分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望.pdf
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1、第 48 卷增 1煤炭学报Vol.48Supp.12023 年4 月JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYApril2023安全科学与工程分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望侯公羽1,胡志宇1,李子祥2,赵庆儒1,冯东兴1,程成1,周航1(1中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;2 安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南232001)摘要:目前国内煤矿普遍采取高强度(大采高)的开采现状,伴随着煤矿开采智能化快速发展,对煤矿安全监测也提出了更高的要求。现有的煤矿巷道一般长达几千米,工作面面积更是能达到几平方千米,很难通过人工方式或使用
2、传统的点态传感器来准确、实时地获取如此大面积的监测信息。由于光纤材质具有易于加工、耐磨性高、耐腐蚀性强、绝缘性好、抵抗地下水和电磁干扰能力强等优点,随着近代光学基础理论及光纤通信的发展,各种光学器件的制造成本也在不断降低,将光纤监测技术用于监测领域是发展的必然结果。而且光纤主要成分为二氧化硅,属于本质安全型传感器,特别适合于在煤矿等高危环境下监测。本文系统总结了各类光纤传感技术的基本原理、优缺点和适用条件,重点介绍了采用光纤光栅及分布式光纤传感技术在煤矿安全监测中进行煤矿立井壁变形、采空区地层沉陷变形、采动覆岩变形、巷道安全及稳定性、煤矿瓦斯监测预警等方面的应用现状,展望了分布式光纤监测技术的
3、应用前景。通过对已有文献的分析,获得了如下结论:光纤传感技术能够满足在不同条件下对煤矿安全监测的基本要求,可以在各种恶劣环境下使用。与现有的传统人工监测、点态传感器等常规测试方式和技术相比,光纤监测技术的灵敏度高、监测范围大、能够在时空上进行连续、大范围的分布式监测,在煤矿安全监测中具有极大的优势,拥有较好的应用前景。关键词:光纤传感;布里渊光时域反射;变形监测;温度监测;安全监测中图分类号:TP212文献标志码:A文章编号:02539993(2023)S1009615移动阅读收稿日期:20220418修回日期:20220526责任编辑:郭晓炜DOI:1013225/jcnkijccs2022
4、0527基金项目:国家自然科学基金委员会与神华集团有限责任公司联合重点资助项目(U1261212,U1361210);国家自然科学基金委员会与 2020 年度高速铁路基础研究联合基金重点资助项目(U2034205)作者简介:侯公羽(1965),男,辽宁灯塔人,教授,博士生导师,博士。Email:hgyht126com通讯作者:胡志宇(1998),男,河南商丘人,硕士研究生。Email:huzhiyuhh163com引用格式:侯公羽,胡志宇,李子祥,等 分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望J 煤炭学报,2023,48(S1):96110HOU Gongyu,HU Zhiy
5、u,LI Zixiang,et al Present situation and prospect of coal mine safety monitoring basedon fiber bragg grating and distributed optical fiber sensing technology J Journal of China Coal Society,2023,48(S1):96110.Present situation and prospect of coal mine safety monitoring based on fiberbragg grating an
6、d distributed optical fiber sensing technologyHOU Gongyu1,HU Zhiyu1,LI Zixiang2,ZHAO Qingru1,FENG Dongxing1,CHENG Cheng1,ZHOU Hang1(1School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and TechnologyBeijing,Beijing100083,China;2School of Civil Engineeringand Architecture,Anhui Unive
7、rsity of Science and Technology,Huainan232001,China)Abstract:At present,domestic coal mines generally adopt the mining status of high intensity(large miningheight)With the rapid development of intelligent coal mining,higher requirements are put forward for coal mine safe-ty monitoring The existing c
8、oal mine roadway is generally thousands of meters long,and the working face area canreach several square kilometers It is difficult to obtain such a large area of monitoring information accurately and in增刊 1侯公羽等:分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望real time by manual means or using traditional point state
9、 sensors Because the optical fiber material has the advanta-ges of easy processing,high wear resistance,strong corrosion resistance,good insulation and strong resistanceto groundwater and electromagnetic interference,with the development of modern optical basic theory and optical fi-ber communicatio
10、n,the manufacturing cost of various optical devices is also decreasing It is an inevitable resultof the development of optical fiber monitoring technology in the field of monitoring The main component of optical fi-ber is silica,which is an intrinsically safe sensor,especially suitable for monitorin
11、g in high-risk environments suchas coal mines This paper systematically summarizes the basic principles,advantages,disadvantages and applica-ble conditions of various optical fiber sensing technologies,and focuses on the application status of optical fiber gratingand distributed optical fiber sensin
12、g technology in coal mine safety monitoring,such as coal mine shaft wall deforma-tion,goaf stratum subsidence deformation,mining overburden deformation,roadway safety and stability,coalmine gas monitoring and early warning,etc,The application prospect of distributed optical fiber monitoring technolo
13、gyis prospected Through the analysis of the existing literature,the following conclusions are obtained:Optical fibersensing technology can meet the basic requirements of coal mine safety monitoring under different conditions and canbe used in various harsh environments Compared with existing convent
14、ional testing methods and technologies suchas traditional manual monitoring and point-state sensor,optical fiber monitoring technology has high sensitivity,large monitoring range,and can carry out continuous and large-scale distributed monitoring in time and spaceIt has great advantages in coal mine
15、 safety monitoring and has a good application prospectKey words:optical fiber sensing;brillouin optical time domain reflection;deformation monitoring;temperature monito-ring;safety monitoring煤炭是目前支撑国内工业生产活动及生活的主要能源,我国丰富的煤炭储量为国民经济发展提供了可靠保障,未来几年煤炭资源将继续在一次能源消费结构中占据优先地位13。随着我国部分地区浅部煤层的日益枯竭,煤矿的开采深度在逐渐增加,
16、致使煤矿安全生产面临的灾害威胁越来越多,确保煤炭资源的安全开采成为了人们必须面对的关键问题4。煤矿事故是影响安全开采的重要因素,事故的发生一部分原因是由于支护不当造成。相关研究5 通过对常规条件下巷道支护设计的原理与方法进行总结,指出巷道的支护设计必须依据围岩与支护结构的相互作用机制来确定或估算支护结构受到的荷载大小。其研究成果对减少煤矿支护事故,降低支护成本具有重要的意义与价值。除支护不当原因外,对煤矿的安全监测不足也会导致发生事故。现有的煤矿巷道长达几千米,工作面面积更是多达几平方千米,在这种情况下现有的传统人工监测手段、点态传感器等常规测试方式很难准确、实时地获取工作面大面积的监测信息6
17、。光纤传感技术伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成,是一种新型的传感技术。技术本身具有抗电磁干扰、测量精度高、自动化程度高等优点,因此在煤矿安全领域逐渐得到应用。和传统的监测技术相比,分布式光纤传感技术的特点在于:造价低廉,分布式光纤技术使用标准的通信光纤做为传感器,并在外部封装各种保护措施,其低廉的造价为光纤在工程中大规模使用及实现分布式监测提供了可能性。感测点分布连续性、测点覆盖性好,不存在监测盲区,大大降低了漏检的可能。传感器本质安全,且石英材质耐地下水侵蚀及抗电磁干扰能力强,力学性质较为稳定。基于光纤原理设计的传感器具有应变测量精度高、温度感知灵敏度高等特点,能够满足各类对测量精度控
18、制严格的工程健康监测的要求79。近年来,相关行业的科研人员利用分布式光纤传感技术,在各类管道工程10、市政与岩土工程11、资源勘探12 等领域已经开展了众多卓有成效的研究。本文系统总结了目前煤矿安全监测中分布式光纤及光纤光栅传感技术的一些应用实例和技术分析,展望了未来的应用前景。1光纤传感定义及原理1.1光纤传感技术及相关定义光纤传感技术,是指以光波为载体、光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。其原理是光在光纤中传播时,与光纤中的二氧化硅及其他掺杂的杂质作用,产生光的散射现象。现有的光纤传感技术,也多是利用了光的散射原理进行各种参量的感知。基于待测量的空间分布,光纤传感器可分为
19、3类(图 1),主要区别13 如下:79煤炭学报2023 年第 48 卷(1)点式传感器。测量是在空间中的一个点上进行的,但可能使用多个通道来处理多个点。例如单光纤布拉格光栅(FBG)传感器。(2)准分布式传感器。通过一根信号传导线将相关的传感器串联起来,形成一个分布式感测网络,待测参数是一根传导线上若干固定或离散的点。最常见的例子是多路 FBG 传感器。(3)分布式传感器。传导线具有信号传输和传感监测两方面功能,可以获得沿线被测量的全分布信息。图 1光纤传感技术概念Fig.1Conceptual diagram of optical fiber sensing technology光纤监测系
20、统是利用计算机、通信技术以及光纤特性测量技术,对光纤传输网进行远程分布式的实时监测,并对光缆线路的状况信息集中收集、处理和存储的一种自动化监测系统。系统一般由前端光纤传感器、光纤解调仪、数据库、显示终端等组成,具备周期测试、数据综合分析和自动告警等功能。图 2 为光纤光栅监测系统应用于现场的工作流程14。图 2光纤光栅闭环监测系统Fig.2Fiber Grating closed-loop monitoring system1.2分布式光纤传感技术简介(1)光纤中散射光的分类。光的散射是一种普遍现象,产生的原因是光在传播过程中由于被介质中的物质影响而发生偏折。现有的光纤传感技术也普遍是利用光的
21、散射原理实现对各种参量的感知。根据散射光的频段分布及在不同带宽范围内的光强高低,由低频带到高频带可以分为:瑞利散射光、布里渊散射光、拉曼散射光、背向(后向)布里渊散射光,散射光的光谱分布如图 3 所示。图 3光纤中不同的散射光类型Fig.3Different types of scattered light in optical fiber(2)布里渊光时域反射技术(BOTD)。布里渊光时域反射技术(简称 BOTD 技术)是一种工程中应用较广泛的技术,它利用了布里渊自发散射光的频率和功率同光纤中的温度和应变成正比的性质,通过测量光纤中的背向自发布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应
22、变的分布信息。由于BOTD 具有单端测试、无需形成闭环回路、光纤中的断点易寻等优良性质,所以在隧道、桥梁等工程中得到了大规模的应用。其基本原理如图 4 所示(图 4中,vB(0)为当应变为 0 时的布里渊频率的漂移量,MHz;vB(e)为当应变为 e 时的布里渊频率的漂移量,MHz;Z1,Z2为沿光纤方向上的距离,m)。图 4布里渊散射分布式光纤应变感测技术Fig.4Brillouin scattering distributed optical fiber strainsensing technology(3)布里渊光频域分析技术(BOFDA)。布里渊光频域分析技术采用了基于受激布里渊散射光
23、的双端测试的原理,其一端输出泵浦光,另一端输出的是脉冲光,利用了泵浦光和脉冲光在光纤中相互碰撞,继而产生大量声学声子的性质。光纤内的布里渊声学声子其能量和温度以及应变为线性关系,从而使光89增刊 1侯公羽等:分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望纤能够实现温度和应变的测量。和 BOTD 技术所采用的自发布里渊散射光相比,BOFDA 产生的受激布里渊散射光功率更高,因此具有更高的空间分辨率和监测精度。以目前的技术,其应变监测精度可以达到 2106。(4)光频域反射技术(OFD)。光频域反射技术(简称 OFD),是近年来以高精度、高空间分辨率为目标开发出的一种新型分布式光纤传
24、感技术,其利用的为光纤中的瑞利散射光。光纤制造工艺中因折射率分布不均,有特定瑞利散射频谱分布,光纤某位置受温度或应变影响,发生瑞利散射频移,频移量与温度和应变成线性关系。OFD 技术具有极高的空间分辨率,可以达到毫米级别,但是其缺点是测量距离较短,一般只有几十到几百米。(5)拉曼 散 射 技 术(OTD)。拉 曼 散 射 技术(简称 OTD),是一种以分布式测温为目标开发出的一种新型分布式光纤传感技术。其利用的为光纤中的拉曼散射光,拉曼散射光和光纤中的介质发生弹性碰撞,会释放出斯托克斯光和反斯托克斯光。依据二者之比和温度变化之间的物理关系,可以实现对温度的测量。由于拉曼散射只对温度敏感,而对应
25、变、变形等参量不敏感,所以目前该技术被广泛应用于各种特殊工程的温度监测中。1.3光纤光栅传感技术简介光纤光栅传感器(简称 FBG 传感器),属于光纤传感器家族中的一种特殊类型。光纤光栅的传感原理和分布式光纤技术有所不同,它是通过紫外线腐蚀等特殊手段,在一整段完整的光纤中预先刻制好带有不同间隔栅距的光栅,而这些光栅和外界物理参量之间可以通过波长的调制来感受环境变化信息,因此传感器本质上是通过光栅对波长的调制进行感知。光纤光栅的的原理结构如图 5 所示。其结构主要包含一个 ASE 或 SLDE 和一个具有固定带宽的环形器。光源中可以发射出能量高低不等的激光,并直接通过内部的环行器入射到传感器中,传
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