基于FBG傳感器的巷道頂板離層狀態智能監測

袁應吉　劉洪洋　韓江豪

摘要：隨著科學技術的不斷進步，煤炭開采方式大不同于以往，現階段，隨著煤炭開采進度越來越快以及煤炭開采量越來越大，使得煤炭開采深度越來越深，給煤礦安全帶來極大隱患，煤礦坍塌事件頻發，煤礦工人的生命安全遭到威脅。煤礦的安全事故主要包括巷道頂板離層、煤礦礦壓失衡等。基于此，本文主要針對巷道頂板離層狀態，從煤礦巷道頂板的概念入手，分析FBG傳感器的工作原理，旨在通過FBG傳感器對巷道頂板離層狀態的智能監測進行分析，以期減少在釆煤過程中所出現的安全事故，增加安全生產的可靠性。

關鍵詞：FBG傳感器;煤礦巷道;頂板離層;智能監測

當前，我國正處于技術革新時代，煤炭作為很多化工產品的原材料，隨著工業發展，其需求量也會越來越高，同時煤炭開采所帶來的生產問題也越來越受到關注。目前，由于開采深度的增加，國內煤礦在開采過程中往往面臨“三高一擾動”的問題，從而導致巷道頂板離層、脫落等現象越來越嚴重，對煤礦工人的生命安全帶來極大隱患。在煤礦監測中應用光纖傳感技術，可有效借助光纖本質特點，達到煤礦安全要求的防爆性能。

1煤礦巷道頂板概述

煤礦井下位于煤層上方的巖層稱為頂板，可分為偽頂、直接頂和老頂三類。偽頂較為薄弱，是指隨著掘進或回踩隨即掉落的巖石;直接頂巖層較為薄弱，極易發生坍塌事故，須在采空區暫時由支架支撐，防止坍塌;老頂是最上層的巖層帶，在偽頂或直接頂之上，老頂有較大的巖層密度，通常情況下不會出現垮塌現象。不同的巷道頂板部分，煤礦巖層厚度不同，偽頂巖層厚度大約在0～0.7米，直接頂巖層厚度大概在9～10米，而老頂巖層厚度則在8～9米以上，巖層相對較后，不容易出現垮塌現象。

2FBG傳感器的工作原理

2.1FBG位移傳感器工作原理

FBG位移傳感器的工作原理如下：（1）金屬桿產生位移時，會帶動彈黃產生相應的位移;（2）彈簧產生位移后，促使等強度懸臂梁的自由端產生相應變化，由于光纖光柵粘貼于等強度的懸臂梁上，因此，在等強度懸臂梁自由端產生變化時，光纖光柵的波長也會相應產生移位。此時可以結合光纜和調制解調器的作用，對移位現象進行在線測量。

2.2FBG壓力傳感器的工作原理

FBG壓力傳感器主要是壓力的傳遞，對壓力進行實時監測的過程，其工作原理如下：（1）傳感器通過壓力作用，使一次膜片感受到壓力，并將該壓力通過傳壓油腔和圓球均勾傳遞到等強度懸臂梁的自由端，與FBG位移傳感器工作原理相似，待該壓力傳遞到等強度懸臂梁自由端之后，使粘貼在等懸臂梁中心軸線上的光纖光柵波長產生移位，之后再進行下一步操作;（2）借助智能監測系統對光纖光柵波長的移位和壓力進行實時監測，經檢測并計算得出該傳感器的分辨率為0.002MPa。

3基于FBG傳感器的巷道頂板離層狀態智能監測

3.1監測方案制定

根據當前煤礦工程發展現狀，煤礦事故頻發，現階段對煤礦安全生產管理工作關注度越來越高，煤礦生產安全不僅關系著煤礦工程的順利進行，更關系著煤礦工人的生命安全，因此，針對煤礦安全生產要求，利用光纖光柵傳感器對與煤礦巷道頂板安全相關的溫度、位移等參量進行實時監測，實時了解煤礦工作進程、煤礦內部工作面及巷道頂板溫度、壓力等。監測到的信息借助傳感器中光纖骨干網進行傳輸，通過研發對應的檢測系統軟件對光柵信息進行轉換，并將監測到的信息保存到遠程數據中心，實現數據的實時傳輸。

3.2實時監測設計與實現

實時監測是FBG傳感器檢測系統的主要功能，具有即時性，能對煤礦里的狀況進行實時監控，使外界人員能隨時隨地了解煤礦情況，通過實時監測系統可以提供給用戶最為直觀的界面，通過該監測系統，用戶可以更加方便的進行報警工作，通過向檢測器提交實時監測請求后，檢測器會檢查傳感器的信息，進而找到實時監測數據。如果用戶確實需要提交報警信息，則需根據上述流程進行報警操作，待顯示器現實處理已完成，說明整個實測交互時間關系已完成。

4結果與討論

隨著社會經濟發展，以及科學技術的進步，越來越多的企業開始大規模建立，尤其是化工企業的發展如日中天，煤炭作為化工企業的主要原材料，企業的快速發展預示著煤炭資源將供不應求，大規模的煤炭開采亟待進行，對煤礦的安全生產帶來極大隱患。煤礦在開挖過程中，巷道圍巖會在自身的重力作用下產生一種應力場，隨著煤礦開挖深度的加深，這種應力場作用會增大，進而破壞巷道圍巖的受力平衡，如果不及時支護或支護不合理，極有可能會出現開挖區域的圍巖脫落現象，造成頂板離層乃至冒頂事故。煤礦巷道頂板離層作為巷道變形的直觀反應，實現對離層值的實時監測對維護煤礦巷道的頂板穩定有著重要的意義。

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