CN102926808A - 基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法，在通讯光纤上连接四个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器，四个光纤光栅传感器布置在设备周围的设备基础的四个角部，通讯光纤的接入端或引出端连接光纤光栅网络分析仪，光纤光栅网络分析仪与计算机连接。通过光纤光栅网络分析仪分析光纤光栅传感器波长改变量的大小，并将其转变为设备基础上各个测点出的应力变化，读取不同时刻下选煤硐室设备基础的应力分布状况，判断设备基础是否产生倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。结构简单，易维护，测量精确，可安装在设备基础上，不影响井下选煤硐室设备工作和工作人员的安全，不受井下恶劣环境干扰，适用于井下各种设备硐室底板监测。

Description

基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种井下选煤硐室底板在线监测技术，尤其涉及一种基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法。

背景技术

目前，我国大多数选煤厂仍然建在地面，一方面增加了原煤中矸石的运费以及排矸费用，造成矿井的提升能力紧张和吨煤利润下降；另一方面伴随着煤矿生产中排出的大量煤矸石占用土地，造成地面环境的污染，不利于居住环境的改善。在井下建原煤分选系统，实现原煤井下分选和充填一体化，以减少原煤运输以及吨煤能耗，提高煤炭资源的采出率，实现绿色开采。

随着井下选煤的实现，符合井下选煤硐室的安全监测和控制系统也有待于进一步的开发研究。由于井下选煤硐室与巷道相比有一定的区别，其监测方法也不同。首先，选煤硐室内安设有大型选煤设备，占据了硐室内大部分的空间，其重量以及生产运行时的振动都可能会对煤矿井围岩的稳定产生影响，所以根据设备性能以及硐室围岩分布情况必须浇筑设备基础；其次，选煤硐室内的电子干扰、电磁干扰现象更加严重，相应的监测设备和系统性能必须符合选煤生产的要求，不仅对抗干扰能力要求高，且不受潮湿、高温环境影响；再者，监测系统的安装不能影响选煤设备的运行和破坏围岩的稳定性；最后，选煤硐室周围井巷工程较多，因而硐室围岩的受力情况比较复杂，难以准确分析。

由于掘进或受回采影响引起选煤硐室围岩应力状态变化以及在维护过程中其性质的变化，顶底板和两帮岩体失稳变形并向硐室内移动，致使底板岩石松动、产生底臌，导致硐室内大型选煤设备基础局部受力不均而产生倾斜、位移现象，严重影响选煤设备的安全运行和工作人员的人身安全。目前还没有针对井下选煤硐室底板监测的相关研究报道。

光纤传感技术的研究始于20世纪70年代末，它以光波为载体，光纤为媒质，实现被测量信号的感知和传输，因为其自身优异的性能被广泛应用于人类无法临近的易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下进行长期的大规模应用，具有传统的电传感器无法比拟的优越性。光纤布拉格光栅（FBG）是光纤传感技术发展的最新阶段，它是一种性能优良的反射滤波无源敏感元件，通过布拉格发射波长的移动来感应外界微小应力、应变变化而实现对结构在线测量。与普通的机械、电子类传感器相比，光纤光栅传感器具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、化学性能稳定等优点，它的安全性能好，具有本质安全的特点，几何形状可塑，适应性强，既可埋入复合材料内，也可粘贴在材料的表面，与待测材料有着良好的相容性，并可以实现准分布测量。

目前，还没有将光纤布拉格光栅传感技术用于针对煤矿井下选煤硐室底板监测的相关报道。

现有技术一，如图1所示，一种光纤光栅锚杆测力装置及监测锚杆应力变化的方法（专利号CN101358886A）中的锚杆测力装置，包括压力表01、T字型油管02，水平管和液压油缸04连接，垂直管与光纤光栅03连接。通过在岩石或土层内安装锚杆，在锚杆的外露端嵌入垫板和液压油缸，并用螺母连接。光纤光栅传感器将锚杆受力变化量通过其纤芯连接到外部的光纤光栅网络分析仪进行数据的处理。

上述现有技术一的缺点是不能适用于井下选煤硐室底板的在线监测，其原因主要表现在以下三个方面：

首先，井下选煤设备体积庞大，占据选煤硐室内大部分空间，而现有技术体积较大，其安装会影响选煤设备的运行和操作人员的正常通行；

其次，现有技术不能安装在选煤设备基础上，不仅破坏设备基础的整体性和稳定性，而且会影响选煤设备运行；

最后，现有技术通过光纤光栅和机械部件结合，无法消除设备硐室内潮湿环境对其测量精度的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、易维护、测量精确、适用于井下各种设备硐室底板监测的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置，在通讯光纤上连接多个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器，所述多个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器布置在设备周围的设备基础内，所述光纤光栅温度传感器远离所述多个光纤光栅传感器，所述通讯光纤的接入端或引出端连接光纤光栅网络分析仪，所述光纤光栅网络分析仪与计算机连接。

本发明的上述的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置进行井下选煤硐室底板在线监测的方法，首先，通过光纤光栅网络分析仪分析光纤光栅传感器波长改变量的大小，并将其转变为设备基础上各个测点出的应力变化；然后，读取不同时刻下选煤硐室设备基础的应力分布状况，判断设备基础是否产生倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法。由于在通讯光纤上连接多个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器，所述多个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器布置在设备周围的设备基础内，光纤光栅温度传感器远离所述多个光纤光栅传感器，通讯光纤的接入端或引出端连接光纤光栅网络分析仪，光纤光栅网络分析仪与计算机连接。通过光纤光栅网络分析仪分析光纤光栅传感器波长改变量的大小，并将其转变为设备基础上各个测点出的应力变化，读取不同时刻下选煤硐室设备基础的应力分布状况，判断设备基础是否产生倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。通过对大型选煤设备的设备基础进行稳定监测，实现对硐室底板监测，结构简单，易维护，测量精确，可安装在设备基础上，不影响井下选煤硐室设备工作和工作人员的安全，不受井下恶劣环境干扰，适用于井下各种设备硐室底板监测。

附图说明

图1为现有技术中的锚杆测力装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明实施例二提供的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置的结构示意图；

图5为图4的立体组成示意图；

图6为光通过光纤光栅时传感特性示意图；

图7为光纤光栅传感结构示意图；

图8为本发明的实验测试点A、B、C和D上的应变分布示意图。

图中：1、设备基础；2、选煤设备；3、通讯光纤；4、光纤引入端；5、光纤输出端。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置，其较佳的具体实施方式是：

在通讯光纤上连接多个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器，所述多个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器布置在设备周围的设备基础内，所述光纤光栅温度传感器远离所述多个光纤光栅传感器，所述通讯光纤的接入端或引出端连接光纤光栅网络分析仪，所述光纤光栅网络分析仪与计算机连接。

所述光纤光栅传感器有四个，四个光纤光栅传感器分布于设备基础的四个角部，所述光纤光栅温度传感器布置在设备基础的一侧。

所述通讯光纤通过粘合剂粘在钢绞线上，刻浅槽埋入设备基础周围，在拐角处留下冗余，并用喷浆混凝土固定。

所述浅槽的深度为9mm－11mm。

本发明的上述的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置进行井下选煤硐室底板在线监测的方法，其较佳的具体实施方式是：

首先，通过光纤光栅网络分析仪分析光纤光栅传感器波长改变量的大小，并将其转变为设备基础上各个测点出的应力变化；

然后，读取不同时刻下选煤硐室设备基础的应力分布状况，判断设备基础是否产生倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。

本发明的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置和方法，通过对大型选煤设备的设备基础进行稳定监测，实现对硐室底板监测。

矿山压力是导致矿井底臌的主要原因，从现有理论可知，硐室内底板围岩的中间位置是矿山压力最集中的地方，即底臌一般在硐室中间位置表现最为突出，而选煤设备占据了选煤硐室内大部分的空间，因此选煤硐室底臌的直接表现即为选煤设备基础的倾斜，针对底板的监测等同于对选煤硐室内的设备基础的监测。当底臌的产生导致设备基础受力不均产生倾斜时，可通过对设备基础受力的监测来实现对选煤硐室底板的监测。

本发明结构简单，易维护，测量精确，可安装在设备基础上，不影响井下选煤硐室设备工作和工作人员的安全，不受井下恶劣环境干扰，适用于井下各种设备硐室底板监测。

具体可按下述步骤进行：

1）、首先在距离设备周边一定距离处的设备基础上刻深度为10mm左右的浅槽；

2）、将布设有光纤光栅传感器和光纤光栅温度传感器的通讯光纤通过专用粘合剂粘贴在钢绞线上；

3）、将步骤2后的通讯光纤布设于步骤1的浅槽内，使四个光纤光栅传感器刚好位于设备基础四个边角的对称位置，在拐角处留下一定的冗余，并用喷浆混凝土固定；

4）、将通讯光纤的接入端或引出端连接到光纤光栅网络分析仪上，光纤光栅网络分析仪和电脑连接；

5）、通过光纤光栅网络分析仪分析光纤光栅传感器波长改变量的大小，并将其转变为设备基础上各个测点出的应力变化，计算出初始值；

6）、读取不同时刻下选煤硐室设备基础的应力分布状况，判断设备基础是否产生倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。

具体实施例一：

如图1、图2所示，本实施例包括设备基础1、选煤设备2、通讯光纤3、光纤引入端4和光纤输出端5。通讯光纤3铺设于设备基础1内，同选煤设备2保持一定距离。通讯光纤3上的四个光纤光栅传感器FBG1、FBG2、FBG3和FBG4刚好位于设备基础1的A、B、C、D四个边角点上，光纤光栅温度传感器FBG5位于设备基础1的一侧边缘并距FBG1一定距离处。光纤引入端4或光纤输出端5接入光纤光栅网络分析仪，光纤光栅网络分析仪和电脑连接。

光纤引入端4和光纤输出端5没有被铺设在底板内，属于传输光纤，不具有传感作用。

上述的实施例一是当选煤硐室底板为整块坚硬岩石时，则不需要另外浇筑设备基础，设备基础平面与底板平面持平。

具体实施例二：

如图4和图5所示，本实施例是浇筑的混凝土结构设备基础，基础高出底板一定高度，一般不小于100mm。

通讯光纤3沿设备基础1边缘平行铺设于设备基础1内，通讯光纤3上的四个光纤光栅传感器FBG1、FBG2、FBG3和FBG4正好位于A、B、C、D四个边角点上。其它同实施例一。

本发明的测量原理是利用力的平衡原理和光纤光栅传感理论，监测设备基础上四个监测点A、B、C和D处的受力情况，以此来判断设备基础的受力情况，是否处于平衡状态，是否倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。

假定硐室内选煤设备的重心点和设备基础的重心点位于同一条垂直线上，那么理想状态下，当设备基础不产生倾斜时，矿山压力作用在设备基础的四个角A、B、C、D受力平衡，即受力同向，且大小相等。当底臌导致设备基础受力不均产生倾斜，此时设备基础重心偏移，A、B、C、D点处的受力不再相等，且随着设备基础重心的偏移而出现一定的变化。将光纤光栅传感器布设在A、B、C、D点上，就可以通过测量设备基础倾斜时钢绞线拉伸或收缩情况，即由于钢绞线拉伸或伸缩而导致的通讯光纤上的光纤光栅被拉伸或收缩变形时反应出的波长-应力关系，来判断四点出的具体受力情况。由于硐室内温度可能会对光纤光栅产生一定的影响，因此采用光纤光栅温度传感器进行相应的温度补偿，提高测量精度。

如图6、图7所示，本发明的光纤光栅测量理论如下：当光纤中的光波通过光栅时，宽带光源经过时，满足布拉格条件的一定波长的入射光(波长为λ_B)将会被反射，其他波长的光会全部穿过而不受影响，此时反射光谱在光纤光栅波长λ_B处出现峰值。光栅受到外部的应力、应变、温度等作用时，其周期会发生改变，从而引起波长的变化，这就是光纤光栅的传感特性。通过测量光谱中峰值的移动变化，就可以得出待测的应力、应变、温度等的变化。

当入射光光进入光纤时，光纤光栅会反射特定波长的光，该波长满足以下的特定条件：

λ_B＝2n_effΛ                                        式1

其中n_eff为光纤的有效折射率，Λ为光纤光栅的周期，λ_B为光纤光栅波长。

由于光纤光栅的中心波长值会受温度的影响，温度变化对光纤光栅的影响主要体现在热光效应和热膨胀效应两个方面。在受热膨胀时，λ_B增大；遇冷时，λ_B减小。对于采用标准单模石英光纤制成的光纤光栅，λ_B随温度和应变的变化规律可以用下式来表示：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_{B0}}=(1-p^{\mathrm{eff}})\mathrm{\Δ\ϵ}+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ})\mathrm{\ΔT}$ 式2

其中，Δλ_B是中心波长的变化量；λ_B0是不受外力和温度为零度时该光栅的初始中心波长；Δε和ΔT分别是光纤光栅所受的应变和温度的变化量；p^eff、α和ζ分别为光纤的热膨胀系数、热光系数和光弹系数。

为了准确测量物体的实际应变，光纤光栅的读数需要进行温度补偿。所谓温度补偿就是通过某种方法抵消由温度扰动引起的光纤光栅波长的漂移，使量测结果不受环境温度变化的影响。可以在同一温度场内再增设一个光纤光栅温度传感器，测其温度响应

则真正的应变可以修正为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B-{\mathrm{\Δ\λ}}_B^T}{c_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}}_{B0}},$ 且c_ε＝1-p^eff                                                式3

而应力σ与应变ε和弹性模量E的关系表示式为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}$ 式4

如图7所示，在该光纤光栅传感器装置埋入设备基础后，利用光纤光栅网络分析仪测量光纤光栅传感器上各个光栅的初始波长分布λ_FBG1，λ_FBG2，λ_FBG3，λ_FBG4和光纤光栅温度传感器的初始波长

并保存相应数据。当设备基础产生倾斜使得浅层埋入的钢绞线产生拉伸或收缩，从而带动粘贴在钢绞线上的通讯光纤上的光纤光栅传感器产生拉伸或收缩变形，通过光纤光栅网络分析仪可测得光纤光栅上各点的波长分布λ′_FBG1，λ′_FBG2，λ′_FBG3，λ′_FBG4和光纤光栅温度传感器的波长

通过前后测的数据，代入公式3和公式4即可得到A、B、C、D点处的应力情况，以此为依据来判断设备基础是否倾斜失稳。

该基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板监测方法实验如下所示：

为了测试该光纤光栅监测方法的可靠性，在实验室制作一块长方体混凝土模型，模型高度180mm，宽200mm，长400mm，重量20kg，实验室温度恒定。模型水平放置，测试用通讯光纤及光纤光栅分布根据图3和图5所示实施例布设，其中，A点布设于长方形平面沿长度方向的任意一个端点，其余B、C、D点按逆时针方向依次布设于长方形平面的其余三个端点处。测试仪器采用PI04B系列光纤光栅网络分析仪，波长分辨率为1pm，扫描范围1525-1565nm。光纤光栅网络分析仪与电脑连接，通过专业软件进行波长解调及数据分析。

具体的测试数据图显示结果如图8所示。在测试时间内，在受力模型上A点施加一定外力使模型产生倾斜，在B、C、D点处不施加外力作用，此时模型的重心发生偏移，B、C、D点处的钢绞线在外力作用下拉伸，其应力应变状态发生不同程度的改变，即模型中测量点处的应力状态产生变化，通过光纤光栅网络解调仪可以准确获知四个点处的应变值，实验结果如图7所示。

从实验数据来看，模型高度对力的分布没有产生影响，A点的受力情况与实际基本相符，B、C、D点出的受力分布情况与和A点之间的距离远近有关，且符合力学分布原理，能够有效的反应出设备基础是否倾斜失稳。因此本发明的效果与理论基本符合，可以有效的监测井下选煤硐室底板，实现预期的测量目的。

利用本发明测量井下设备硐室底板的应力变化情况，可以带来以下有益效果：

1、能够很好的监测选煤硐室内设备基础的受力状态，实现选煤硐室内底板的监测，保证了硐室内设备的高效、安全、高精度运行；

2、采用通讯光纤为测点元件和传输介质，结构简单，适用于井下潮湿环境，并且不受煤矿井下电磁干扰，测量精确，信号传输距离远，长期工作性能稳定可靠。

3、可以很好的消除温度变化对光纤光栅传感特性的影响，提高测量精度。

4、对井下恶劣环境没有限制要求，抗干扰性强，适用面广。可用于煤矿井下硐室的各种机电设备基础受力变化监测。

本发明中通讯光纤上布设的光纤布拉格光栅应力传感器的个数可以更改，布设位置除实施例中所示，也可以在其他位置设置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置，其特征在于，在通讯光纤上连接多个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器，所述多个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器布置在设备周围的设备基础内，所述光纤光栅温度传感器远离所述多个光纤光栅传感器，所述通讯光纤的接入端或引出端连接光纤光栅网络分析仪，所述光纤光栅网络分析仪与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器有四个，四个光纤光栅传感器分布于设备基础的四个角部，所述光纤光栅温度传感器布置在设备基础的一侧。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置，其特征在于，所述通讯光纤通过粘合剂粘在钢绞线上，刻浅槽埋入设备基础周围，在拐角处留下冗余，并用喷浆混凝土固定。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置，其特征在于，所述浅槽的深度为9mm－11mm。

5.一种权利要求1至4任一项所述的基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置进行井下选煤硐室底板在线监测的方法，其特征在于：

首先，通过光纤光栅网络分析仪分析光纤光栅传感器波长改变量的大小，并将其转变为设备基础上各个测点出的应力变化；

然后，读取不同时刻下选煤硐室设备基础的应力分布状况，判断设备基础是否产生倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。

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