊陡，底層缺失而不完整，處于斷裂多、破碎帶的地帶。項(xiàng)目選擇朱仙莊煤礦南二風(fēng)井某一掘進(jìn)中巷道作為研究試點(diǎn)，南二風(fēng)井處于地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的斷裂層帶，井下巷道所受壓力較大，巷道變形速度快。自南二風(fēng)井建成投產(chǎn)以來(lái)，多處巷道發(fā)生嚴(yán)重的變形和掉頂。

建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)，井下700 m數(shù)據(jù)采集，地面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)和辦公局域網(wǎng)2種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的融合。巷道掘進(jìn)區(qū)域的FBG傳感器通過(guò)井下匯總光纜，接入泵房?jī)?nèi)。泵房?jī)?nèi)光開(kāi)關(guān)和解調(diào)儀解調(diào)FBG傳感器反射的光波長(zhǎng)信號(hào)和通道信號(hào)，通過(guò)井下工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)存入地面服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心完成對(duì)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的處理，并通過(guò)Web服務(wù)器發(fā)布，地面工作人員通過(guò)接入辦公局域網(wǎng)各主機(jī)完成對(duì)井下巷道的監(jiān)測(cè)。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 煤礦巷道在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)井下巷道的掘進(jìn)情況，分4個(gè)斷面，每個(gè)斷面拱頂處安裝1只差動(dòng)式FBG位移傳感器，差動(dòng)式FBG位移傳感器通過(guò)雙光柵結(jié)構(gòu)排除溫度對(duì)光柵的影響。差動(dòng)式FBG位移傳感器的相對(duì)位移與FBG的Bragg波長(zhǎng)移位的數(shù)學(xué)模型為

ΔL=K[(λ1-λ10)-(λ2-λ20)]×1 000,

(1)

式中 ΔL為位移，mm；K為位移傳感器的位移系數(shù)，mm/nm；λ1為位移光柵一測(cè)量波長(zhǎng)，pm；λ10為位移光柵一初始波長(zhǎng)，pm；λ2為位移光柵二測(cè)量波長(zhǎng)，pm；λ20為位移光柵二初始波長(zhǎng)，pm。

每次數(shù)據(jù)采集之后，數(shù)據(jù)中心自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的處理。監(jiān)測(cè)界面每5 s更新監(jiān)測(cè)值，若監(jiān)測(cè)值超過(guò)報(bào)警閾值，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提交報(bào)警記錄存入數(shù)據(jù)中心，工作人員接到報(bào)警信號(hào)查看監(jiān)測(cè)區(qū)域是否發(fā)生異常情況，并及時(shí)采取相應(yīng)措施。監(jiān)測(cè)界面可看到斷面1～斷面4的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，如圖2所示，斷面1監(jiān)測(cè)值為加粗線，此時(shí)斷面1監(jiān)測(cè)值超過(guò)報(bào)警閾值。

圖2 位移監(jiān)測(cè)界面

2013年1月21日，2時(shí)和21時(shí)，井下發(fā)生爆破掘進(jìn)，離層位移發(fā)生2次較大抖動(dòng)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。爆破時(shí)離層位移發(fā)生突變，爆破結(jié)束后，離層位移逐漸趨于平緩，報(bào)警結(jié)束。圖3為斷面1和斷面2的時(shí)序趨勢(shì)圖，斷面1更靠近爆破點(diǎn)，且斷面1比斷面2位移量大，說(shuō)明越靠近爆破點(diǎn)，離層位移量越大。

圖3 位移時(shí)序趨勢(shì)變化圖

2.2 壓力監(jiān)測(cè)

在煤礦巷道斷面2和斷面3之間的拱頂左45°和右60°4個(gè)位置安裝4只FBG土壓力傳感器。FBG土壓力傳感器的壓力與FBG的Bragg波長(zhǎng)移位的數(shù)學(xué)模型為

p=K1(λ1-λ2)×1 000,

(2)

式中p為壓力，kPa；K1為土體壓力傳感器的壓力系數(shù)，kPa/nm；λ1為土體壓力光柵測(cè)量波長(zhǎng)，pm；λ2為土體壓力光柵初始波長(zhǎng)，pm。

系統(tǒng)由式(2)計(jì)算得到圍巖壓力值，自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每5 s更新壓力值，當(dāng)壓力值超過(guò)報(bào)警閾值，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變?yōu)榧t色，并發(fā)出報(bào)警且提交報(bào)警記錄。監(jiān)測(cè)界面如圖4所示，可看到4只土壓力傳感器的位置和監(jiān)測(cè)值。

圖4 壓力監(jiān)測(cè)界面

圖5為2013年1月21日，右1位置和右2位置傳感器的時(shí)序趨勢(shì)圖，時(shí)序趨勢(shì)圖表明：當(dāng)天2次爆破對(duì)圍巖壓力產(chǎn)生影響，壓力變化發(fā)生突變，產(chǎn)生報(bào)警，爆破結(jié)束后，壓力變化趨于平緩，報(bào)警結(jié)束，監(jiān)測(cè)值逐漸返回原監(jiān)測(cè)水平；巷道拱頂45°位置承受壓力較60°位置大。

圖5 壓力時(shí)序趨勢(shì)變化圖

2.3 溫度監(jiān)測(cè)

在巷道每個(gè)斷面拱頂安裝一只FBG溫度傳感器，F(xiàn)BG溫度傳感器的監(jiān)測(cè)溫度與FBG的Bragg波長(zhǎng)移位的數(shù)學(xué)模型為

T=K2(λ1-λ2)×1 000,

(3)

式中T為溫度，℃；K2為溫度傳感器的溫度系數(shù)，℃/nm；λ1為溫度光柵測(cè)量波長(zhǎng)，pm；λ2為溫度光柵初始波長(zhǎng)，pm。

FBG溫度傳感器也安裝在每個(gè)斷面拱頂處，系統(tǒng)每5 s更新溫度值，溫度超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，提交報(bào)警信號(hào)并存入數(shù)據(jù)中心。溫度監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

圖6 溫度監(jiān)測(cè)界面

井下發(fā)生爆破掘進(jìn)時(shí)，巷道溫度未發(fā)生較大波動(dòng)，4只溫度傳感器監(jiān)測(cè)值始終保持在23 ℃左右。監(jiān)測(cè)區(qū)域處于南二風(fēng)井，井下通風(fēng)狀況良好，爆破后產(chǎn)生的熱量迅速通過(guò)風(fēng)門(mén)被排出，井下溫度基本保持恒定。溫度時(shí)序趨勢(shì)變化情況如圖7所示。

圖7 溫度時(shí)序趨勢(shì)變化圖

3 結(jié) 論

煤礦巷道在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用FBG傳感器，在易燃易爆環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的在線監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析分開(kāi)進(jìn)行，井下采集、井上處理分析。該系統(tǒng)為煤礦巷道全壽命周期提供監(jiān)測(cè)、預(yù)警和分析，為巷道的正常運(yùn)營(yíng)提供安全保障。

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