基于FBG的煤矿采空区温度场监测系统的设计
一种煤矿采空区温度监测预警系统[实用新型专利]
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专利名称：一种煤矿采空区温度监测预警系统
专利类型：实用新型专利
发明人：王伟峰,雷昌奎,邓军,文虎,马砺,罗振敏,翟小伟,张嬿妮
申请号：CN201521103764.X
申请日：20151228
公开号：CN205262640U
公开日：
20160525
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种煤矿采空区温度监测预警系统，包括井下工业环网和设置在地面上的地面监控计算机，均接入井下工业环网的第一光端机和第二光端机，以及铺设在煤矿采空区的第一矿用感温光纤和第二矿用感温光纤；地面监控计算机接入井下工业环网，第一矿用感温光纤和第二矿用感温光纤均呈方波形铺设在煤矿采空区，且第一矿用感温光纤和第二矿用感温光纤以煤矿采空区的中心线为对称轴呈对称铺设，煤矿进风巷内设置有第一矿用光纤测温主机，煤矿回风巷内设置有第二矿用光纤测温主机。
本实用新型的温度采集范围广，可靠性高，信号传输距离远，监测精度高，能够实现整个采空区的温度连续监测，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
申请人：西安科技大学,西安捷锐消防科技有限责任公司,南京迪泰克森测控科技有限公司
地址：710054 陕西省西安市雁塔路中段58号
国籍：CN
代理机构：西安创知专利事务所
代理人：李艳春
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矿场温控设计方案
矿场温控设计方案背景在矿山采矿过程中，设备可能会因为高温而不能正常工作，甚至影响矿山的正常生产。
因此，矿山需要一个可靠的温控系统来控制矿场的温度，确保设备的正常运转和矿山的正常生产。
设计方案温度监测为了实现对温度的动态监测，可以采用温度传感器进行温度检测，把温度数据传送给温度控制系统，方便系统进行处理。
同时，也可以在每一台设备的周围安装温度传感器，实现对每一台设备的温度监测。
温度控制基于温度监测的数据，设计一个温度控制系统，可以根据设备周围的温度进行控制，调节室内气流和温度来协调矿场内部的温度分布，确保设备正常工作。
这个系统可以根据传感器测得的温度数据进行控制，来自动调整环境温度。
温度告警为了防止矿场的温度异常导致设备出现问题，可以在系统中设计一个告警功能，当温度超标时，系统会自动发出警报并提醒用户进行处理。
这个告警功能需要设置一个报警阈值，一旦达到了报警阈值，就会自动进行报警。
同时，它也可以把矿场的温度数据实时传输到监控中心，对矿山进行监控，确保矿山的正常生产。
温度控制系统的实现在实现温度控制系统时，需要使用硬件和软件来实现。
硬件部分，需要使用温度传感器、风扇、加热器等组件，这些设备需要安装在矿场内部，并与温度控制系统连接，以实现对温度的监测和控制。
软件部分，需要使用程序来控制环境温度，调节风扇和加热器的工作模式。
在程序的执行过程中，需要对温度进行动态监测，判断预设的环境温度，并根据预设的环境温度来控制风扇和加热器的工作模式，从而实现对矿场内部温度的控制。
结论通过以上设计方案，可以实现对矿场的温度监测和控制，帮助矿山有效地保护设备，确保矿山的正常生产。
同时，该方案可以提高生产效率，节约能源，减少生产成本，对矿山的建设和发展也会产生积极的影响。
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测随着现代化城市建设和交通基础设施的不断发展，地下巷道在工程中扮演着重要的角色。
巷道顶板的离层状态是巷道安全性和稳定性的重要指标之一，如果巷道顶板出现离层现象，将会给城市交通和市民生命财产安全带来巨大的风险。
为了及时发现和处理巷道顶板离层状态，我们需要一种高效、精准的监测手段。
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测技术应运而生，本文将对其进行介绍和探讨。
一、FBG传感器简介FBG传感器是一种基于光纤的传感器，具有高灵敏度和抗干扰能力强的特点。
FBG传感器通过测量光纤中光栅的中心波长随受测物理量发生变化而产生的微弱光谱变化，从而实现对受测物理量的实时监测。
在地下巷道顶板离层状态监测中，FBG传感器可以被固定在巷道顶板上，监测巷道顶板的力学性能和变形状态，实现对巷道顶板离层状态的实时监测和预警。
1. 力学性能监测通过固定在巷道顶板上的FBG传感器，可以实时监测顶板的受力情况，如应力、应变等力学性能参数。
当顶板出现离层状态时，弯曲应力和应变会发生变化，从而通过FBG传感器的数据可以及时发现巷道顶板的离层风险。
2. 变形状态监测为了实现对巷道顶板离层状态的高效监测和预警，我们需要设计一套完善的监测系统。
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测系统主要包括传感器安装、数据采集、数据传输和预警处理等几个部分。
1. 传感器安装首先需要将FBG传感器固定在巷道顶板上，以保证监测到的数据准确性和可靠性。
由于地下巷道环境复杂且通常无法提供电力支持，我们需要选择具有防水、抗压、耐高温等特性的FBG传感器，并采取合适的安装方式以固定传感器。
2. 数据采集安装好传感器后，需要进行数据采集。
FBG传感器会实时采集巷道顶板的力学性能参数和变形状态数据，这些数据需要通过数据采集设备进行采集和存储。
数据采集设备一般具有高精度、大容量的特点，能够满足长期监测的需求。
3. 数据传输采集到的数据需要及时传输到监测中心进行处理和分析。
FBG顶板离层仪在线监测系统的构建及应用
表 １ 顶板离层监测数据
离层仪距轨道 巷口位置 ／ｍ
ＳｅｒｉａｌＮｏ．６１９ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ．２０２０
现 代 矿 业
ＭＯＤＥＲＮＭＩＮＩＮＧ
总 第 ６１９期 ２０２０年 １１月第 １１期
ＦＢＧ顶板离层仪在线监测系统的构建及应用
王 懋１ 梁敏富２ 胡秀坤３
（１．河南省地矿局第一地质矿产调查院；２．中国矿业大学矿业工程学院；３．中广核工程有限公司）
摘 要 针对目前顶板离层监测的效率低下、结果滞后、可靠性和准确性差等问题，根据光纤光 栅传感原理，通过理论分析、实验室测试及现场试验的方法研制了一种新型高精度 ＦＢＧ顶板离层仪， 并在此基础上构建了一种实时在线监测系统。顶板离层仪标定及性能测试结果表明，其具有良好的 线性度和较高的灵敏度，线性拟合系数为 ０．９９８３，灵敏度为 １．６ｐｍ／ｍｍ，可以监测最小约 ０．６３ｍｍ 的离层变化。监测系统成功应用于沙曲矿 １４３０１轨道巷的顶板离层监测，应用结果表明：由该高精度 ＦＢＧ离层仪组成的顶板离层在线监测系统，具有测量精度高、稳定性好、信号传输距离远、能实现实 时动态监测等优点，给巷道顶板离层的长期在线监测提供了一种行之有效的手段。
２００ ２５０ ３００ ３５０ ４００ ４５０ ５００ ５５０ ６００
初始离层 ／ｍｍ
浅部
深部
５
６．５
５．５
１１
４
２
５．５
７
１１
５
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测随着工程建设的不断发展和城市化进程的加速，地下空间建设越来越得到人们的关注。
在地下工程中，隧道作为连接线路的重要通道和地下交通主干道，其安全性和稳定性尤为重要。
然而，在隧道建设和使用过程中，隧道顶板的离层是可能出现的一个重要问题，会威胁隧道的运营安全。
因此，如何及时准确地监测隧道顶板的离层状态，成为了隧道运营和维护的重大挑战之一。
传统的顶板离层监测方法，通常采用地面变形观测、趋势分析等手段，但这种方法具有监测范围狭窄、监测精度低、报警准确率较低的缺点。
为解决这一问题，近年来，一种基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器的隧道顶板离层状态智能监测方法被提出，该方法结合了光纤传感技术、信号处理技术和数据库技术，能够实现对隧道顶板离层状态的实时监测和预警，有效提高隧道运营的安全性和稳定性。
FBG传感器是一种新型的光电传感器，它通过利用光纤与布拉格光栅的干涉原理，将被测量物理量的变化转化为光学信号的变化，从而实现对被测量物理量的高精度、高灵敏度的测量。
在隧道顶板离层监测中，FBG传感器被设置在隧道顶板内部，用于检测隧道顶板的钢筋应变和温度变化。
当隧道顶板发生离层现象时，钢筋的应变和温度会发生明显的变化，此时FBG传感器可以及时捕捉这些变化，并将信号传递到信号处理系统中，进行数据处理和分析，并结合数据库技术，实现对隧道顶板离层状态的实时监测和预警。
此外，为了提高监测系统的稳定性和可靠性，FBG传感器采用了符合国际标准要求的光纤布拉格光栅传感器，具有高精度、高分辨率和抗干扰等优良特性，同时还采用了一系列的自动化控制技术和智能化算法，可以实现自动校准、自动调谐、自适应和自动补偿等功能，并通过互联网技术，实现了远程监测和智能预警等创新功能，大大提高了隧道顶板离层状态监测系统的可靠性和无线网络传输能力。
综上所述，基于FBG传感器的隧道顶板离层状态智能监测方法，具有监测范围广、监测精度高、实时性强和可靠性高等特点，能够有效应对隧道顶板离层问题，提高隧道运营安全性和稳定性，为地下空间建设和交通运输发挥了积极促进作用。
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测随着城市化的进程，地下工程建设日益增多，其中隧道和地铁等地下交通建筑已成为城市交通的重要组成部分。
隧道顶板作为地下交通建筑的重要部分，其稳定性一直备受关注。
然而，顶板经常受到地质变化、水文影响、交通振动等因素的影响，容易出现裂缝、龟裂、坍塌等问题，给交通运营和行车安全带来了极大的威胁。
因此，对隧道顶板的健康状况进行实时监测和预警是必要的。
传统的隧道顶板监测手段多采用人工巡查和激光扫描等方法，存在监测不及时、成本高、精度低等问题。
而基于光纤光栅（FBG）传感器的智能监测系统具有安装简单、传输远距离、高灵敏度等优点，已被广泛应用于地下隧道顶板的健康监测领域。
本文提出了一种基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测方案。
该方案基于传感器对巷道顶板进行多点实时监测，对巷道顶板的离层状态进行检测和判断，实现对巷道顶板的实时监测和预警。
该智能监测系统主要包括传感器节点、数据采集器、数据分析与处理系统和监测预警系统等部分。
传感器节点主要由光纤光栅传感器和光纤光栅光源组成，通过控制光源的波长来实现对光栅的激发和检测，获取光栅的反射光信号。
数据采集器主要负责传感器节点的数据采集和传输，数据分析与处理系统主要负责对采集到的数据进行分析和处理，提取巷道顶板的离层状态。
监测预警系统是该智能监测系统的核心部分，主要通过对离层状态进行分析和判断，实现对巷道顶板的预警和处理。
该系统主要包括数据存储模块、数据处理模块和监测预警模块等部分。
在实际应用中，该智能监测系统的节点布设需按照隧道的具体情况来确定，节点数量要充足，节点之间的位置和距离要合理安排，以保证监测的全面性和准确性。
同时，监测预警系统的预警标准和预警方案需与实际情况结合，制定科学合理的预警方案，及时采取措施，保障隧道顶板的安全。
总之，基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测方案，具有安装简单、传输远距离、高灵敏度等优点，可有效实现对隧道顶板的实时监测和预警，为城市交通的安全和稳定提供了有力支持。
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态智能监测随着城市化进程的加快，地下空间的利用越来越广泛，而地下的巷道工程则成为城市基础设施建设的重要组成部分。
巷道工程在长期风化和人为挖掘的影响下，巷道顶板离层状态的监测就显得尤为重要。
为了及时监测巷道顶板离层状态，FBG传感器技术逐渐被引入到巷道工程中，实现巷道顶板离层状态的智能监测。
在传统的巷道顶板监测中，常常使用的是传统的应变计和应变片来监测顶板的离层状态。
这种方法存在着监测精度低、安装和维护难度大等问题。
而基于FBG传感器的巷道顶板离层状态监测技术，能够有效地解决上述问题，实现对顶板离层状态的高精度、实时监测。
FBG传感器是一种新型的光纤传感器，其具有不锈钢保护套管，抗振动、抗腐蚀、高温高压和电磁干扰等特点。
FBG传感器非常适合用于巷道顶板离层状态监测。
通过将FBG 传感器布设在巷道顶板上，并通过光纤线将其连接到数据采集系统，可以实现对巷道顶板的温度、应变等参数的在线监测。
基于FBG传感器的巷道顶板离层状态监测技术具有许多优点。
由于其高精度的监测能力，能够实时监测到巷道顶板的微小变形和离层现象，有助于提前发现顶板的安全隐患。
FBG传感器具有较高的抗干扰能力和稳定性，能够在恶劣的地下环境下长期稳定运行。
FBG 传感器的采集系统可以实现远程监测和数据传输，方便工程管理人员对巷道顶板状态进行实时监测和分析。
FBG传感器具有较长的使用寿命和较低的维护成本，能够大大降低巷道顶板监测的运行成本。
除了传感器本身的优势，基于FBG传感器的巷道顶板离层状态监测技术还可以结合先进的数据处理和分析算法，实现对巷道顶板状态的智能监测。
通过建立巷道顶板离层状态的三维数字模型，并结合FBG传感器采集的数据，可以实现对巷道顶板离层状态的智能预测和分析。
一旦监测到巷道顶板出现离层现象，监测系统可以通过预设的报警机制及时向管理人员发出警报，以便及时采取应对措施，避免因顶板离层而导致的安全事故的发生。
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０ 引 言
Ａ ＝２ｎ Ａ
Байду номын сангаас
（１）
近些年来 ，煤矿采 空 区火 灾事 故频发 ，其 中很 大一 部 分原 式 中：Ａ表示光栅的栅格周期 ；ｎｅｆ表示光纤纤芯 的有效折射率 。
差 、寿命短 、只能单点 式测 量等缺 点 ，而且 自身 带 电，在采 空 区
ＡＡ。＝２Ａｎ。 ＋２ｎ △以
（２）
这样 的环 境 中还 存在 安 全 隐患 。利用 ＦＢＧ的 高灵 敏 感 温特
假如 ＦＢＧ的温度场发生改变 ，而轴 向应力 场以及均匀压力
性 和 ＦＢＧ温度传感器 的诸 多优 点 ，创新 性地将光 纤光栅传 场都不 发生 变化 ，由热膨胀效应导致 的 ＦＢＧ栅 格周期改变是 ：
因都是 由于温度过 高引起的 自燃 ，有效 地监测煤 矿采空 区温度
当 ＦＢＧ的温度 发生变化 时 ，以 与 ｎ 分别 产生 △以 与 △ｎ
变化 已成 为遏 制事 故发生 的有 效途径 。而 目前 矿用 主要 的测 的变 化 ，因而会导 致满 足 布拉格 条件 的反 射光 波 的波 长发生
温手段是 传统 的 电子型温 度传 感器 ，往往 存在精 度低 、稳 定性 △Ａ 的偏移 ，将 式（１）进行微分并忽 略高阶无 穷小后 即
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ Ｍ ｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｇｏａｆ ｏｆ Ｃｏａ１．．ｍ ｉｎｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＢＧ
ＬＩ Ｙ ａｎｇ。ｙａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｈａｉ，ＴＡＮ Ｊｉｕ
（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗ ｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ ｙ ，Ｗ ｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｔｉｃａｌ ｆ ｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｉｓ ａ ｎｅｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ，ｗｈｏｓｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｐ ｔｏ １０ ｐｒｏ／％ ．Ａ
ｋｉｎｄ ｏｆ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｇｏａｆ ｏｆ ｃｏａｌ—ｍ ｉｎｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＢＧ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ— ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｖｅ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｕ ｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐａｃｋａｇｅ ｌｏｓｓ ｉｓ ｏｎｌｙ ０．０３ ｄＢ，ａｎｄ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｒｅａｃｈｅｄ １．１５ ｋＮ 。ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒａｄｅ ｏｆ ｄｕｓｔ—ｐｒｏｏｆ ａｎｄ ｗａｔｅｒ—ｐｒｏｏｆ ｒｅａｃｈｅｄ ＩＰ６４．Ｔ ｈ ｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｓｅｒ ｉｅｓ ｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｅａｓｉｌｙ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ，ｍｕｌｔｉ－ｐｏｉｎｔ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｉｎｔｒ ｉｎｓｉｃａｌｌｙ ｓａｆｅ，ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｇｏｏｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｅｔｃ．，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏａｌ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄａｔａ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｃａｎ ｆ ｉｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｇｏａｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓ— ｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ Ｋｒｉｇｉｎｇ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｉｍ ｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎｉｆ ｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｓａｆｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｏａｌ ａｒｅａ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏａｆ ｏｆ Ｙａｎｇ Ｃｈａｎｇｗａｎ ｃｏａｌ—ｍｉｎｅ ｉｎ Ｎｉｎｇｘｉａ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
摘 要 ：光 纤布拉格光栅 （ＦＢＧ）作 为一种新兴 的温度 传感 元件 ，灵敏 度 高达 １０ ｐｍ／℃。基 于 ＦＢＧ的温度传 感特 性设 计 了一种针对煤矿采空 区的温度场在线监测 系统 。提 出了一 种新型抗拉封 装结构 ，经 测试 ，其封 装损耗仅 为 ０．０３ ｄＢ，抗 拉 强度达到 了 １．１５ ｋＮ，防 尘防水等级达到 了 ＩＰ６４级。该 系统具有安装方便 、可分布式 、多点连续测量 、本质安 全、灵敏度 高、可靠性好 等优 点 ，不仅能够 实时准确地监测煤矿采 空区测试 点的温度 ，而且对测得的数据通过克里金插值法还 可拟合 出整个采 空区的温度场分布 ，对 于采 空区的安全 生产 具有 重要 意 义。该 系统在神 华 宁夏 煤业 集 团羊场 湾煤矿 采 空区 Ⅱ ０２０２１０工作面的应用表 明 ，该 系统具有很 高的精度和稳 定性 。 关 键 词 ：光 纤 光栅 ；采 空 区 ；温 度 监 测 ；克 里金 ；温 度 场 中图分类号 ：ＴＰ２１２．９ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００２—１８４１（２０１６）０３—００５８—０３
２０１６正
第 ３期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１６ Ｎｏ．３
基 于 ＦＢＧ 的煤 矿 采 空 区温 度场 监 测 系统 的设 计
李洋洋 ，王洪海，谭 玖
（武汉理 工大 学 。光纤传感技术国家工程实验室 ，湖北武汉 ４３００７０）