FBG传感器在煤矿巷道结构监测中的研究

发布时间：2017-04-28 04:05

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【摘要】：近几年来,随着煤炭的开采量过大,煤矿深度不断的加大,矿区所在的采煤区域的地质情况越来越复杂,保证煤矿的安全生产已经成为重中之重。煤矿的安全事故主要有煤矿巷道顶板离层、煤矿在开挖过程中出现瓦斯,煤矿矿压失衡,造成原有的支护结构造成损害。因此,如何保证生产区域的安全生产,如何能够做到安全及时有效的排除人员或者采煤区域所存在的安全隐患已经被每个煤矿所重视。保证煤矿的安全生产,减少在采煤过程中所出现的安全事故,增加安全生产的可靠性,能够为煤矿保证矿工的生命安全以及煤矿的经济效益带来很大的帮助。 本工程中采用光纤Bragg光栅传感器来实现煤矿巷道的顶板离层和巷道围岩两帮压力的监测。光纤Bragg光栅位移传感器具有很多传统传感器不具有的优点,例如光纤Bragg光栅传感器具有重量轻、抗电磁干扰能力强、精度高、本质安全型等于一体特点,克服了传统传感器对使用区域的限制问题。将FBG位移传感器与土压力传感器安装于监测区域,由于光纤传输信息量大等特点,可以对监测区域实现24小时不间断的监测,及时掌握煤矿巷道顶板和巷道围岩两帮压力的变化趋势,对监测区域的巷道发展趋势进行预测,对在此处施工的人员进行及时预警。 本文基于淮北矿业朱仙庄煤矿南二风井上部车场作为此次煤矿顶板离层和巷道围岩压力监测的项目背景,开展了’FBG传感技术在煤矿巷道监测中的应用研究。主要包括一下几个方面的工作： 1.研究分析了光纤Bragg光栅位移传感器、土压力传感器的传感结构、传感模型和传感原理,利用光纤的传输特性将光纤Bragg光栅传感器组建成光纤传感网络,实现对煤矿巷道顶板离层的位移、巷道围岩两帮压力进行长期实时在线的监测。 2.研究分析了煤矿巷道的病害情况,对煤矿巷道顶板离层的位移和巷道围岩两帮压力在受到爆破施工的影响时的发展趋势,研究分析所监测的数据突变。同时通过位移传感器的差动式是结构消除温度对传感器的影响。 3.针对现有的设备不能满足煤矿对设备的防爆要求,将现有的市场上所销售的PLC防爆开关柜进行改装,将光纤Bragg光栅解调仪和光开关模块放置于经过改装的防爆开关柜中,满足煤矿对设备的防爆要求。 4.由于井下所使用的照明普通用电为127V,无法满足现有设备的使用,通过在防爆开关柜中安装逆变器,将井下所说用的127V照明电通过逆变器转化为设备可以正常使用的220V电压,保证系统的正常运行。 5.采用有限元分析软件对开挖前后的煤矿巷道围岩变化进行模拟分析,通过对开挖前后的位移场分布、应力强度场分布、剪应力强度场分布的情况分析,通过将模拟分析出来的数值与监测时间段内的数据进行对比,验证有限元分析软件模拟值的可靠性.
【关键词】：光纤Bragg光栅 煤矿巷道 顶板离层 围岩压力 光纤传感网络 实时监测 有限元分析
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD76;TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 引言12
• 1.2 煤矿巷道顶板的概念12-13
• 1.3 煤矿巷道两帮的围岩压力13-14
• 1.4 国内外现有的煤矿监测方法14-16
• 1.5 分布式FBG传感器在煤矿监测中的应用16-18
• 1.6 小结18-20
• 第二章 FBG传感器的工作原理20-28
• 2.1 引言20
• 2.2 光纤Bragg光栅的工作原理20-22
• 2.3 FBG传感器的工作结构22-24
• 2.3.1 FBG位移传感器的工作结构22-23
• 2.3.2 FBG土压力传感器的工作结构23-24
• 2.4 FBG传感器的数学模型24-27
• 2.4.1 FBG位移传感器的数学模型24-25
• 2.4.2 FBG土压力传感器的数学模型25-27
• 2.5 小结27-28
• 第三章 FBG传感器的测试与传感网的建设28-50
• 3.1 引言28
• 3.2 FBG位移传感器的测试28-33
• 3.2.1 位移传感器温度补偿28-29
• 3.2.2 位移传感器的测试29-33
• 3.3 FBG传感器监测方案的研究与制定33-36
• 3.3.1 安全监测的对象33-34
• 3.3.2 监测方案的制定34
• 3.3.3 传感器安装拓扑图34-35
• 3.3.4 传感器具体安装工程35-36
• 3.4 FBG传感器的安装与传感网络的布设36-43
• 3.4.1 有限元模型的计算单元和材料参数36-37
• 3.4.2 FBG位移传感器的安装位置的选择与安装37-40
• 3.4.3 FBG土压力传感器的安装位置的选择与安装40-43
• 3.5 光谱分析仪安置示意图43-44
• 3.6 光纤器件的连接及常用设备44-47
• 3.7 光纤传感监测系统的调试47-49
• 3.8 小结49-50
• 第四章 FBG传感监测网络的数据分析50-68
• 4.1 引言50
• 4.2 数据采集50-51
• 4.3 煤矿巷道顶板离层位移与围岩压力的计算方法51-60
• 4.3.1 煤矿巷道顶板离层位移的计算方法51-52
• 4.3.2 煤矿巷道两帮的围岩压力计算方法52
• 4.3.3 煤矿巷道顶板离层位移以及围岩压力在爆破施工中的监测数据的分析52-60
• 4.4 FBG传感器监测数据的采集与分析处理60-66
• 4.4.1 FBG传感器后期监测数据的采集60-61
• 4.4.2 FBG传感器监测数据与有限元数值模拟结果的对比61-66
• 4.5 小结66-68
• 第五章 总结与展望68-72
• 5.1 总结68-70
• 5.2 展望70-72
• 致谢72-74
• 参考文献74-80
• 附录A 攻读硕士学位期间研究成果80-81
• 附录B 攻读硕士学位期间研究成果81

【参考文献】

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本文编号：332068