矿用全光纤数字化顶板动态在线监测系统
导语顶板灾害是煤矿五大灾害之首，实现煤矿顶板的在线监测是有效预防顶板灾害的必要环节。本期由能源科技成果转化服务平台推荐的《矿用全光纤数字化顶板动态在线监测系统》，是基于光学原理，采用无源本安设计、专门针对煤矿顶板灾害研发的新一代在线监测系统。该系统对顶板离层、锚杆、锚索载荷、煤岩层应力进行多参数实时监测；系统无分站，传感器不带电且具有极高的抗干扰能力，可实现超长距离传输和多参数综合分析，研究形成了监测与治理相结合的顶板综合防治解决方案，最大限度的防止顶板事故发生。
一、系统概述矿用全光纤数字化顶板动态在线监测系统是基于光学原理，采用无源本安设计专门针对煤矿顶板灾害研发的新一代在线监测系统。系统采用光纤传感技术对顶板离层、锚杆、锚索载荷、煤岩层应力进行多参数实时监测；系统主机采用多参数、大容量设计，可同时实现对顶板离层、锚杆（索）应力及钻孔应力的实时在线监测，传感器均为光学无源本安型设计的光纤传感器，具有极高的抗干扰能力。系统无分站，传感器不带电，可实现20km长距离传输，多参数综合分析，不仅及时准确掌握顶板动态变化规律，还能为合理支护参数，解决支护不足或者过度支护问题提供数据分析依据。大量程可视化离层（位移）传感器为国内首创，技术水平达到“国际先进”水平。
系统架构拓扑图
二、系统技术参数1.系统主机技术指标序号项目单位参数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<306传输距离km207单通道容量个48支持通道数个8/16/329传感器工作环境℃0～4010监测仪供电V127/660/11402.光纤传感器技术指标序号项目单位参数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<306传输距离km207单通道容量个48支持通道数个8/16/329传感器工作环境℃0～4010监测仪供电V127/660/1140
三、系统功能
系统显示界面截图显示功能：满足多种类型图表、系统图、曲线图、棒图等现实要求。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；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；打印功能：具备各种报表的打印功能；上传功能：满足实时数据网络上传，轻松实现无人值守。自检功能：系统中某一个传感器出现故障，软件自动甄别出故障传感器。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。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。
四、系统解决的主要技术问题1.针对目前通用的机械式顶板离层仪无法实现实时监测的弊端，该系统通过连续监测、数字化传输，实现了顶板动态的实时在线监测、数据处理及报警功能；2.与传统的电子式顶板监测系统相比，由于传感器采用无源本安设计，具有较好的抗干扰能力，应用现场免受粉尘、顶板水及电磁干扰，系统架构简单、运行稳定可靠；3.解决了传统矿用光纤无源传感器本地显示难的问题，系统传感器实现井下就地无源实时显示功能；4.系统采用了全数字化光纤通讯技术，数字化架构采用了C/S与B/S架构相结合，系统主机以TCPIP通讯为主，以CAN、485总线通迅为辅助，实现准分布式多点监测，监测覆盖面广，极大程度的减轻了安装及维护的工作量。
五、系统主要创新点1.系统从“传感单元、监测主机、服务器、云计算”整个链路层实现数字化，数字化的实现解决了传感器传输距离短、模拟信号易干扰、数据传输速度慢、分辨率低等问题，系统数字化实现了无论井下集成还是地面软件集成更简易，系统主流通讯协议采用当今工业控制领域的标准通讯协议MODBUS/TCP协议，系统主机以TCPIP通讯为主，以CAN、485总线通讯为辅，符合智慧矿山及智能化建设需求，实现数字化传输，系统配备RJ45电口与光纤网口。2.系统架构简单，稳定性好，兼容性及带载能力强；与传统监测系统相比，该系统无需大量分站，仅仅依靠一台光电解调主机通过光缆可连接160支光纤顶板离层、锚杆（索）应力、钻孔压力等传感器，现场应用可覆盖3-4个采掘工作面或者一个采区，实现准分布式区域监测。3.系统传感器基于光学原理，采取无源本安设计，大量程可视化离层（位移）传感器量程达到500mm以上，是目前国内量程最大的光学传感器，解决了目前光纤传感器无法实现就地显示和量程小问题，传感器设计为国内首创，而且传感器可重复利用。4.系统利用光纤作为传输载体，通讯距离可达20km，解决传统监测系统易受干扰、传输距离短、分站供电隐患及防潮防水等问题，系统可实时监测顶板的变化规律，数据实时上传，准确预报早期隐患点的位置，对预防顶板灾害和保证工作人员安全具有重要意义。5.首次将光纤传感监测系统与全注浆锚索工艺有机结合，针对系统报警事件，及时采取注浆锚索治理措施，有效控制顶板沉降和破碎，监测与治理相结合，形成一套完整的顶板综合防治解决方案，最大限度的防止顶板事故发生。
六、应用案例该系统目前已在山东、河北、黑龙江等冲击地压矿井及千米深井推广应用，对于实时监测顶板动态，预防顶板事故起到了较好的监测预警效果，同时为矿井合理确定支护参数，改革支护工艺，发挥了积极作用。山东某千米深井监测报警截图：
2019年6月26日安装系统，28日顶板监测系统发生二级报警，最大报警值150mm，通过局部注浆，截止7月2日，顶板状态趋于稳定。
黑龙江某骨干矿井安装示意图