CN111811438A

CN111811438A - 一种综采工作面水平控制系统及方法

Info

Publication number: CN111811438A
Application number: CN202010674474.XA
Authority: CN
Inventors: 田莹; 张强
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2020-10-23

Abstract

本发明提供一种综采工作面水平控制系统及方法，涉及煤矿生产安全技术领域。本系统包括柔性基材、光纤光栅串、法兰盘、光纤跳线、光纤光栅解调仪、光纤光栅三位曲率传感器、网线、计算机；针对综采工作面在作业生产过程中，采用双频激光干涉仪，超声波定位等可实现对综采三机运动部件线位移和角位移的高精度检测，但仪器价格昂贵,测量成本较高,且是单参数测量,难以满足所有生产情况的需要。本发明提供一种能够能够进行二维直线度测量的检测系统，系统不仅稳定性好、精度高,而且也适合长距离的同时也是二维直线度误差的测量，灵敏度高，内部结构简单，尺寸较小，适用性好。

Description

一种综采工作面水平控制系统及方法

技术领域

本发明涉及煤矿生产安全技术领域，尤其涉及一种综采工作面水平控制系统及方法。

背景技术

煤矿井下“三机”的协调运行是影响煤炭安全生产的关键技术。刮板输送机作为采煤机的运行轨道，与此同时承担着装煤、运煤的工作，其在液压支架的推动下进行移动。采煤机横跨在刮板输送机中部槽上，沿着轨道往复进行割煤，切割下的煤炭落入刮板输送机中部槽中，然后被刮板输送机运送到固定的位置。在采煤机完成单次割煤后，为了确保足够安全的工作空间，液压支架将对采空区处的顶板进行支护，并通过推移液压缸完成刮板输送机的移动。为确保煤矿井下安全高效的生产，必须提高采矿“三机”自动化协调运行的效率，而刮板输送机的二维直线度检测是实现井下“三机”自动化的重要技术。因此，有必要设计一种综采工作面水平控制方法，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种综采工作面水平控制系统及方法，能够进行二维直线度测量的检测系统，系统不仅稳定性好、精度高,而且也适合长距离的同时也是二维直线度误差的测量，灵敏度高，内部结构简单，尺寸较小，适用性好。

本发明所采取的技术方案是：

一方面，一种综采工作面水平控制系统，包括柔性基材、光纤光栅串、法兰盘、光纤跳线、光纤光栅解调仪、光纤光栅三位曲率传感器、网线、计算机；

所述光纤光栅三位曲率传感器固定封装于柔性基材表面，在柔性基材两端分别留有一个FC/APC接头，两个FC/APC接头通过法兰盘与所述光纤跳线连接，光纤跳线另一端与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪通过网线与计算机连接。

所述柔性基材内置两条光纤光栅串。

另一方面，一种综采工作面水平控制方法，基于前述综采工作面水平控制系统实现，包括以下步骤：

步骤1：将柔性基材固定在刮板运输机远离煤壁的一侧，并沿着综采工作面刮板输送机机身敷设，利用刮板输送机挡煤板外侧敷设光纤光栅串的形变来判断刮板输送机的直线度；

步骤2：根据实际的光纤光栅的形变偏移情况计算直线度问题，若只存在水平面内变化，只确定水平面内直线度；若只存在竖直面内变化，只确定竖直方向的直线度；若水平、竖直两个方向均出现形变，则将该形变分解为水平与竖直两个方向，将水平直线度与竖直直线度合成为刮板输送机直线度；

步骤3：将光纤光栅三位曲率传感器封装于柔性基材表面粘贴在柔性基材表面刻槽中，并用硅胶填充加以封装保护，通过离散的空间点曲率来拟合重建刮板输送机实际三维弯曲形状。

步骤4：监测光纤光栅串光栅栅区弯曲点处两个正交方向上的曲率矢量的大小值，进行曲率合成；

步骤5：通过对光纤光栅串光栅栅区各个弯曲点的的曲率进行合成，整合起来进行整个刮板输送机的二维直线度检测计算；

所述刮板输送机的二维直线度检测计算，基于离散点曲率信息来进行刮板输送机三维形状拟合重建，进而得到整个刮板运输机的二维直线度；

步骤6：若二维直线度误差超过了设定的上限预警值，计算机弹出警示界面，提醒观测人员进行工作面安全检查。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提出一种综采工作面水平控制系统及方法，针对综采工作面在作业生产过程中，采用双频激光干涉仪，超声波定位等可实现对综采三机运动部件线位移和角位移的高精度检测，但仪器价格昂贵,测量成本较高,且是单参数测量,难以满足所有生产情况的需要。本发明提供一种能够进行二维直线度测量的检测系统，系统不仅稳定性好、精度高,而且也适合长距离的同时也是二维直线度误差的测量，灵敏度高，内部结构简单，尺寸较小，适用性好。

利用光纤光栅进行直线度安全监测，整个监测过程只需要将系统安装在综采三机相应的位置即可以对工作面进行自动的监测，监测人员只需要在办公室中通过电脑就可以观察综采工作面的变化情况；其次，只需要在开始时人工进行布点操作，之后所有的监测操作只需要一个人通过上位机电脑就可以完成；最后，只需要在开始时人工进行布点操作，之后所有的监测操作只需要一个人通过上位机电脑就可以完成，打破了传统监测方案所不具备的效率性和实时性。测量结果直观地反映了被测机械的形状或位置偏差,易于判断和调试。它可以用于综采三机大型设备的安装和调试，直线度、平面度测量等。系统不仅稳定性好、精度高,而且也适合长距离的同时也是二维直线度误差的测量。

附图说明

图1为本发明实施例综采工作面水平控制系统整体示意图；

图中，1-挡煤板，2-管道，3-柔性基材；4-光纤跳线；5-光纤光栅解调仪；6-计算机；

图2为本发明实施例综采工作面水平控制方法示意图；

图3为本发明实施例柔性基材布置示意图；

图4为本发明实施例刮板运输机与光纤布置结构图；

图5为本发明实施例柔性基材截面示意图；

图6为本发明实施例柔性基材正视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一方面，一种综采工作面水平控制系统，如图1所示，包括柔性基材3、光纤光栅串、法兰盘、光纤跳线4、光纤光栅解调仪5、光纤光栅三位曲率传感器、网线、计算机6；

所述光纤光栅三位曲率传感器固定封装于柔性基材3表面，在柔性基材3两端分别留有一个FC/APC接头，两个FC/APC接头通过法兰盘与所述光纤跳线4连接，光纤跳线4另一端与光纤光栅解调仪5连接，光纤光栅解调仪5通过网线与计算机7连接。

所述柔性基材3内置两条所述光纤光栅串。

本发明实施例采用光纤布拉格光栅(FBG光栅)，采用全息法或相位掩膜法两种方法在光纤纤芯内部进行光路改造，使光纤纤芯内形成具有光纤光栅栅格的栅区。由于光在传输经过栅区时，在光纤纤芯内部光的折射率产生周期性规律变化，造成光在FBG内部栅区传输时，光纤光栅的反射光谱以及透射光谱也都会相应产生规律性变化。以此就可以得到，光纤光栅波长改变量与传感器弯曲处曲率半径的关系。

柔性基材内置二条光纤光栅串，在两侧分别留有一个FC/APC接头，共二个FC/APC接头。首先，分别用2根光纤跳线通过法兰盘接头与传感器FC/APC接头连接；然后，依次将2根光纤跳线按照顺序与光纤光栅解调仪2个通道连接；其次，将光纤光栅解调仪通过网线与测试电脑的连接；最后，将光纤光栅解调仪和测试电脑与电源连接。如图3，图4所示，柔性基材和光纤光栅串固定在刮板运输机远离煤壁的一侧，将光纤沿着综采工作面刮板输送机机身敷设，可利用刮板输送机挡煤板外侧敷设光纤的形变来判断刮板输送机的直线度。在刮板输送机挡煤板1外侧敷设半圆形柔性管道2；接着，在管道内部布设柔性基材3。当产生形变之后，通过跳线将数据传输至解调仪，最后，将光纤的形变反馈到计算机，计算机通过形变计算综采工作面的直线度偏移。光纤光栅的形变可分解为水平与竖直两个方向。根据实际的偏移情况处理直线度问题，若只存在水平面内变化，只需确定水平面内直线度；若只存在竖直面内变化，只需确定竖直方向的直线度；若水平、竖直两个方向均出现形变，应将该形变分解为水平与竖直两个方向，将水平直线度与竖直直线度合成为刮板输送机直线度。

另一方面，一种综采工作面水平控制方法，基于前述综采工作面水平控制系统实现，如图2所示，包括以下步骤：

如图5，图6所示，由于一个光纤光栅点只能反映出一个方向的曲率大小值，因此提出在柔性基材正交方向布置光纤光栅串的方式来进行空间曲率的合成，将多组光纤光栅传感器封装于柔性基材表面，能够用于空间曲率场的准分布式应变测量；光纤光栅三维曲率传感器的光纤光栅串以柔性基材表面刻槽粘贴为主，之后用硅胶填充以保护光纤光栅串，通过离散的空间点曲率来拟合重建刮板输送机实际三维弯曲形状。基材及填充材料的选择要合理，使得光纤光栅串的弯曲方向与传感器柔性基材的弯曲方向一致，内置光纤光栅串能够保持与柔性基材一致的变形。但是曲率作为一个矢量，不仅具有大小还带有方向，矢量方向主要代表了曲线平面弯曲的方向，矢量的大小主要表示曲线平面弯曲段弯曲程度。因此，如果要准确确定三维空间曲线上某一点处的曲率矢量，则需要监测出该检测点处两个正交方向上的曲率矢量的大小值，从而进行曲率合成，最终求得曲率矢量的大小值和方向。但是单独一根光栅只能监测出某一弯曲点处一个方向的曲率大小值。

因此，为了测出某点处的三维空间曲率，至少需要两根光纤光栅来合成。本实施例采用Matlab软件进行线性插值与拟合，完成空间三维曲线的重建。为了进行两个方向曲率的有效合成，本研究主要采用了如下方法：将两根光纤光栅串呈90°正交布置在沿圆截面型基材轴向表面。从而测出了三维空间的曲率值，进而整合数据得到整个刮板运输机的二维直线度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种综采工作面水平控制系统，其特征在于：包括柔性基材、光纤光栅串、法兰盘、光纤跳线、光纤光栅解调仪、光纤光栅三位曲率传感器、网线、计算机；

2.根据权利要求1所述的一种综采工作面水平控制系统，其特征在于，所述柔性基材内置两条光纤光栅串。

3.一种综采工作面水平控制方法，通过权利要求1所述一种综采工作面水平控制系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3：将光纤光栅三位曲率传感器封装于柔性基材表面粘贴在柔性基材表面刻槽中，并用硅胶填充加以封装保护，通过离散的空间点曲率来拟合重建刮板输送机实际三维弯曲形状；

4.根据权利要求3所述的一种综采工作面水平控制方法，其特征在于，步骤5中所述刮板输送机的二维直线度检测计算，基于离散点曲率信息进行刮板输送机三维形状拟合重建，进而得到整个刮板运输机的二维直线度。