基于FBG傳感器的巷道頂板離層狀態(tài)智能監(jiān)測

當前，我國正處于技術革新時代，煤炭作為很多化工產品的原材料，隨著工業(yè)發(fā)展，其需求量也會越來越高，同時煤炭開采所帶來的生產問題也越來越受到關注。目前，由于開采深度的增加，國內煤礦在開采過程中往往面臨“三高一擾動”的問題，從而導致巷道頂板離層、脫落等現象越來越嚴重，對煤礦工人的生命安全帶來極大隱患。在煤礦監(jiān)測中應用光纖傳感技術，可有效借助光纖本質特點，達到煤礦安全要求的防爆性能。
　　1煤礦巷道頂板概述
　　煤礦井下位于煤層上方的巖層稱為頂板，可分為偽頂、直接頂和老頂三類。偽頂較為薄弱，是指隨著掘進或回踩隨即掉落的巖石;直接頂巖層較為薄弱，極易發(fā)生坍塌事故，須在采空區(qū)暫時由支架支撐，防止坍塌;老頂是最上層的巖層帶，在偽頂或直接頂之上，老頂有較大的巖層密度，通常情況下不會出現垮塌現象。不同的巷道頂板部分，煤礦巖層厚度不同，偽頂巖層厚度大約在0～0.7米，直接頂巖層厚度大概在9～10米，而老頂巖層厚度則在8～9米以上，巖層相對較后，不容易出現垮塌現象。
　　2FBG傳感器的工作原理
　　2.1FBG位移傳感器工作原理
　　FBG位移傳感器的工作原理如下：（1）金屬桿產生位移時，會帶動彈黃產生相應的位移;（2）彈簧產生位移后，促使等強度懸臂梁的自由端產生相應變化，由于光纖光柵粘貼于等強度的懸臂梁上，因此，在等強度懸臂梁自由端產生變化時，光纖光柵的波長也會相應產生移位。此時可以結合光纜和調制解調器的作用，對移位現象進行在線測量。
　　2.2FBG壓力傳感器的工作原理
　　FBG壓力傳感器主要是壓力的傳遞，對壓力進行實時監(jiān)測的過程，其工作原理如下：（1）傳感器通過壓力作用，使一次膜片感受到壓力，并將該壓力通過傳壓油腔和圓球均勾傳遞到等強度懸臂梁的自由端，與FBG位移傳感器工作原理相似，待該壓力傳遞到等強度懸臂梁自由端之后，使粘貼在等懸臂梁中心軸線上的光纖光柵波長產生移位，之后再進行下一步操作;（2）借助智能監(jiān)測系統(tǒng)對光纖光柵波長的移位和壓力進行實時監(jiān)測，經檢測并計算得出該傳感器的分辨率為0.002MPa。
　　3基于FBG傳感器的巷道頂板離層狀態(tài)智能監(jiān)測
　　3.1監(jiān)測方案制定
　　根據當前煤礦工程發(fā)展現狀，煤礦事故頻發(fā)，現階段對煤礦安全生產管理工作關注度越來越高，煤礦生產安全不僅關系著煤礦工程的順利進行，更關系著煤礦工人的生命安全，因此，針對煤礦安全生產要求，利用光纖光柵傳感器對與煤礦巷道頂板安全相關的溫度、位移等參量進行實時監(jiān)測，實時了解煤礦工作進程、煤礦內部工作面及巷道頂板溫度、壓力等。監(jiān)測到的信息借助傳感器中光纖骨干網進行傳輸，通過研發(fā)對應的檢測系統(tǒng)軟件對光柵信息進行轉換，并將監(jiān)測到的信息保存到遠程數據中心，實現數據的實時傳輸。
　　3.2實時監(jiān)測設計與實現
　　實時監(jiān)測是FBG傳感器檢測系統(tǒng)的主要功能，具有即時性，能對煤礦里的狀況進行實時監(jiān)控，使外界人員能隨時隨地了解煤礦情況，通過實時監(jiān)測系統(tǒng)可以提供給用戶最為直觀的界面，通過該監(jiān)測系統(tǒng)，用戶可以更加方便的進行報警工作，通過向檢測器提交實時監(jiān)測請求后，檢測器會檢查傳感器的信息，進而找到實時監(jiān)測數據。如果用戶確實需要提交報警信息，則需根據上述流程進行報警操作，待顯示器現實處理已完成，說明整個實測交互時間關系已完成。
　　4結果與討論
　　隨著社會經濟發(fā)展，以及科學技術的進步，越來越多的企業(yè)開始大規(guī)模建立，尤其是化工企業(yè)的發(fā)展如日中天，煤炭作為化工企業(yè)的主要原材料，企業(yè)的快速發(fā)展預示著煤炭資源將供不應求，大規(guī)模的煤炭開采亟待進行，對煤礦的安全生產帶來極大隱患。煤礦在開挖過程中，巷道圍巖會在自身的重力作用下產生一種應力場，隨著煤礦開挖深度的加深，這種應力場作用會增大，進而破壞巷道圍巖的受力平衡，如果不及時支護或支護不合理，極有可能會出現開挖區(qū)域的圍巖脫落現象，造成頂板離層乃至冒頂事故。煤礦巷道頂板離層作為巷道變形的直觀反應，實現對離層值的實時監(jiān)測對維護煤礦巷道的頂板穩(wěn)定有著重要的意義。