CN104343466B - 一种全光纤煤矿安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤煤矿安全监测系统，包括宽带光源、光纤环形器、多路光开关阵列、光纤传感模块和信号采集与处理模块；光纤传感模块包括光栅自然发火监测传感器、光栅钢筋地梁传感器、光栅矿震传感器。本发明采用一个宽带光源即可实现对煤矿井下温度、应变、矿震等综合信息的实时监测，采用全光纤多传感器融合的方式对综合评价煤矿井下健康状况提供了丰富的数据库信息，适用于恶劣环境的监测要求。

Description

一种全光纤煤矿安全监测系统

技术领域

本发明是一种全光纤煤矿井下安全监测系统，用于实时监测井下温度、应变和矿震信息。

背景技术

矿井安全监测对煤矿安全生产有着重要的影响。随着开采深度和开采强度的不断加大，生产矿井通风系统日趋复杂，受采空区和周边原有小煤窑的影响，矿井漏风量大，存在严重的安全隐患。对采空区进行全面的安全监测，具有重要意义。

神华集团有限责任公司提出了一种煤矿采空区温度监测系统(申请号：201320477685.X)。通过导向安装装置使液压支架的回采移动与采空区传感光纤的铺设同步进行，利用光纤温度传感技术实时监测采空区温度，实现了对采空区的温度的远程实时监测。但未对温度升高速率和自然发火的趋势进行监测评估。辽宁工程技术大学提出一种煤矿微震实时监测系统及监测方法(公开号：CN102635405A)实现对煤矿微震的信号的智能识别和提取，具有灵活、可靠，监测效果好，投资小的特点。但传感器本质不防爆，存在一定安全隐患。上述专利仅能够实现井下单一物理量的测量，不能够满足煤矿健康状况对温度、应变和矿震等物理量的全面监测要求。

基于此，本发明提出全光纤煤矿安全监测系统具有光纤传感的优势，采用一个宽带光源即可实现对煤矿井下温度、应变、矿震等综合信息的实时监测，采用全光纤多传感器融合的方式对综合评价煤矿井下健康状况提供了丰富的数据库信息，适用于恶劣环境的监测要求。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有煤矿井下监测自动化程度低，检测设备及本质不防爆的缺点，采用全光纤传感技术，实现对煤矿井下状况的全方位实时安全监测。

本发明技术解决方案：本发明提出的系统组成如图1所示，一种全光纤煤矿安全监测系统，包括宽带光源1、光纤环形器2、多路光开关阵列3、光纤传感模块4和信号采集与处理模块5；光纤传感模块4包括光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43；光栅自然发火监测传感器41实时监测采空区煤层温度变化速率，及时预报煤矿自然发火；光栅钢筋地梁传感器42通过检测采空区的应变来监测煤矿区的地层健康状况；光栅矿震传感器43通过检测采空区的地层微振动实现煤矿区地层振动的监测；解调时，宽带光源1发出的光经过环形器2进入多路光开关阵列3，由多路光开关阵列3分配到不同的光纤，其中每根光纤上能够同时连接多个不同波长的温度、应变、振动的光栅传感器，即光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43，从光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42和光栅矿震传感器43反射的信号经光纤环形器2再返回到信号采集与处理模块5，通过信号采集与处理模块5把波长信息转换成温度、应变和振动信息，通过以太网6传输到监测主机7；当传输到的信号值超过安全预警值时，系统会发出报警，工作人员迅速的对该报警做出相应的处理。

所述光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43还能够定位井下异常温度和应变区间；定位精度达1米并且根据实际要求可调。

所述光栅自然发火监测传感器41是由光纤光栅9通过光缆串并联而成的监测阵列。

所述光纤光栅9均匀的分布在光纤上，采用S形结构对采空区进行光纤敷设。

所述光栅钢筋地梁传感器42采用光纤光栅9串联准分布结构对采空区墙体应变进行检测，将光纤光栅9粘贴在钢筋8上，钢筋8固定在采空区的墙体上，与墙体紧密贴合，可准确将井下结构体的应变情况传递给光栅，实现煤矿井下采空区安全状况的实时监测。

所述光栅矿震传感器43利光纤光栅9对微小振动非常敏感的特性，组成传感阵列，对井下煤层结构的稳定性进行实时预警。

本发明具有突出的优点如下：

(1)采用不同的光缆构成准分布式光纤传感器对煤矿区温度、应变和矿震进行多参量实时监测，同时可以确定监测点的位置。敷设方式灵活多变，本质安全防爆，符合现有行业规范。

(2)光纤多参数传感平台，可以在不增加井下的光纤或探头的情况下，方便地增加综合参数的测量功能。采用优化的复用技术实现经济有效的多点传感器网络布局，而且由于采用光纤作为传输工具，所有井下传感部分不需要电源供应，减少了因传感器部分带来的潜在危险因素。

(3)采用光缆中的一根光纤即可实现对温度、应变的连续测量，并且定位井下异常温度和应变区间。定位精度可达1米并且根据实际要求可调。

(4)光纤光栅均匀的分布在光纤上，采用S形结构对采空区进行光纤敷设，与直线型结构敷设方式相比，测量范围更广，精度和准确度更高，实时监测采空区煤层温度变化速率，实现了对自然发火趋势的更准确预报。

(5)基于光纤温度检测的传感器可实时监测井下采空区煤层温升速率，实现对自然发火趋势的预报。和束管技术相比，大大缩短了检测时间，降低了由于煤层温度变化带来的安全隐患。

(6)基于光纤的应变检测传感器可实现井下地质结构健康状况的常期监测。

(7)基于光纤的矿震传感器可实时监测煤矿区域的微小振动，对井下煤层结构的稳定性进行实时预警。

(8)光栅自然发火监测传感器、光栅钢筋地梁传感器和光栅矿震传感共用一台宽带光源，为自然发火监测、光栅钢筋地梁传感和光栅矿震传感提供合适的光谱，节约成本。

附图说明

图1是本发明系统组成框图；

图2是本发明中光纤测温传感器结构图；

图3是本发明中自然发火趋势示意图；

图4是本发明中光栅钢筋地梁传感结构图；

图5是本发明中光栅矿震传感器；

图6是本发明中光栅矿震传感器中悬臂梁结构图；

图7是本发明中煤矿井下系统采集到的振动信号采集到的井下振动信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统位于井下，包括宽带光源1、光纤环形器2、多路光开关阵列3、光纤传感模块4和信号采集与处理模块5；光纤传感模块4包括光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43；光栅自然发火监测传感器41实时监测采空区煤层温度变化速率，及时预报煤矿自然发火；光栅钢筋地梁传感器42通过检测采空区的应变来监测煤矿区的地层健康状况；光栅矿震传感器43通过检测采空区的地层微振动实现煤矿区地层振动的监测；解调时，宽带光源1发出的光经过光纤环形器2进入多路光开关阵列3，由多路光开关阵列3分配到不同的光纤，其中每根光纤上能够同时连接多个不同波长的温度、应变、振动的光栅传感器，即光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43，从光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42和光栅矿震传感器43反射的信号经光纤环形器2再返回到信号采集与处理模块5，通过采集与处理模块5中的全光纤煤矿安全智能检测应用程序，对所有传感器赋予相应的标定系数，然后把波长信息转换成温度、应变和振动信息，通过以太网6传输到井上的监测主机7；当传输到的信号值超过安全预警值时，系统会发出报警，工作人员迅速的对该报警做出相应的处理。

如图2所示，本发明的光栅自然发火监测传感器41的工作过程为：宽带光源1发出的光经过光纤环形器2进入多路光开关阵列3，由多路光开关阵列3分配至不同的光纤上，每根光纤上的感温光栅即光栅自然发火监测传感器41，光栅自然发火监测传感器41通过光缆串并联而成的监测阵列，可以均匀或非均匀分布，以满足不同的测量要求。光栅自然发火监测传感器41反射回的光再通过光纤环形器2进入第一探测器10和信号采集与处理模块5。当光栅自然发火监测传感器41布设区域温度发生变化时，光栅自然发火监测传感器41的反射波长发生漂移，通过检测波长的漂移可以解调出温度的变化信息。光栅自然发火监测传感器41可以以"S"形相连布置于采空区中。此种布设方式可以较为全面的反映出采空区内部温度的变化情况，有助于分析采空区煤层自然发火导致的不同区域温度变化情况。如果采空区敷设光缆处附近煤层有自燃的趋势，该处的温度会升高，测量得到的在该点处的温度会有相应的改变。发火的速率可以根据测量得到的温度信息计算得到。依据这些信息，可以建立采空区自然发火趋势图，如图3所示，当采空区内部升温速率几乎为0时，无自然发火趋势，当升温速率升高并且越来越大时，提示采空区内有自然发火趋势。通过光纤介质监测这一温度变化，为判定采空区自然发火提供良好的理论及实验依据。

矿压观测是煤矿开采中一项非常重要的工作。通过它能及时发现工作面支护工作中存在的问题并进行处理，同时也能得出工作面矿压活动的规律，为以后的控顶设计及支护质量管理提供经验依据。本发明提出采用光栅钢筋地梁传感监测矿井内部压力。

如图4所示，光栅钢筋地梁传感器42是在钢筋8两侧对称位置贴四根应变测量光栅11，在接近钢筋8固端处贴一根温度补偿光栅12对四个应变光栅11进行温度补偿。贴四个应变光栅11的目的是防止在钢筋8受力的过程中，由于钢筋8不是很直，会产生弯曲，造成各个部分受力不均匀，产生应变也会不一致。采取四个应变光栅11两两对称粘贴的方式，计算时求平均值，这样可以最大限度减少误差。

如图5所示，光栅矿震传感器43由传感阵列构成，包括传感光栅16、参考光栅15和第二探测器13、第三探测器14、耦合器17，其工作过程为：从宽带光源1发出的光通过光纤环形器2进入多路光开关阵列3分配后进入参考光栅15，从参考光栅反射回来的光再通过光纤环形器2进入耦合器17，耦合器具有分光的作用，一部分光进入传感光栅16，一部分光被第二探测器13接收作为参考。传感光栅16反射回的光再通过耦合器17耦合进入第三探测器14，两个探测器检测到的信号传输至信号采集与处理模块5。

选择与传感光栅16相匹配的参考光栅15，两个光栅的中心反射波长与反射率的3dB带宽相同。如图6所示将传感光栅16粘贴在悬臂梁18中心线上，当没有振动时，第三探测器14的接收到的光强不变，当有振动时，通过悬臂梁18将振动转化成光栅的拉伸或收缩，从而使得传感光栅16中心反射波长发生变化，此时传感光栅16与参考光栅15的中心反射波长不一致，第二探测器13的接收到的光强发生变化，通过采集第二探测器13和第三探测器14的输出和信号处理得到振动的波形，如图7所示。

Claims (4)

1.一种全光纤煤矿安全监测系统，其特征在于采用不同的光缆构成准分布式光纤传感器对煤矿区温度、应变和矿震进行多参量实时监测，同时能够确定监测点的位置，包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、多路光开关阵列(3)、光纤传感模块(4)和信号采集与处理模块(5)；光纤传感模块包括光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)、光栅矿震传感器(43)；光栅自然发火监测传感器(41)实时监测采空区煤层温度变化速率，及时预报煤矿自然发火；光栅钢筋地梁传感器(42)通过检测采空区的应变来监测煤矿区的地层健康状况；光栅矿震传感器(43)通过检测采空区的地层微振动实现煤矿区地层振动的监测；解调时，宽带光源(1)发出的光经过光纤环形器(2)进入多路光开关阵列(3)，由多路光开关阵列(3)分配到不同的光纤，其中每根光纤上能够同时连接多个不同波长的温度、应变、振动的光栅传感器，即光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)、光栅矿震传感器(43)，从光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)和光栅矿震传感器(43)反射的信号经光纤环形器(2)再返回到信号采集与处理模块(5)，通过信号采集与处理模块(5)把波长信息转换成温度、应变和振动信息，通过以太网(6)传输到监测主机(7)；当传输到的信号值超过安全预警值时，系统会发出报警，工作人员迅速的对该报警做出相应的处理；

光栅自然发火监测传感器(41)通过光缆串并联而成的监测阵列，均匀或非均匀分布，以满足不同的测量要求；当光栅自然发火监测传感器(41)布设区域温度发生变化时，光栅自然发火监测传感器(41)的反射波长发生漂移，通过检测波长的漂移解调出温度的变化信息；光栅自然发火监测传感器(41)以"S"形相连布置于采空区中，此种布设方式较为全面的反映出采空区内部温度的变化情况，有助于分析采空区煤层自然发火导致的不同区域温度变化情况；如果采空区敷设光缆处附近煤层有自燃的趋势，该光缆处的温度会升高，测量得到的在该光缆处的温度会有相应的改变；发火的速率根据测量得到的温度信息计算得到，依据测量得到的温度信息，建立采空区自然发火趋势图，当采空区内部升温速率几乎为0时，无自然发火趋势，当升温速率升高并且越来越大时，提示采空区内有自然发火趋势，通过光纤介质监测这一温度变化，为判定采空区自然发火提供良好的理论及实验依据。

2.根据权利要求1所述的全光纤煤矿安全监测系统，其特征在于：所述光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)、光栅矿震传感器(43)还能够定位井下异常温度和应变区间；定位精度达1米。

3.根据权利要求1所述的全光纤煤矿安全监测系统，其特征在于：光栅钢筋地梁传感器(42)采用光纤光栅(9)串联准分布结构对采空区墙体应变进行检测，将光纤光栅(9)粘贴在钢筋(8)上，钢筋(8)固定在采空区的墙体上，与墙体紧密贴合，能够准确将井下结构体的应变情况传递给光纤光栅(9)，实现煤矿井下采空区安全状况的实时监测。

4.根据权利要求1所述的全光纤煤矿安全监测系统，其特征在于：光栅矿震传感器(42)利用光纤光栅(9)对微小振动非常敏感的特性，组成传感阵列，对井下煤层结构的稳定性进行实时预警。