光纖光柵技術在煤礦安全生產中的應用

[摘 要] 目前光纖傳感技術應用於礦井安全監控領域以彌補傳統傳感器存在測量精度低、穩定可靠性差、易腐蝕和易受電磁幹擾等不足。本文介紹了光纖光柵傳感原理，討論了光纖光柵傳感技術在煤岩動力災害、礦井水災和火災的應用。研究結果表明光纖光柵傳感器具有抗電磁幹擾、耐腐蝕、測量精度高、易於傳輸、準分布式測量等特點，在煤礦生產中具有廣泛的應用前景。

[關鍵詞]煤礦安全;光纖bragg光柵;光纖bragg光柵傳感器;應用

[中圖分類號] TD76 [文獻標識碼] B

Application of FBG in Coal Mine Safety

Abstract: At present, applications of FBG sensing technology can make up for traditional sensors which has disadvantages of low precision, poor stability and reliability, easy corrosion and easily disturbed by EMI. Sensing theory of FBG was introduced and discusses the application of preventing and controlling dynamic disaster of coal and rock, mine water, mine fire. The results show that FGB has advantages of ant-EMI , easy transmitting, accurate measurement , quasi-distributed sensing ,etc. It has a wide application prospect in coal mine safety monitoring.

Key words: coal mine safety, FGB, FGB sensor, application

0 引言

我國是世界第一產煤大國，然而每年因煤與瓦斯突出、衝擊地壓、冒頂、水災等礦井災害造成了大量的生命與財產損失。為解決煤礦安全生產中的問題，我國已將傳統的傳感技術應用於煤礦生產，在一定程度上實現了煤岩動力的災害、礦井水災、火災以及瓦斯氣體等的檢測。隨著煤炭資源的深部開采，礦井環境的日益複雜，傳統的傳感器由於溫度、濕度、風速等環境因素的影響，穩定性和準確度受到嚴峻挑戰。同時，傳統傳感器的測量精度低、易腐蝕等特點，為有效監測帶來了巨大壓力。

20世紀70年代末,光纖傳感技術進入研究階段。光纖bragg光柵(FBG)是光纖傳感技術發展的最新成果,它性能優良是一種反射濾波無源敏感元件，能夠通過波長的移動來

感應外界微小應力、應變變化而實現對結構在線測量。光纖bragg光柵傳感器具有不怕惡劣環境、抗電磁幹擾、易於傳輸、測量精確和準分布式測量等優點。同時，光纖傳感器也非常適用於煤礦井下單點或多點多參數檢測，是煤礦安全監控的理想選擇。

1 光纖光柵的傳感原理

利用光纖材料的光敏性，光纖光柵中心波長的變化量與應變、溫度等物理變化量成線性關係。根據這樣的特性，可將光纖光柵製作成應變、溫度、壓力、加速度、位移等多種傳感器，並與光纖傳感技術相結合，形成基於現代傳感技術的實時在線監測係統。光柵光纖(FGB)的結構原理[1]如圖1所示。

圖1 FBG傳感器工作原理圖

當一寬譜光源射入光纖，經過光纖光柵會有波長為滿足Bragg波長

反射條件的光返回，而其餘波長的光波仍然照常傳播。

(1)

其中：

為有效纖芯的折射率，

為Bragg傳感器光柵的柵距。

光纖光柵的中心波長與溫度和應變的關係為：

(5)

式中，

為光纖光柵中心波長的移動量;

為光纖的熱膨脹係數;

為光纖材料的熱光係數;

為光纖材料的彈光係數。

由此可知，隻要測出Bragg波長

的變化

，就可以得到外界的應變或溫度擾動;而采用一些特殊的方法，用同一個FBG傳感器，還可以同時測出應變與溫度擾動。

監測時，FBG傳感器的最大優勢是它可以實現應力與溫度的準分布式測量，也就是將具有不同柵距

的Bragg光柵間隔地製作在同一根光纖上，如圖2-2所示，寬帶光源從一端入射，由於Bragg反射光的光譜隻占入射光光譜中很小的一部分，調整各光柵的柵距

，使它們的具有不同的

，且其Bragg光譜互不重疊，就可以用同一根光纖複用多個FBG傳感器，實現對待測結構定點的分布式的測量。由於該複用係統中每一個FBG傳感器的位置與

都是確定的，分別對它們的波長移動量

進行檢測，就可以準確地對各FBG傳感器所在處的擾動信息進行監測。綜合所有FBG傳感器采集的信息，還可以得到沿光纖軸向的應變場或溫度場的分布狀態。

2 光纖傳感器在煤礦安全監測中的應用

頂板冒落、瓦斯爆炸、礦井突水、礦井火災、煤塵積聚，還有伴隨著深部開采而來的煤與瓦斯突出、衝擊地壓合稱為礦井六大災害。其中冒頂、煤與瓦斯突出、衝擊地壓可以統稱為礦井動力災害。通過光纖Bragg傳感器對煤岩體位移、支護體應力、溫度、瓦斯濃度等相關物理量變化情況的監測，指導礦井災害的防治。

2.1 礦井動力災害的防治

煤岩動力災害是煤岩在外界高應力作用下短時間內發生的一種具有動力效應和災害後果的現象，其孕育、形成、發生始終與煤岩體應力應變狀態及能量積聚釋放密切相關。掌握煤岩應力—應變規律，通過實時監測煤岩應力應變狀態，可以有效對礦井動力災害進行預警。

毛靈濤、安裏千[2]等人 以自行研製的GWG200( C) 型光柵位移傳感器為基礎, 建立了一套自動監測頂板離層及圍岩變形的實時係統, 並在霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司店坪礦5- 203回采工作麵2032軌道回風巷頂板及兩幫、峰峰集團九龍礦15228(S)下順槽進行了頂板離層及圍岩變形的監測，取得了良好的效果。

近二十年來，錨杆支護被大力推廣，已經成為礦山巷道的主要支護形式。錨杆的受力狀況反映了礦井巷道整體的力學狀態，對礦井動力災害的防治具有指導意義。西安科技大學柴靜[3]等人將光纖傳感器運用到錨杆應力應變實時測量中，通過和電阻應變片測量值的比較，體現出了光纖傳感器靈敏度、分辨率高，抗幹擾能力強，穩定性好的優勢。

近幾年來，錨索支護也逐漸興起。預應力錨索的預應力大小決定了支護的質量。薑德生等人[4]將光纖傳感器運用到錨索預應力在線監測上，以漢江某大橋主跨箱梁頂板縱向預應力筋作為測試對象，測試錨索張拉預應力損失，證明了光纖傳感器技術檢測錨索張拉預應力的可行性。

2.2 礦井水災的防治

礦井水害是影響和製約我國煤炭生產及煤炭產量的幾大障礙之一，隨著礦井開采不斷向深部延伸，突水的危險性越來越大[5]。滲水或湧水現象在礦井建設和生產過程中常常發生，當水量超過礦井正常排水能力時，礦井采場巷道可能會被淹，造成礦井水災。導致采礦設備、設施被淹，生產中斷，人員傷亡等02manbetx.com 。地表水和地下水是礦井水災02manbetx.com 的主要水源。因此，可將光纖傳感器布置在煤層與含水層之間的關鍵位置，可實現對隔水層中應力場變化、應變場變化、水壓力場變化和水溫度場變化的監測和動態03manbetx ，從而超前預測礦井水害危險性[6]，采取相應的防治措施，保證礦井生產的安全性和連續性。采用光纖傳感技術可以克服常規監測方法的抗幹擾性差、怕水、易受電磁影響、易受環境影響等缺點，此外，利用光纖bragg光柵(FBG)可以實現實時監測。

根據光柵傳感技術，研製出的光纖bragg光柵(FBG)位移、應力、滲壓和溫度傳感器，可以準確測量相應的煤岩位移、應變、滲壓和溫度等信息，監測中如果出現應力、位移突然增大或滲壓與溫度下降，則說明礦井突水危險性增大[6]。

2.3 火災以及瓦斯氣體的防治

礦井火災和瓦斯氣體爆炸一直以來是礦井的重大災害，一旦發生將會造成巨大的經濟損失和人員傷亡。因此，對礦井火災做好準確的預測預報並且采取相應的的防治措施對煤礦的安全生產是必要的。究其原因，礦井火災的構成要素有可燃物、氧氣和熱源，三者以一定的比例相互結合作用從而引發火災，礦井下的可燃物如煤塵、膠帶、坑木、機械設備以及電線

是不可避免的，而且井下氧氣在正常情況下也是充分的，所以礦井火災的防治主要是對煤自然、機械摩擦、電線電火花、瓦斯氣體爆炸等熱源的監測控製。

傳統的火災探測技術靈敏度低、傳輸距離短、精度低且易受幹擾，效果不佳，而光纖bragg光柵火災探測器和溫度傳感器[7]靈敏度高、測量精確從而縮短報警時間，在長距離的礦井巷道得到很好的應用。在煤倉、溜煤眼、斷層附近、采空區和高冒區等火災高發區安置火災探測器與溫度傳感器在，進行實時監測，並給傳感器調定一定的報警溫度，如果溫度升高達到調定溫度，傳感器即時報警，說明有發生火災可能，此時采取積極的溫度控製措施，降低溫度以防火災發生。此外，光纖bragg光柵溫度傳感器可以應用在均壓防滅火技術中，利用傳感係統檢測溫度變化確定火源位置。均壓防滅火技術[8]是應用在自燃防治現場實踐中得到了廣泛的一種技術，其與一般的防火技術措施相比具有實用性強、經濟、簡便、易操作等特點。光纖bragg光柵溫度傳感器在均壓防滅火技術防火時可以在線監測溫度和壓力變化，大大提高防火效果。

3 結論

光纖bragg光柵(FBG)是光纖傳感器根據波長的移動來感應外界微小應力、應變變化而實現對結構在線測量，還可以監測溫度、滲壓的變化。光纖bragg光柵(FBG)傳感器抗電磁幹擾好、耐腐蝕強、測量精度高、性能穩定、易於傳輸、測量距離長、使用壽命長和讀數可靠，可很好解決礦井煤岩動力災害、水災、火災以及瓦斯氣體等問題，並能及時預報，保證礦井生產的安全性和連續性。

參考文獻：

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[5] 李連崇，唐春安，李根，楊天鴻.含隱伏斷層煤層底板損傷演化及滯後突水機理03manbetx [J]. 岩土工程學報，2009，31(12): 1838-1844.

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[8] 張國樞, 戴廣龍. 煤炭自燃理論與防治實踐[M].北京:煤炭工業出版社, 2002.