導語：煤礦頂板災害是五大自然災害之一，頂板壓力監(jiān)測是一項系統(tǒng)工程。本期轉化果平臺推薦的《礦用光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用》，介紹了一套國內首次將激光/光纖傳感技術應用于煤礦頂板災害監(jiān)測的系統(tǒng)，系統(tǒng)采用光纖光柵傳感技術，實現多種傳感數據的采集與分析預警，應用效果良好！歡迎致電400-1817-969垂詢！
一、光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)背景
（一）政策法規(guī)要求
1.《煤炭工業(yè)智能化礦井設計標準》要求
根據GBT 51272-2018 《煤炭工業(yè)智能化礦井設計標準》及國家八部委聯(lián)合下發(fā)的“智能化礦井建設指導意見”的要求，為推進智能化礦井建設，需要研發(fā)新型頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)，實施監(jiān)測頂板變化動態(tài)，降低頂板災害事故。
2.《國家礦山安全監(jiān)察局關于進一步加強煤礦沖擊地壓防治工作的通知》（礦安﹝2020﹞1號）要求
第十二條：配備煤體應力監(jiān)測系統(tǒng)，對有沖擊地壓危險的采煤工作面、掘進工作面和主要煤柱區(qū)進行實時應力監(jiān)測。重點監(jiān)測回采工作面前方300m范圍內的進、回風順槽等煤層巷道和掘進工作面迎頭后方200m范圍內的巷道。
第十四條：配備采煤工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)，對工作面支架工作阻力進行在線監(jiān)測；配備頂板離層實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，對錨噴支護的煤巷、半煤巖巷進行頂板離層監(jiān)測。
3.《內蒙古自治區(qū)煤礦智能化建設基本要求及評分方法（試行）》要求
(1) 礦井應建設完善的頂板災害在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠基于監(jiān)測分析結果進行頂板災害的預測、預警。
(2) 具備礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實現對礦壓監(jiān)測點進行實時監(jiān)測。
(3) 建有綜采工作面、掘進工作面礦山壓力大數據分析及評價模型，能夠基于監(jiān)測數據實現礦山壓力的預測與預警。
4.《陜西省煤礦智能化建設指南（試行）》要求
(1) 第八條：煤層頂板應具有工作面支架壓力、巷道頂板離層量及巷道錨桿錨索壓力監(jiān)測、數據分析、預警和報警功能。
(2) 第十條：薄煤層處應具有合理的支護強度和頂板壓力實時監(jiān)測功能。
（二）傳統(tǒng)頂板監(jiān)測手段
1.人工觀測技術
機械式頂板離層儀結構簡單，價格低廉，早期在煤礦上得到廣泛應用；但精度低，需要專員定期巡檢記錄，結構強度低、采集數據困難，無法適應數字化礦山建設與智能開采要求。
2.電子監(jiān)測技術
傳統(tǒng)電子類頂板離層傳感器其原理簡單，多數是單片機加ADC采集單元，容易受淋水及粉塵腐蝕，造成傳感器使用壽命短；信號數據傳輸易受電磁干擾，跳數、誤報等問題頻發(fā)，影響安全生產。
3.有線總線式監(jiān)測技術
市面現有線總線式網絡傳輸的離層監(jiān)測系統(tǒng)相繼出現，在煤礦也得到了廣泛應用，但由于有線網絡檢測分站和中繼分站多、供電繁瑣、施工過程中無法避免原有電子傳感器所存在的問題、并且靈活性和擴展性也不足，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性差等缺點。
4.無線傳輸監(jiān)測技術
無線類傳感器克服有線總線式傳感器大部分缺點，但由于考慮傳感器的功耗，數據多數采用定時傳輸、而且電池使用壽命短、維護工作量大；受井下復雜環(huán)境影響，其傳輸距離有限，系統(tǒng)需要大量通訊基站及中繼站，導致系統(tǒng)結構復雜、穩(wěn)定性差，后期維護量大大提升。
二、礦用光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)介紹
1.系統(tǒng)構成
礦山光纖壓力監(jiān)測系統(tǒng)采用目前比較先進的光纖光柵傳感技術，主要由井上調度室顯示主機、井下光纖壓力監(jiān)測主機、煤礦用通信光纜、礦用光纖壓力傳感器、礦用光纖離層位置傳感器、礦用光纖鉆孔應力傳感器、礦用光纖溫度傳感器、礦用光纖單元支架傳感器、礦用光纖恒阻錨索應力傳感器、礦用光纖應變傳感器、礦用光纖頂底板位移傳感器、礦用光纖可視化錨桿（索）應力傳感器等多種類型傳感器組成。
傳感器通過光纜將監(jiān)測數據傳輸到礦用隔爆兼本安型光纖壓力監(jiān)測主機上，監(jiān)測主機通過軟件將光信號轉化成數字數據，然后將得到的數據通過環(huán)網上傳到井上，在井上顯示出來。
2.系統(tǒng)特點
(1) 系統(tǒng)架構簡單。系統(tǒng)組成由主機、通訊光纜、光纖傳感器組成，無需增加分站；正常一個工作面只需1臺主機就可實現全周期，全斷面覆蓋數據監(jiān)測；
(2) 系統(tǒng)主機容量大。物理通道數可擴展到36個，單機最多就可接入180支離層傳感器。
(3) 系統(tǒng)續(xù)航能力強。根據光纖監(jiān)測系統(tǒng)特點所有傳感器都無需電源，整套系統(tǒng)在滿載斷電情況下運行，最高可以持續(xù)8小時斷電續(xù)航能力。
(4) 系統(tǒng)免維護。根據系統(tǒng)內傳感器無源及設計特點；在傳感器光纜不被破壞的情況下，傳感器無需維護校準。
系統(tǒng)構成示意圖
3.礦用光纖礦壓監(jiān)測技術原理
光纖光柵是一個反射型的窄帶濾波器，當溫度、應變、壓力等發(fā)生變化時，反射波長隨之發(fā)生改變，通過對波長變化的精確測量可以獲得被測信息。
研發(fā)團隊解決了光纖傳感技術的眾多困難，在光柵封裝、模塊研發(fā)、數據校準、溫補等方面掌握核心技術，數據線性擬合度高于0.9999，目前屬國內領先。
礦用光纖礦壓監(jiān)測技術原理圖
三、礦用光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)硬件
1.礦用光纖壓力監(jiān)測系統(tǒng)主機
一臺主機可以連接36芯光纖，根據不同的參量連接100-400個不同的光纖光柵傳感器（溫度、位移、壓力、應力、水位、振動等）。
礦用光纖壓力監(jiān)測系統(tǒng)主機
光纖傳感器的特點：
(1) 光纖傳感器的優(yōu)點是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質，具有光纖及光學測量的特點，有一系列獨特的優(yōu)點。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強，非侵入性，高靈敏度，容易實現對被測信號的遠距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計算機聯(lián)接。
(2) 傳感器朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發(fā)展，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)或者對人有害的地區(qū)），起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
(3) 單就傳感器而言不但滿足智能化對監(jiān)測系統(tǒng)實時傳輸的要求，達到真正意義上的實時傳輸（所有傳感器最快可達毫秒級傳輸）；并且為智能化、智慧化煤礦發(fā)展提供更有效的大數據支撐。
2.礦用光纖頂板離層傳感器
礦用光纖頂板離層傳感器通過內部精密的機械結構將位移轉化為光纖光柵傳感敏感元件波長的變化，從而進行位移的監(jiān)測。
礦用光纖大量程可視化離層傳感器是我公司獨家研制新型傳感器，量程500mm，為國內首創(chuàng)。本安無源設計，并能滿足現場就地顯示與遠程終端同步顯示。
礦用光纖頂板離層傳感器
礦用錨桿（索）應力傳感器
3.礦用錨桿（索）應力傳感器
GMYG600-K礦用光纖可視化錨桿（索）應力傳感器是我公司基于市場需求，依據GMYG600礦用光纖錨桿（索）應力傳感器的原理獨立自主研發(fā)的一種新型傳感器。首先保持了測量精度高，穩(wěn)定性強等優(yōu)點，又增加了現場壓力監(jiān)測數據實時監(jiān)測的顯示功能，滿足煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)就地顯示的要求，這樣就實現了通過監(jiān)測主機實時在線顯示頂板變化與現場就地顯示壓力表實時監(jiān)測的兩大功能。
礦用光纖離層位置傳感器
4.礦用光纖離層位置傳感器
GLWG500礦用光纖離層定位傳感器是我公司基于市場需求，依據GLGC500礦用光纖頂板離層的工作原理獨立自主研發(fā)的一種新型的光纖多點位移傳感器。它通過將頂板巖層內鉆孔的錨爪隨著巖層的變化時，拉動傳感器自身的鋼絲繩，再通過鋼絲繩牽動傳感器內部光纖懸臂梁與刻度表針裝置上，分別實現了通過監(jiān)測主機實時在線顯示頂板變化與現場就地顯示表盤指針實時監(jiān)測的功能，為煤礦工程人員與檢測人員提供了重要的科學依據，從而有效的防止頂板坍塌事故的發(fā)生，確保煤礦安全生產。
5.礦用光纖恒阻錨索應力傳感器GMYG600-H礦用光纖恒阻錨索應力傳感器是我公司依據沿空留巷專利產品恒阻錨索量身定制的一款新型傳感器。它可有效的與監(jiān)測主機連接，實時反饋安裝地點的受壓狀況，達到實時監(jiān)測的功能，同時它具有精度高，穩(wěn)定性強，防塵，防水等諸多優(yōu)點。為礦井安全生產，提供頂板管理方面的可靠現場數據及歷史記錄,減少并嚴格控制入井人數,提高全員工效,降低礦井生產成本,排除頂板安全事故隱患,社會、經濟效益顯著等方面提供了重要的科學依據。
礦用光纖恒阻錨索應力傳感器
礦用光纖頂底板位移傳感器
6.礦用光纖頂底板位移傳感器
UG1000礦用光纖頂底板位移傳感器是我公司設計一種新型實時監(jiān)測傳感器。它根據現場高度調節(jié)位置固定后，頂板與底板因壓力發(fā)生變化時，傳感器內置的彈簧受力影響到懸臂梁的應變值，這些數值以光信號的方式傳送到監(jiān)測主機上進行分析得出頂底板的移近量。這種實時監(jiān)測的功能與精度高，穩(wěn)定性強的特點。為礦井安全生產，人員生命安全，降低生產成本做出了重要依據。
礦用光纖應變傳感器
礦用光纖溫度傳感器
7.礦用光纖應變傳感器
GYG3000礦用光纖應變傳感器是一種將安裝底座焊接在鋼結構表面上，用于測量其表面的應力（應變）的傳感器。它采用不銹鋼外殼結構設計，適應各種惡劣的腐蝕環(huán)境，既可以長時間實時監(jiān)測，又可以短期實時監(jiān)測后重復使用的功能。同時具有精度高，穩(wěn)定性好，安裝方便快捷等特點。
8.礦用光纖溫度傳感器
GWG100礦用光纖溫度傳感器是利用導熱性能好的聚酰亞胺材質設計的一種新型溫度傳感器。利用光在光導纖維內傳輸的相位隨溫度參數的改變而改變的特點，將傳感器通過粘貼的方式將傳感器固定在監(jiān)測位置上。光纖本身不帶電，體積小質量輕，易彎曲，抗輻射性能好等特點，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。
9.其它光纖傳感器
光纖傳感器基于光纖光柵原理，利用彈性力學理論，建立力學模型，設計懸臂梁轉化結構，將頂板位移、圍巖應力、壓力等物理量轉化為光纖光柵波長的變化，并采用溫度補償技術，糾錯算法，數據處理，監(jiān)測運行穩(wěn)定可靠 。
10.傳感器技術參數
四、礦用光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)數據分析平臺
1.光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)軟件顯示界面
2.頂板監(jiān)測系統(tǒng)架構
五、傳感器現場安裝示意圖
采煤工作面、煤及半煤巷道每間隔30-50m設置1個監(jiān)測斷面；掘進工作面及全巖巷道間隔80~100m設置1個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面根據礦井地質條件選裝頂板離層傳感器、錨桿（索）應力傳感器及鉆孔應力傳感器。
現場安裝示意圖
1.礦壓監(jiān)測傳感器布置方案一
距切眼100米內設置三組傳感器，巷道總長的中部1000米內設計33組傳感器，距停采線200米設計三組傳感器進行監(jiān)測，兩條巷道共需要鉆孔應力傳感器18組，錨桿應力傳感器18組，每組監(jiān)測點由兩支鉆孔應力傳感器，兩支錨桿應力傳感器組成，共計傳感器72支。
距回采面100米開始，每組間隔150米的方式進行監(jiān)測，兩條巷道共需要鉆孔應力傳感器14組，錨桿（索）應力傳感器 14 組，每組監(jiān)測點由兩支鉆孔應力傳感器，兩支錨桿應力傳感器組成。
3.礦壓監(jiān)測傳感器布置方案三
距回采面50米開始，每組間隔50米的方式進行監(jiān)測，兩條巷道共需要鉆孔應力傳感器58組，錨桿應力傳感器58組，每組監(jiān)測點由兩支鉆孔應力傳感器， 兩支錨桿應力傳感器組成，共計傳感器232支。
六、應用案例
1.應用案例一：光纖傳感技術與傳統(tǒng)監(jiān)測數據對比
某煤礦8301工作面，安裝長度1100m。頂板離層傳感器安裝60天，通過10個觀測點，與傳統(tǒng)的離層觀測尺數據對比。10個監(jiān)測點深基點位移變化值在0-23.01，平均變化量為10.08mm；巷道頂板錨索錨固范圍內（淺基點監(jiān)測值）的離層值在0.18～3.26mm之間，10個監(jiān)測點平均值為1.99mm。在同一監(jiān)測區(qū)域，采用機械式人工監(jiān)測的頂板離層儀觀測數據一般深基點變化值在0～22mm，平均10.9mm；淺基點0～20mm，平均2.48mm。通過對比表明該系統(tǒng)監(jiān)測數據比人工觀測數據更準、更穩(wěn)；并且完全滿足智能化礦井對礦壓監(jiān)測系統(tǒng)設計驗收要求。
2.應用案例二：報警事件及處理措施
某煤礦21121工作面下巷，2018年8月安裝監(jiān)測系統(tǒng)，2019年1月9日發(fā)生3次報警，二級報警最大值123mm。
3.應用案例三：報警事件及治理曲線圖
某煤礦2019年6月26-28日2215工作面頂板離層150mm，一級報警。通過注漿錨索治理，自7月2日頂板趨于穩(wěn)定。
4.應用案例：方案設計、安裝示意圖及系統(tǒng)顯示界面
2020年7月份建設完成某集團的煤礦頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
現場安裝施工照片
七、項目主要創(chuàng)新點
1.國內首次將激光/光纖傳感技術應用于煤礦頂板災害監(jiān)測，自主研發(fā)并實現產業(yè)化，是目前國內唯一具備萬只/年產能的企業(yè)；
2.光纖離層傳感器量程是目前國內唯一達到500mm的生產廠家；
3.無源本安型光學傳感器，滿足煤礦井下現場就地可視要求；
4.主機配備1140v高壓供電，并滿足不低于4小時斷電續(xù)航能力；
5.取消系統(tǒng)分站架構，實現傳感器直聯(lián)技術與數據融合傳輸。
該項目成果于2019年通過專家鑒定，結論：研究成果達到了國際先進水平。
八、客戶反饋情況
1.實現礦井深部巷道變形實時監(jiān)測。通過對采煤工作面兩巷進行連續(xù)實時監(jiān)測，得到頂板離層的準確信息，還可以推斷預測出各種頂板條件下的頂板周期來壓規(guī)律，及早發(fā)現頂板失穩(wěn)的征兆等不安全隱患，采取加強支護等措施，避免冒頂事故的發(fā)生。
2.系統(tǒng)監(jiān)測精度高，通過準確的數據分析，可以準確判斷井巷頂板離層位置、確定超前支承壓力影響范圍與強度，評估支護參數合理性。
3.系統(tǒng)架構簡單，穩(wěn)定性好，數據可靠；傳感器抗干擾、糾錯能力強，使用壽命長，后期維護費用低，經濟效益顯著。
轉化果平臺咨詢電話：400-1817-969
