光纤光栅技术在煤矿安全生产中的应用

[摘 要] 目前光纤传感技术应用于矿井安全监控领域以弥补传统传感器存在测量精度低、稳定可靠性差、易腐蚀和易受电磁干扰等不足。本文介绍了光纤光栅传感原理，讨论了光纤光栅传感技术在煤岩动力灾害、矿井水灾和火灾的应用。研究结果表明光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测量精度高、易于传输、准分布式测量等特点，在煤矿生产中具有广泛的应用前景。

[关键词] 煤矿安全;光纤bragg光栅;光纤bragg光栅传感器;应用

[中图分类号] TD76 [文献标识码] 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

我国是世界第一产煤大国，然而每年因煤与瓦斯突出、冲击地压、冒顶、水灾等矿井灾害造成了大量的生命与财产损失。为解决煤矿安全生产中的问题，我国已将传统的传感技术应用于煤矿生产，在一定程度上实现了煤岩动力的灾害、矿井水灾、火灾以及瓦斯气体等的检测。随着煤炭资源的深部开采，矿井环境的日益复杂，传统的传感器由于温度、湿度、风速等环境因素的影响，稳定性和准确度受到严峻挑战。同时，传统传感器的测量精度低、易腐蚀等特点，为有效监测带来了巨大压力。

20世纪70年代末,光纤传感技术进入研究阶段。光纤bragg光栅(FBG)是光纤传感技术发展的最新成果,它性能优良是一种反射滤波无源敏感元件，能够通过波长的移动来

感应外界微小应力、应变变化而实现对结构在线测量。光纤bragg光栅传感器具有不怕恶劣环境、抗电磁干扰、易于传输、测量精确和准分布式测量等优点。同时，光纤传感器也非常适用于煤矿井下单点或多点多参数检测，是煤矿安全监控的理想选择。

1 光纤光栅的传感原理

利用光纤材料的光敏性，光纤光栅中心波长的变化量与应变、温度等物理变化量成线性关系。根据这样的特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、加速度、位移等多种传感器，并与光纤传感技术相结合，形成基于现代传感技术的实时在线监测系统。光栅光纤(FGB)的结构原理[1]如图1所示。

图1 FBG传感器工作原理图

当一宽谱光源射入光纤，经过光纤光栅会有波长为满足Bragg波长

反射条件的光返回，而其余波长的光波仍然照常传播。

(1)

其中：

为有效纤芯的折射率，

为Bragg传感器光栅的栅距。

光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为：

(5)

式中，

为光纤光栅中心波长的移动量;

为光纤的热膨胀系数;

为光纤材料的热光系数;

为光纤材料的弹光系数。

由此可知，只要测出Bragg波长

的变化

，就可以得到外界的应变或温度扰动;而采用一些特殊的方法，用同一个FBG传感器，还可以同时测出应变与温度扰动。

监测时，FBG传感器的最大优势是它可以实现应力与温度的准分布式测量，也就是将具有不同栅距

的Bragg光栅间隔地制作在同一根光纤上，如图2-2所示，宽带光源从一端入射，由于Bragg反射光的光谱只占入射光光谱中很小的一部分，调整各光栅的栅距

，使它们的具有不同的

，且其Bragg光谱互不重叠，就可以用同一根光纤复用多个FBG传感器，实现对待测结构定点的分布式的测量。由于该复用系统中每一个FBG传感器的位置与

都是确定的，分别对它们的波长移动量

进行检测，就可以准确地对各FBG传感器所在处的扰动信息进行监测。综合所有FBG传感器采集的信息，还可以得到沿光纤轴向的应变场或温度场的分布状态。

2 光纤传感器在煤矿安全监测中的应用

顶板冒落、瓦斯爆炸、矿井突水、矿井火灾、煤尘积聚，还有伴随着深部开采而来的煤与瓦斯突出、冲击地压合称为矿井六大灾害。其中冒顶、煤与瓦斯突出、冲击地压可以统称为矿井动力灾害。通过光纤Bragg传感器对煤岩体位移、支护体应力、温度、瓦斯浓度等相关物理量变化情况的监测，指导矿井灾害的防治。

2.1 矿井动力灾害的防治

煤岩动力灾害是煤岩在外界高应力作用下短时间内发生的一种具有动力效应和灾害后果的现象，其孕育、形成、发生始终与煤岩体应力应变状态及能量积聚释放密切相关。掌握煤岩应力—应变规律，通过实时监测煤岩应力应变状态，可以有效对矿井动力灾害进行预警。

毛灵涛、安里千[2]等人 以自行研制的GWG200( C) 型光栅位移传感器为基础, 建立了一套自动监测顶板离层及围岩变形的实时系统, 并在霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司店坪矿5- 203回采工作面2032轨道回风巷顶板及两帮、峰峰集团九龙矿15228(S)下顺槽进行了顶板离层及围岩变形的监测，取得了良好的效果。

近二十年来，锚杆支护被大力推广，已经成为矿山巷道的主要支护形式。锚杆的受力状况反映了矿井巷道整体的力学状态，对矿井动力灾害的防治具有指导意义。西安科技大学柴静[3]等人将光纤传感器运用到锚杆应力应变实时测量中，通过和电阻应变片测量值的比较，体现出了光纤传感器灵敏度、分辨率高，抗干扰能力强，稳定性好的优势。

近几年来，锚索支护也逐渐兴起。预应力锚索的预应力大小决定了支护的质量。姜德生等人[4]将光纤传感器运用到锚索预应力在线监测上，以汉江某大桥主跨箱梁顶板纵向预应力筋作为测试对象，测试锚索张拉预应力损失，证明了光纤传感器技术检测锚索张拉预应力的可行性。

2.2 矿井水灾的防治

矿井水害是影响和制约我国煤炭生产及煤炭产量的几大障碍之一，随着矿井开采不断向深部延伸，突水的危险性越来越大[5]。渗水或涌水现象在矿井建设和生产过程中常常发生，当水量超过矿井正常排水能力时，矿井采场巷道可能会被淹，造成矿井水灾。导致采矿设备、设施被淹，生产中断，人员伤亡等事故。地表水和地下水是矿井水灾事故的主要水源。因此，可将光纤传感器布置在煤层与含水层之间的关键位置，可实现对隔水层中应力场变化、应变场变化、水压力场变化和水温度场变化的监测和动态分析，从而超前预测矿井水害危险性[6]，采取相应的防治措施，保证矿井生产的安全性和连续性。采用光纤传感技术可以克服常规监测方法的抗干扰性差、怕水、易受电磁影响、易受环境影响等缺点，此外，利用光纤bragg光栅(FBG)可以实现实时监测。

根据光栅传感技术，研制出的光纤bragg光栅(FBG)位移、应力、渗压和温度传感器，可以准确测量相应的煤岩位移、应变、渗压和温度等信息，监测中如果出现应力、位移突然增大或渗压与温度下降，则说明矿井突水危险性增大[6]。

2.3 火灾以及瓦斯气体的防治

矿井火灾和瓦斯气体爆炸一直以来是矿井的重大灾害，一旦发生将会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，对矿井火灾做好准确的预测预报并且采取相应的的防治措施对煤矿的安全生产是必要的。究其原因，矿井火灾的构成要素有可燃物、氧气和热源，三者以一定的比例相互结合作用从而引发火灾，矿井下的可燃物如煤尘、胶带、坑木、机械设备以及电线

是不可避免的，而且井下氧气在正常情况下也是充分的，所以矿井火灾的防治主要是对煤自然、机械摩擦、电线电火花、瓦斯气体爆炸等热源的监测控制。

传统的火灾探测技术灵敏度低、传输距离短、精度低且易受干扰，效果不佳，而光纤bragg光栅火灾探测器和温度传感器[7]灵敏度高、测量精确从而缩短报警时间，在长距离的矿井巷道得到很好的应用。在煤仓、溜煤眼、断层附近、采空区和高冒区等火灾高发区安置火灾探测器与温度传感器在，进行实时监测，并给传感器调定一定的报警温度，如果温度升高达到调定温度，传感器即时报警，说明有发生火灾可能，此时采取积极的温度控制措施，降低温度以防火灾发生。此外，光纤bragg光栅温度传感器可以应用在均压防灭火技术中，利用传感系统检测温度变化确定火源位置。均压防灭火技术[8]是应用在自燃防治现场实践中得到了广泛的一种技术，其与一般的防火技术措施相比具有实用性强、经济、简便、易操作等特点。光纤bragg光栅温度传感器在均压防灭火技术防火时可以在线监测温度和压力变化，大大提高防火效果。

3 结论

光纤bragg光栅(FBG)是光纤传感器根据波长的移动来感应外界微小应力、应变变化而实现对结构在线测量，还可以监测温度、渗压的变化。光纤bragg光栅(FBG)传感器抗电磁干扰好、耐腐蚀强、测量精度高、性能稳定、易于传输、测量距离长、使用寿命长和读数可靠，可很好解决矿井煤岩动力灾害、水灾、火灾以及瓦斯气体等问题，并能及时预报，保证矿井生产的安全性和连续性。

参考文献：

[1] 李毅，柴敬，邱标. 光纤光栅传感技术在锚杆测力计上的应用[J]. 煤矿安全，2009(2)：50-52.

[2] 毛灵涛，安里千，刘庆，等. 光栅位移实时监测系统应用研究[J]. 煤炭科学技术，2007，35(7)：100-102.

[3] 柴敬，兰曙光，李继平，等. 光纤 bragg光栅锚杆应力应变监测系统[J]. 西安科技大学学报，2005，25(1)：1-4.

[4] 姜德生，梁磊，南秋明，等. 新型光纤Bragg光栅锚索预应力监测系统[J]. 武汉理工大学学报，2003 ，(25) ：15-17.

[5] 李连崇，唐春安，李根，杨天鸿.含隐伏断层煤层底板损伤演化及滞后突水机理分析[J]. 岩土工程学报，2009，31(12): 1838-1844.

[6] 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.

[7] 魏世明, 柴敬, 许力. 煤矿用光纤bragg光栅火灾探测系统研究[J].工矿自动化, 2010(5):40-42.

[8] 张国枢, 戴广龙. 煤炭自燃理论与防治实践[M].北京:煤炭工业出版社, 2002.