矿用光纤顶板动态监测预警系统
导语：
光纤顶板动态监测预警系统是基于光学原理，采用国际领先的光纤传感技术，实现顶板离层、锚杆（索）应力、煤岩层应力的多参数实时监测。本期转化果平台推荐的《矿用光纤顶板动态监测预警系统》，该系统涉及的矿用光纤传感器提供一种现场安装方便、现场可视化、无源监测、测量精度高、量程范围大、本质安全，特别适合在易燃易爆、高温、高压、潮湿、强电磁场、腐蚀性等极端条件下的测量，并能实时本地显示及远程实时监控预警预报。
矿用光纤顶板动态监测预警系统是基于光学原理，采用国际领先的光纤传感技术，实现顶板离层、锚杆（索）应力、煤岩层应力的多参数实时监测；光纤传感器以光波为载体，以光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号，具有不带电、体积小、实时监测、在线传输、多参数、大容量、抗干扰、本质安全等特点，便于及时掌握和综合分析顶板动态变化规律，防治顶板事故；同时为合理确定支护参数，解决支护不足或过度支护问题提供数据分析依据，提高煤矿顶板管理及智能化建设水平。
（一）系统特点
1.本质安全，现场检测不需供电，不受外界电磁场干扰，长期漂移小；
2.一台主机可同时监测顶板离层、锚杆（索）应力及钻孔压力，复用能力强；
3.准确判断顶板离层位移量、锚杆（索）的受力情况及巷帮压力；
4.实时在线监测顶板、锚杆（索）及围岩受力变形，通过完整的数据分析，一方面实时把控顶板变化动态，预防顶板事故；另一方面可以通过数据分析，准确把握顶板离层位置，为合理支护参数，降低支护成本，提供数据依据。
（二）光纤顶板动态监测与传统监测技术对比
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现有传统顶板动态监测手段 |
光纤顶板动态监测技术 |
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机械式人工 监测技术 |
煤矿机械式顶板离层仪是一种比较常见的井下顶板离层量监测仪表，其结构简单、价格低廉，在煤矿上得到广泛应用。存在精度低，无法实时在线监测，需要专员定期巡检记录，无法及时发现隐患的缺点。 |
立足于煤矿井下环境，基于光学原理研发，适合煤矿安全生产需求的全光纤顶板动态数字化在线监测与破碎治理预警系统，其特点概括为系统无分站、传感器不带电。该系统涉及的矿用光纤传感器提供一种现场安装方便、现场可视化、无源监测、测量精度高、量程范围大、本质安全，特别适合在易燃易爆、高温、高压、潮湿、强电磁场、腐蚀性等极端条件下的测量，并能实时本地显示及远程实时监控预警预报；矿用隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机供电电源127V/660V/1140V，无需考虑接电难问题，系统单台主机容量大，物理通道不少于36个，单机可接入不少于180支传感器，同时兼容顶板离层、锚杆（索）应力及钻孔应力传感器。 |
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电子 监测技术 |
传统的电子类顶板离层传感器其原理简单，多数是单片机加ADC采集单元。容易受井下淋水及粉尘腐蚀，造成传感器使用寿命短，信号传输易受电磁干扰，导致数据突变、误报等问题。 |
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有线总线式 监测技术 |
基于有线总线式网络传输的离层监测传感器也得到了广泛应用。但由于有线网络成本高、中继分站多、供电繁琐、施工安装和维护不方便、灵活性差，拓展性不足，易造成系统稳定性差。 |
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无线传输 监测技术 |
无线类传感器克服有线总线式传感器大部分缺点。但由于考虑传感器的功耗，数据多采用定时传输，且电池使用寿命短、维护工作量大。受井下复杂环境影响，其传输距离有限，系统需要大量中继站，导致系统结构复杂、稳定性差。 |
系统构架图
（三）技术指标
1.系统主机技术指标
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序号 |
项目 |
单位 |
参数 |
|
1 |
工作方式 |
/ |
连续监测 |
|
2 |
显示方式 |
/ |
液晶显示 |
|
3 |
通讯端口 |
/ |
网口 |
|
4 |
传感器接口 |
/ |
采用标准SC/APC接口 |
|
5 |
响应时间 |
s |
<30 |
|
6 |
传输距离 |
km |
20 |
|
7 |
单通道容量 |
个 |
4 |
|
8 |
支持通道数 |
个 |
8/16/32/36 |
|
9 |
传感器工作环境 |
℃ |
0～40 |
|
10 |
监测仪供电 |
V |
127/660/1140 |
2.光纤传感器技术指标
|
矿用光纤离层传感器 |
矿用锚杆（索）应力传感器 |
矿用钻孔压力传感器 |
|
|
量程 |
0-500mm |
0-600KN |
0-40MPa |
|
分辨率 |
0.1mm |
0.1KN |
0.1MPa |
|
测量精度 |
±2mm |
±3KN |
±0.4MPa |
|
使用环境温度 |
0-40℃ |
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|
相对湿度 |
45%-90% |
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大气压力 |
80-106KPa |
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（四）系统功能
1.显示功能：满足多种类型图表、系统图、曲线图、柱状图等现实要求。
2.分析功能：满足历史趋势显示，对未来趋势进行评估，提供检修参考信息。
3.报警功能：可根据实际情况设定不同地点的顶板参数预警值、报警级别及地理位置名称；系统可设置声音报警功能。
4.打印功能：具备各种报表的打印功能。
5.上传功能：满足实时数据网络上传，轻松实现无人值守。
6.自诊断功能：系统中某一个传感器出现故障，能够通过软件甄别出故障传感器。
7.表格定制：满足用户可定制各种表格：实时数据表、历史数据及统计报表、报警一览表等。
8.查询功能：满足在系统图上直接查询设备信息、运行历史数据等。
（五）应用案例
目前该技术已在山东、河北、山西、黑龙江、安徽等有关单位推广使用。
矿用隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机是一种更适合煤矿安全生产需求的顶板动态监测主机，该主机可接入矿用顶板离层、锚杆（索）载荷、煤岩层应力、振动、液位、压力等光纤传感器，其现场安装方便、现场可视、实时监测、测量精度高、量程范围大、隔爆兼本质安全，并能实时本地显示及远程实时监测与预警。矿用隔爆兼本安型光纤顶板动态监测主机提供兼容矿井大部分电源从127V、660V、1140V,无需考虑接电难问题。系统单台主机设计容量大，物理通道数不少于36个，一台主机可同时连接各类光纤传感器180支以上，更适合在煤矿顶板动力灾害监测领域的应用及推广。
1.产品特点
◆人性化的设计，主机采用高端大气液晶屏显示；
◆主机容量大，不少于36个通道；
◆支持不同物理量、多参数光纤传感器的连接；
◆响应时间快、稳定性好、兼容性及带载能力强；
◆具有工业级标准化通讯协议MODBUS/TCP协议；
◆实时在线监测、远程控制；
◆具有自诊断、自修复功能，自动识别传感器的工作状态；
◆支持趋势报警、定制报警、异常报警等多种报警方式；
◆申请国家发明专利：一种矿用隔爆兼本安型光纤顶板动态监测装置。
2.主要技术参数
|
序号 |
参数描述 |
技术指标 |
单位 |
|
1 |
扫描频率 |
3 |
Hz |
|
2 |
动态范围 |
30 |
dB |
|
3 |
功耗 |
10 |
W |
|
4 |
通道数目 |
36 |
个 |
|
5 |
通讯接口 |
RJ45、光口 |
|
|
6 |
显示接口 |
7寸工业屏 |
|
|
7 |
供电电压 |
AC 127/660/1140 |
V |
|
8 |
工作温度 |
0～40 |
℃ |
|
9 |
设备容量 |
≥180 |
支 |
光纤光栅多参数光纤光栅解调主机是我公司研发的新一代光纤光栅解调仪，适应于各种恶劣环境下的温度、位移、压力、应力、应变等参数的测量。主机采用快速可调谐激光技术，用光信号进行测量和传输，实现了测量现场的无源检测。输出光功率低于10mw，光纤传感器不带电，封装满足阻燃抗静电，本质安全。特别适用于非煤矿山、石油化工、高压电力、危险品仓库等易燃、易爆、强电磁干扰的环境。具有测量准确、安装方便、稳定可靠等优点。
1.技术特点
◆能够实时显示光谱信号图；
◆能够实时监测显示压力、温度、液位、应力、应变等参数；
◆能够显示压力、温度、液位、应力、应变等参数的历史数据及温、压差变化趋势；
◆基于定值、趋势等报警功能。
2.技术指标
|
序号 |
参数描述 |
技术指标 |
单位 |
备注 |
|
1 |
通道个数 |
36 |
个 |
可定制 |
|
2 |
测量参数 |
压力、温度、液位、应力、应变 |
/ |
|
|
3 |
扫描速率 |
3 |
Hz |
|
|
4 |
配套光纤规格 |
单模 |
/ |
|
|
5 |
光纤接口类型 |
E2000或SC/APC |
/ |
|
|
6 |
数据存储格式 |
.CSV格式 |
/ |
|
|
7 |
工作温度 |
-20～50 |
℃ |
|
|
8 |
工作湿度 |
≤95% |
RH |
|
|
9 |
尺寸 |
482*320*132 |
mm |
矿用光纤顶板离层传感器是我公司独立自主研发的一种新型的光纤位移传感器。当顶板发生位移时，传感器内部光纤光栅波长随之发生变化，通过解调分析光栅波长的变化可以得到顶板的离层量，解决了现场防尘、防水、抗电磁干扰等问题。光纤顶板离层传感器可实现就地无源显示，同时可通过监测主机实时在线显示当前顶板离层量。
1.应用场景
本产品基于光纤光栅技术开发，无源本安，可适应用于具有爆炸性气体（甲烷）和煤尘的矿井中，作为煤矿井下各类巷道、工作面和其它矿山、隧道等需要安装使用的地点进行煤矿巷道顶板离层量变化的监测。
2.技术指标
矿用光纤锚杆（索）应力传感器主要用于煤矿井下锚杆（索）轴向应力监测，测量因采动影响锚杆（索）应力的变化，是研究采场动压作用规律的重要手段。可用于采场冲击低压初期预测和趋势分析。传感器为无源本质安全型产品，本产品具有现场可视化、体积小、重量轻、结构紧凑、无需供电、便于安装和使用等特点。
1.应用场景
本产品基于光纤光栅技术开发，无源本安，可适应用于具有爆炸性气体（甲烷）和煤尘的矿井中，作为煤矿井下各类巷道、工作面煤柱和其它矿山、隧道等需要安装使用的地点进行煤矿巷道顶板及两帮岩体应力变化量的监测。
2.技术指标
|
序号 |
参数描述 |
技术指标 |
单位 |
备注 |
|
1 |
工作方式 |
实时传输 |
/ |
光信号 |
|
2 |
供电方式 |
无需供电 |
/ |
|
|
3 |
测量量程 |
0～600 |
kN |
|
|
4 |
测量精度 |
±3 |
kN |
|
|
5 |
通讯方式 |
光信号 |
/ |
|
|
6 |
通讯距离 |
20 |
km |
|
|
7 |
工作温度 |
0～40 |
℃ |
|
|
8 |
工作湿度 |
≤95% |
RH |
|
|
9 |
防护等级 |
IP54 |
/ |
矿用光纤钻孔应力传感器（以下简称钻孔应力）主要用于测量煤矿井下工作面预留煤柱、煤体内部、岩体承载应力的变化量的监测。传感器为无源本质安全型产品，本产品具有体积小、重量轻、结构紧凑、无需供电、便于安装和使用等特点。
1.应用场景
本产品基于光纤光栅技术开发，无源本安，可适应用于具有爆炸性气体（甲烷）和煤尘的矿井中，作为煤矿井下各类巷道、工作面煤柱和其它矿山、隧道等炫耀安装使用的地点进行煤矿巷道顶板及两帮岩体应力变化量的监测。
2.技术指标
|
序号 |
参数描述 |
技术指标 |
单位 |
备注 |
|
1 |
工作方式 |
实时传输 |
/ |
光信号 |
|
2 |
供电方式 |
无需供电 |
/ |
|
|
3 |
测量量程 |
0～40 |
MPa |
|
|
4 |
测量精度 |
±0.4 |
MPa |
|
|
5 |
通讯方式 |
光信号 |
/ |
|
|
6 |
通讯距离 |
20 |
km |
|
|
7 |
工作温度 |
0～40 |
℃ |
|
|
8 |
工作湿度 |
≤95% |
RH |
|
|
9 |
防护等级 |
IP54 |
/ |