大海則煤礦光纖光柵井壁安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

尤　峰　姬虎平　馬懷加

(中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦，陜西 榆林　719000)

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大海則煤礦光纖光柵井壁安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

尤峰姬虎平馬懷加

(中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦，陜西 榆林719000)

介紹了大海則煤礦立井井壁結(jié)構(gòu)光纖光柵安全監(jiān)測系統(tǒng)的組成，論述了監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器的工作原理，探討了該監(jiān)測系統(tǒng)的軟件功能及診斷流程，指出光纖光柵安全監(jiān)測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、復(fù)用性強等優(yōu)點。

煤礦，立井井壁，傳感器，監(jiān)測系統(tǒng)

隨著淺煤層的不斷開發(fā)和礦井產(chǎn)量的不斷提升，煤礦的開采深度不斷增加，井筒深度及斷面隨之增大，這些深大井筒結(jié)構(gòu)的安全成為煤礦安全生產(chǎn)的重點。為掌握井筒在運營期間的安全狀態(tài)及其發(fā)展趨勢，及時采取措施處理，杜絕重大安全事故的發(fā)生。光纖光柵傳感技術(shù)近年來在地質(zhì)、巖土和土木工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]，但在立井井壁的監(jiān)測中應(yīng)用研究還較少。

1　大海則立井井壁結(jié)構(gòu)光纖光柵安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

立井井壁結(jié)構(gòu)安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　立井井壁結(jié)構(gòu)安全在線遠程監(jiān)測系統(tǒng)框架

1)感知層。

感知層主要由以下傳感器組成：光纖光柵鋼筋計、光纖光柵應(yīng)變計、光纖光柵溫度計、光纖光柵滲壓計；傳感元件被埋設(shè)在指定位置，監(jiān)測立井井壁結(jié)構(gòu)中的不同對象，形成相對獨立的監(jiān)測系統(tǒng)。

2)網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層包含數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)層接收由傳輸光纜傳來的感知層數(shù)據(jù)，集中匯總到井上的控制中心，經(jīng)由光纖接線盒和FBG信號解調(diào)儀轉(zhuǎn)換成計算機語言進行分析、處理。將分析、處理后形成海量數(shù)據(jù)庫存放在硬盤矩陣中，留待應(yīng)用層的訪問。

3)應(yīng)用層。

應(yīng)用層由計算機與其內(nèi)部運行的組態(tài)軟件構(gòu)成。用戶通過人、機對話，對網(wǎng)絡(luò)層存儲器上的數(shù)據(jù)進行訪問。讓用戶實時觀察到當前現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，了解井壁所處的應(yīng)力狀態(tài)。

2　監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器的工作原理

立井井壁結(jié)構(gòu)安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，由非電本征防爆抗電磁干擾的光纖光柵傳感器作為現(xiàn)場的測試元件，由解調(diào)模塊中的光源發(fā)出的光束通過光纜注入光柵傳感器，每個光柵傳感器將反射特定的光信號，每個光信號攜帶不同波長的光信號，這些波長與各自傳感器所測應(yīng)力成線性關(guān)系。通過光纖信號解調(diào)模塊進行波長解調(diào)計算出每個傳感器的測量應(yīng)力值，所測應(yīng)力值通過標準的通訊接口實時上傳給監(jiān)控上位機，進行信號顯示、故障診斷、事件記錄、報警控制等。傳感器工作原理如圖2所示。

圖2　FBG傳感器工作原理圖

3　監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能

3.1軟件功能

監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面友好，操作簡單，用戶能方便地實時觀察到立井井壁結(jié)構(gòu)中各種傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1)實時顯示功能。軟件組態(tài)界面示意圖顯示了立井井壁結(jié)構(gòu)中各種傳感器在立井中的截面位置，以及在監(jiān)測截面的具體位置。它可以實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)(刷新時間為1 s)。通過監(jiān)測截面的顏色變化可以顯示該監(jiān)測截面所處狀態(tài)。通過點擊可進入某個具體監(jiān)測截面的人機界面，該界面上顯示該監(jiān)測點上各個傳感器的具體數(shù)值、報警狀態(tài)及其實時變化趨勢。

2)采集數(shù)據(jù)保存功能。提供井壁內(nèi)各種傳感器數(shù)據(jù)儲存(儲存時間間隔可設(shè)置)，并且可以打印傳感器的歷史數(shù)據(jù)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)表格文件功能。

3)預(yù)報警功能。提供井壁內(nèi)各種傳感器二級安全狀態(tài)指示，傳感器預(yù)警、報警可定位到具體監(jiān)測截面以及具體傳感器，并通過顏色加以區(qū)別。

3.2系統(tǒng)組成及分析診斷流程

大海則超大直徑深立井井壁結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感監(jiān)測和診斷可視化系統(tǒng)根據(jù)其不同功能，可分為以下幾個模塊：

1)感知模塊。感知模塊包括各類光柵傳感器，主要用于監(jiān)測井壁在煤礦生產(chǎn)過程中的物理量變化，該模塊的傳感器主要包括溫度傳感器、應(yīng)變傳感器、鋼筋計、滲壓傳感器等。傳感器子系統(tǒng)安裝工程前期工作應(yīng)與大海則豎井施工同步。

2)信號傳輸和采集模塊。信號傳輸和采集模塊主要包括傳感信號傳輸線路、信號解調(diào)和放大設(shè)備、信號轉(zhuǎn)換等設(shè)備。該模塊將傳感器所采集的模擬信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過信號解調(diào)和信號放大設(shè)備進行模擬信號的解調(diào)和放大，并通過信號轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)的采集。本項目數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在臨時監(jiān)控機房；傳輸系統(tǒng)統(tǒng)一采用光纜傳輸，一條光纜連接井下各監(jiān)測層面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

3)數(shù)據(jù)處理和管理模塊。數(shù)據(jù)處理和管理模塊主要進行信號的預(yù)處理，并將預(yù)處理的數(shù)據(jù)進行分類數(shù)據(jù)儲存。該模塊的功能還包括數(shù)據(jù)的后處理、歸檔、顯示等其他功能。

4)結(jié)構(gòu)安全評估模塊。結(jié)構(gòu)安全評估模塊主要將經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理并存儲在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行自動分析和評定，以確定結(jié)構(gòu)所處的安全狀況，在結(jié)構(gòu)發(fā)生異常和結(jié)構(gòu)監(jiān)測信號超過規(guī)定的安全閾值時，自動進行安全預(yù)警。

軟件數(shù)據(jù)采集線程框圖和數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)采集線及數(shù)據(jù)處理流程框圖

4　結(jié)語

本文介紹了大海則煤礦立井井壁結(jié)構(gòu)光纖光柵安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個部分構(gòu)成，同時介紹了光纖光柵傳感器的基本工作原理，與監(jiān)測系統(tǒng)配套的軟件系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)功能模塊、信號傳輸和數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理模塊及結(jié)構(gòu)安全評估模塊構(gòu)成，該軟件有可實時顯示功能、數(shù)據(jù)保存分析功能和預(yù)報警功能，相比傳統(tǒng)的井壁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測手段，該技術(shù)具備結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定及復(fù)用性等特點，可實現(xiàn)對井壁結(jié)構(gòu)的及時、精確、穩(wěn)定、自動化、長期動態(tài)監(jiān)測，可為我國立井井壁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測提供借鑒和參考。

[1]徐國權(quán)，熊代余.光纖光柵傳感技術(shù)在工程中的應(yīng)用[J].中國光學(xué)，2013,6(3)：306-317.

[2]湯樹成，張杰，張恒，等.光纖光柵傳感器技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動化，2014,40(7):41-44.

[3]郁尚奇，唐艷，湯樹成，等.光纖光柵傳感技術(shù)在煤礦井筒安全智能監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦支護,2013(4)：63.

Study on FBG shaft lining safety monitoring system of Dahaize coal mine

You FengJi HupingMa Huaijia

(DahaizeCoalMine,ChinaMineShannxiYulinEnergyResourcesandChemicalIndustryCo.,Ltd,Yulin719000,China)

The paper introduces FBG safety monitoring system components of Dahaize coal mine shaft lining structure, discusses the sensor working principles of the monitoring system, explores software functions and diagnostic procedures of the monitoring system, and finally points out advantages of FBG safety monitoring system, such as simple structure, high accuracy and strong complexity and so on.

coal mine, vertical shaft lining, sensor, monitoring system

1009-6825(2016)21-0055-02

2016-05-13

尤峰(1977- )，男，助理工程師

TD265.32

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