光纤传感器在煤矿井筒监测系统中的应用.pdf

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1、《自动化与仪器仪表》2016年第12期(总第206期)光纤传感器在煤矿井筒监测系统中的应用阎家光(中煤科工集团重庆研究院重庆，400037)摘要：采用光纤传感器组建煤矿井筒实时监测网络，结合工业级人机界面，实现井筒变形监测的自动化和分析问题的科学化。关键词：光纤传感器；井筒监测；实时监测；检测系统中图分类号：TD325．4文献标识码：BDOI编码：10．14016／j．cnki．100l一9227．2016．12．063Abstract：Byusingopticalfibersensortofo册ac

2、oalmineshaftreal—timemonitoringnetwork，combinedwithindustrialman—machineinted-ace，realizetheautomation0fshaftdefonnationmonitoringandscient旅canalysisoft王leproblem．Keywords：叩ticalfibersensor；wellboremonitoring；real—timemoIlitoring；detectionsystemO引言目前我国煤

3、炭总量的趋势是埋藏深度浅的没曾被逐渐开发，随着开采深度的增加，井筒的深度也相应增加。井筒作为立井生产过程中的唯一通道，它的安全直接影响着煤矿的效益。由于井筒所处地质性质千差万别，地层条件、井壁受力状况复杂多样，井筒在建井过程中或运行过程中出现变形破裂、破坏，从而对煤矿生产带来巨大的经济财产损失和人员伤亡事故发生。因此，对井筒变形和破坏机理进行实时的监测和分析，确保井筒连续安全的生产运行具有十分重要的意义。对于井筒监测来说由于测试环境恶劣、立井井筒施工工艺复杂及作业空间狭小，作业时间仓促等原因，对监测工

4、作提出了很大的难题。目前国内外对于井壁实时监测的监测系统是采用传统的电传感器进行工作的，但是这类传感器具有如下缺点：埋设少时容易出现漏检；埋设太多传感器，则由于引线过多影响结构稳定性；以及传感器与传导线的交接处易于接触不良、断裂而使检测点失效、成活率较低等缺点，在检测中不足以获取井筒稳定状态的所有特征量，难以实现井筒安全预警。基于以上问题，提出了基于分布式光纤传感器监测技术的矿井井壁监测设计。分布式光纤光栅传感器1．1光纤光栅传感器技术原理光纤传感器是20世纪60年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新

5、型传感器，它是光纤和光通讯技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒体，因此，它同时具有光纤及光学测量的特性。光纤光栅(PBC)是沿轴向折射率周期变化的一种光栅，通过相位掩模法在普通光纤上刻写从而形成固定周期的PBC。光纤光栅波长的变化(入射光中心波长入与反射光中心波长地)由光纤光栅的有效折射率和光纤周期决定，在所有引起FBG波长漂移的外界因素中，最直接的为应变(或应力)和温度参量。且呈现出良好的线性关系，因此，通过测量光纤光栅的

6、波长变化就可以知道外界的应力应变和温度的变化。将这种光纤用在井筒的监测中，就可以实时监测井筒受到的外界应力变化。1．2与传统的电传感器相比较，光纤传感器具有如下优点：收稿日期：2016一03一15作者简介：阎家光，男，汉族，四川广安人，本科，工程师，主要研究方向为矿井生产安全性研究，主要从事物探仪器安全性研发工作。序号光纤光栅应力应变传感技术传统电应力应变传感技术l传感器无需供电，无需防爆设计需要供电，需做防爆设计直接测量，直接得到应变、应力间接测量，得到电压／电流信2号需进行转换得到应力、应值，精度

7、高变值光纤既是传感器又是信号传输3易受到周围空间强电干扰媒介，抗电磁干扰测点数多，可串、并联实现自组4网，可多参数测量，达到分布式单点测量，不能自组网，不适测量合井筒在线监测寿命长，光纤本身材料为si02，寿命短，压电晶体易受环境5材质稳定不易受外界环境影响，变化影响变化，通常情况下正常适用情况能达到10年以上用作在线监测只有1—2年可靠性高，在某个传感器失效情况下，其它传感器数据仍可有效电缆一旦断裂，传感器无法6测量，传感器可双端接入，保证进行测量一端段纤仍可有效测量本身传感器传输距离短，通7长距离

8、传输，可达40km常达到10m左右不锈钢材质保护耐化学腐蚀强，普通结构封装，需另加防护8防水防尘达到IP67等级，适和设备保护应用于恶劣环境9传感器体积小，重量轻传感器体积较大、重量重结论：光纤光栅应力应变传感技术适用于长期、大规模组网的分布式在线监测，传统应力应变传感技术适用于单点、短距、短时间临时监测。2基于光纤传感器的井筒监测系统案例2．1煤矿简介本监测系统选择国投新集能源股份有限公司板集矿作为试验矿井。国投新集能源股份有限公司板集矿，位于安徽省利