13基于光纤传感器的煤矿安全监测系统.ppt

基于光纤传感器的煤矿安全监测系统,刘统玉山东省科学院激光研究所,汇报提纲,研究背景和目的,1,,光纤传感器技术优势及应用效果,2,,总结,3,4,4,,2,,光纤传感器关键技术及应用,1,一、研究背景和目的,我国煤炭行业大力实施安全发展、科技兴安战略以来，安全生产水平得到持续好转，安全监控和信息系统发挥了关键作用。,2,然而2013年煤炭行业依然死亡近1200人，煤矿还居于高危行业。,由于当前电子技术的局限性，当前的安全监控系统的可靠性和灾害监测预警能力依然存在很大不足。,3,3,3,煤矿死亡人数事故分类统计（20032008）,煤矿存在瓦斯、顶板、水、火、粉尘等主要灾害,一、研究背景和目的,瓦斯和顶板事故死亡人数占75以上；随着煤炭往深部开采，冲击地压灾害逐年增加；机电设备故障可导致火灾、爆炸等次生灾害。,4,4,我国煤矿生产条件极其复杂，国家安全科技十二五规划加强研究“超前感知、预测预警”；安全监测监控（环境、设备、人三位一体全方位管控）是重要手段，传感器技术是关键,一、研究背景和目的,煤矿安全监测监控系统由传感器、数据传输、信息处理和控制等三部分组成。监控系统的性能从根本上受制于传感器技术水平。当前使用的电子类传感器可靠性差、维护工作量大，经常导致系统误报；由于传感器需要电源供电，对于采空区等煤矿重大危险源依然存在监测盲区；煤矿一旦发生重大灾变，井下电源中断，会引起通信和安全监测系统瘫痪，难以进行科学高效施救。因此，只有进行传感器技术创新，才能提升安全监控系统的可靠性。,一、研究背景和目的,5,光纤传感器与光纤一体化既采集信息又传输信息。通过改变光纤内所传输的激光特性来实现对温度、应变、声音、气体等参数的精确检测，具有下列独特优势不带电、本质安全，不受电磁场干扰，长期稳定、可靠性高；便于多点、多参数、远距离在线监测；性价比高，维护成本低。采用激光代替电压电流，光缆代替电缆，在本质安全方面实现重大突破。,一、研究背景和目的,6,一、研究背景和目的,建立新一代煤矿安全光纤监测和应急信息系统,,解决煤矿监测预警和应急技术瓶颈,,研发煤矿采空区发火、顶板、机电设备状态、水文、瓦斯等安全监控系统,研发煤矿光纤应急通信及信息系统,研发光纤传感矿用监测仪器、分站,研发光纤温度、振动、顶板离层、矿压、微震、水位、声音、甲烷气体等传感器,总体研究思路,7,光纤传感器系列,矿用分站,安全监测子系统,应急信息系统,承担5项国家级科研任务,“十一五”国家科技支撑计划课题-与重庆煤科院合作,“光纤瓦斯传感器关键技术研究”,“十一五”国家科技支撑计划课题-与中国矿大合作,“光纤声发射传感器和冲击地压监测技术研究”,国家863课题光纤高温高压传感器,国家863课题光纤地震检波器,“十一五”国家科技支撑计划课题-与沈阳煤科院合作,“光纤一氧化碳传感器关键技术研究”,山东省重大科技专项,承担多项山东省高新技术自主创新专项,“全光纤温度、压力、振动、有害气体在线智能检测装备”,国际领先水平光纤气体、温度、超声、应变等多参数传感器；全光纤煤矿安全信息系统。,二、光纤传感器关键技术及应用,4、基于矿用光纤传感器的矿山灾害监测技术,3、基于光纤无源传感器的应急信息系统,2、基于可调谐激光吸收光谱的气体检测技术,1、基于光纤的物理量检测传感器和矿用监测分站,10,光纤光栅是一个反射型的窄带滤波器。当温度、应变等发生变化时，反射波长发生改变。通过对波长的精确测量可以获得被测信息。,1.基于光纤的物理量检测传感器和矿用监测分站,11,光纤温度传感器,1.基于光纤的物理量检测传感器和矿用监测分站,矿用光纤温度传感器，可用于供电设备、电缆接头、机电装备状态在线监测预警；铠装光缆、钢桶型温度传感器可用于采空区温度在线监测。,12,技术优势漂移小、长期稳定；可用于实时在线监测。,采用窄带半导体激光器频率跟踪技术进行解调。,1.基于光纤的多物理量检测传感器和矿用监测分站,在实现高检测灵敏度的同时，成功地消除了温度、应变等环境因素影响。,光纤振动／微震传感器,光纤顶板离层仪,1.基于光纤的物理量检测传感器和矿用监测分站,矿用光纤顶板离层仪通过内部精密的机械结构将位移转化为光纤光栅传感敏感元件波长的变化，从而进行位移的监测。,14,技术优势漂移小、长期稳定；可用于实时在线监测。,光纤矿压传感器,.,1.基于光纤的多物理量检测传感器和矿用监测分站,光纤矿压传感器基于光纤光栅原理设计，通过悬臂梁结构，将矿压转化为光纤光栅波长的变化。,15,技术优势采用温度补偿技术，提高了稳定性。,光纤锚杆应力传感器,矿用光纤水位传感器是一种光纤光栅型传感器，当水位变化时，传感器底部的弹性膜片受压力变化，该形变转化为光纤光栅波长的变化。,1.基于光纤的多物理量检测传感器和矿用监测分站,16,采用双光栅设计实现对水位、温度两个参数的测量。,,1.基于光纤的多物理量检测传感器和矿用监测分站,17,可以连接24芯光纤，300个不同的光纤光栅传感器（温度、位移、水位、振动等）。,宽带光源,2.基于可调谐激光吸收光谱的矿用气体检测技术,基于光纤传输波段近红外光谱吸收原理，测量扩散到光纤探头气室内的光谱吸收量，由此得到气体浓度。,18,通过窄带激光波长扫描，保障测量波段仅有被测气体一个吸收峰，消除了来自其他气体的交叉干扰。,,,,,,,L,,C气体浓度；A光谱吸收度；L光程；P气体压力；S（T）谱线吸收强度,甲烷传感器无源探头,,2）光纤甲烷气体传感器,2.基于可调谐激光吸收光谱的矿用气体检测技术,通过二次谐波锁相、实现高精度检测；采用内部参考气室、基线修正以及自适应算法，解决耐粉尘、潮湿难题，延长标校周期；通过光功率在线分析实现自诊断功能。,光纤有源甲烷传感器,光纤无源甲烷传感器,2.基于可调谐激光吸收光谱的气体检测技术,20,光纤气体检测仪,,,光纤气体检测仪,具有抗潮湿、损耗算法及自诊断功能和温度、压力补偿。具有内部参考气室和自修正功能。获得英国计量认证、不中毒；,根据多个被测气体的吸收光谱，优化光源组合。,2.基于可调谐激光吸收光谱的气体检测技术,多种气体检测仪器,22,采用同一个传输光纤和探头结构，实现对甲烷、氧气、二氧化碳等多气体检测。,3、光纤分布式温度检测系统,可以检测10公里内铠装光缆上各个点的温度,测温光缆,测温主机,分布式温度检测,适用于井下采空区、供电电缆、机电设备、胶带机等分布式测温报警控制。,,4.光纤麦克风,光纤麦克风利用声波对传感器反射光强度的调制实现对声音的检测；,24,灵敏度高，抗电磁干扰；可用于应急人员定位和无外接电源应急通信。,基于光纤温度、气体、水位、振动、矿压、顶板离层等传感器和井下光纤综合分站，实现,5.基于光纤传感器的煤矿灾害监控系统,25,包括采空区自然发火预警定位；机电设备状态监测；顶板状态监测；煤矿水文监测；新型瓦斯监控系统。,4.基于光纤传感器的煤矿灾害监测系统,煤矿安全光纤综合监控预警系统示意图,26,5.1光纤无源应急通信、应急信息系统框图,水位/温度监测,瓦斯气体监测,光纤无源声音监测,,,----------井上------------,----------井下------------,,光缆,,在井下安装光纤声音、水位、甲烷等传感器，通过光缆接到地上调度室设备。,5.1基于光纤麦克风和无源传感器的应急信息系统,28,在应急断电情况下，实时监测井下灾情信息，为应急决策提供科学依据。作为煤矿现有通信联络系统的补充。,兖矿南屯煤矿用于井下避难峒室的光纤甲烷、水位、温度传感器及应急电话。,南屯煤矿避难峒室光纤应急电话,光纤甲烷传感器,光纤电话,5.2.光纤开关柜温度监测预警系统,在线监测开关柜触头、母排接点、电缆头接点温度声、光、短信报警；网络发布、远程监测,煤矿机电设备运行状态振动监测预警,,光纤温度、振动监测,光纤矿山机电设备安全状态监测系统,光纤温度、振动监测网络,主要生产装备状态监测系统,主要生产装备状态监测系统共包括三个子系统，分别是主井提升机状态监测系统、压风机状态监测系统、中央泵房状态监测系统。,主井提升机,压风机,中央泵房,一采主皮,35,光纤温度、振动传感网络实现煤矿机电设备（压风、水泵、运输、供电等）状态监测系统；通过温度、振动频谱及烈度特征分析，实现了设备故障预警。,压风机正常运行（左图）及故障状态（右图）振动时频图,山能新汶赵官煤矿压风机光纤振动传感器安装图,光纤超大容量－实现设备状态监测预警,电缆接头光纤热点监测,施工现场,,光纤分布式温度监测系统（电缆）,光缆敷设,,铠装光缆敷设在皮带托滚下、或槽钢内,皮带机光纤分布式温度、振动监测,轴承,滚筒,槽钢,光纤机电设备安全监测工程示范-淄矿集团葛亭、岱庄煤矿,光纤机电设备安全监测工程示范-济宁矿业集团阳城煤矿,,东滩煤矿1305工作面运顺温度检测,分布式温度检测,5.3.采空区温度、气体监测预警,兖矿东滩煤矿14310采空区发火治理过程动态监测,光纤温度传感器布设在煤柱注浆孔内，对采空区温度进行连续监测。,东滩煤矿工程实施1305工作面运顺温度检测,采空区分布式温度监测数据。,实时监测数据,44,实时在线采空区温度数据,45,陕煤黄陵建庄煤矿采空区光纤测温,46,对于高瓦斯、瓦斯突出矿井通过对巷道瓦斯涌出量、环境温度、煤层瓦斯压力、矿压实时综合监测及变化趋势分析，建立瓦斯监测预警系统。,47,多参数传感－光纤瓦斯压力、瓦斯涌出量、矿压、温度综合监测预警,5.4.光纤水压、水位在线监测,矿井自动排水系统光纤水位计、自动排水系统富水层水压力监测基于光纤水压、底板位移、湿度传感器系统建立煤矿井下水害监测预警系统。,,煤矿底板水渗压光纤监测系统,光纤水压传感器煤安、防爆认证,供风供水管线状态监测系统,供风供水管网节点压力及泄漏监测,地质水文监测系统,该系统包括对底板钻孔水压、老空区水位、采空区密闭墙内水位及中央水仓水位监测,5.5.顶板离层、矿压、微震在线监测,光纤顶板离层,光纤矿压,钻孔应力传感器（060MPa）,矿用光纤光栅解调仪,顶板离层传感器（0200mm）,锚杆应力传感器（0400KN）,5.5.1顶板离层、矿压在线监测,传感器布置图,兖矿集团兴隆庄煤矿特厚煤层巷道受采动影响持续大变形难以控制的现状，通过对10303工作面特厚煤层钻孔应力、顶板离层、锚杆受力的监测，研究工作面超前巷道变形规律及顶板变形破坏特征、煤体内部应力变化规律、锚杆受力状况，为巷道支护方式及参数的选择提供技术依据。,软件截图,侧帮（10303工作面侧）,侧帮（10302采空区侧）,顶板,数据-锚杆应力,数据-钻孔应力,工作面未推进至钻孔应力传感器监测区域，传感器目前稳定运行,钻孔应力传感器应用案例,兖矿集团东滩煤矿3203工作面采用沿空留巷形式，支护采用单体支架与预制块砌墙相结合的方式。为了更细致的观测支护效果，采用光纤光栅传感技术对砌墙应力进行实时在线监测。实施方案当工作面停止采掘，开始垒砌充填体时，光纤应力传感器随之安装。砌墙通过水泥预制块分层紧密搭建，光纤应力传感器安装在靠近采空区一面的砌墙基底位置，传感器安装位置即为当前工作面推进的位置。,,,系统示意图及软件界面,沿空留巷光纤矿压监测典型数据，显示矿压随采空区坍塌动态变化,,,RecordedminingblastersignalsbytwoFOseismicsensorslocated170mapart.Thetimedelayisapparentwhichcanbeusedforseismicsourcelocation.,5.5.2.光纤微震监测,Fiberseismicsensormountplate,,,Dt,62,光纤微震监测系统-工作面微震监测,系统示意图,兴隆庄煤矿光纤微震监测系统,光纤微震监测系统根据现场实际情况需求，共计需要安装19个点，为了取得更好的效果在10采区进行了密集布置。,微震传感器安装示意图,64,兴隆庄煤矿光纤微震系统,光纤微震监测系统接收到sos没接收到的数据,光纤微震传感器实现矿区全覆盖，提升冲击地压灾害监测能力。,66,兖矿集团兴隆庄煤矿光纤微震监测波形,光纤微震监测震源定位与能量图示,多参数传感－光纤微震、矿压综合监测预警,67,光纤微震监测、震源定位,5.6.尾矿库光纤安全监测系统,三.光纤传感器优势及应用效果,与电子类检测技术对比,光纤甲烷传感器连续三年无标定、稳定精确测量,69,对东滩煤矿采空区密闭内甲烷气体长期监测结果如下,开发新产品情况,研制出5大类，10余种光纤传感器；开发了光纤综合监测装置4种；形成了煤矿多个监测子系统；十余个光纤传感器、分站获得煤安认证。,70,三.光纤传感器优势及应用效果,71,四.总结,研制出基于多种光纤传感器的煤矿安全生产综合监测系统；实现了对采空区温度分布、甲烷气体、微震、顶板离层、矿压、水位、机电设备状态的在线监测和灾害预警；研制出煤矿光纤无外部电源应急通讯、应急信息系统，对于煤矿应急高效科学施救、减少人员伤亡具有变革性意义。,72,矿用光纤传感器产品系列及安全检测技术在兖矿集团、山能、中煤、同煤、龙煤、平煤、焦煤、阳煤、吉煤、北票、开滦、贵州六盘水等骨干企业50多个煤矿推广应用，有效保障了矿井的安全高效生产，取得了较大的社会和经济效益。光纤风速、分布式声音等全系列光纤传感器正在研制；激光甲烷、多气体、温度、矿压、微震等传感器和安全监测系统正逐步实现产业化。,四.总结,73,谢谢,74,