矿用分布式光纤光栅顶板动态监测系统设计

来源：《现代科学仪器》期刊2016-09-09点击：362

【核心介绍】我国几乎所有煤矿都面临开采时的顶板安全问题，而这些问题往往由于局限于相对落后的监测手段和信息处理技术而被忽略，这是顶板管理不到位的主要原因。顶板动态监测就是以实用矿压理论体系为指导，利用各种矿山测试计量仪器，对采场及巷道围岩应力分布特征、围岩变形、支架受力、顶底板破坏特征等状况进行监测，预报矿压显现的发展趋势，用以解决具体的生产技术问题，总结矿山压力的普遍规律，保障煤矿安全生产。分布式光纤光栅传感系统在一根光纤中串接多个光纤光栅传感器，任何对光纤光栅的激励影响如位移、压力、温度等，都将导致这个光纤光栅布拉　

矿用分布式光纤光栅顶板动态监测系统设计

李军张书林龚忠强孙世岭赵庆川

（中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆 400039）

摘要我国几乎所有煤矿都面临开采时的顶板安全问题，而这些问题往往由于局限于相对落后的监测手段和信息处理技术而被忽略，这是顶板管理不到位的主要原因。顶板动态监测就是以实用矿压理论体系为指导，利用各种矿山测试计量仪器，对采场及巷道围岩应力分布特征、围岩变形、支架受力、顶底板破坏特征等状况进行监测，预报矿压显现的发展趋势，用以解决具体的生产技术问题，总结矿山压力的普遍规律，保障煤矿安全生产。分布式光纤光栅传感系统在一根光纤中串接多个光纤光栅传感器，任何对光纤光栅的激励影响如位移、压力、温度等，都将导致这个光纤光栅布拉格波长的改变，分布式光纤光栅解调系统通过测量各测试点光纤光栅传感器反射光波长的精细变化来测量各点的待测参量的变化，非常适用于煤矿顶板灾害的动态监测。

关键词 光纤光栅，顶板，动态监测

中图分类号 TD32 文献标识码： A

Design of Mine Roof Dynamic Monitoring System of Distributed Optical Fiber Grating

Li Jun,Zhang Shulin,Gong Zhongqiang,Sun Shiling,Zhao Qingchuan

(Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp. China,400039,Chongqing)

Abstract Almost all coal mines in China are facing a problem of roof safety. Because of the less development of monitoring and information processing technology, these problems are often ignored by us. This is the main reason why roof safety management is not very well. Roof dynamic monitoring is guided by the practical mine pressure theory system. Many measurement instruments are used for the monitoring of stress distribution, deformation of surrounding rock, support force, the characteristics of roof and floor condition. We can forecast the trend of the development of the roof to solve the problem of the specific production technology, and summarize the universal law of mine pressure to ensure the safety of coal mine production. Multiple fiber grating sensors are concatenated by distributed optical fiber grating sensor system in a single fiber. Any impact on the fiber Bragg grating such as displacement, pressure, temperature, etc. will lead to the change of fiber grating Bragg wavelength. Distributed fiber Bragg grating demodulation system can test the reflected light wavelength of fiber grating sensor to measure the Physical quantities. It is very suitable for the dynamic monitoring of roof disaster in coal mine.

Key words Optical fiber grating; Roof; Dynamic monitoring

在煤矿开采过程发生的安全事故中，顶板事故居首位，约占40%^[1]。随着煤矿生产能力的提高、开采强度的增大和向深部开采转移，顶板安全等问题越来越凸现，主要体现在三个方面：一是以锚杆支护为主要形式的巷道稳定性。二是与超前支护和冲击地压因素密切相关的监测问题；三是回采工作面支护稳定性和安全性^[2]。我国几乎所有煤矿都面临开采时的顶板安全问题，而这些问题往往由于局限于相对落后的监测手段和信息处理技术而被忽略，这是顶板管理不到位的主要原因。回采工作面常见顶板事故分类情况可归纳为图1。

图1 回采工作面常见事故类型

顶板动态监测就是以实用矿压理论体系为指导，利用各种矿山测试计量仪器，对采场及巷道围岩应力分布特征、围岩变形、支架受力、顶底板破坏特征等状况进行监测，利用各种合理的数学方法对矿山压力显现信息进行分析^[3]，总结出采场及巷道矿压显现规律，预报矿压显现的发展趋势，用以解决具体的生产技术问题，总结矿山压力的普遍规律，保障煤矿安全生产。

常见的顶板动态监测方法和内容包括采煤工作面支护阻力、顶板离层、巷道围岩应力、超前应力监测。顶板动态监测系统的基本参数是压力和位移。

1 采煤工作面顶板监测动态监测方法和内容

1.1 支护阻力监测方法和内容

采煤工作面包括单体工作面和综采工作面。工作面支护阻力监测指单体、综采工作面支撑阻力监测，常用的监测方法是测量单体或综采支架的工作压力，然后换算其支撑阻力，具体换算方法是根据液压支柱的油缸面积计算。计算综采支架的总的支撑阻力需要根据支架的类型，将每根支撑立柱支撑力相加。保证单体支柱或综采支架在开采过程中达到初撑力，是防止顶板事故发生的重要措施之一。支护质量监控包括检测与控制两个方面，监测是指用传感器对支柱(支架)的支撑能力进行测量；控制是指通过检测结果进行分析，然后采取有效的措施控制顶板。工作面支护阻力监测主要是对前柱、后柱和前探梁处的初撑力、末阻力和平均工作阻力等进行监测，并进行参数越限报警。

图2 支架压力监测原理图

1.2 顶板离层监测方法和内容

在顶板事故中，局部冒顶事故，特别是发生在机道上方无支护空间的顶板事故是比较突出的。顶板破碎以至冒落是由顶板的离层运动发展而来的。对离层的观测研究及控制是防止冒顶事故的前提。直接顶在采煤后，得不到及时支护，悬露面积增大，在自重作用下其内部分层弱面处离层，产生弯曲下沉。直接顶自行离层的结果会导致顶板自身挠曲现象，即在离层部位靠煤壁一侧的顶板下沉速度大于老塘一侧的下沉速度；当工作面支柱的支撑力不足时，如支柱大量折损或钻底，就会引起直接顶与老顶间的离层。此时，当老顶断裂、作回转运动时，就会发生直接顶的强迫挠曲现象。直接顶的强迫挠曲现象只有在老顶来压时才会发生。直接顶的离层观测原理就是根据离层时顶板将发生挠曲运动来进行的，其要点是观测对比靠煤壁侧与靠老塘侧下沉速度的变化。顶板离层监测是监测顶板、围岩岩层分离时所产生的位移量，位移传感器安装示意图如图3所示。

图3 离层位移及围岩应力传感器安装示意图

1.3 巷道围岩应力监测方法和内容

近年来，煤巷锚杆(锚索)支护技术得到迅速发展，巷道锚杆(锚索)支护比例逐年提高。锚杆的作用是约束围岩的径向膨胀和横向剪切。实质是锚杆与围岩相互作用，组成锚固体，锚杆可改善锚固体的力学参数，提高锚固体的强度，使岩体强度，特别是峰后强度和残余强度得到强化形成共同承载结构，充分发挥围岩自承能力。锚杆应力监测用于巷道围岩应力分布及强度检测。主要是巷道松动圈范围内的应力检测，常用的测量仪器是应力传感器，不同位置的传感器组的输出信号反映了锚杆不同深度的承载力，从而确定应力的分布范围，锚索则起悬吊作用。应力传感器检测锚网巷道锚杆或锚索的承载力，该参数可以反映出锚杆、锚索对顶板的控制能力，初锚力反映锚网巷道的施工质量。煤矿锚杆支护监测分为综合监测和日常监测两种。通过综合监测验证初始设计，为评估支护效果提供数据；进行日常监测以便及时发现任何异常，确保安全生产。因此，巷道围岩应力监测主要是对巷道围岩应力分布及强度进行监测，安装如图3所示。

1.4 超前应力监测方法和内容

超前应力监测主要对煤体或岩体内部垂直应力进行监测。了解和掌握采煤工作面侧向支承压力的分布范围、塑性破坏区域以及支承压力的峰值点，为工作面设计、两顺槽超前加强维护以及工作面滞后影响范围提供准确详实的数据。通过在煤层或岩层中打水平钻孔，将传感器安装到钻孔深部，煤层或岩层应力直接作用到传感器上，传感器输出信号通过二次仪表测量。其适用范围为工作面超前应力场，煤柱等应力测量。超前应力监测对煤体或岩体内部垂直应力进行监测，安装如图4所示。

图4 超前应力传感器安装示意图

2 分布式光纤光栅传感系统

光纤光栅是一种新型的光无源器件，它在光纤中建立起一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。

光纤光栅的传感过程可根据耦合模理论进行分析，其传感原理示意图如图5所示。当光入射到光纤光栅后，在满足Bragg条件下，入射光将发生发射，发射光谱在Bragg波长处出现峰值，其波长为。在应力、应变、温度等外界因素的作用下，将引起光纤光栅的微小形变，使栅格间距或模式有效折射率发生变化，从而使得光纤光栅的中心波长发生变化，产生传感效应^[4]。根据波长变化大小即可计算出待测物理量（如应力、应变、位移等）的变化。

图5 光纤光栅传感原理示意图

分布式光纤光栅传感系统在一根光纤中串接多个光纤光栅传感器，采用宽带光源照射光纤时，每一个光栅反射回一个不同布拉格波长的窄带光波。任何对光纤光栅的激励影响如位移、压力、温度等，都将导致这个光纤光栅布拉格波长的改变^[4]。分布式光纤光栅解调系统通过测量各测试点光纤光栅传感器反射光波长的精细变化来测量各点的待测参量的变化。

光纤光栅传感网络分析仪主要为安装在工程现场的光纤光栅传感器提供光源激励，并将光纤光栅传感器经光缆远程反射回来的光信号进行光电转换、数字量识别，并以温度、应变、位移等物理量的方式在本机终端显示、存储和分析，或根据主工作站（或服务器）的要求进行数据上传或信息上报。具体系统如图6所示。

图6 光纤光栅顶板动态监测系统图

根据对矿井整体结构的优化分析，在关键受力部位安装各种类型的光纤光栅传感器，包括压力传感器、位移传感器等，将测得的不同形式物理量转换为便于准备识别和远程传输的光信号。

传输光缆用来完成从监测现场布设的光纤光栅传感器阵列到监控中心内光纤光栅传感网络分析仪之间的光信号传递。

3 光纤光栅传感器性能测试

在实验室搭建基于可调谐激光器波长匹配解调法的解调测试平台，该方法使用可调谐激光器做光源，通过调节激光器的波长，使之与传感光纤光栅反射波长匹配，从而实现解调。原理图如图7所示，该系统的工作原理是：由激光器发出的窄带光经3dB耦合器入射到传感光纤光栅，反射后再经3dB耦合器送到光谱仪和光电探测器。通过调谐悬臂梁上的光栅来改变激光器的波长，当其与传感光栅的中心反射波长相匹配时，光电探测器检测到的光强最大，通过光谱仪观察中心反射波长。