一种全光纤煤矿安全监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种全光纤煤矿安全监测系统，包括宽带光源、光纤环形器、多路光开关阵列、光纤传感模块和信号采集与处理模块；光纤传感模块包括光栅自然发火监测传感器、光栅钢筋地梁传感器、光栅矿震传感器。本发明专利技术采用一个宽带光源即可实现对煤矿井下温度、应变、矿震等综合信息的实时监测，采用全光纤多传感器融合的方式对综合评价煤矿井下健康状况提供了丰富的数据库信息，适用于恶劣环境的监测要求。

【技术实现步骤摘要】
一种全光纤煤矿安全监测系统
本专利技术是一种全光纤煤矿井下安全监测系统，用于实时监测井下温度、应变和矿震信息。
技术介绍
矿井安全监测对煤矿安全生产有着重要的影响。随着开采深度和开采强度的不断加大，生产矿井通风系统日趋复杂，受采空区和周边原有小煤窑的影响，矿井漏风量大，存在严重的安全隐患。对采空区进行全面的安全监测，具有重要意义。神华集团有限责任公司提出了一种煤矿采空区温度监测系统(申请号：201320477685.X)。通过导向安装装置使液压支架的回采移动与采空区传感光纤的铺设同步进行，利用光纤温度传感技术实时监测采空区温度，实现了对采空区的温度的远程实时监测。但未对温度升高速率和自然发火的趋势进行监测评估。辽宁工程技术大学提出一种煤矿微震实时监测系统及监测方法(公开号：CN102635405A)实现对煤矿微震的信号的智能识别和提取，具有灵活、可靠，监测效果好，投资小的特点。但传感器本质不防爆，存在一定安全隐患。上述专利仅能够实现井下单一物理量的测量，不能够满足煤矿健康状况对温度、应变和矿震等物理量的全面监测要求。基于此，本专利技术提出全光纤煤矿安全监测系统具有光纤传感的优势，采用一个宽带光源即可实现对煤矿井下温度、应变、矿震等综合信息的实时监测，采用全光纤多传感器融合的方式对综合评价煤矿井下健康状况提供了丰富的数据库信息，适用于恶劣环境的监测要求。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有煤矿井下监测自动化程度低，检测设备及本质不防爆的缺点，采用全光纤传感技术，实现对煤矿井下状况的全方位实时安全监测。本专利技术技术解决方案：本专利技术提出的系统组成如图1所示，一种全光纤煤矿安全监测系统，包括宽带光源1、光纤环形器2、多路光开关阵列3、光纤传感模块4和信号采集与处理模块5；光纤传感模块4包括光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43；光栅自然发火监测传感器41实时监测采空区煤层温度变化速率，及时预报煤矿自然发火；光栅钢筋地梁传感器42通过检测采空区的应变来监测煤矿区的地层健康状况；光栅矿震传感器43通过检测采空区的地层微振动实现煤矿区地层振动的监测；解调时，宽带光源1发出的光经过环形器2进入多路光开关阵列3，由多路光开关阵列3分配到不同的光纤，其中每根光纤上能够同时连接多个不同波长的温度、应变、振动的光栅传感器，即光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43，从光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42和光栅矿震传感器43反射的信号经光纤环形器2再返回到信号采集与处理模块5，通过信号采集与处理模块5把波长信息转换成温度、应变和振动信息，通过以太网6传输到监测主机7；当传输到的信号值超过安全预警值时，系统会发出报警，工作人员迅速的对该报警做出相应的处理。所述光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43还能够定位井下异常温度和应变区间；定位精度达1米并且根据实际要求可调。所述光栅自然发火监测传感器41是由光纤光栅9通过光缆串并联而成的监测阵列。所述光纤光栅9均匀的分布在光纤上，采用S形结构对采空区进行光纤敷设。所述光栅钢筋地梁传感器42采用光纤光栅9串联准分布结构对采空区墙体应变进行检测，将光纤光栅9粘贴在钢筋8上，钢筋8固定在采空区的墙体上，与墙体紧密贴合，可准确将井下结构体的应变情况传递给光栅，实现煤矿井下采空区安全状况的实时监测。所述光栅矿震传感器43利光纤光栅9对微小振动非常敏感的特性，组成传感阵列，对井下煤层结构的稳定性进行实时预警。本专利技术具有突出的优点如下：(1)采用不同的光缆构成准分布式光纤传感器对煤矿区温度、应变和矿震进行多参量实时监测，同时可以确定监测点的位置。敷设方式灵活多变，本质安全防爆，符合现有行业规范。(2)光纤多参数传感平台，可以在不增加井下的光纤或探头的情况下，方便地增加综合参数的测量功能。采用优化的复用技术实现经济有效的多点传感器网络布局，而且由于采用光纤作为传输工具，所有井下传感部分不需要电源供应，减少了因传感器部分带来的潜在危险因素。(3)采用光缆中的一根光纤即可实现对温度、应变的连续测量，并且定位井下异常温度和应变区间。定位精度可达1米并且根据实际要求可调。(4)光纤光栅均匀的分布在光纤上，采用S形结构对采空区进行光纤敷设，与直线型结构敷设方式相比，测量范围更广，精度和准确度更高，实时监测采空区煤层温度变化速率，实现了对自然发火趋势的更准确预报。(5)基于光纤温度检测的传感器可实时监测井下采空区煤层温升速率，实现对自然发火趋势的预报。和束管技术相比，大大缩短了检测时间，降低了由于煤层温度变化带来的安全隐患。(6)基于光纤的应变检测传感器可实现井下地质结构健康状况的常期监测。(7)基于光纤的矿震传感器可实时监测煤矿区域的微小振动，对井下煤层结构的稳定性进行实时预警。(8)光栅自然发火监测传感器、光栅钢筋地梁传感器和光栅矿震传感共用一台宽带光源，为自然发火监测、光栅钢筋地梁传感和光栅矿震传感提供合适的光谱，节约成本。附图说明图1是本专利技术系统组成框图；图2是本专利技术中光纤测温传感器结构图；图3是本专利技术中自然发火趋势示意图；图4是本专利技术中光栅钢筋地梁传感结构图；图5是本专利技术中光栅矿震传感器；图6是本专利技术中光栅矿震传感器中悬臂梁结构图；图7是本专利技术中煤矿井下系统采集到的振动信号采集到的井下振动信号。具体实施方式如图1所示，本专利技术系统位于井下，包括宽带光源1、光纤环形器2、多路光开关阵列3、光纤传感模块4和信号采集与处理模块5；光纤传感模块4包括光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43；光栅自然发火监测传感器41实时监测采空区煤层温度变化速率，及时预报煤矿自然发火；光栅钢筋地梁传感器42通过检测采空区的应变来监测煤矿区的地层健康状况；光栅矿震传感器43通过检测采空区的地层微振动实现煤矿区地层振动的监测；解调时，宽带光源1发出的光经过光纤环形器2进入多路光开关阵列3，由多路光开关阵列3分配到不同的光纤，其中每根光纤上能够同时连接多个不同波长的温度、应变、振动的光栅传感器，即光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42、光栅矿震传感器43，从光栅自然发火监测传感器41、光栅钢筋地梁传感器42和光栅矿震传感器43反射的信号经光纤环形器2再返回到信号采集与处理模块5，通过采集与处理模块5中的全光纤煤矿安全智能检测应用程序，对所有传感器赋予相应的标定系数，然后把波长信息转换成温度、应变和振动信息，通过以太网6传输到井上的监测主机7；当传输到的信号值超过安全预警值时，系统会发出报警，工作人员迅速的对该报警做出相应的处理。如图2所示，本专利技术的光栅自然发火监测传感器41的工作过程为：宽带光源1发出的光经过光纤环形器2进入多路光开关阵列3，由多路光开关阵列3分配至不同的光纤上，每根光纤上的感温光栅即光栅自然发火监测传感器41，光栅自然发火监测传感器41通过光缆串并联而成的监测阵列，可以均匀或非均匀分布，以满足不同的测量要求。光栅自然发火监测传感器41反射回的光再通过光纤环形器2进入第一探测器10和信号采集与处理模块5。当光栅自然发火监测传感器41布设区域温度发生变化时，光栅自然发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全光纤煤矿安全监测系统，其特征在于：包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、多路光开关阵列(3)、光纤传感模块(4)和信号采集与处理模块(5)；光纤传感模块包括光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)、光栅矿震传感器(43)；光栅自然发火监测传感器(41)实时监测采空区煤层温度变化速率，及时预报煤矿自然发火；光栅钢筋地梁传感器(42)通过检测采空区的应变来监测煤矿区的地层健康状况；光栅矿震传感器(43)通过检测采空区的地层微振动实现煤矿区地层振动的监测；解调时，宽带光源(1)发出的光经过光纤环形器(2)进入多路光开关阵列(3)，由多路光开关阵列(3)分配到不同的光纤，其中每根光纤上能够同时连接多个不同波长的温度、应变、振动的光栅传感器，即光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)、光栅矿震传感器(43)，从光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)和光栅矿震传感器(43)反射的信号经光纤环行器(2)再返回到信号采集与处理模块(5)，通过信号采集与处理模块(5)把波长信息转换成温度、应变和振动信息，通过以太网(6)传输到监测主机(7)；当传输到的信号值超过安全预警值时，系统会发出报警，工作人员迅速的对该报警做出相应的处理。...

【技术特征摘要】
1.一种全光纤煤矿安全监测系统，其特征在于采用不同的光缆构成准分布式光纤传感器对煤矿区温度、应变和矿震进行多参量实时监测，同时能够确定监测点的位置，包括宽带光源(1)、光纤环形器(2)、多路光开关阵列(3)、光纤传感模块(4)和信号采集与处理模块(5)；光纤传感模块包括光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)、光栅矿震传感器(43)；光栅自然发火监测传感器(41)实时监测采空区煤层温度变化速率，及时预报煤矿自然发火；光栅钢筋地梁传感器(42)通过检测采空区的应变来监测煤矿区的地层健康状况；光栅矿震传感器(43)通过检测采空区的地层微振动实现煤矿区地层振动的监测；解调时，宽带光源(1)发出的光经过光纤环形器(2)进入多路光开关阵列(3)，由多路光开关阵列(3)分配到不同的光纤，其中每根光纤上能够同时连接多个不同波长的温度、应变、振动的光栅传感器，即光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)、光栅矿震传感器(43)，从光栅自然发火监测传感器(41)、光栅钢筋地梁传感器(42)和光栅矿震传感器(43)反射的信号经光纤环形器(2)再返回到信号采集与处理模块(5)，通过信号采集与处理模块(5)把波长信息转换成温度、应变和振动信息，通过以太网(6)传输到监测主机(7)；当传输到的信号值超过安全预警值时，系统会发出报警，工作人员迅速的对该报警做出相应的处理；光栅自然发火监测传感器(41)通过光缆串并联而成的监测阵列，均匀或非均匀分布，以满足不同的测量要求；当光栅自然发火监测传感器(41)布设区域温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：董凤忠，李俊，孙苗，汤玉泉，杨爽，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34