基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统

基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统Intelligent

sensing

system

of

coal

mine

based

on

optical

fiber

sensing

technology

中国矿业大学二〇一九年五月1

智能开采研究团队简介团队专注于研究解决煤炭资源开采过程中的智能开采关键技术问题，包括智能工作面开采技术、采煤机姿态感知技术、智能支架、刮板机调直技术、光纤智能监测技术、大数据挖掘及信息融合技术、专家远程故障诊断技术、采动灾害监测预警技术等。研究方向（1）煤矿智能开采；（2）矿山智能监测与大数据平台；（3）矿山压力与岩层控制。团队首席方新秋：采矿工程博士，东南大学控制工程博士后，教授，博士生导师。现为中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室副主任。入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科学技术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师。主持完成国家“863计划”项目子课题、国家自然科学基金项目及企业委托项目60余项，具有较深厚的研究工作积累。以第一作者和通讯作者发表论文被SCI、EI收录30篇，ISTP收录2篇，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文领跑者F5000论文3篇，正式出版专著4部；共申请国家发明专利40多项，已获授权国家发明专利23项，另授权国际发明专利10项；软件著作权授权5项；相关研究成果获中国煤炭工业协会一等奖一项（排名第一）、省部级科技进步二等奖4项（其中2项排名第一）。目录26七月20241.2.研究背景光纤传感式煤矿智能感知系统3.煤矿智能感知系统子系统介绍4.煤矿应用案例5.总结与展望26七月20241研究背景26七月20241.1研究背景能源是人类生存和发展的基础，目前中国“富煤缺油少气”的资源状况，保证煤炭资源在中长期仍是中国化石能源的主体。2017年中国能源消费结构图煤炭在一次能源结构中的比例数据来源：中国统计年鉴26七月20241.1研究背景近年来，我国煤矿安全已取得了长足进步，但安全生产形势依然严峻。目前，影响我国安全生产的灾害事故主要为顶板事故和瓦斯事故，占事故伤亡总人数的70%左右。另外，机电事故、运输事故、水害事故、火灾事故等群死群伤事故也已成为影响煤矿安全生产的重灾区。研究表明，解决问题的根本在于推动煤矿智能化、无人化进程。2017年度煤矿安全事故统计日期死亡人数事故简况2017-02-279贵州六盘水市钟山区，贵州水城矿业（集团）公司大河边煤矿发生电机爆炸事故，造成9人死亡。2017-03-284湖南郴州市宜章县，荣福煤矿发生顶板事故，造成4人死亡。2017-07-0517新疆大黄山豫新煤业有限责任公司一号井发生重大瓦斯爆炸事故，事故造成17人死亡，3人重伤。2017-08-1416黑龙江省鸡西市城子河区安之顺煤矿发生老空区积水透水事故，事故造成16人死亡。26七月20241.1研究背景国家《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》指出：要全面建成安全绿色、高效智能矿山技术体系。国家煤矿安全监察局发布的2019年第1号公告关于《煤矿机器人重点研发目录》中，提出重点研发应用掘进、采煤、运输、安控和救援5类、38种煤矿机器人。随着国家加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系、信息化与工业化的深度融合和“互联网＋”的迅猛发展，煤炭开采智能化已成为煤炭工业发展的需求和必然方向。26七月20241.2煤矿安全智能感知现状煤矿安全智能感知技术的研究基础在于监测手段的升级，但现有监测技术手段落后，远不能有效满足煤矿生产安全要求。液压式托锚力压力盒顶板离层仪机械式、液压式监测传感器——特点：价格便宜、精度低、现场读数、数据滞后。钢弦式压力盒26七月20241.2煤矿安全智能感知现状电阻应变式测力锚杆钻孔应力计数显式综采支架测压表电磁式监测传感器——特点：精度低、人工巡检，费时费工。26七月2024在线式监测系统——特点：有源系统，抗干扰能力弱，传输距离短，误差大。有线无线1.2煤矿安全智能感知现状26七月20241.3煤矿安全智能感知存在的问题人工采集在线传输2、定期到井下采集数据，上井后传入计算机，采用专用软件进行分析；3、测量数据少且离散，误差大，不能如实反映煤矿安全参数的连续性和实时性，不能迅速的预测灾害。1、传感器自动监测，通过有线或无线的方式传输数据；3、井下布置监测分站，并采用单片机处理数据，效率不高；4、传感器现场带电工作，抗干扰能力差，工作不可靠，安全性低。1、采用钻孔方式安装和人工观察记录；2、布置电缆线和油压管路线困难、传输距离较短；光纤传感式煤矿智能感知系统26七月20241.4智能工作面技术难点及研究方向光纤传感式煤矿智能感知系统序列难点问题描述研究方向1工作面自动调直基于光纤捷联惯导技术的刮板机调直技术不能实现刮板机形态的实时调整，且成本较高，在国内推广难。低成本、高精度、基于光纤传感技术的工作面调直技术2液压支架姿态协同控制目前自动化及控制技术仅能实现对单架液压支架姿态控制，无法实现协同控制。建立工作面倾角监测系统，实现协同控制3采煤机精准定位现有采煤机定位与姿态调整方法准确性差、抗干扰能力差。基于光纤捷联惯导的采煤机定位与姿态调整技术26七月20241.5光纤传感技术研究现状光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。它包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。感知：把外界物理量的变化规律转化为光纤中传输的光波的物理特征参量；传输：把受外界信号调制的光波传输到光探测器中进行检测，并将外界信号从光波中提取出来。目前主要进行光纤光栅传感器、光纤光栅传感技术和分布式传感技术等方面研究。26七月20241）光纤光栅及传感原理光纤光栅是利用特殊的方法（如激光雕刻）使光纤沿纤芯轴向形成一种折射率周期性分布的结构。当入射光在光纤纤芯中传播时，一部分光谱将沿纤芯反射，其余的光谱将继续沿着光纤纤芯传播，形成透射光谱，且波长会随外界因素（如温度、压力、磁场、电场等）而改变。入射光谱反射光谱透射光谱Ⅴ1.5光纤传感技术研究现状26七月2024反射光波的峰值波长称为布拉格波长，在单模光纤中，布拉格波长为：式中：为光栅的周期。为纤芯的有效折射率，①当光栅所在处的光纤产生轴向应变时，栅距变为：此时布拉格波长产生相应的变化

，它满足：（为光栅的弹光系数，约为0.22）②温度变化为△T时，将引起布拉格波长产生移动，表示为：式中：α为光纤的热膨胀系数；ζ为光纤的热光系数。1.5光纤传感技术研究现状26七月20242）分布式传感技术

激光脉冲从光纤中的一端进入，在向前传播的过程中，发生多种类型的散射现象，产生与入射光相反的背向散射光。包括：瑞利(Rayleigh)散射信号、布里渊(Brillouin)散射信号、拉曼(Raman)散射信号。根据传感光纤区域内散射光波随时间和空间的变化，实现被测量的全线长距离、大范围的分布参量。1.5光纤传感技术研究现状26七月2024分布式传感技术定位原理—光时域反射技术：当光纤中发生散射现象时，背向散射光向后传播至光脉冲的注入端，由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点，因此，根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置。L其中：c是光在真空中的速度；

t是信号发射后到接收到信号的时间；

n是光纤折射率。通过采集和分析光纤内传播时产生的背向散射光的时间和强度信息，进而得知每一点的应变、温度和位置信息后，即可得到整根光纤不同位置的应变、温度曲线。1.5光纤传感技术研究现状26七月20243）光纤传感器的优点光纤传感器无源工作，本质安全防爆；

信号通过光纤传输，抗电磁干扰能力强；传输距离远，测量范围广，系统容量大；可进行多种参数同时测量和分析；4123可进行多种参数同时测量和分析4光纤传输准确度高，可靠性高，稳定性好；51.5光纤传感技术研究现状26七月20241.6研究的目的及意义目的及意义1、针对现有煤矿安全监测技术手段落后，监测效果不理想，与现代煤矿生产安全要求甚为不符，因此利用先进的传感技术进行监测是必然趋势。2、基于光纤传感技术，进行煤矿安全智能监测与智能工作面设备姿态与工况监测，应用现代高新技术手段感知煤矿灾害风险、感知设备姿态、感知煤矿设备工作健康状况，对于指导煤矿安生生产、保障设备安全稳定运行、保障人民生命财产安全具有重大的现实意义和深远的历史意义。3、建立起基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统，不仅为煤矿安全高效开采提供可靠的技术保障，而且为矿山智能化建设提供了技术支撑。26七月20242光纤传感式煤矿智能感知系统26七月20242.1煤矿智能感知系统理论基础基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统是以“科学采矿”、“智能精准开采”理念为指导，以中国矿业大学多年来形成的矿压监测与支护质量检测理论、技术、软件、仪器为基础，以矿山压力与围岩控制、煤矿安全高效开采、开采智能监测为知识背景，依托中国矿业大学矿业工程双一流学科的有利资源，结合光纤传感技术，建立起来的新型矿用顶板安全、围岩应力、锚杆受力、锚索受力、支架工作阻力、瓦斯浓度、水压水位、采空区温度、机电设备健康状态、液压支架姿态、采煤机姿态、刮板输送机直线度等实时在线监测系统。通过本系统不仅可以实时掌握巷道围岩与采场顶板状态及其他工况环境煤矿安全状态监测，实现对煤矿安全事故的预测预警，为巷道围岩及采场顶板的稳定程度、环境灾害危险性和机电设备安全性评估提供科学依据，而且也能够有效解决智能工作面液压支架姿态协同控制、采煤机精准定位、刮板输送机直线度监测等关键技术问题。26七月2024基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统源于军工思想、矿业工程“基于光纤光栅传感技术的应力应变测试系统”江苏省优势学科项目建设，是矿业学科一个新的研究方向，目前已完成实验室仪器设备的搭建和系统相关试验的测试，深入研究了井下光纤传感器的监测理论和传感技术。在研究矿压监测的基础上，将光纤光栅传感技术创新性地与煤矿安全监测、智能开采理论相结合，进行集成创新研究，并取得了突破性的研究成果，近5年已申请国家发明专利40多余项（已授权23项，正受理20多项），已授权国外发明专利10项，软件著作权5件，国内外期刊发表论文20多篇。这些科研成果对本监测系统进行理论分析、实验研究及现场应用提供了基本保证和技术支持。现列举已公开和受理的主要发明专利如下：2.2煤矿智能感知系统技术体系26七月20242.2煤矿智能感知系统技术体系序号专利名称1一种矿用光纤光栅锚杆锚索测力计2一种煤矿井下光纤光栅多测点锚杆应力测量装置3矿用光纤光栅传感器的标定装置及标定方法4一种基于光纤光栅传感的工作面矿压在线监测系统5一种基于光纤光栅传感的巷道围岩应力监测装置6基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测系统及方法7一种煤矿巷道分布式光纤光栅锚杆群应力监测系统8一种煤矿采煤工作面采空区光纤光栅感温监测系统及方法9基于光纤光栅传感器的煤矿井下安全综合监测系统26七月2024序号专利名称10一种光纤光栅地应力的获取方法11一种基于光纤光栅的煤矿巷道顶板水压在线监测系统12一种矿用光纤光栅顶板离层监测装置及监测方法13一种矿用光纤光栅顶板离层监测装置14基于光纤光栅传感技术的巷道瓦斯监测系统15基于光纤光栅传感的煤矿采空区顶板应变监测系统及方法16煤矿井下重大危险源物联网动态监测预警方法17一种基于光纤光栅的巷道顶板离层动态监测系统及预警方法18一种基于光纤光栅传感的煤矿顶板隔水层稳定性监测系统19基于光纤光栅传感的煤矿井筒冻结壁温度实时监测方法20一种基于光纤光栅传感的煤矿膏体充填在线监测系统21光纤光栅压缩式矿井提升设备钢丝绳张力监测方法及装置22光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法23基于光纤光栅传感器的矿压在线监测系统软件建模方法26七月2024部分国外发明专利证书26七月2024部分国家发明专利证书信息层数据层感知层26七月20242.3煤矿智能感知系统整体结构设计传感子系统数据管理及存储子系统数据采集与传输子系统26七月20242.3煤矿智能感知系统整体结构设计26七月20242.4煤矿智能感知系统工作原理感知层利用不同功能的光纤传感器感知影响煤矿安全的力、位移、变形、温度、环境等物理参数。数据层通过静态解调仪、传感光缆和配套设备对感知层的数据进行自动采集，同时将数据传输至信息层。信息层将所有的数据汇总到监测站数据服务器内，进行数据处理及存储，具有多种功能。传感子系统数据采集与传输子系统数据管理及存储子系统26七月20242.5煤矿智能感知系统子系统介绍26七月20242.6煤矿智能感知系统软件设计采集数据及时处理监测数据动态显示系统控制管理与维护包括登录及用户权限管理、传感器配置管理、监测界面、历史曲线、报警设置、报警信息、统计报表等模块。可实时动态显示井下各监测点状态，监测数据汇总存入数据库，供用户访问。软件功能预测预警与安全评估基于光纤传感技术的煤矿智能感知系统软件是配合井下使用的光纤光栅传感器而推出的专业应用软件，通过对光纤光栅解调信号处理软件进行二次开发，利用C#语言编写、可在Windows环境下工作的实用便捷型监测软件。26七月20242.6煤矿智能感知系统软件设计系统软件具有良好的中文人机交互界面，操作简单，可根据不同地质区域设置不同的预警报警方式，用户可方便地实时观察煤矿井下安全监测参数状态。监测软件主界面监测数据动态显示界面监测系统管理传感器信息管理26七月20242.7煤矿智能感知系统的功能功能2、根据不同地质区域和具体实际情况设定预警报警阈值，可配置多种异常预警报警方式；3、预警报警阈值自由可调，可根据不同区域设置阈值大小；4、实现长时间尺度数据储存及数据曲线丰富展现；5、可实现多断面、多测点、同时段的煤矿安全在线监测；6、可实现远距离、大范围的监测，能够第一时间定位异常位置；7、实现连续监测，自动采集数据，可历史数据查询及报表输出；8、构成智能动态监测网络，将数据及时反映至控制决策系统，实现智能化。1、计算机实时动态连续显示监测数据，能够对影响煤矿安全参数变化进行初步分析及多级预警；26七月20242.8煤矿智能感知系统的优点本质安全型：信息采集和传输全部通过光纤实现、不带电本质安全；多点多参数：通过一根光纤可以在几十公里的范围内对多个点进行温度、无感应性：抗电磁干扰，受恶劣环境的影响较小，特别适合高瓦斯矿井；测量准确性：自动化监测，低损耗、大容量、高精度；测量及时性：系统实时采集数据，及时传输，监测结果不滞后；矿压、顶板位移、水压、瓦斯等多参数实时监测；时域变换性：分布式测量，动态、连续监测数据，可靠性高；智能决策：矿山灾害受地质、采动、通风、支护等多种因素影响，基于光

纤传感技术的煤矿安全智能监测系统解决了传统的单一参数监

测系统的局限性，为建立灾害预测预警系统奠定了技术基础。26七月20243煤矿智能感知系统子系统介绍26七月20243.1监测主机的性能指标

实验室拥有美国MOI(MicronOptics,Inc.)公司生产的光纤静态解调仪是整个系统的核心，拥有四个通道，可扩展至16通道，采用大功率扫描激光光源，外型小巧，使用灵活，适合于张力，温度和压力等多种参量测量，易构成分布式传感网络。光纤静态解调仪实物图分布式传感网络示意图26七月20243.1监测主机的性能指标静态传感测量，检测光纤光栅的全反射谱便携性好，小巧方便有4个通道，每个通道可连接至多40个FBG传感器，构成分布式传感网络波长分辨率为1pm；扫描范围为1510-1590nm基于TCP/IP传输协议便于通信和远程控制内置绝对波长参考，能够自校准特点26七月20243.2传感器标定装置的性能指标矿用光纤传感器标定装置26七月20243.2传感器标定装置的性能指标矿用光纤传感器标定装置用于检测和校准煤矿井下使用的光纤传感器的灵敏度、线性度，主要是标定偏差是否在精度范围内，整体的线性度是否有变化，零点是否偏移，近而保证光纤传感器在使用时有较高的测量精度。最大出力500KN功率4kW工作行程最大行程1000mm可标定传感器

光纤测力锚杆、光纤压力传感器、光纤锚杆（索）测力计、光纤位移传感器等电源220VAC（三相四线制）液压站系统最高工作压力：60MPa液压油：46#重量1060kg表1矿用光纤传感器标定装置的技术参数26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（一）巷道顶板离层在线监测子系统表2光纤光栅顶板离层仪的技术参数主要由两个锚固爪、钢丝绳、底座、布置在底座内的光纤光栅、光纤尾纤组成。用于监测巷道顶板的离层，反映顶板的动态过程。数据在线传输，精确、灵敏。标准量程：

300mm测量精度：<1%F·S测量点数：2点工作温度：-10℃-80℃波长范围：

1520nm-1580nm测量时间：<1s封装形式：不锈钢材质出纤形式：两端单芯出纤接头类型：

FC/APC尺寸：395*306*34（mm）安全等级：本安级防护等级：IP65光纤光栅顶板离层仪实物图26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（一）巷道顶板离层在线监测子系统光纤光栅顶板离层仪的应用

监测顶板离层过程，用于判断顶板破坏范围，对巷道稳定性进行识别，评价巷道所处的安全等级，对顶板事故进行实时监测预警。A、B两点的相对于参考点位移量分别为DataA、DataB。DataB为B基点以下的离层量，即浅部离层量；DataA-DataB为A基点和B基点之间的离层量，即深部离层量。26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（二）巷道顶板安全在线监测子系统标准量程：60MPa测量精度：<1%F·S测量段数：3-4段工作温度：温度-10℃-80℃波长范围：1520nm-1580nm测量时间：<1s封装形式：环氧树脂封装出纤形式：单端双芯出纤接头类型：FC/APC外尺寸：φ22mm*2000mm安全等级：本安级防护等级：IP68表3光纤光栅测力锚杆的技术参数光纤光栅测力锚杆由锚杆杆体、光纤光栅及光纤尾纤组成。沿锚杆杆体轴向两侧对称刻槽，在槽中对称布置3-4对光纤光栅，监测锚杆杆体应力分布特征。测量精度高、抗震性能好、工作稳定可靠，安装方便、测试快捷、便于远距离传输和自动化监测。26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用光纤光栅测力锚杆的标定光纤光栅反射波长随外部作用应变变化呈线性对应关系（二）巷道顶板安全在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用光纤光栅测力锚杆的应用监测锚杆工作时锚杆锚固区、非锚固区的应力大小及分布情况。作为分析顶板应力状态及顶板安全状况的基本依据，对煤巷锚杆支护安全施工及参数设计优化具有重要意义。（二）巷道顶板安全在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（二）巷道顶板安全在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用表4光纤光栅锚杆（锚索）测力计的技术参数光纤光栅锚杆测力计实物图采用中空结构，主要由三通阀、压力表、光纤光栅压力传感装置组成。用于监测锚杆、锚索所受的载荷大小和预应力的变化情况。结构简单、安装方便、监测连续，可同时现场观测和在线传输。标准量程：60MPa测量精度：<1%F·S波长范围：1520nm-1580nm测量时间：<1s封装形式：不锈钢材质封装工作温度：温度-10℃-80℃出纤形式：单端单芯出纤外尺寸：

φ108*45*400(mm)接头类型：FC/APC防护等级：IP67安全等级：本安级（二）巷道顶板安全在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用表5光纤光栅锚杆（锚索）测力计的技术参数光纤光栅锚索测力计实物图采用中空结构，用于监测锚杆、锚索所受的载荷大小和预应力的变化情况。结构简单、安装方便、监测连续。标准量程：60MPa测量精度：<1%F·S测量时间：<1s波长范围：1520nm-1580nm封装形式：不锈钢封装工作温度：温度-10℃-80℃出纤形式：单芯出纤外尺寸：

φ120*50(mm)安全等级：本安级防护等级：IP67（二）巷道顶板安全在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用光纤光栅锚杆（锚索）测力计的应用监测锚杆、锚索预应力和所受载荷的变化情况，全面了解其工作状况，评价巷道围岩稳定性和安全性，对锚杆支护设计的优化提供科学依据。（二）巷道顶板安全在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（二）巷道顶板安全在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（三）巷道深部围岩应力在线监测子系统光纤光栅钻孔应力计采用的是基于光纤式的一维应力应变测量技术，测量的是煤体或岩体垂直应力的大小。原理为受应力作用的钻孔周围煤体或岩体产生破坏变形，将应力传递到应变体上产生横向变形，置于光纤光栅钻孔应力计内的光纤光栅将变形量转换成光波信号。表6光纤光栅钻孔应力计的技术参数标准量程：60MPa测量精度：<1%F·S波长范围：1520nm-1580nm测量时间：<1s封装形式：采用金属封装工作温度：-10℃-80℃出纤形式：单端单芯出纤外尺寸：φ40mm*460mm接头类型：FC/APC防护等级：IP67安全等级：本安级光纤光栅钻孔应力计实物图26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（三）巷道深部围岩应力在线监测子系统光纤光栅钻孔应力计的应用测量深部巷道围岩垂直应力的大小，为研究巷道围岩应力场及变形破坏机理提供基础数据。26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（四）工作面超前支承压力在线监测子系统井上井下主光缆通信光缆监测主机传感器26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（五）液压支架工作阻力在线监测子系统表7光纤光栅压力计的技术参数通过端头导压孔将压力传递到敏感元件膜盒上，通过检测膜盒的光纤光栅波长的移动量得出实际压力值。光纤光栅压力计内置两根光纤光栅，其中小波长的光栅称为测压光栅，感应压力变化；大波长光栅称为温补光栅，该光栅不受外界压力的影响，其作用测量温度，同时也作为温度补偿用。标准量程：

60MPa测量精度：<1%F·S波长范围：1520nm-1580nm工作温度：-10℃-80℃测量时间：<1s出纤形式：单芯出纤接头类型：

FC/APC尺寸：160*120*40（mm）安全等级：本安级防护等级：IP65光纤光栅压力计实物图26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用光纤光栅压力计的应用液压管液压阀光缆（五）液压支架工作阻力在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（六）开采上覆岩层移动变形在线监测子系统采场覆岩是在特殊的沉积环境下形成的层状岩体，其变形和破坏过程与组合板相似，可将其视为由不同厚度、不同岩性的岩板有序叠合而成的组合板，可将顶板岩层的组合板模型简化为组合岩梁模型。采场覆岩组合岩梁模型26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用为了对采场覆岩内的应变进行定量分析，对岩层的移动破断规律进行研究，将分布式传感光缆从地面通过钻孔布设到开采煤层的顶部，利用分布式光纤应变测试仪监测煤层开采过程中上覆岩层移动和变形规律，为煤矿安全高效生产提供重要参数。（六）开采上覆岩层移动变形在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（七）提升设备钢丝绳张力在线监测子系统

在煤矿开采过程中，提升设备的安全尤为重要，钢丝绳的张力大小直接决定其寿命和矿井提升安全，钢丝绳作为矿井提升设备的重要组成部分，在提升设备工作时，钢丝绳在运转时会受到许多应力的作用，将导致钢丝绳受到严重拉伸，有时可能会发生断裂，进而引起重大安全事故的发生，造成严重的人员和财产损失。因此，对矿井提升设备钢丝绳张力的监测非常有必要。光纤张力监测装置26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（八）巷道微震在线监测子系统光纤光栅微震传感器由两个矩形梁和一个质量块组成，质量块通过点接触焊接在两平行梁中间，光纤光栅贴在第二个矩形梁的下表面。在传感器受到振动时，在惯性力的作用下，质量块带动两个矩形梁振动使其产生应变，传递给光纤光栅引起波长移动表8光纤光栅微震传感器的技术参数工作频率：0-100Hz测量精度：<1%F·S波长范围：1520nm-1580nm测量时间：<1s封装形式：采用金属封装工作温度：-20℃-60℃出纤形式：两端单芯出纤尺寸：80mm*40mm*25mm接头类型：FC/APC防护等级：IP67安全等级：本安级光纤光栅微震传感器实物图26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（九）沿空留巷充填体应力在线监测子系统表9光纤光栅土压力传感器的技术参数光纤光栅应变式土压力传感器用于测量充填体应力变化。两块平板沿圆周焊接在一起，两板之间留出一个间隙，充填体应力的作用是将两块板压合，使板槽内的压力传感器感知压力，从而测得充填体的压力值，压力传感器将压力值转换成光信号，再经光缆将信号传输到解调仪上，通过计算可得压力。光纤光栅土压力传感器实物图标准量程：60MPa测量精度：<1%F·S波长范围：1510nm-1590nm测量时间：<1s封装形式：采用金属封装工作温度：-20℃-60℃出纤形式：两端单芯出纤外尺寸：φ160mm*30mm接头类型：FC/APC防护等级：IP67安全等级：本安级安装方式：埋入式安装26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（九）沿空留巷充填体应力在线监测子系统光纤光栅土压力传感器的应用综采工作面井上井下主光缆通信光缆土压力传感器监测主机26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（十）富水层水压在线监测子系统利用光纤水压，水位传感器可以实现对富水层水压监测、水位的监测。光纤水压传感器中有一个灵敏的不锈钢膜片，在它上面连接光栅。使用时，膜片上压力的变化引起膜片移动，这个微小位移量可用光纤光栅元件来测量，并传输到光纤光栅静态解调仪上，从而得知压力的变化情况。光纤光栅渗压计的主要部件用特殊钢材制造，有足够的强度，适合各种恶劣环境安装使用。光纤水压传感器实物图标准量程：60MPa测量精度：<1%F·S波长范围：1520nm-1580nm测量时间：<1s封装形式：采用金属封装工作温度：-20℃-60℃出纤形式：单端单芯出纤外尺寸：φ40mm*150mm接头类型：FC/APC防护等级：IP65安全等级：本安级安装方式：埋入式安装表10光纤水压传感器的技术参数26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（十一）巷道多点温度在线监测子系统表11光纤光栅温度传感器的技术参数光纤光栅温度传感器可单独作为温度监测系统，亦可是其它监测系统中温度补偿部分，由光纤光栅元件将被测温度信号转换成光信号输出，信号传输到解调仪显示温度值。灵敏度高，不受电磁干扰，电气绝缘好，耐腐蚀，无电火花，可以在易燃易爆的环境中测量温度。标准量程：

150℃测量精度：0.5℃测量点数：2点工作温度：-50℃-150℃波长范围：

1520nm-1580nm测量时间：<1s封装形式：金属外壳安全等级：本安级接头类型：

FC/APC光纤光栅温度传感器实物图26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（十一）巷道多点温度在线监测子系统光纤光栅温度传感器的标定光纤光栅反射波长随温度变化呈线性对应关系矿用光纤光栅温度传感器使用传温金属底板，使温度尽快传导到光纤光栅上，温度的变化改变光纤光栅反射波长值。26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用光纤光栅温度传感器的应用综采工作面井上井下主光缆通信光缆温度传感器监测主机（十一）巷道多点温度在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（十二）采空区自燃分布式测温在线监测子系统分布式温度监测系统测温光缆26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用

采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区。矿井火灾是煤矿主要灾害之一，其中采空区煤炭自燃发火占很高比例。目前主要是通过监测采空区的标志气体进行分析预警，该手段欠缺实时性、直观性和有效性。系统原理：系统同时利用单根光缆实现温度监测和信号传输，综合利用光纤拉曼散射效应和光时域反射测量技术来获取采空区空间温度分布信息；其中光纤拉曼散射效应用于实现温度测量，光时域反射测量技术用于实现温度定位。系统优点：系统能够连续测量光纤沿线的温度分布情况，测量距离在可达30公里，特别适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。（十二）采空区自燃分布式测温在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用工作面井上井下主光缆光纤测温主机运输巷回风巷采空区传感光缆提前布设于回采巷道或采空区中，铺设间隔为30m，实时监测采空区内温度异常，获取采空区温度场信息，从而分析出煤炭自燃点的位置，为预报作出准确信息。感温光缆（十二）采空区自燃分布式测温在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（十三）瓦斯及有害气体含量在线监测子系统我国高瓦斯矿井数量众多，每年煤矿瓦斯事故灾害严重，严重影响煤矿安全生产和人员安全。目前煤矿瓦斯监测系统主要采用人工监测，采用便携式甲烷检测报警仪或光干涉式甲烷测定器等检测设备，监测效率较低，随机性较强，准确性和实时性大打折扣。矿井瓦斯含量在线监测系统利用光纤气体传感器进行矿井气体监测，系统主要由中央控制单元、光纤传感网络、光纤气体传感器组成。中央控制单元：包含驱动器、处理器、监测电子、激光器和探测器无源光纤传感网络：从控制单元至传感器进行分配网络及收集光信号26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用无源传感器探头防水罩接线盒光纤气体传感器主要由两部分组成：将传感器与网络相连接的接线盒及防水罩安装在网格保护检测通道里的无源传感器探头（十三）瓦斯及有害气体含量在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用十五）矿井瓦斯及有害气体含量在线监测系统气体吸收中心波长（nm）6厘米光程长度可达到的灵敏度（ppm）30厘米光程长度可达到的灵敏度（ppm）可达到的灵敏度（ppm）甲烷（CH4）165150010030乙炔（C2H2）1532.8353113氨气（NH3）15441730346104一氧化碳（CO）15673149662991890二氧化碳（CO2）1572.663695273902217硫化氢（H2S）15784923985295二氧化氮（NO2）800128002560768氧气（O2）76184211168425053可探测气体种类注意：

10,000ppm=1％v/v（体积之比）；

这些系统达到的灵敏度所使用的信噪比为5；

6厘米传感器光程是检测的灵敏度为500ppm的标准甲烷传感器长度；

30厘米实际上为最大的在线传感器光程，在气体测量中具有更高的灵敏度。（十三）瓦斯及有害气体含量在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用系统特点：通过标准的光纤电缆，可以实现300个点的气体浓度实时监测，距离长达10Km。系统除中央控制单元外完全属于本安产品，并与现行的安全标准兼容。传感器响应时间快，不受低氧环境、催化毒气及湿度过高环境的影响。中央控制器上的自动化系统可为控制器故障，网络故障或传感器故障预警。敏感度高，测量范围宽，可以检测多种气体，没有气体交叉干扰的问题。插拔式模块化结构灵活快捷，系统扩展方便，可在同一传感网络检测多种气体。传感器在条件恶劣的环境下，仍可以长时间持续稳定地工作，容易安装或更换。激光的可用性，光纤的传输及吸收性等特性决定其具有良好的兼容性。（十三）瓦斯及有害气体含量在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用表12光纤光栅倾角传感器的技术参数光纤光栅倾角传感器实物图采用充油密封结构，主要由双串光纤光栅传感器、悬臂梁摆动关键块、法兰盘接头等组成。用于监测液压支架俯仰角、纵摆角的变化情况。高精度、抗干扰能力强、安装方便、监测连续，可同时现场观测和在线传输。标准量程：-30°~+30°测量精度：0.05°波长范围：1525nm-1565nm测量时间：<1s封装形式：不锈钢材质封装工作温度：温度-10℃-80℃出纤形式：两端出纤外尺寸：126*96*28(mm)接头类型：FC/APC防护等级：IP67安全等级：本安级（十四）液压支架姿态实时在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用液压支架姿态监测液压支架姿态监测原理概述根据液压支架的结构及工作原理，以左图所示液压支架为例，通过在液压支架底座、前连杆、顶梁、护帮处分别安装光纤光栅倾角传感器，并采用跳线对光纤光栅倾角传感器进行串联连接，然后与工作面总光缆连接，实现对液压支架姿态的实时、动态、连续监测，能够有效解决智能工作面液压支架姿态协同控制关键技术问题。（十四）液压支架姿态实时在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用光纤光栅流速计结构图基于光纤光栅流速计的推移千斤顶行程测量原理该流速计主要由L型悬臂、杠杆、光纤光栅、圆形靶片等结构组成，通过测油管中乳化液的流速，从而精准得到推移千斤顶的推移距离。该传感器具有传感探头体积小、精度高、测量范围大、传感器外置等优点，能够有效解决液压支架推移距离精准测量技术难题。其基本原理如下：（十四）液压支架姿态实时在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用光纤光栅流速计测量推移千斤顶行程的基本思路1.将两个流速传感器分别安装在供油管和回油管；2.测出通过回油管和供油管一定时间间隔流速V,根据流量与流速的关系Q=VA,（A为油管的横截面积），可得出乳化液的流量；3.根据油管中通过乳化液的流量可推算出在一定时间间隔通过推移千斤顶油缸乳化液的体积，即可得出推移千斤顶的行程。（十四）液压支架姿态实时在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用矿用分布式光缆组成图（十五）基于分布式光纤的刮板机直线度监测子系统表14矿用分布式光缆的技术参数矿用分布式光缆主要由光纤、金属加强件、护套等组成，能够实现对沿光纤传输路径上不同位置处的温度和应变测量的新型传感器，可通过对矿用光缆按照一定方式排列设计成空间曲率传感器，可实现对刮板输送机弯曲形态的感知。具有施工方便、工艺简单、本质安全、能够实现实时、连续、动态传输。封装形式：金属基索线紧包封装纤芯类型：单芯出纤光缆类型：钢绞线金属基光缆截面尺寸：5（mm）可定制8mm、12mm重量：38kg/km光纤损耗：<0.35dB/km26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用矿用分布式光纤空间曲率传感器组成图基于分布式光纤的刮板机弯曲形态拟合原理如图所示为一种基于分布式光纤的柔性基材空间曲率传感器，通过将所示空间曲率传感器固定在刮板输送机侧帮板上，使其与刮板输送机的弯曲形态保持一致，从而实现对刮板输送机三维弯曲形态的拟合监测，能够有效解决智能工作面自动校直关键技术问题。（十五）基于分布式光纤的刮板机直线度监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用智能工作面自动校直的基本思路1、根据工作面地质条件，确定刮板机校直基准线C；2、根据刮板机平面拟合曲线A，确定液压支架推移距离，使刮板输送机成直线状态；3、根据液压支架推移千斤顶的推移距离与液压支架校直基准线B，确定液压支架拉架距离，使液压支架成直线状态。（十五）基于分布式光纤的刮板机直线度监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用表13采煤机定位仪的技术参数采煤机定位仪实物图光纤捷联惯导系统光纤陀螺光纤加速度计量程0-250°/s0-20m/s2零偏稳定性20°/h0.0002m/s2分辨率<0.005°/s0.0001m/s2温度范围-40℃~+85℃重量77g尺寸44.80*45.85*28（mm）（十六）采煤机姿态实时在线监测子系统采用中空结构，主要由光纤陀螺、光纤加速度计、外壳等组成，用于采煤机三维角速度、三维加速度等测量信息，用于实现采煤机定位。具有体积小、重量轻、精度高、能够实现实时、连续、动态传输。26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用采煤机定位仪现场安装示意图（十九）采煤机姿态实时在线监测系统采煤机姿态监测原理概述通过在采煤机内部安装光纤捷联惯导系统，通过实时采集采煤机的三轴加速度跟三轴角速度等定位信息，实现对采煤机的精准定位。并结合地质信息系统、三维信息软件处理系统，能够有效解决智能工作面采煤机姿态监测难、定位精度低等关键技术问题。（十六）采煤机姿态实时在线监测子系统26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用2.装在采煤机上的惯导（包括LASC）系统不能根本解决刮板机找直问题。从采煤工艺分析：采煤机割煤之后是推溜和移架，采煤机轨迹不能代表后面的刮板机实时轨迹。惯导的误差精度问题目前也没有解决。价格也偏高。1.基于分布式光纤的刮板机直线度监测子系统，将光纤传感器固定在刮板输送机侧帮板上，实时、在线监测刮板输送机三维弯曲形态，能够有效解决智能工作面自动找直关键技术问题。关于刮板机直线度智能感知的思考26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（十七）带式输送机分布式感温在线监测子系统带式输送机作为煤矿运输煤炭的主力设备，随着生产任务的不断加重，设备利用率逐步提高，带式输送机由于温度原因造成的损耗和故障率逐步增高，利用温度在线监测系统实时监测皮带机电动机、减速器、滚筒、托辊等温度，一旦发现异常，及时发现和定位故障点，避免重大事故的发生。监测对象（利用感温光缆进行监测）电动机减速器托辊监测轴承温度监测轴承温度滚筒监测轴承温度监测轴承温度26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（十八）高压设备健康状态在线监测子系统开关柜、变压器、电机等高压设备是煤矿井下重大火灾隐患，其运行过程中会产生高温，一旦运行异常，可能引发重大事故，形成井下封闭式火灾，造成重大人员伤亡。高压设备健康状态在线监测系统，实时掌握高温设备的运行状况，及时发现和定位故障点，避免重大事故发生。监测对象（利用感温光缆进行监测）开关柜监测开关柜触点变压器电机监测变压器表面温度监测电机表面温度26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（十九）高压电气线路全程温度在线监测子系统电缆、电缆接头等电气设备遍布煤矿矿区，大电流负载使电缆成为矿区的危险源。电气设备上任意位置的老化和损伤所导致的发热都有可能引发火灾，造成重大事故。监测对象（利用感温光缆进行监测）35kv及以上高压电缆电缆接头电缆桥架监测电缆表面温度监测电缆接头温度监测电缆桥架中电缆发热直线型铺设缠绕型铺设S型铺设26七月20243.3煤矿智能感知系统的应用（二十）通风机运行状态在线监测子系统矿井通风机是煤矿安全生产的关键性设备，担负着矿井上下空气的正常流通，其可靠性及安全性直接关系到矿井生产的正常化及煤矿工人的人身安全。然而由于通风机处于长期不间断的工作状态中，而且工作现场存在诸多复杂和不确定因素，使得该设备可能存在多种故障隐患，为了保证设备安全运行，防止恶性事故的发生，故对通风机运行状态进行状态进行监测，及时发现故障先兆，为生产和维修提供决策依据。监测轴承温度轴承座监测风机振动26七月20244煤矿应用案例26七月20244煤矿应用案例矿井介绍：沙曲煤矿位于山西省吕梁地区柳林县境内，隶属于华晋焦煤有限责任公司。沙曲矿全矿井绝对瓦斯涌出量为440.39m3/min，相对瓦斯涌出量为78.47m3/t，属于高瓦斯矿井。现场条件：沙曲矿14301工作面为南翼三采区第一个4号煤回采工作面，倾角3°～6°，平均4°，工作面走向长220m，平均煤厚2.4m，轨道顺槽1288.3m。，一、山西华晋焦煤有限责任公司沙曲矿14301轨道巷26七月202414301轨道巷支护形式图4煤矿应用案例14301轨道巷支护形式26七月2024光纤光栅顶板离层仪光纤光栅锚杆（锚索）测力计光纤光栅钻孔应力计光纤光栅测力锚杆锚杆（锚索）载荷监测巷道顶板离层监测锚杆杆体应力分布特征监测煤岩体应力监测监测内容4煤矿应用案例14301轨道巷监测内容26七月202414301轨道巷监测测站布置监测测站布置4煤矿应用案例26七月2024序号设备及材料用途数量单位详细说明1计算机接收并显示监测数据1台内嵌分析处理软件，含有多个模块功能2光纤光栅解调仪将光信号解调为电信号1台安设在井上或井下（井下须有工业以太环网）3服务器网络传输中转功能1台通过服务器发布数据，实现数据共享4光纤光栅钻孔应力计监测煤岩体应力、工作面超前支承压力20套2个综合测站，每个测站内布置8套钻孔应力计，则整条巷道共布置16套。（含备用4套）5光纤光栅顶板离层仪监测巷道顶板离层25套试验巷道内每50米布置1个，则整条巷道共布置20套。（含备用5套）6光纤光栅锚杆(锚索)测力计监测锚杆（锚索）载荷大小10套2个综合测站，每个测站内布置4套测力计，则整条巷道共布置8套。（含备用2套）7光纤光栅测力锚杆监测锚杆杆体应力分布特征6套2个综合测站，每个测站内布置2测力锚杆，则整条巷道共布置4套。（含备用2套）8矿用传输光缆高效传输监测数据5千米单模、有MA认证，根据现场需要调整9光纤接线盒连接光纤与光纤若干个以1000m的试验巷道计算，在巷道内布置2个综合测站，则系统需要设备清单如下：4煤矿应用案例监测系统设备清单26七月2024监测系统安装及调试系统光缆线路铺设方法：根据综合测站与传感器设备数量、每个传感器的光波长范围及光纤光栅信号解调主机每个通道的波长扫描范围，确定使用的通道数及每个通道可接传感器数量，光纤光栅信号解调主机的数据通道通过不同芯数的光缆进行各种光纤传感器连接及数据传输。4煤矿应用案例26七月2024监测测站传感器安装4煤矿应用案例26七月2024巷道顶板离层在线监测浅部离层数据分布规律深部离层数据分布规律4煤矿应用案例26七月2024巷道顶板离层在线监测离层仪位置/m初始离层/mm当前离层/mm浅部深部浅部深部20056.56.758.582505.5117.111.4300425.672.943505.576.849.7240011511.538.72450769.169.015008148.7715.21550429.047.04600415.812.9从光纤光栅矿压在线监测系统安装完毕之后的一周之内，14301轨道巷400m处浅部离层量最大，达到11.53mm，500m处深部离层量最大，达到15.21mm。一周以来550m处浅部离层变化量最大，达到5.04mm；400m处深部离层变化量最大，达到3.72mm。总的来说，一周以来巷道顶板离层变化不大，基本上处于稳定状态，但是距离工作面较近的巷道离层受影响较明显。4煤矿应用案例26七月2024巷道围岩应力在线监测围岩实时应力

位置测点深度/m一测站(350m)二测站(600m)左帮/MPa右帮/MPa左帮/MPa右帮/MPa14.704.494.724.4435.195.297.375.9156.776.709.238.16第一测站（350m）巷道两帮垂直应力分布规律4煤矿应用案例26七月2024第二测站（600m）巷道两帮垂直应力分布规律在距离巷道口350m处，第一测站左帮深度为5m的钻孔应力计应力最大，最大值为6.77MPa；第一测站右帮深度为5m的钻孔应力计应力最大，最大值为6.70MPa。距离巷道口600m处，