煤礦開采光纖光柵智能感知與安全決策關鍵技術研究

方新秋，馮豪天，梁敏富，陳寧寧，蘆楠楠，吳 剛，李 爽，宋 揚

(1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學智能化開采研究中心，江蘇省徐州市，221116；3.中國礦業大學經濟管理學院，江蘇省徐州市，221116；4.中國礦業大學信息與控制工程學院，江蘇省徐州市，221116)

0 引言

近年來，我國煤礦智能化建設不斷推進，2020年3月2日，國家發展改革委、國家能源局等八部委聯合印發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》明確指出[1]，到2035年各類煤礦基本實現智能化，構建多產業鏈、多系統集成的煤礦智能化系統，建成智能感知、智能決策、自動執行的煤礦智能化體系。雖然，煤礦智能化取得了豐碩的技術成果[2-4]，然而煤礦智能化開采尚有關鍵技術未能突破，仍處于初級階段[5]。

煤礦的智能化開采是指依靠現有技術手段獨立完成整個回采過程的自適應開采，包括智能感知礦井環境、智能調控作業設備、作業過程自主巡視[6]。在智能化開采的核心環節中，智能感知旨在獲取煤礦回采過程中的基礎信息，包括開采環境和機械設備的狀態信息；智能決策旨在對數據進行融合與挖掘，輔助決策平臺做出決策[7]。傳感監測技術能否克服井下復雜環境，決定著智能感知效果的好壞，在煤礦開采監測技術發展過程中已有的監測技術[8-12]，雖也能起到積極作用，但從煤礦智能化開采角度考慮，仍存在諸多不足，易受作業環境中復雜的強磁、頻變、溫度、水、汽等環境因素以及機械作業時產生的強振、碰撞、移動等因素影響，監測儀器在長期工作中的穩定性、抗干擾性難以保障，數據可靠性與精確度和參與構成分布式感知網絡的能力難以滿足綜采工作面智能開采的要求[13]，因此需要以煤礦開采智能化為目標，進行新的開采環境與設備狀態感知技術革新，并配以更先進、更開放的安全決策平臺。

筆者及團隊以智能化開采發展為背景，通過多年對光纖光柵智能感知技術與安全決策平臺進行理論研究與現場實踐應用，研發了用于多源信息感知的光纖光柵傳感技術與成套設備，構建了基于煤礦開采多參量信息融合的安全決策平臺，形成了以煤礦開采“智能感知-動態響應-前兆預警-安全決策”為關鍵技術體系的光纖傳感設備與決策系統平臺。

1 光纖光柵理論關鍵技術

1.1 光纖光柵基本原理

光纖傳感技術隨著光纖通信技術的普及而得到快速發展，其核心元件是光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)。光纖是一種由光纖纖芯、包層、保護層、增強纖維和光纖保護套組合而成的新型光纖無源器件，具有光波選擇效應，其纖芯的折射率沿光纖軸向延伸表現出周期性的變化性質?；诠饫w耦合理論和傳輸矩陣理論[14-17]，筆者及團隊對光纖光柵長度、光纖折射率變化等不同參數下反射光譜特性以及光柵波長與3 dB帶寬、均勻/非均勻應變場的關系進行了研究。光纖光柵的基本原理如圖1所示。分析發現，在均勻應變場條件下，光纖光柵中心波長線性變化且3 dB帶寬保持不變，非均勻應變場條件下，光纖光柵中心波長畸變；等遞增非均勻應變場與3 dB帶寬呈現線性關系，非等遞增應變場與3 dB帶寬呈無明顯的單調性變化規律。該規律可為煤礦井下中均勻與非均勻應變場影響下的光纖光柵傳感監測與可靠礦用光纖光柵傳感設備的研發奠定理論基礎。

圖1 光纖光柵的基本原理

1.2 基體-光纖光柵感知傳遞原理

光纖光柵具有優良的性能和廣泛的應用范圍，關鍵在于光纖光柵的溫度傳感特性、應變-溫度交叉敏感特性、應變傳感特性及準分布式傳感特性，但是光纖光柵本身纖細質脆、抗剪性能差[18-20]，因此需要研究可靠的保護措施，在保證精度的前提下使其能夠在復雜的環境中工作。

首先針對煤礦井下光纖傳感器的應用場景與使用需求進行分析，進而開展基體應變和光纖光柵應變之間的應變傳遞機理的研究，分析基體的材料、黏結層的長度、黏結厚度等對應變傳遞效率的影響。在此基礎上，進一步開展光纖光柵感知元件多種粘貼方式及封裝技術的研究[21-22]，搭建不同粘貼方式光纖光柵-基體應變感知傳遞試驗測試系統，用來進行光纖光柵-基體應變感知傳遞規律的驗證。不同封裝方式下光纖光柵感知傳遞模型如圖2所示。

圖2 不同封裝方式下光纖光柵感知傳遞模型

1.3 光纖光柵的光譜重構

考慮到煤礦開采作業所處的環境具有復雜性、不穩定性、強干擾性，如強磁、強振、溫度、濕度等因素，傳感精度在長期工作過程中穩定性與抗腐蝕性會受到影響，感知數據的可靠性和精度難以得到保障。為此，采用模擬退火算法建立應變場分布的光纖光柵的光譜重構模型，并進行仿真試驗，對均勻應變函數、一次函數應變和二次函數應變條件下光纖光柵光譜重構效果進行了驗證，結果顯示重構光譜形態幾乎與目標光譜重合，重構效果良好。

將多特征參量的動態應變函數分解為3個簡單的應變分布函數(均勻、一次函數、二次函數)，進行多特征參量動態應變函數分布的光纖光柵光譜重構，相對誤差最大不超過0.1；針對煤礦開采光纖光柵感知數據的部分缺失，建立基于支持向量機的光纖光柵感知缺失數據補償模型[23]，將感知數據的有效性和精度提高2倍以上。動態應變函數光纖光柵目標光譜重構如圖3所示。

圖3 動態應變函數光纖光柵目標光譜重構

2 多維感知的光纖光柵傳感關鍵技術

隨著煤炭開采智能化進程的不斷推進，也對感知水平提出了更高要求。煤礦井下開采的環境信息與綜采工作面機械姿態信息呈現多源多參量的特征，感知信息也由單點少參數向多源多參量協同感知過渡，如巷道溫度、圍巖應力、錨桿桿體應力、錨桿載荷、頂板離層以及綜采工作面“三機”裝備的工作狀態信息等，這些信息能夠全面反映煤礦生產中綜采工作面的推進狀態。因此要求傳感設備具有更精確、更穩定、更可靠的基本特點，同時具有實現信息融合、組網的功能，以便解決煤礦開采環境與裝備姿態感知不全面、傳感設備不易組網、構建智能感知系統困難等問題。

2.1 光纖光柵高精度傳感器的開發

煤礦開采環境和機械設備作業狀態的感知是實現智能決策、控制的關鍵條件。由于開采環境具有作業空間小、粉塵大、濕度高、電磁環境復雜等特點，因此嚴重阻礙著傳感監測技術的運用[24]。針對井下傳感設備在長期工作中出現的穩定性差、抗干擾能力弱等問題，基于光纖光柵理論的研究成果，筆者及團隊將光纖光柵與煤礦井下設備進行集成開發，設計了煤礦開采多源信息感知的系列礦用光纖光柵傳感設備，具體包括光纖光柵支架測高傳感器、光纖光柵曲率傳感器、光纖光柵錨桿測力傳感器、光纖光柵支架傾角傳感器、光纖光柵錨桿應力傳感器、光纖光柵支架壓力表、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵鉆孔應力傳感器、光纖光柵頂板離層傳感器等。與此同時，筆者及團隊自主研發了礦用光纖光柵傳感器標定實驗裝置，包括內置液壓系統的液壓站、高精度壓力表、功能控制箱和數據擬合器，可實現光纖光柵傳感器標定過程的手動控制、電磁控制和傳感器標定數據的自適應擬合。通過實驗室測試與礦山實際應用，結果顯示傳感器靈敏度可提升2倍以上，感知精度小于0.2%FS、分辨率小于0.1%FS、誤差小于0.3%FS[25]。光纖光柵設備具備光纖本質安全及損耗低的特點，能夠長期穩定工作并具有抗外界干擾的能力。煤礦開采多源信息感知的礦用光纖光柵傳感器及應用如圖4所示，光纖光柵傳感器標定裝置如圖5所示。

圖4 煤礦開采多源信息感知的礦用光纖光柵傳感器及應用

圖5 光纖光柵傳感器標定裝置

2.2 光纖光柵傳感器實時感知技術

受井下多場演化規律的不確定性及復雜性影響，綜采工作面采動應力分布特征及覆巖結構破斷規律也尚未完全揭開，尤其是采動多場響應、覆巖結構運移、采動圍巖變形與煤壁片幫、裝備群狀態等，需研究開采多參量、多尺度信息的高精度協同感知與多源感知參數的表征方法，結合高精度傳感器的實時監測來實現，但目前監測信息的可靠性、有效性還有待提高，多種參數的識別、提取、感知尚不全面。為了保障煤炭開采環境與裝備群安全信息準確獲取，筆者及團隊提出了基于煤礦開采環境與“三機”裝備姿態光纖光柵傳感方法與實時感知技術的煤礦開采多參量光纖光柵智能感知體系如圖6所示。

圖6 煤礦開采多參量光纖智能感知體系

2.2.1 煤礦開采環境信息智能感知

煤礦開采活動會引起作業空間環境不同程度的惡化，巷道圍巖與支護結構出現礦壓顯現現象，利用自主研制的新型靈敏度高、可靠性好的光纖光柵溫度傳感器，以及光纖光柵頂板離層傳感器、光纖光柵鉆孔應力傳感器、光纖光柵錨桿測力傳感器、光纖光柵錨桿應力傳感器等[26-29]對煤礦開采環境及機械作業過程中的安全狀態信息進行全面感知，分析空間環境溫度、巷道頂板與圍巖穩定性、錨桿桿體應力分布、錨桿荷載程度，可以為采煤巷道支護參數設計的經濟性、合理性提供科學依據，創造安全穩定的煤礦開采環境。

2.2.2 綜采工作面采煤機姿態智能感知

采煤機精確定位是記憶割煤、液壓支架動作、開采工藝決策的基礎，液壓支架的支護與活動空間取決于滾筒的頂板截割軌跡，行走軌跡間接反映了刮板輸送機的直線推移程度。而刮板輸送機的姿態取決于底板截割軌跡，同時可結合采煤機結構特征與實時感知采煤機運行時的橫滾角、俯仰角、航向角、姿態解析獲得。已有的齒輪計數法、紅外輻射法、超聲波反射法等精度不能滿足綜采工作面的智能化要求，而相對先進的地面定位方法在復雜的井下也無法滿足要求。

基于光纖捷聯慣性導航定位與多傳感器技術的采煤機運動模型及姿態誤差補償模型，可以精準感知采煤機運行姿態，利用具有精度高、可靠性高、重量輕、體積小、抗干擾和獨立自主優勢的光纖慣性測量組件，可將光纖捷聯慣導系統的光纖慣性測量器件集成在采煤機機身的特定位置上，結合高精度陀螺儀與加速度計能實時感知采煤機姿態角與加速度信息，解析采煤機運動狀態，實時更新采煤機的位置與運行姿態信息，從而實現多源信息融合的采煤機狀態感知。

針對綜采工作面的作業特點與不斷變化的井下復雜環境，構建采煤機機身部分與截割部位的力學模型，分析誤差產生的源頭與安裝在機身上的光纖慣性測量傳感裝置在變溫和強振動條件下誤差產生的特點[30]，建立加速度傳感器、光纖陀螺、軸編碼器等測量組件動態-靜態感知數據誤差補償模型進行誤差校正，分別從組件感知、捷聯慣性導航與感知系統分析3個方面來降低誤差，提高井下采煤機運行姿態的感知精度?；诠饫w捷聯慣導的采煤機姿態誤差補償及實時感知流程如圖7所示。

圖7 基于光纖捷聯慣導的采煤機姿態誤差補償及實時感知流程

2.2.3 綜采工作面液壓支架姿態智能感知

液壓支架是煤礦智能開采工作面核心裝備之一，通過完成頂板支護、煤壁護幫、刮板輸送機推移等工序保障智能綜采工作面安全順利地生產。智能綜采工作面順利推進的基礎是液壓支架的姿態正常，若支架姿態出現異常將會導致支架失衡，在姿態調整過程中出現單架傾斜、鄰架碰撞、頂梁低頭或仰頭等危險狀況，導致后續機械設備不能推進，影響工作面向前推進甚至威脅作業空間的安全，因此液壓支架的姿態感知是煤礦開采智能化中重要的一環。

利用自主研制的光纖光柵支架測高傳感器、光纖光柵支架壓力表、光纖光柵支架傾角傳感器等構建了液壓支架運動學模型和液壓支架姿態感知指標體系，對工作狀態中液壓支架的底座和連桿姿態、工作阻力、頂梁姿態進行實時感知。經過解析能夠實時感知液壓支架的工作狀態[31]，能夠對整個綜采工作面設備感知系統中液壓支架姿態監測進行完善，有利于工作面設備感知系統實時解析支架姿態，幫助安全決策系統進行分析，為智能綜采工作面礦壓與頂板管理、支架適應性研究、液壓支架-采場圍巖耦合狀態等提供技術支撐。基于運動學模型的支架姿態實時感知如圖8所示。

圖8 基于運動學模型的支架姿態實時感知

2.2.4 綜采工作面刮板輸送機直線度智能感知

隨著綜采工作面回采的不斷進行，刮板輸送機在支架推移下沿著回采方向前進，受到底板地質條件和刮板輸送機與支架動作配合誤差積累的影響，支架在重復循環推移動作達到一定次數后，將出現移架不到位的情況，導致刮板輸送機的直線度較差，不得不采取人工干預措施，影響割煤效率。因此在“三機”設備作業過程中，需要對刮板輸送機的直線度狀態進行實時感知，輔助控制系統及時進行調直。

已有的刮板輸送機直線度感知技術，如以液壓支架調直的直線度感知技術和基于采煤機自主定位的刮板輸送機直線度感知技術，雖已取得不錯的應用效果，但仍然存在不足[32]，如以液壓支架調直的直線度感知技術要求大量的傳感器同時工作，這在復雜的作業環境中存在故障點多、可靠性難以持續保障等問題；基于采煤機自主定位的直線度感知技術在實際使用中，由于強電磁、強振的影響導致安裝在采煤機上的慣導系統對滯后推移的刮板輸送機直線度檢測存在間接性、非實時、累積誤差大等問題，長時間工作在多變的環境中直線度感知效果將會變差。

針對光纖光柵的三維曲率傳感原理進行大量研究與試驗工作[33]，研究了基于光纖光柵的三維曲率傳感器，采用擬合遞推的方法在三維空間進行正交方向曲率信息曲線的重建，基于光纖光柵技術，提出了能夠實現刮板輸送機三維彎曲形態擬合與毫米級實時在線感知刮板輸送機直線度感知的方法?？刂婆_設置在回采巷道中并配備光纖光柵靜態解調儀，旨在實時解調傳感器的感知信息，使用多芯光纜將FC/APC接頭與光纖光柵靜態解調儀實現穩定可靠的聯通，保障感知數據能穩定傳輸至控制臺的解調儀，基層的光纖光柵三維曲率傳感器通過可靠方式固定在刮板輸送機電纜槽中，實現刮板輸送機直線度三維彎曲信息的獲取。刮板輸送機直線度光纖實時感知方法如圖9所示。

圖9 刮板輸送機直線度光纖實時感知方法

2.3 多參量準分布式光纖光柵智能感知系統

智能綜采工作面是具有一定規模的復雜系統，在生產過程中會產生海量的數據信息。針對煤礦開采作業中感知數據多源、多參量、數據量大的監測需求及應用特點，筆者及團隊提出了煤礦開采光纖光柵智能感知系統架構，并結合光纖光柵傳感網絡動態解調、空分復用、波分復用、時分復用等關鍵技術，采用復用系統布置方法，設計了可靠的光纖光柵傳感器網絡拓撲結構，根據光纖光柵準分布式傳感特性與感知模型，優化了光纖光柵傳感器帶寬分布；通過研究煤礦開采光纖光柵傳感器大容量感知網絡的組建方式，構建了煤礦開采多參量準分布式光纖光柵智能感知復用網絡系統，系統主機單通道可復用光纖傳感器數量不多于20個，系統組網傳感器數量高達幾百個，實現了煤礦開采環境與裝備姿態的大容量、多參量感知，可以解決傳統傳感設備不易復用、難組網的難題。煤礦開采多參量準分布式光纖光柵感知復用網絡系統如圖10所示。

圖10 煤礦開采多參量準分布式光纖光柵感知復用網絡系統

3 開采環境與裝備姿態信息融合的安全決策平臺關鍵技術

目前，煤礦開采過程中產生的海量感知數據相對分散與獨立，未能將煤礦開采環境多維度感知數據的特征進行關聯與深度融合；實時數據與歷史數據的深層次挖掘程度不夠，傳感器感知的海量數據并未發揮最大效用；多源多參量信息的融合有待加強，如復雜條件下煤礦智能化開采過程中“三機”裝備的多參量數據融合決策技術仍是一大難點；此外，集成海量感知數據融合分析、開采環境安全預警、安全評價技術、機械裝備狀態信息融合的安全決策平臺的建設也尚未成熟。

3.1 多維度感知數據的特征關聯與深度融合

為了提高煤礦開采環境多維感知參量關聯性的分析效率，基于快速進化遺傳網絡規劃方法挖掘開采環境感知屬性信息，進行煤礦開采多維感知參量間隱含關聯規則的分析，獲取了煤礦開采覆巖運動、圍巖變形破壞、裝備姿態等多因素間的潛在關聯性與安全開采的因果性，提升數據利用率達到90%以上。多維度感知數據融合與自學習的煤礦開采環境安全識別輕量級模型可以有效監測開采環境狀態，并進行煤礦開采環境穩定性評估、安全性評價與災變風險預警。

3.2 煤礦開采“三機”裝備空間約束模型

針對“三機”裝備姿態融合決策關鍵技術難題，基于統計特征領域，進行了自適應“三機”裝備姿態識別方法與姿態多參量融合決策技術的研究，旨在提高煤礦開采“三機”裝備姿態的狀態估計與準確識別的可靠性。融合光纖捷聯慣性導航系統數據，建立多參量感知數據聯合分布自適應調整的深度特征遷移決策機制，用于構建“三機”裝備姿態識別的無監督深度學習模型和零樣本條件的知識遷移方法，可以有效進行無標記樣本條件下“三機”裝備的姿態識別。

3.3 安全決策平臺

為了解決煤礦智能化開采安全預警與融合決策的關鍵技術難題，實現煤礦開采“智能感知-動態響應-前兆預警-安全決策”，針對綜采工作面復雜多變環境與綜采裝備數據多模態、多變量耦合及分布式數據的特性，分析了深部工作面采動環境參數，研究了開采環境、裝備姿態等多系統感知數據的抽取與融合技術，開展了煤礦開采環境與裝備姿態感知大數據中心的構建，基于極速學習機和模糊優化，建立了煤礦開采安全評價與決策模型，基于預警邏輯數據庫和知識演化提出了煤礦開采安全預警技術，開發了煤礦開采環境安全預警與裝備姿態決策系統軟件，最終搭建集成了煤礦開采環境多維度感知與裝備姿態多參量融合的安全決策平臺。通過實際應用效果顯示，該平臺數據更新交互時間不大于1 s，預警準確率達95%以上。煤礦開采環境與裝備姿態信息融合安全決策平臺界面如圖11所示。

圖11 煤礦開采環境與裝備姿態信息融合安全決策平臺界面

4 結論

(1)煤礦開采環境與裝備姿態高精度光纖光柵感知理論能夠解決煤礦開采多參量感知不準確、可靠性低等瓶頸問題，為高可靠礦用光纖光柵傳感設備的研發提供了理論基礎。

(2)煤礦開采多維感知光纖光柵傳感技術與成套設備能夠解決煤礦開采環境與裝備姿態感知不全面、傳感設備難組網等難題，為煤礦開采多參量感知的實踐提供了設備支撐。

(3)煤礦開采環境與裝備姿態信息融合的安全決策平臺能夠解決煤礦智能化開采安全預警與融合決策的關鍵技術難題。