CN103362553A - 基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测*** - Google Patents

基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测*** Download PDF

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Abstract

一种基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***，属于煤矿井下安全监测***。包括井上部分和井下部分，井上部分包括光纤光栅静态解调仪、计算机数据处理***、打印机、服务器和客户端；井下部分包括光开关阵列、工作面安全监测子***和巷道安全监测子***；两个监测子***均至少包括一个监测基站，每个监测基站至少包括一个测站，每个测站对应一组光纤光栅传感器；优点：采用多测站，井下多参数监测，集成光纤光栅传感器，采用全光测量和光纤进行信号传输，本质安全，抗电磁干扰能力强，监测效果好，实现了实时连续长期在线监测和全矿区的数据共享，以便更好的指导煤矿的安全生产，可有效降低煤矿安全事故的发生，实现煤矿安全高效生产。

Description

基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下安全监测***，具体是一种基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***。
背景技术
近年来，随着采矿技术的不断提高，我国煤矿行业得到更好更快的发展。作为我国其他工业行业发展的基础，煤矿的安全生产对社会进步和国民经济的提高发挥着非常重要的作用。但是，随着煤矿开采深度的不断增大，煤矿的矿山压力显现及煤矿安全压力更为明显，造成的灾害也越来越严重，如顶板冒落、巷道变形、冲击矿压、瓦斯***、煤矿突水、煤矿火灾等事故频繁发生，因此，给我国的煤矿业造成了巨大的损失，严重影响了从业人员的生命安全和矿井生产。如果建立一个先进的矿压在线监测预警***，就能有效监控工作面生产，有效地预防和减少矿压事故的发生。
目前一些针对煤矿井下安全监测领域开发的产品设备已经取得一定的发展，比如采用单片机控制的振弦式传感器、电阻应变片式传感器、气体传感器等。煤矿井下的监测手段主要包括在煤矿井下综采工作面液压支架上安装综采支架压力传感器、在巷道顶板上安装顶板离层传感器、在煤岩体中安装承载应力传感器、在巷道围岩支护锚杆上安装锚杆应力传感器、在工作面布置瓦斯传感器、在采空区布置温度传感器。但是上述监测手段仍具有以下缺点：1、易受电磁干扰和外界环境干扰，监测精度不好；2、不防潮，可靠性低，使用寿命短，无法满足长期监测的要求；3、独立布置和人工读取或红外采集数据，所以自动化程度低，数据采集不便。
发明内容
技术问题：为了克服现有技术中的不足，本发明的目的是为了适应现在煤矿安全高效生产，满足煤矿井下安全需要，提供一种监测效果好、测量精度高，可靠性好，抗电磁干扰能力强，可实时在线长期监测的基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***。
技术方案：本发明的目的通过如下技术方案实现：基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***，包括井上部分和井下部分；所述的井上部分包括光纤光栅静态解调仪、计算机数据处理***、打印机、服务器和客户端，客户端通过煤矿局域网与服务器互联，光纤光栅静态解调仪通过矿用传输光缆连接井下部分；所述的井下部分包括光开关阵列、工作面安全监测子***和巷道安全监测子***；通过通讯光纤将光开关阵列的一个通道与工作面安全监测子***连接，所述的工作面安全监测子***至少包括一个工作面监测基站，其中每个工作面监测基站至少包括一个测站，每个测站对应一组光纤光栅传感器，所述的一组光纤光栅传感器包括光纤光栅支架压力传感器、光纤光栅瓦斯传感器、光纤光栅温度传感器；通过通讯光纤将光开关阵列的另一个通道与巷道安全监测子***连接，所述的巷道安全监测子***至少包括一个巷道监测基站，其中每个巷道监测基站至少包括一个测站，每个测站对应一组光纤光栅传感器，所述的一组光纤光栅传感器包括光纤光栅钻孔应力传感器、光纤光栅离层监测传感器、光纤光栅风速传感器、光纤光栅锚索应力传感器、光纤光栅水压传感器、光纤光栅锚杆应力传感器；在煤矿井下进行布点，安设工作面安全监测子***和巷道安全监测子***内的光纤光栅传感器，进行煤矿安全参数的监测。
进一步，所述的光纤光栅静态解调仪的输出端口通过网络接口或者RS232接口或USB接口与计算机数据处理***连接。
再者，所述的计算机数据处理***内嵌解调分析处理软件，并具有如下模块：
（a）输入模块，包括矿井参数输入、预警报警阈值输入和自动采集功能；
（b）管理模块，包括历史查询、数据共享、自动存储功能；
（c）分析模块，包括趋势分析、多参数关联分析、对比分析功能；
（d）输出模块，包括超限报警、危险预测、综合报表和实时曲线功能。
所述的光纤光栅支架压力传感器布置在综采工作面液压支架上，随工作面的向前推进，实时监测液压支架的工作阻力，为研究合理的支架—围岩关系、顶板控制的设计和管理提供依据；
所述的光纤光栅瓦斯传感器布置在综采工作面内，监测工作面上隅角瓦斯的含量，实现煤矿的安全生产，为煤与瓦斯突出危险性矿井的安全生产提供支持与依据；
所述的光纤光栅温度传感器布置在综采工作面采空区内，工作面采空区内的温度监测，实时监测采空区内的温度变化，为预防采空区火灾及煤炭自燃提供可靠性的数据基础。
所述的光纤光栅钻孔应力传感器布置在工作面两端巷道超前煤体中，监测顶板岩层在相对稳定和显著运动全过程中，支撑压力显现在应力场中的变化过程，为依据支撑压力分布和转移变化而决策矿压问题提供依据，如高峰压力分布位置、范围、顶板来压远期、中期预报；
所述的光纤光栅离层监测传感器布置在锚杆支护巷道顶板岩层内，监测顶板锚固范围内及锚固范围外离层值变化情况及趋势，为锚杆支护巷道顶板的稳定性和上覆岩层的组合运动状况的监测提供依据；
所述的光纤光栅风速传感器布置在巷道内，监测煤矿巷道内的通风量和通风速度，适用于煤矿井下具有瓦斯***危险的各矿井通风回风巷、风口等处，可连续监测上述地点的风速、风量大小，能够对所处巷道的风速风量进行实时监测，为高瓦斯矿井内瓦斯的抽放以及巷道内的污浊气体的通风提供依据；
所述的光纤光栅锚索应力传感器和所述的光纤光栅锚杆应力传感器均布置在巷道岩层内，监测锚杆锚索支护巷道内监测锚杆和锚索工作时轴向力的大小及分布状况，为巷道顶板的稳定性监测提供可靠的理论依据，保障巷道围岩的稳定，防止出现围岩大面积垮落等事故；
所述的光纤光栅水压传感器布置在巷道内，实时监测巷道内的涌水量，为高突水巷道矿井提供依据，防止煤矿突水事故的发生，对煤矿水害的预测和防治研究产生重要意义。
所述的解调分析处理软件的处理步骤是：
步骤一：对光纤光栅传感器进行编号、分类和分组；
步骤二：根据煤矿条件设置光纤光栅传感器预警报警参数和预警报警阈值；
步骤三：通过光纤光栅静态解调仪对光纤光栅传感器实时监测的煤矿安全数据进行解调，经过解调分析处理软件得到接收到的实时数据与预警报警阈值进行比较，比较的结果大于阈值范围，则解调分析处理软件发出事件预警及报警信息，同时将实时数据定时存入监测参数数据库；
步骤四：对监测参数数据库中的数据进行趋势分析、多参数关联分析和对比分析；
步骤五：结合煤矿巷道和工作面的相关参数与分析后的情况，软件将作以下功能处理，一是输出煤矿井下危险性的综合预测情况，二是实时显示煤矿井下安全参数的监测曲线，三是通过煤矿局域网进行数据信息共享，四是生成综合报表，五是进行历史查询；通过采取安全措施，从而实现煤矿安全高效生产。
有益效果，由于采用了上述方案，本发明利用多种光纤光栅传感器进行煤矿井下安全综合监测，采用多测站，井下多参数监测，多传感器并用，以光纤为传输载体，集成光纤光栅传感器，监测效果好、测量精度高，可靠性好，抗电磁干扰能力强，监测数据误差小、受使用环境影响小，运行稳定；光纤光栅传感器本质安全，全矿井采用全光测量和光纤进行信号传输，不需供电，保证煤矿井下的生产安全与工人人身安全；本发明的***实现实时连续长期在线监测，并且具有预警及报警功能，能及时提供煤矿井下综合监测及危险性预测结果，还实现了全矿区的数据共享，有利于煤矿的井上人员第一时间了解煤矿井下的运行状态，以便更好的指导煤矿的安全生产，可有效的降低煤矿安全事故的发生，实现煤矿安全高效生产。基于光纤光栅传感器的煤矿安全综合监测***，进行煤矿安全参数数据综合处理，有效的预防和减少煤矿事故的发生，实现煤矿安全高效生产。
优点：将光纤光栅传感器应用于煤矿，具有本质安全、测量精度高、抗干扰能力强，监测数据误差小、可实时在线长期监测的优点。基于光纤光栅传感器的煤矿安全综合监测***，进行煤矿安全参数数据综合处理，有效的预防和减少煤矿事故的发生，实现煤矿安全高效生产。
附图说明
图1为本发明的整体布置结构示意图。
图2为本发明的计算机数据处理***的功能模块框图。
图3为本发明的工作面监测分站组成框图。
图4为本发明的巷道监测分站组成框图。
图5为本发明的数据处理过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
实施例1：图1为***的整体布置结构示意图中，基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***包括井上部分和井下部分，所述的井上部分包括光纤光栅静态解调仪、计算机数据处理***、打印机、服务器和客户端，客户端通过煤矿局域网与服务器互联，光纤光栅静态解调仪通过矿用传输光缆连接井下部分；所述的井下部分包括光开关阵列、工作面监测子***和巷道监测子***；通过通讯光纤将光开关阵列的一个通道与工作面安全监测子***连接，所述的工作面监测子***至少包括一个工作面监测基站，其中每个工作面监测基站至少包括一个测站，每个测站对应一组光纤光栅传感器，所述的一组光纤光栅传感器包括光纤光栅支架压力传感器、光纤光栅瓦斯传感器、光纤光栅温度传感器和光纤光栅钻孔应力传感器；通过通讯光纤将光开关阵列的另一个通道与巷道安全监测子***连接，所述的巷道监测子***至少包括一个巷道监测基站，其中每个巷道监测基站至少包括一个测站，每个测站对应一组光纤光栅传感器，所述的一组光纤光栅传感器包括光纤光栅离层监测传感器、光纤光栅风速传感器、光纤光栅锚索应力传感器、光纤光栅水压传感器、光纤光栅锚杆应力传感器。
进一步，光纤光栅静态解调仪的输出端口通过网络接口或者RS232接口或USB接口与计算机数据处理***连接。
***是根据煤岩层的赋存特点和物理力学性质，在煤矿井下进行布点，安设工作面安全监测子***和巷道安全监测子***内的光纤光栅传感器，进行煤矿安全参数的监测。
工作面安全监测子***中：光纤光栅支架压力传感器布置在综采工作面液压支架上，随工作面的向前推进，实时监测液压支架的工作阻力，为研究合理的支架—围岩关系、顶板控制的设计和管理提供依据。
光纤光栅瓦斯传感器布置在综采工作面内，用于监测工作面上隅角瓦斯的含量，实现煤矿的安全生产，为煤与瓦斯突出危险性矿井的安全生产提供支持与依据。
光纤光栅温度传感器布置在综采工作面采空区内，用于工作面采空区内的温度监测，实时监测采空区内的温度变化，为预防采空区火灾及煤炭自燃提供可靠性的数据基础。
巷道安全监测子***中：光纤光栅钻孔应力传感器布置在工作面超前巷道中，主要用于监测顶板岩层在相对稳定和显著运动全过程中，支撑压力显现在应力场中的变化过程，为依据支撑压力分布和转移变化而决策矿压问题提供依据，如高峰压力分布位置、范围、顶板来压远期、中期预报。
光纤光栅离层监测传感器布置在锚杆支护巷道顶板岩层内，用于监测顶板锚固范围内及锚固范围外离层值变化情况及趋势，为锚杆支护巷道顶板的稳定性和上覆岩层的组合运动状况的监测提供依据。
光纤光栅风速传感器布置在巷道内，用于监测煤矿巷道内的通风量和通风速度，适用于煤矿井下具有瓦斯***危险的各矿井通风回风巷、风口等处，可连续监测上述地点的风速、风量大小，能够对所处巷道的风速风量进行实时监测，为高瓦斯矿井内瓦斯的抽放以及巷道内的污浊气体的通风提供依据。
光纤光栅锚索应力传感器和光纤光栅锚杆应力传感器布置在巷道岩层内，用于监测锚杆锚索支护巷道内监测锚杆和锚索工作时轴向力的大小及分布状况，为巷道顶板的稳定性监测提供可靠的理论依据，保障巷道围岩的稳定，防止出现围岩大面积垮落等事故。
光纤光栅水压传感器布置在巷道内，用于实时监测巷道内的涌水量，为高突水巷道矿井提供依据，防止煤矿突水事故的发生，对煤矿水害的预测和防治研究产生重要意义。
图4为解调分析处理软件进行数据处理的过程示意图，解调分析处理软件的处理过程可按下列步骤进行：
步骤一：对煤矿井下所用的光纤光栅传感器进行编号、分类和分组；
步骤二：根据煤矿条件设置光纤光栅传感器预警报警参数和预警报警阈值；
步骤三：通过光纤光栅静态解调仪对光纤光栅传感器实时监测的煤矿安全数据进行解调，经过解调分析处理软件得到接收到的实时数据与预警报警阈值进行比较，比较的结果大于阈值范围，则解调分析处理软件发出事件预警及报警信息，同时将实时数据定时存入监测参数数据库；
步骤四：对监测参数数据库中的数据进行趋势分析、多参数关联分析和对比分析；
步骤五：结合煤矿巷道和工作面的相关参数与分析后的情况，软件将作以下功能处理，一是输出煤矿井下危险性的综合预测情况，二是实时显示煤矿井下安全参数的监测曲线，三是通过煤矿局域网进行数据信息共享，四是生成综合报表，五是进行历史查询。
通过采用上述的方案，进行多测站，多参数监测，集成光纤光栅传感器，以光纤为传输载体，抗电磁干扰能力强，受使用环境影响小，运行稳定，实现实时连续长期在线监测，并且具有预警及报警功能，能及时提供煤矿井下综合监测及危险性预测结果，并实现了全矿区的数据共享，使煤矿领导第一时间了解煤矿井下的运行状态，近而采取安全措施，更好的指导煤矿的安全生产，从而实现煤矿安全高效生产。

Claims (4)

1.基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***，其特征在于：包括井上部分和井下部分；所述的井上部分包括光纤光栅静态解调仪、计算机数据处理***、打印机、服务器和客户端，客户端通过煤矿局域网与服务器互联，光纤光栅静态解调仪通过矿用传输光缆连接井下部分；所述的井下部分包括光开关阵列、工作面安全监测子***和巷道安全监测子***；通过通讯光纤将光开关阵列的一个通道与工作面安全监测子***连接，所述的工作面安全监测子***至少包括一个工作面监测基站，其中每个工作面监测基站至少包括一个测站，每个测站对应一组光纤光栅传感器，所述的一组光纤光栅传感器包括光纤光栅支架压力传感器、光纤光栅瓦斯传感器、光纤光栅温度传感器；通过通讯光纤将光开关阵列的另一个通道与巷道安全监测子***连接，所述的巷道安全监测子***至少包括一个巷道监测基站，其中每个巷道监测基站至少包括一个测站，每个测站对应一组光纤光栅传感器，所述的一组光纤光栅传感器包括光纤光栅钻孔应力传感器、光纤光栅离层监测传感器、光纤光栅风速传感器、光纤光栅锚索应力传感器、光纤光栅水压传感器、光纤光栅锚杆应力传感器；在煤矿井下进行布点，安设工作面安全监测子***和巷道安全监测子***内的光纤光栅传感器，进行煤矿安全参数的监测。
2.根据权利要求书1所述的基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***，其特征在于：所述的光纤光栅静态解调仪的输出端口通过网络接口或RS232接口或USB接口与计算机数据处理***连接。
3.根据权利要求书1所述的基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***，其特征在于：所述的计算机数据处理***内嵌解调分析处理软件，并具有如下模块：
（a）输入模块，包括矿井参数输入、预警报警阈值输入和自动采集功能；
（b）管理模块，包括历史查询、数据共享、自动存储功能；
（c）分析模块，包括趋势分析、多参数关联分析、对比分析功能；
（d）输出模块，包括超限报警、危险预测、综合报表和实时曲线功能。
4.根据权利要求书1所述的基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测***，其特征在于：所述的解调分析处理软件的处理步骤是：
步骤一：对光纤光栅传感器进行编号、分类和分组；
步骤二：根据煤矿条件设置光纤光栅传感器预警报警参数和预警报警阈值；
步骤三：通过光纤光栅静态解调仪对光纤光栅传感器实时监测的煤矿安全数据进行解调，经过解调分析处理软件得到接收到的实时数据与预警报警阈值进行比较，比较的结果大于阈值范围，则解调分析处理软件发出事件预警及报警信息，同时将实时数据定时存入监测参数数据库；
步骤四：对监测参数数据库中的数据进行趋势分析、多参数关联分析和对比分析；
步骤五：结合煤矿巷道和工作面的相关参数与分析后的情况，软件将作以下功能处理，一是输出煤矿井下危险性的综合预测情况，二是实时显示煤矿井下安全参数的监测曲线，三是通过煤矿局域网进行数据信息共享，四是生成综合报表，五是进行历史查询；通过采取安全措施，近而实现煤矿安全高效生产。
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