CN101265812A - 矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统，包括光纤、光解调器、扬声器，光纤的一端与设置在控制室内的光解调器连接，光解调器与扬声器连接；光纤的另一端设置在巷道内，且光纤上连接有若干光纤振动呼救感应器。本发明主要应用于当井下发生重大灾害事故后，现场人员与井上地面指挥中心的通讯。本发明具有以下优点：(1)以预防为主，在事故发生前进行预测，事故发生时可报警；(2)一旦事故发生，受害人员，能够借助各种振动源(如呼救声源、敲击振动等)保证与井上人员通讯联络畅通，同时实现井下人员定位；(3)整个系统全部由光路实现，井下没有电路部分，使系统成为无电源系统，本质安全系统。

Description

矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统

技术领域

本发明涉及一种呼救系统，尤其是一种矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统。

背景技术

煤矿发生灾害的原因很多，其中很多灾害发生的前兆都与微震动有关，如：围岩内瓦斯涌出的应力震动，水灾害涌出前的挤压力，冲击地压造成煤矿塌方的震动。另外，灾害发生时的爆炸、塌方等各种力学作用都引起振动。震动或振动监测是煤矿安全监测系统中的一个重要环节。由于煤矿的主要灾害如瓦斯爆炸、水患、矿震等都与煤岩体的破裂有关，而破裂则必然会产生振动(煤岩体在受到各种力的作用的情况下，就有可能形成在某些区域的应力集中，当这种应力达到可以破裂的临界值的时候，就会导致煤岩体产生破裂。在大破裂之前会产生一系列的小破裂，破裂会产生震动，震动则产生弹性波，因此，如何及时的监测到这些小破裂，小震动，弹性波，并且研究其发展规律，成为当前研究煤矿安全问题的重要途径)，因此，监测并研究煤矿的种种振动事件是预防煤矿事故的重要途径。通过煤矿振动监测，还可以实现：(1)快速确定事故发生的位置，及时抢险救灾，防止事故进一步恶化，并且通过分析原因，区别是天然地震灾害(即由于自然界力的作用所产生的震动)还是煤矿开采过程中所造成的冲击地压(即由于人为开采活动而引起的震动，又称为矿山地震)；(2)参照分析结果及时调整生产部署，研究预测振动信息，防治灾害方法。

当矿山井下发生瓦斯爆炸、出水、塌方、火灾等重大灾害事故时，井下现场往往停电、停风，监控系统、应急传呼系统受到破坏和不能使用，井下人员与井上地面指挥中心不能通讯，难以实现灾后井下人员救助。

目前已有的煤矿安全监测系统主要是电子监测系统，虽然这种监测系统已经发展比较成熟，但其有显著的缺点，即电子系统的使用有效期较短，抗潮湿、抗腐蚀能力较差，维护费用比较高，并且井下大量的用电系统也会威胁到煤矿的安全生产，此外，井下灾害往往断电，以致现有电监测呼救系统不能使用。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种抗电磁干扰、抗腐蚀、防火防爆、体积小并可实现分布式多点监测等优点的矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统，包括光纤、光解调器、扬声器，光纤的一端与设置在控制室内的光解调器连接，光解调器与扬声器连接；光纤的另一端设置在井下巷道内，光纤在井下呈网络分布，光纤上连接有若干呈网络分布的光纤振动呼救感应器，光纤振动呼救感应器分布在矿井下重点安全防范区域，形成准分布式光纤传感系统，若通常所采用的光源的能级可变化范围为50dB，光缆的传输损耗经测试为0.25dB/km，再考虑到耦合器，光连接器件等的损耗，实际能测量的距离能达到10km以上，能够满足远距离传输的需要。

所述的光纤上并联或串联有若干组成准分布式光纤传感系统的光纤振动呼救感应器。

所述的光纤振动呼救感应器为光纤麦克风，光纤麦克风包括强度型光纤麦克风和光纤光栅型麦克风。

所述的强度型光纤麦克风由光源、光纤传感探头和光接收器依次连接组成。

所述的光源为发光二极管LED，光纤传感探头为带金属涂层的振动膜，光接收器为PIN光电二极管。

所述的振动膜的金属涂层为金涂层或银涂层。

所述的光纤光栅型麦克风包括壳体和膜片，膜片设于壳体内，光纤光栅粘贴于膜片上，膜片和光纤光栅的两端通过固定件分别连接光纤。

本发明主要应用于当井下发生重大灾害事故前的实时监测和灾害后的救助时，在灾害发生前，很多都产生震动(振动)信号，这些信号能被高灵敏度的光纤振动感应呼救器接收到，经过数据分析，可实现灾害前的预测、预警，在发生事故时，井下需要救助人员与井上地面指挥中心的通讯。当发生重大瓦斯爆炸，重大出水事故、重大塌方事故时，现场往往停电、停风，现有的应急呼救系统遭到不同程度的破坏，以至于无法实现应急呼救，井下人员可对光纤振动呼救感应器喊话或敲击该呼救器，或敲击身边附近的金属部件(如排水管道、机械设备、)产生声源或其他振动源，被敏感的光纤振动呼救感应器接受到，通过组合网络，传输到井上，经过扬声器放大后被井上人员听到，该原理实际上是将如声音、震动波等振动源调制到光信号，传输到地面后光电转换，再解调成声音放大信号。井下空间布置的多个光纤呼救感应器，通过光纤光路时分复用和空分复用，可实现井下大面积的测点呼救，同时监测呼救点，实现井下呼救定位，该系统利用光纤振动光学传感，灵敏度高，抗干扰能强，不用电源，不怕水等特点。本发明由光纤振动系统构成的应急呼救系统有抗破坏能强、井下不用电源、不怕水、容易人员定位、网络分布监测点多等很多优点，容易解决发生事故时出现的难题。

本发明具有以下优点：(1)以预防为主，在事故发生前进行预测，事故发生时可报警；(2)一旦事故发生，受害人员，能够借助各种振动源(如呼救声源、敲击振动等)保证通讯联络畅通，同时实现井下人员定位；(3)整个系统全部由光路实现，井下没有电路部分，使系统成为无电源系统，本质安全系统。

附图说明

图1是本发明井下布置示意图；

图2是本发明的光网络图；

图3是光纤光栅麦克风原理图；

图4和图5是巷道敲击振动传输到井上的电信号波形图；

其中1.光纤，2.巷道，3.光纤振动呼救感应器，4.光纤光栅，5.膜片，6.固定件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1、图2所示，光纤1的一端与设置在控制室内的光解调器连接，光解调器与扬声器连接；光纤1的另一端设置在井下巷道2内，光纤1在井下呈网络分布，光纤1上并联或串联有若干组成准分布式光纤传感系统的呈网络分布的光纤振动呼救感应器3。光纤振动呼救感应器3分布在矿井下重点安全防范区域，形成准分布式光纤传感系统，若通常所采用的光源的能级可变化范围为50dB，光缆的传输损耗经测试为0.25dB/km，再考虑到耦合器，光连接器件等的损耗，实际能测量的距离能达到10km以上，能够满足远距离传输的需要。

针对研制的光纤振动呼救感应器，进行现场测试，实验中人为的在巷道壁上施加微弱敲击振动信号，在控制室中可清晰地观察到感应到的振动波形，如图4、图5所示可以看出清楚地看到振动传递到井上的信号。

本发明中的光纤振动呼救感应器3为光纤麦克风或其它光纤振动感应器，光纤麦克风包括强度型光纤麦克风和光纤光栅型麦克风。其他光纤振动传感器可以是在固定弹性片上设置光纤光栅，或者直接把能感知振动的封装的光纤光栅直接固定于矿井的墙壁上。

井上井下光纤振动呼救通话系统能够使井上及时地了解井下的工作情况，很多时候语言叙述远比图形和数据显示更加及时详细。该系统的关键部件光纤麦克风是一种新颖的声音传感器，把光纤应用于麦克风，充分利用了光纤传感器的优良特性，与普通的麦克风相比其优势在于：体积小、结构简单、信息量大、易于网络化、测点多、灵敏度高、抗电磁干扰、光纤本身低损耗、耐腐蚀、安全可靠等。目前的光纤麦克风主要有两种。一种是强度型光纤麦克风，即采用的是反射式光强度调制方式，基本结构是由光源(发光二极管LED)、光纤传感探头(有金属涂层的振动膜)和光接收器(PIN光电二极管)依次连接组成。其工作原理是发光二极管发出的光通过Y型耦合器双臂中的一臂入射到振动膜上，测量光纤是利用Y型耦合器的单臂，当声音信号使振动膜振动时，测量光纤端面和振动膜之间的距离会产生变化，光的强度因此产生了同声音一致的变化，入射光被振动膜振动调制反射后部分被重新耦合到测量光纤中，这个光功率也发生了变化，反射光经过Y型耦合器双臂中的另一臂输入到光电二极管中，将光强的变化量转换为电信号的变化，将电信号进行放大滤波处理后通过扬声器还原成声讯号。这种系统中传感探头的设计是关键，采用的振动膜要求厚度很薄，质量轻，低频响应能力较好，同时为了使振动膜具有很高的反射率，在选用振动膜外镀金属材料的时候，最好采用材料金或者银。由于多模光纤与光源的耦合率较高，因此在光路设计时选用标准的62.5/125μm多模石英光纤作为光路的传输介质。选用Y型熔融拉锥式的1×2多模光纤耦合器。影响检测灵敏度的因素主要有：传感探头振动膜的振动特性，测量光纤端面与反射膜之间的距离设计，垂直保证及散射损耗，另外还要考虑到光源的稳定性对光强度产生的影响等。

另外一种是光纤光栅型麦克风，如图3所示，光纤光栅型麦克风包括壳体和膜片5，膜片5设于壳体内，光纤光栅4粘贴于膜片5上，膜片5和光纤光栅4的两端通过固定件6分别连接光纤1。

它的工作原理是声音通过振动作用于光纤光栅，导致光纤光栅的栅格间距发生变化，即光栅的中心波长会发生变化，波长的变化幅度随着声场的强度而变化，因此声音调制的是光的波长。光纤光栅型麦克风主要部件就是敏感感应膜片，将光纤光栅粘贴于膜片上，各种震源的变化引起膜片的振动，相应地引起光纤光栅的振动，使用中可以采用Bragg裸光栅，将其粘贴在塑料硬壳上制成简易的光纤光栅麦克风。光栅型光纤麦克风可以组成网络，更适合于应急呼救系统。它是在光纤中“写入”按照设计要求的折射率变化区，形成窄带的反射滤波器。当光栅周期为Λ时，得到的反射光波长为λB(布拉格波长)：λB＝2neffΛ，其中neff为该波长的有效折射率。反射波长的变化为：ΔλB＝2neffΔΛ+2ΛΔneff。声音很容易通过振动作用于光纤栅，导致光栅常数变化。通过该光栅的透射光中心波长会发生变化，波长的变化幅度随声场的强度而变，因此声音调制的是光波长，再通过光电转换将声音还原，不同的光栅调制可以得到不同的声场变化信号，因此，可以在一根光纤上实现多个麦克串接，从而组成网络应用。多个光纤振动呼救感应传感器按照一定的拓扑结构(包括线性阵列、星形、梯形、环形)离散地组合在一起的光纤多路复用系统，通过寻址、解调来检测出被测量的大小和分布。

对准光纤光栅振动呼救器讲话，上传到井上，经光电解调后得出的电压信号再通过扬声器即可解调出声音。在实验中心所建立的煤矿巷道中安装此光纤光栅麦克风进行实验，系统的其它装置都放置在控制室中，一人在巷道中对准光纤麦克风喊话，在控制室中即可听到其声音。

很多灾害发生前后，常出现煤岩体受到各种力的作用，就有可能形成在某些区域的应力集中，当这种应力达到可以破裂的临界值的时候，就会导致煤岩体产生破裂。在大破裂之前会产生一系列的小破裂，破裂会产生震动，震动则产生弹性波，因此，如何及时的监测到这些小破裂，小震动，弹性波，并且研究其发展规律，成为当前研究煤矿安全问题的重要途径。

煤矿振动监测的主要目的是：(1)快速确定事故发生的位置，及时抢险救灾，防止事故进一步恶化，并且通过分析原因，区别是天然地震灾害(即由于自然界力的作用所产生的震动)还是煤矿开采过程中所造成的冲击地压(即由于人为开采活动而引起的震动，又称为矿山地震)；(2)参照分析结果及时调整生产部署，研究预测振动信息，防治灾害方法。

因此，振动监测是煤矿安全监测系统中的一个重要环节。由于煤矿的主要灾害如瓦斯爆炸、水患、矿震等，都与煤岩体的破裂有关，而破裂则必然会产生振动，因此，监测并研究煤矿的种种振动事件是预防煤矿事故的重要途径。

针对煤矿振动监测以及本发明的需要，建立了一个煤矿巷道模型，在巷道内安装多个研制的光纤振动呼救感应器，同时，将光纤光栅直接粘贴在矿用锚杆上形成振动监测传感器，然后通过连接光纤与井上控制室光连接器、光解调器连接，进行振动传感实验后，取得了良好的效果。经过一周的不间断实验监测，能够满足实际应用的要求。

Claims (7)

1.一种矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统，包括光纤、光解调器、扬声器，其特征在于：光纤的一端与设置在控制室内的光解调器连接，光解调器与扬声器连接；光纤的另一端设置在井下巷道内，光纤在井下呈网络分布，光纤上连接有若干呈网络分布的光纤振动呼救感应器。

2.根据权利要求1所述的矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统，其特征在于：所述的光纤上并联或串联有若干组成准分布式光纤传感系统的光纤振动呼救感应器。

3.根据权利要求1所述的矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统，其特征在于：所述的光纤振动呼救感应器为光纤麦克风，光纤麦克风包括强度型光纤麦克风和光纤光栅型麦克风。

4.根据权利要求3所述的矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统，其特征在于：所述的强度型光纤麦克风由光源、光纤传感探头和光接收器依次连接组成。

5.根据权利要求4所述的矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统，其特征在于：所述的光源为发光二极管LED，光纤传感探头为带金属涂层的振动膜，光接收器为PIN光电二极管。

6.根据权利要求5所述的矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统，其特征在于：所述的振动膜的金属涂层为金涂层或银涂层。

7.根据权利要求3所述的矿山井下灾害无电光纤振动呼救系统，其特征在于：所述的光纤光栅型麦克风包括壳体和膜片，膜片设于壳体内，光纤光栅粘贴于膜片上，膜片和光纤光栅的两端通过固定件分别连接光纤。

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