導(dǎo)語：煤礦頂板災(zāi)害是五大自然災(zāi)害之一，頂板壓力監(jiān)測是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。本期轉(zhuǎn)化果平臺(tái)推薦的《礦用光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用》，介紹了一套國內(nèi)首次將激光/光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于煤礦頂板災(zāi)害監(jiān)測的系統(tǒng)，系統(tǒng)采用光纖光柵傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種傳感數(shù)據(jù)的采集與分析預(yù)警，應(yīng)用效果良好！歡迎致電400-1817-969垂詢！
一、光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)背景
（一）政策法規(guī)要求
1.《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求
根據(jù)GBT 51272-2018 《煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及國家八部委聯(lián)合下發(fā)的“智能化礦井建設(shè)指導(dǎo)意見”的要求，為推進(jìn)智能化礦井建設(shè)，需要研發(fā)新型頂板災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)施監(jiān)測頂板變化動(dòng)態(tài)，降低頂板災(zāi)害事故。
2.《國家礦山安全監(jiān)察局關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作的通知》（礦安﹝2020﹞1號(hào)）要求
第十二條：配備煤體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)有沖擊地壓危險(xiǎn)的采煤工作面、掘進(jìn)工作面和主要煤柱區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測。重點(diǎn)監(jiān)測回采工作面前方300m范圍內(nèi)的進(jìn)、回風(fēng)順槽等煤層巷道和掘進(jìn)工作面迎頭后方200m范圍內(nèi)的巷道。
第十四條：配備采煤工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)工作面支架工作阻力進(jìn)行在線監(jiān)測；配備頂板離層實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)錨噴支護(hù)的煤巷、半煤巖巷進(jìn)行頂板離層監(jiān)測。
3.《內(nèi)蒙古自治區(qū)煤礦智能化建設(shè)基本要求及評(píng)分方法（試行）》要求
(1) 礦井應(yīng)建設(shè)完善的頂板災(zāi)害在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠基于監(jiān)測分析結(jié)果進(jìn)行頂板災(zāi)害的預(yù)測、預(yù)警。
(2) 具備礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦壓監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
(3) 建有綜采工作面、掘進(jìn)工作面礦山壓力大數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)模型，能夠基于監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)礦山壓力的預(yù)測與預(yù)警。
4.《陜西省煤礦智能化建設(shè)指南（試行）》要求
(1) 第八條：煤層頂板應(yīng)具有工作面支架壓力、巷道頂板離層量及巷道錨桿錨索壓力監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警和報(bào)警功能。
(2) 第十條：薄煤層處應(yīng)具有合理的支護(hù)強(qiáng)度和頂板壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。
（二）傳統(tǒng)頂板監(jiān)測手段
1.人工觀測技術(shù)
機(jī)械式頂板離層儀結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，早期在煤礦上得到廣泛應(yīng)用；但精度低，需要專員定期巡檢記錄，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、采集數(shù)據(jù)困難，無法適應(yīng)數(shù)字化礦山建設(shè)與智能開采要求。
2.電子監(jiān)測技術(shù)
傳統(tǒng)電子類頂板離層傳感器其原理簡單，多數(shù)是單片機(jī)加ADC采集單元，容易受淋水及粉塵腐蝕，造成傳感器使用壽命短；信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸易受電磁干擾，跳數(shù)、誤報(bào)等問題頻發(fā)，影響安全生產(chǎn)。
3.有線總線式監(jiān)測技術(shù)
市面現(xiàn)有線總線式網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)碾x層監(jiān)測系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，在煤礦也得到了廣泛應(yīng)用，但由于有線網(wǎng)絡(luò)檢測分站和中繼分站多、供電繁瑣、施工過程中無法避免原有電子傳感器所存在的問題、并且靈活性和擴(kuò)展性也不足，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。
4.無線傳輸監(jiān)測技術(shù)
無線類傳感器克服有線總線式傳感器大部分缺點(diǎn)，但由于考慮傳感器的功耗，數(shù)據(jù)多數(shù)采用定時(shí)傳輸、而且電池使用壽命短、維護(hù)工作量大；受井下復(fù)雜環(huán)境影響，其傳輸距離有限，系統(tǒng)需要大量通訊基站及中繼站，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，后期維護(hù)量大大提升。
二、礦用光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)介紹
1.系統(tǒng)構(gòu)成
礦山光纖壓力監(jiān)測系統(tǒng)采用目前比較先進(jìn)的光纖光柵傳感技術(shù)，主要由井上調(diào)度室顯示主機(jī)、井下光纖壓力監(jiān)測主機(jī)、煤礦用通信光纜、礦用光纖壓力傳感器、礦用光纖離層位置傳感器、礦用光纖鉆孔應(yīng)力傳感器、礦用光纖溫度傳感器、礦用光纖單元支架傳感器、礦用光纖恒阻錨索應(yīng)力傳感器、礦用光纖應(yīng)變傳感器、礦用光纖頂?shù)装逦灰苽鞲衅鳌⒌V用光纖可視化錨桿（索）應(yīng)力傳感器等多種類型傳感器組成。
傳感器通過光纜將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)降V用隔爆兼本安型光纖壓力監(jiān)測主機(jī)上，監(jiān)測主機(jī)通過軟件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后將得到的數(shù)據(jù)通過環(huán)網(wǎng)上傳到井上，在井上顯示出來。
2.系統(tǒng)特點(diǎn)
(1) 系統(tǒng)架構(gòu)簡單。系統(tǒng)組成由主機(jī)、通訊光纜、光纖傳感器組成，無需增加分站；正常一個(gè)工作面只需1臺(tái)主機(jī)就可實(shí)現(xiàn)全周期，全斷面覆蓋數(shù)據(jù)監(jiān)測；
(2) 系統(tǒng)主機(jī)容量大。物理通道數(shù)可擴(kuò)展到36個(gè)，單機(jī)最多就可接入180支離層傳感器。
(3) 系統(tǒng)續(xù)航能力強(qiáng)。根據(jù)光纖監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)所有傳感器都無需電源，整套系統(tǒng)在滿載斷電情況下運(yùn)行，最高可以持續(xù)8小時(shí)斷電續(xù)航能力。
(4) 系統(tǒng)免維護(hù)。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)傳感器無源及設(shè)計(jì)特點(diǎn)；在傳感器光纜不被破壞的情況下，傳感器無需維護(hù)校準(zhǔn)。
系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
3.礦用光纖礦壓監(jiān)測技術(shù)原理
光纖光柵是一個(gè)反射型的窄帶濾波器，當(dāng)溫度、應(yīng)變、壓力等發(fā)生變化時(shí)，反射波長隨之發(fā)生改變，通過對(duì)波長變化的精確測量可以獲得被測信息。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)解決了光纖傳感技術(shù)的眾多困難，在光柵封裝、模塊研發(fā)、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、溫補(bǔ)等方面掌握核心技術(shù)，數(shù)據(jù)線性擬合度高于0.9999，目前屬國內(nèi)領(lǐng)先。
礦用光纖礦壓監(jiān)測技術(shù)原理圖
三、礦用光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)硬件
1.礦用光纖壓力監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)
一臺(tái)主機(jī)可以連接36芯光纖，根據(jù)不同的參量連接100-400個(gè)不同的光纖光柵傳感器（溫度、位移、壓力、應(yīng)力、水位、振動(dòng)等）。
礦用光纖壓力監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)
光纖傳感器的特點(diǎn)：
(1) 光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)，有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，非侵入性，高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。
(2) 傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)或者對(duì)人有害的地區(qū)），起到人的耳目作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
(3) 單就傳感器而言不但滿足智能化對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊螅_(dá)到真正意義上的實(shí)時(shí)傳輸（所有傳感器最快可達(dá)毫秒級(jí)傳輸）；并且為智能化、智慧化煤礦發(fā)展提供更有效的大數(shù)據(jù)支撐。
2.礦用光纖頂板離層傳感器
礦用光纖頂板離層傳感器通過內(nèi)部精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)將位移轉(zhuǎn)化為光纖光柵傳感敏感元件波長的變化，從而進(jìn)行位移的監(jiān)測。
礦用光纖大量程可視化離層傳感器是我公司獨(dú)家研制新型傳感器，量程500mm，為國內(nèi)首創(chuàng)。本安無源設(shè)計(jì)，并能滿足現(xiàn)場就地顯示與遠(yuǎn)程終端同步顯示。
礦用光纖頂板離層傳感器
礦用錨桿（索）應(yīng)力傳感器
3.礦用錨桿（索）應(yīng)力傳感器
GMYG600-K礦用光纖可視化錨桿（索）應(yīng)力傳感器是我公司基于市場需求，依據(jù)GMYG600礦用光纖錨桿（索）應(yīng)力傳感器的原理獨(dú)立自主研發(fā)的一種新型傳感器。首先保持了測量精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又增加了現(xiàn)場壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的顯示功能，滿足煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)就地顯示的要求，這樣就實(shí)現(xiàn)了通過監(jiān)測主機(jī)實(shí)時(shí)在線顯示頂板變化與現(xiàn)場就地顯示壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測的兩大功能。
礦用光纖離層位置傳感器
4.礦用光纖離層位置傳感器
GLWG500礦用光纖離層定位傳感器是我公司基于市場需求，依據(jù)GLGC500礦用光纖頂板離層的工作原理獨(dú)立自主研發(fā)的一種新型的光纖多點(diǎn)位移傳感器。它通過將頂板巖層內(nèi)鉆孔的錨爪隨著巖層的變化時(shí)，拉動(dòng)傳感器自身的鋼絲繩，再通過鋼絲繩牽動(dòng)傳感器內(nèi)部光纖懸臂梁與刻度表針裝置上，分別實(shí)現(xiàn)了通過監(jiān)測主機(jī)實(shí)時(shí)在線顯示頂板變化與現(xiàn)場就地顯示表盤指針實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能，為煤礦工程人員與檢測人員提供了重要的科學(xué)依據(jù)，從而有效的防止頂板坍塌事故的發(fā)生，確保煤礦安全生產(chǎn)。
5.礦用光纖恒阻錨索應(yīng)力傳感器GMYG600-H礦用光纖恒阻錨索應(yīng)力傳感器是我公司依據(jù)沿空留巷專利產(chǎn)品恒阻錨索量身定制的一款新型傳感器。它可有效的與監(jiān)測主機(jī)連接，實(shí)時(shí)反饋安裝地點(diǎn)的受壓狀況，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能，同時(shí)它具有精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，防塵，防水等諸多優(yōu)點(diǎn)。為礦井安全生產(chǎn)，提供頂板管理方面的可靠現(xiàn)場數(shù)據(jù)及歷史記錄,減少并嚴(yán)格控制入井人數(shù),提高全員工效,降低礦井生產(chǎn)成本,排除頂板安全事故隱患,社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著等方面提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
礦用光纖恒阻錨索應(yīng)力傳感器
礦用光纖頂?shù)装逦灰苽鞲衅?
6.礦用光纖頂?shù)装逦灰苽鞲衅?
UG1000礦用光纖頂?shù)装逦灰苽鞲衅魇俏夜驹O(shè)計(jì)一種新型實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器。它根據(jù)現(xiàn)場高度調(diào)節(jié)位置固定后，頂板與底板因壓力發(fā)生變化時(shí)，傳感器內(nèi)置的彈簧受力影響到懸臂梁的應(yīng)變值，這些數(shù)值以光信號(hào)的方式傳送到監(jiān)測主機(jī)上進(jìn)行分析得出頂?shù)装宓囊平?。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能與精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。為礦井安全生產(chǎn)，人員生命安全，降低生產(chǎn)成本做出了重要依據(jù)。
礦用光纖應(yīng)變傳感器
礦用光纖溫度傳感器
7.礦用光纖應(yīng)變傳感器
GYG3000礦用光纖應(yīng)變傳感器是一種將安裝底座焊接在鋼結(jié)構(gòu)表面上，用于測量其表面的應(yīng)力（應(yīng)變）的傳感器。它采用不銹鋼外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適應(yīng)各種惡劣的腐蝕環(huán)境，既可以長時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測，又可以短期實(shí)時(shí)監(jiān)測后重復(fù)使用的功能。同時(shí)具有精度高，穩(wěn)定性好，安裝方便快捷等特點(diǎn)。
8.礦用光纖溫度傳感器
GWG100礦用光纖溫度傳感器是利用導(dǎo)熱性能好的聚酰亞胺材質(zhì)設(shè)計(jì)的一種新型溫度傳感器。利用光在光導(dǎo)纖維內(nèi)傳輸?shù)南辔浑S溫度參數(shù)的改變而改變的特點(diǎn)，將傳感器通過粘貼的方式將傳感器固定在監(jiān)測位置上。光纖本身不帶電，體積小質(zhì)量輕，易彎曲，抗輻射性能好等特點(diǎn)，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。
9.其它光纖傳感器
光纖傳感器基于光纖光柵原理，利用彈性力學(xué)理論，建立力學(xué)模型，設(shè)計(jì)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，將頂板位移、圍巖應(yīng)力、壓力等物理量轉(zhuǎn)化為光纖光柵波長的變化，并采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，糾錯(cuò)算法，數(shù)據(jù)處理，監(jiān)測運(yùn)行穩(wěn)定可靠 。
10.傳感器技術(shù)參數(shù)
四、礦用光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)
1.光纖礦壓監(jiān)測系統(tǒng)軟件顯示界面
2.頂板監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)
五、傳感器現(xiàn)場安裝示意圖
采煤工作面、煤及半煤巷道每間隔30-50m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測斷面；掘進(jìn)工作面及全巖巷道間隔80~100m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面根據(jù)礦井地質(zhì)條件選裝頂板離層傳感器、錨桿（索）應(yīng)力傳感器及鉆孔應(yīng)力傳感器。
現(xiàn)場安裝示意圖
1.礦壓監(jiān)測傳感器布置方案一
距切眼100米內(nèi)設(shè)置三組傳感器，巷道總長的中部1000米內(nèi)設(shè)計(jì)33組傳感器，距停采線200米設(shè)計(jì)三組傳感器進(jìn)行監(jiān)測，兩條巷道共需要鉆孔應(yīng)力傳感器18組，錨桿應(yīng)力傳感器18組，每組監(jiān)測點(diǎn)由兩支鉆孔應(yīng)力傳感器，兩支錨桿應(yīng)力傳感器組成，共計(jì)傳感器72支。
距回采面100米開始，每組間隔150米的方式進(jìn)行監(jiān)測，兩條巷道共需要鉆孔應(yīng)力傳感器14組，錨桿（索）應(yīng)力傳感器 14 組，每組監(jiān)測點(diǎn)由兩支鉆孔應(yīng)力傳感器，兩支錨桿應(yīng)力傳感器組成。
3.礦壓監(jiān)測傳感器布置方案三
距回采面50米開始，每組間隔50米的方式進(jìn)行監(jiān)測，兩條巷道共需要鉆孔應(yīng)力傳感器58組，錨桿應(yīng)力傳感器58組，每組監(jiān)測點(diǎn)由兩支鉆孔應(yīng)力傳感器， 兩支錨桿應(yīng)力傳感器組成，共計(jì)傳感器232支。
六、應(yīng)用案例
1.應(yīng)用案例一：光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比
某煤礦8301工作面，安裝長度1100m。頂板離層傳感器安裝60天，通過10個(gè)觀測點(diǎn)，與傳統(tǒng)的離層觀測尺數(shù)據(jù)對(duì)比。10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)深基點(diǎn)位移變化值在0-23.01，平均變化量為10.08mm；巷道頂板錨索錨固范圍內(nèi)（淺基點(diǎn)監(jiān)測值）的離層值在0.18～3.26mm之間，10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)平均值為1.99mm。在同一監(jiān)測區(qū)域，采用機(jī)械式人工監(jiān)測的頂板離層儀觀測數(shù)據(jù)一般深基點(diǎn)變化值在0～22mm，平均10.9mm；淺基點(diǎn)0～20mm，平均2.48mm。通過對(duì)比表明該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)比人工觀測數(shù)據(jù)更準(zhǔn)、更穩(wěn)；并且完全滿足智能化礦井對(duì)礦壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)收要求。
2.應(yīng)用案例二：報(bào)警事件及處理措施
某煤礦21121工作面下巷，2018年8月安裝監(jiān)測系統(tǒng)，2019年1月9日發(fā)生3次報(bào)警，二級(jí)報(bào)警最大值123mm。
3.應(yīng)用案例三：報(bào)警事件及治理曲線圖
某煤礦2019年6月26-28日2215工作面頂板離層150mm，一級(jí)報(bào)警。通過注漿錨索治理，自7月2日頂板趨于穩(wěn)定。
4.應(yīng)用案例：方案設(shè)計(jì)、安裝示意圖及系統(tǒng)顯示界面
2020年7月份建設(shè)完成某集團(tuán)的煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
現(xiàn)場安裝施工照片
七、項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
1.國內(nèi)首次將激光/光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于煤礦頂板災(zāi)害監(jiān)測，自主研發(fā)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是目前國內(nèi)唯一具備萬只/年產(chǎn)能的企業(yè)；
2.光纖離層傳感器量程是目前國內(nèi)唯一達(dá)到500mm的生產(chǎn)廠家；
3.無源本安型光學(xué)傳感器，滿足煤礦井下現(xiàn)場就地可視要求；
4.主機(jī)配備1140v高壓供電，并滿足不低于4小時(shí)斷電續(xù)航能力；
5.取消系統(tǒng)分站架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳感器直聯(lián)技術(shù)與數(shù)據(jù)融合傳輸。
該項(xiàng)目成果于2019年通過專家鑒定，結(jié)論：研究成果達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
八、客戶反饋情況
1.實(shí)現(xiàn)礦井深部巷道變形實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過對(duì)采煤工作面兩巷進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到頂板離層的準(zhǔn)確信息，還可以推斷預(yù)測出各種頂板條件下的頂板周期來壓規(guī)律，及早發(fā)現(xiàn)頂板失穩(wěn)的征兆等不安全隱患，采取加強(qiáng)支護(hù)等措施，避免冒頂事故的發(fā)生。
2.系統(tǒng)監(jiān)測精度高，通過準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，可以準(zhǔn)確判斷井巷頂板離層位置、確定超前支承壓力影響范圍與強(qiáng)度，評(píng)估支護(hù)參數(shù)合理性。
3.系統(tǒng)架構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)可靠；傳感器抗干擾、糾錯(cuò)能力強(qiáng)，使用壽命長，后期維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
轉(zhuǎn)化果平臺(tái)咨詢電話：400-1817-969
