付宏偉

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000）

0 引言

在煤礦頂板監(jiān)測方面，目前仍是以傳統(tǒng)的電子、機(jī)械方式為主，部分甚至還是靠人工觀測。相比之下，基于光纖光柵原理制造的傳感器通過測量光的波長來判斷外界物理量，具有對惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，基于該原理的智能錨桿具備應(yīng)力自監(jiān)測功能，可實(shí)時進(jìn)行應(yīng)力數(shù)據(jù)采集和安全狀態(tài)評估，配合錨桿監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境條件下對煤礦頂板狀態(tài)的實(shí)時在線監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警，對于保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義[1-2]。

1 光纖光柵的優(yōu)勢及傳感機(jī)理

當(dāng)前，在傳感器應(yīng)力應(yīng)變設(shè)計原理方面，常用的應(yīng)變傳感器為振弦式應(yīng)變計、電阻式應(yīng)變計以及光纖光柵應(yīng)變計，其特性對比如表1 所示。

表1 常見的應(yīng)變計特性對比

電阻式應(yīng)變計是傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感元件，解調(diào)設(shè)備比較成熟，但其受環(huán)境影響較大，長期應(yīng)變測試的結(jié)果會嚴(yán)重失真，只適用于短期應(yīng)變測量；振弦式應(yīng)變計傳感器輸出信息為頻率特征，不受導(dǎo)線長度的影響，靈敏度和穩(wěn)定性也較好，但由于振弦蠕變的原因，正常使用期僅為3 年左右。相比之下，光纖光柵傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、傳輸頻帶較寬等優(yōu)點(diǎn)，且采用分布或者準(zhǔn)分布式測量，能夠用一根光纖測量多點(diǎn)或者無限多自由度的參數(shù)分布，具備傳統(tǒng)的機(jī)械類、電子類、微電子類等分立型器件無法實(shí)現(xiàn)的功能，是傳器技術(shù)的新發(fā)展。光纖光柵本質(zhì)就是光纖，是利用摻鍺光纖非線性吸收效應(yīng)的紫外全息曝光等方法使纖芯中某一段長度上折射率周期性變化。根據(jù)模耦合理論，光纖光柵會反射特定波長的光信號，其中波長λB=2nΛ（λB為光纖光柵的中心波長；n 為纖芯的有效折射率；Λ 為光柵周期），其他波長的光信號繼續(xù)沿光纖傳播，如圖1 所示。

圖1 光纖光柵的工作原理示意圖

2 光纖光柵智能錨桿及平臺的設(shè)計研發(fā)

2.1 光纖光柵智能錨桿設(shè)計原理

基于光纖光柵的優(yōu)勢及傳感機(jī)理，提出一種監(jiān)測復(fù)雜荷載作用的智能錨桿，可以利用植入FBG 應(yīng)變傳感器將錨桿封裝為FBG 智能錨桿對錨桿在工作狀態(tài)下全長范圍內(nèi)的應(yīng)變、軸向力、彎矩、剪應(yīng)力及錨桿變形等參數(shù)實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對多節(jié)點(diǎn)處復(fù)合荷載自動分離與在線監(jiān)測；同時引入FBG 溫度傳感器，對應(yīng)變檢測結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，對煤礦巷道及煤層環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，以預(yù)警煤礦巷道的災(zāi)害隱患。

要實(shí)現(xiàn)對錨桿的應(yīng)力監(jiān)測，判斷出錨桿截面最大應(yīng)力，需要在錨桿多個截面上120°對稱布置3 個應(yīng)力傳感器，通過多個傳感器的綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)推導(dǎo)出整個鉆桿的應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對其應(yīng)力監(jiān)測。選擇通過開槽布設(shè)傳感器的方式對錨桿進(jìn)行封裝，可防止其受外部剮蹭的損壞。錨桿軸的軸截面徑向互成120°的位置設(shè)3 個槽，在槽內(nèi)植入光纖光柵應(yīng)變傳感器。可通過傳感器的靈敏度調(diào)節(jié)，來改變智能錨桿的量程。通過標(biāo)定試驗(yàn)獲得所測試的錨桿量程，根據(jù)實(shí)際圍巖受力分析和實(shí)測結(jié)果綜合考慮，調(diào)整傳感器的量程，以得到最優(yōu)智能錨桿配置。

2.2 智能錨桿監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

根據(jù)智能錨桿的應(yīng)用需求，需要建立一套監(jiān)測管理系統(tǒng)來對所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行全面的自動監(jiān)測和管理，以減輕系統(tǒng)管理員的維護(hù)工作量，提高管理水平。系統(tǒng)應(yīng)包括傳感器單元子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及控制子系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)等模塊。其中，傳感器與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)獲取的前端，數(shù)據(jù)存儲管理子系統(tǒng)為聯(lián)系各子系統(tǒng)的紐帶和中心。數(shù)據(jù)分析及控制系統(tǒng)涵蓋了安全報警與狀態(tài)評估，為整個系統(tǒng)的功能核心，用于對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、并具備預(yù)警和結(jié)構(gòu)評估功能，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果、評估結(jié)論的圖表顯示，人工信息的錄入，指令的輸入等。具體搭建情況如下：

1）遠(yuǎn)程監(jiān)測部分使用B/S 結(jié)構(gòu)，用戶通過瀏覽器即可登錄使用系統(tǒng)。在這種結(jié)構(gòu)下，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實(shí)現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實(shí)現(xiàn)?？珊喕丝蛻舳瞬僮?，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級成本，能實(shí)現(xiàn)不同的人員，從不同的地點(diǎn)，以不同的接入方式訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫，它能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺和管理訪問權(quán)限，保障服務(wù)器數(shù)據(jù)庫安全。

2）各系統(tǒng)間通過光纖網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進(jìn)行運(yùn)作，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、PC 機(jī)、專用工控機(jī)以及各種放大器、傳感器等組成。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往下由工控機(jī)、信號調(diào)理器、傳感器等構(gòu)成微型網(wǎng)絡(luò)，以保證系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)充性，以便系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)和監(jiān)測規(guī)模的擴(kuò)大。整個系統(tǒng)采用環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)正常運(yùn)行的可靠性。

3）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能：巷道實(shí)時監(jiān)測管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫服務(wù)、系統(tǒng)管理（用戶管理、角色管理、權(quán)限管理）、傳感器管理（傳感器配置）、數(shù)據(jù)分析（按用戶需求選擇并分析不同監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù)）、項目管理（沉降監(jiān)測、溫度監(jiān)測、應(yīng)變監(jiān)測、裂縫監(jiān)測）等。

3 智能錨桿監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)及應(yīng)用

首先需要現(xiàn)場調(diào)研巷道地質(zhì)特征、技術(shù)條件及采動巷道圍巖環(huán)境狀態(tài)等，總結(jié)分析巷道對于錨桿支護(hù)及監(jiān)測的具體需求。然后基于光纖傳感理論與技術(shù)，對傳感器及錨桿進(jìn)行封裝。最后根據(jù)煤礦現(xiàn)場條件及技術(shù)要求，對監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測儀器進(jìn)行測試和標(biāo)定，對軟硬件兼容性、系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)試，試驗(yàn)過程中，布置合理的傳感器監(jiān)測位置及實(shí)施方法，確定安全監(jiān)測系統(tǒng)合理的預(yù)警極限值，實(shí)現(xiàn)礦井安全實(shí)時連續(xù)監(jiān)測。試驗(yàn)驗(yàn)證指標(biāo)情況為：錨桿支護(hù)力測量范圍≥600 kN，傳輸距離≥5 km，頂板變形預(yù)警準(zhǔn)確率≥90%，試點(diǎn)區(qū)域傳感器覆蓋率≥80%，技術(shù)成熟度達(dá)到7 級應(yīng)用水平，能夠勝任頂板應(yīng)力監(jiān)測的任務(wù)，并在試點(diǎn)巷道連續(xù)運(yùn)行超過2 000 h。

4 結(jié)論

1）基于光纖光柵的優(yōu)勢及傳感機(jī)理，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力自監(jiān)測的智能錨桿，該錨桿能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)實(shí)時采集和安全狀態(tài)評估等功能，能夠解決錨桿實(shí)際工作中的應(yīng)力實(shí)時監(jiān)測難題。

2）研發(fā)出智能錨桿監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)測和超限預(yù)警、系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)自動存儲、歷史查詢以及數(shù)據(jù)信息共享等功能?？蔀楝F(xiàn)場解決具體技術(shù)問題，并掌握礦井安全監(jiān)測參量的實(shí)時變化規(guī)律。

3）成功進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，對系統(tǒng)的各項指標(biāo)進(jìn)行測試，具有對惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、精度高、靈敏度高、易于傳輸、無源本質(zhì)安全、準(zhǔn)分布式測量等優(yōu)點(diǎn)，估算年產(chǎn)值可達(dá)500 萬元以上，且可減少95%的頂板事故，綜合效益顯著。