摘要：煤矿安全生产关系到人民群众的生命和财产安全。通过利用光纤光栅传感技术对进行煤矿安全管理系统实时监测监控系统具有重要的意义。本文详细探讨了光纤光栅传感技术在煤矿安全监测系统中的应用，旨在保证煤矿企业的安全办生产。
关键词：光纤光栅传感技术；煤矿；安全监测系统；应用
对煤矿潜在的安全隐患进行监测是煤矿安全生产的重要保障手段。目前我国煤矿安全监测仍是以传统电子、机械方式为主，部分甚至还是靠人工观测信号。传统电子传感技术在煤矿应用中存在以下问题：① 分布式现场供电难，信号传输难，信号易受干扰；② 系统复杂，每个传感器都配置现场仪表，现场仪表种类繁多；③ 电子器件抗潮湿、腐蚀能力差，使用有效期短，维护费用较高。基于光纤光栅原理制造的传感器通过测量光的波长来测量外界物理量，具有对恶劣环境适应性强、抗电磁干扰能力强、精度高、灵敏度高、易于传输、无源本质安全、准分布式测量等优点。光纤光栅优越的内在特性使得传感器在煤矿井下的恶劣环境下能够稳定工作。因此，将光纤光栅传感技术引入煤矿安全监测中具有重要的意义。
1光纤光栅传感技术概述
光纤光栅传感系统使用光纤作为测量元件和信号传输介质，为提高光纤对温度、应力的敏感程度及准确定位能力，采用国际最先进的光纤局部加工技术，在普通单模光纤上制作一系列的温度敏感区——光纤光栅，这些敏感区可以精确、灵敏地探测到周围温度的细微变化，而光纤的其他部分只是用于信号传输，对机械应力和环境干扰不敏感，从而保证整个光纤光栅传感系统的高灵敏性和可靠性。
光纤光栅传感系统主要由光纤光栅温度传感器、应变传感器、位移传感器、压力传感器（渗压计、土压计）、光纤传感分析仪以及信号传输光缆等几部分组成。
其基本原理是利用光纤光栅传感器内部敏感元件——光纤光栅反射的光学频谱对温度和应力变形的敏感特性，通过光纤光栅传感网络分析仪内部各功能模块完成对光纤光栅传感器的输入光源激励/输出光学频谱分析和物理量换算，以数字方式给出各监测点的物理量测量值，并根据预先设定的数据采集、存储、处理机制和通信程式把信息汇集到桥梁、隧道、水利、石化、电力管理系统。
2光纤光栅传感技术在煤矿安全监控中的应用
2.1煤矿顶板压力监测
煤岩应力（压力）变化是巷道顶板支护发生灾难事故前的重要特征。掌握煤岩应力应变规律是预防煤矿巷道灾难事故的最根本方法之一。光纤光栅锚杆压力传感器用于监测锚杆在工作状态下对岩壁的承托载荷。光纤光栅煤矿顶板压力监测示意如图1所示。压力传感器安装在锚杆托盘与紧固螺母之间，当锚杆受力发生变化时，压力传感器上光纤光栅的受力发生相应改变，引起光纤光栅波长的变化。光纤光栅信号处理器检测到相关信号后即可计算顶板对锚固托盘的作用力、锚杆荷载程度以及围岩稳定性，为煤矿工程技术人员和检测人员优化锚杆抗拉强度、了解所使用锚杆的合理性及经济性提供科学依据。
图1 光纤光栅煤矿顶板压力监测示意
2.2煤矿顶板离层监测
掌握煤岩离层运动及其运动趋势是预防煤矿巷道灾难事故的最直接方法。光纤光栅顶板离层传感器是应用光纤传感技术原理实现的一种顶板离层监测传感器，由锚头、锚绳以及光纤光栅受力支架组成。光纤光栅煤矿顶板离层监测示意如图2所示。安装时将锚头固定在稳定的岩层中，通过锚绳连接光纤光栅受力支架。当巷道顶板有离层现象发生，支架拉动锚绳向下移动时，锚绳上的拉力引起光纤光栅波长的变化。光纤光栅信号处理器检测到相关信号后即可计算出位移量的大小。光纤光栅顶板离层传感器可以监测顶板离层的全过程，能够有效防止顶板坍塌事故的发生，确保煤矿安全生产。
图2 光纤光栅煤矿顶板离层监测示意
2.3煤矿渗压监测
在矿井巷道生产过程中，地面悬湖、悬河以及地下暗河水可通过裂隙、断层、塌陷区等各种通道涌入矿井，当矿井涌水超过正常排水能力时，极易发生透水事故。因此，对巷道岩层渗压进行实时在线监测具有重要的现实意义。光纤光栅渗压计采用压力弹性元件作为传感基底，专为精确测量完全饱和或者部分饱和土壤和岩石中的小孔水压而设计。光纤光栅煤矿渗压监测示意如图3所示。将光纤光栅渗压计通过钻孔方式安装在巷道岩层深处。当岩石水系增大时，压动弹性元件引起光纤光栅波长的变化，光纤光栅信号处理器检测到相关信号后即可计算出水压的大小。
图4 光纤光栅煤矿渗压监测示意
2.4煤矿采空区温度监测
我国煤矿自然发火占总矿井火灾的90％以上。因此，自然发火是矿井防灭火工作中的治理重点。绝大部分自然发火发生在采空区、巷帮破碎煤柱及充填工作面采空区内。采空区一旦自燃，所造成的经济损失非常大。同时采空区温度监测是防治瓦斯事故的重要手段，是预报预防瓦斯发生、发展的有效手段。光纤光栅温度传感器可有效解决采空区温度监测难题。典型采空区温度监测铺设方案如图5所示。20~25支光纤光栅温度传感器每2支之间间隔10 m左右串接成1路，穿入钢管并沿回采工作面铺设。随着工作面的推进，每隔25m左右放置1条温度监测链路，这样在采空区形成一套温度监测分布式网络。温度传感器信号通过巷道传输到信号处理器。
图5 典型采空区温度监测铺设方案
2.5煤矿电气设备温度监测
井下许多电气设备需要进行温度监测，如井下高爆开关断路器会因插接触头接触不良、接触电阻增大、触头温升等影响设备安全；井下各类电力电缆和动力电缆超负荷工作比较普遍，电缆本体、电缆接头、电缆终端经常发热，严重时会引起电缆火灾；井下其他动力设备如大功率电动机、通风机、带式输机等的关键部位均需要进行温度监测。光纤光栅温度监测技术是无电测温技术，有极强的抗强电干扰能力，是电力测温技术的重大突破；可直接实时监测开关柜内部触头、母线排、变压器内部绕组、油温、高压电缆部、外部或接头、人工不便于靠近或对人有害的场所。光纤光栅温度监测精确、安全，而且对被测设备的运行无不良影响。
3 结束语
综上所述，随着现代科技不断进步和社会的不断进步，安全生产的理念逐渐深入人心。光纤光栅煤矿安全监控系统可实现多种物理量的在线实时监测，同时系统具有可扩充性，随着光纤光栅技术的不断发展，其他光纤光栅传感器能够无缝、无差异地接入系统，在煤矿安全监测中的应用具有重要的意义。
参考文献
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[2]冯现大，李树忱，李术才，等.矿井突水模型试验中光纤传感器的研制及其应用[J].煤炭学报，2010，35(2)：283-287.
论文作者:唐兆广
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：光栅论文; 光纤论文; 顶板论文; 煤矿论文; 采空区论文; 温度论文; 信号论文; 《电力设备》2019年第8期论文;