基于光纤光栅原理的智能锚杆监测系统研发

付宏伟

（山西汾西矿业集团新产业发展有限责任公司， 山西 介休 032000）

0 引言

在煤矿顶板监测方面，目前仍是以传统的电子、机械方式为主，部分甚至还是靠人工观测。相比之下，基于光纤光栅原理制造的传感器通过测量光的波长来判断外界物理量，具有对恶劣环境适应性强、抗电磁干扰能力强、精度高等优点，基于该原理的智能锚杆具备应力自监测功能，可实时进行应力数据采集和安全状态评估，配合锚杆监测系统，可以实现复杂环境条件下对煤矿顶板状态的实时在线监测、预报和预警，对于保障煤矿安全生产具有重要的意义[1-2]。

1 光纤光栅的优势及传感机理

当前，在传感器应力应变设计原理方面，常用的应变传感器为振弦式应变计、电阻式应变计以及光纤光栅应变计，其特性对比如表1 所示。

表1 常见的应变计特性对比

电阻式应变计是传统的应变传感元件，解调设备比较成熟，但其受环境影响较大，长期应变测试的结果会严重失真，只适用于短期应变测量；振弦式应变计传感器输出信息为频率特征，不受导线长度的影响，灵敏度和稳定性也较好，但由于振弦蠕变的原因，正常使用期仅为3 年左右。相比之下，光纤光栅传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、传输频带较宽等优点，且采用分布或者准分布式测量，能够用一根光纤测量多点或者无限多自由度的参数分布，具备传统的机械类、电子类、微电子类等分立型器件无法实现的功能，是传器技术的新发展。光纤光栅本质就是光纤，是利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光等方法使纤芯中某一段长度上折射率周期性变化。根据模耦合理论，光纤光栅会反射特定波长的光信号，其中波长λB=2nΛ（λB为光纤光栅的中心波长；n 为纤芯的有效折射率；Λ 为光栅周期），其他波长的光信号继续沿光纤传播，如图1 所示。

图1 光纤光栅的工作原理示意图

2 光纤光栅智能锚杆及平台的设计研发

2.1 光纤光栅智能锚杆设计原理

基于光纤光栅的优势及传感机理，提出一种监测复杂荷载作用的智能锚杆，可以利用植入FBG 应变传感器将锚杆封装为FBG 智能锚杆对锚杆在工作状态下全长范围内的应变、轴向力、弯矩、剪应力及锚杆变形等参数实时监测，实现对多节点处复合荷载自动分离与在线监测；同时引入FBG 温度传感器，对应变检测结果进行温度补偿，对煤矿巷道及煤层环境温度进行监测，以预警煤矿巷道的灾害隐患。

要实现对锚杆的应力监测，判断出锚杆截面最大应力，需要在锚杆多个截面上120°对称布置3 个应力传感器，通过多个传感器的综合监测数据推导出整个钻杆的应力状态，实现对其应力监测。选择通过开槽布设传感器的方式对锚杆进行封装，可防止其受外部剐蹭的损坏。锚杆轴的轴截面径向互成120°的位置设3 个槽，在槽内植入光纤光栅应变传感器。可通过传感器的灵敏度调节，来改变智能锚杆的量程。通过标定试验获得所测试的锚杆量程，根据实际围岩受力分析和实测结果综合考虑，调整传感器的量程，以得到最优智能锚杆配置。

2.2 智能锚杆监测系统研发

根据智能锚杆的应用需求，需要建立一套监测管理系统来对所有业务系统进行全面的自动监测和管理，以减轻系统管理员的维护工作量，提高管理水平。系统应包括传感器单元子系统、数据采集子系统、数据分析及控制子系统、信息显示系统等模块。其中，传感器与数据采集子系统为数据获取的前端，数据存储管理子系统为联系各子系统的纽带和中心。数据分析及控制系统涵盖了安全报警与状态评估，为整个系统的功能核心，用于对大量监测数据进行分析、并具备预警和结构评估功能，可实现监测结果、评估结论的图表显示，人工信息的录入，指令的输入等。具体搭建情况如下：

1）远程监测部分使用B/S 结构，用户通过浏览器即可登录使用系统。在这种结构下，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，主要事务逻辑在服务器端（Server）实现。可简化了客户端操作，减轻了系统维护与升级成本，能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式访问和操作共同的数据库，它能有效地保护数据平台和管理访问权限，保障服务器数据库安全。

2）各系统间通过光纤网络联系而进行运作，网络结构由网络服务器、PC 机、专用工控机以及各种放大器、传感器等组成。每个网络节点往下由工控机、信号调理器、传感器等构成微型网络，以保证系统的可维护性和扩充性，以便系统的进一步开发和监测规模的扩大。整个系统采用环状网络结构，以提高系统正常运行的可靠性。

3）系统可实现的功能：巷道实时监测管理系统可实现数据库服务、系统管理（用户管理、角色管理、权限管理）、传感器管理（传感器配置）、数据分析（按用户需求选择并分析不同监测断面的数据）、项目管理（沉降监测、温度监测、应变监测、裂缝监测）等。

3 智能锚杆监测系统试验及应用

首先需要现场调研巷道地质特征、技术条件及采动巷道围岩环境状态等，总结分析巷道对于锚杆支护及监测的具体需求。然后基于光纤传感理论与技术，对传感器及锚杆进行封装。最后根据煤矿现场条件及技术要求，对监测系统的监测仪器进行测试和标定，对软硬件兼容性、系统稳定性进行调试，试验过程中，布置合理的传感器监测位置及实施方法，确定安全监测系统合理的预警极限值，实现矿井安全实时连续监测。试验验证指标情况为：锚杆支护力测量范围≥600 kN，传输距离≥5 km，顶板变形预警准确率≥90%，试点区域传感器覆盖率≥80%，技术成熟度达到7 级应用水平，能够胜任顶板应力监测的任务，并在试点巷道连续运行超过2 000 h。

4 结论

1）基于光纤光栅的优势及传感机理，设计出能够实现应力自监测的智能锚杆，该锚杆能够实现应力数据实时采集和安全状态评估等功能，能够解决锚杆实际工作中的应力实时监测难题。

2）研发出智能锚杆监测系统，能够实现远程动态监测和超限预警、系统监测的数据自动存储、历史查询以及数据信息共享等功能。可为现场解决具体技术问题，并掌握矿井安全监测参量的实时变化规律。

3）成功进行了工业性试验，对系统的各项指标进行测试，具有对恶劣环境适应性强、抗电磁干扰能力强、精度高、灵敏度高、易于传输、无源本质安全、准分布式测量等优点，估算年产值可达500 万元以上，且可减少95%的顶板事故，综合效益显著。