光纤光栅传感器在煤矿巷道实时监测系统的研究.pdfVIP

第3期 岩土锚固工程 N0．3 2013年O9月 YANTU MA0GU G0NGCHENG September 2013 光纤光栅传感器在煤矿巷道实时监测 系统的研究 张 杰 (上海启鹏工程材料科技有限公司) [摘 要] 光纤光栅传感器是应用光纤光栅传感的原理，通过光波信息的变化对物体的应变、压强、 温度、位移、振动等物理量进行测量，经过计算机软件的处理后利用现有互联网传输至相关人员，具 有抗电磁干扰、无电源、本质安全、远距离传输 、可以串／并连接 ，形成分布式测量等优点，在煤矿 安全监测中具有广泛的应用前景。本文介绍了光纤光栅FBG传感原理 ，阐述了由光纤光栅传感器构成 的煤矿巷道顶板支护安全监测系统的实现方法和系统构成。 [关键词】光纤光栅 煤矿安全 安全监测 1 引言 反射式无源敏感元件，通过光栅反射波长的变 煤矿巷道支护与顶板管理是煤炭安全生 化来感知环境的应力或者温度的变化。光纤光 产中极为重要环节 ，而煤矿顶板事故又是矿井 栅具有抗 电磁干扰、无源本质安全、远距离传 地下开采过程中顶板岩石失稳冒落引发的重要 输、串／并连接构成分布式测量等优点，在煤矿 灾害的首要原因。长期以来，我国煤矿顶板事 安全监测中将具有广泛的推广应用前景。 故死亡人数居高不下。据统计2011年全 国煤矿 共发生事故1200起，死亡1950人，其中顶板事 2 光纤光栅传感原理 故造成的死亡事故509起，死亡600人，巷道顶 光纤光栅是在光纤的纤芯中通过紫外刻 板事故已经成为影响煤矿安全生产的重大事故 蚀 ，在光能形成周期性折射率变化的一段光 源。煤矿安全形势依然严峻。 纤，是以光为变换和传输的载体 ，利用光纤来 20世纪90年代以来，我 国煤矿巷道以锚 传输信号。被测物理量引起光纤光栅传感器内 杆支护为核心的支护方法取得了跨越式发展 ， 置光栅的长度、折射率、直径产生变化，进而 极大地改善了巷道顶板的安全状况。但是巷道 引起光栅 内反射光或透射光的频率发生偏移 ， 顶板事故仍然威胁煤矿的安全生产和矿工的生 通过对应的变换就得到实际物理量的各种变化 命安全。 目前对巷道顶板压力、位移、锚杆受 值，这样的变化值将会反射特定波长的光谱 ， 力状况等直接影响巷道安全的因素监测仍采 所反射的中心波长为： 用传统的、常规的、机械或电感式的方法，大 2B=2nez人 部分甚至还有靠人工观测 ，不能实现实时 自动 式中 一被反射的波长； 监测及数据传输，不能实现对巷道围岩压力、 刀 一 光纤光栅的有效折射率； 应力、位移、锚杆受力状况的预测、预警。因 人一一 光栅周期。 此，实时、动态地巷道顶板监测技术是保证矿 通过拉伸或压缩光纤光栅 ，或者改变温 井安全生产的必由之路。 度可以达到改变光纤光栅的周期人和有效折射 煤矿井下阴暗潮湿、振动、电磁干扰、存 率n从而达到改变光纤光栅的反射波长 的目 在易燃易爆气体等因素导致煤矿安全监测要求 的。而且光纤光栅的中心波长的变化量和应 较高的安全